DE102019217277A1

DE102019217277A1 - Energiespeichereinheit, Energiespeichersystem, Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinheit und Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems

Info

Publication number: DE102019217277A1
Application number: DE102019217277.6A
Authority: DE
Inventors: Tim Krome; Stefan Palte; Hans-Joachim Lilienhof
Original assignee: Mabedra Holding GmbH
Current assignee: MABEDRA HOLDING GMBH, DE
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit, ein Energiespeichersystem, ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinheit und ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems.Eine Energiespeichereinheit (10) umfasst eine Sekundärbatterie (12), einen mit der Sekundärbatterie (12) gekoppelten Gleichspannungswandler (16) und eine erste Anschlusseinrichtung (17) zum elektrischen Anschluss des Gleichspannungswandlers (16) an eine Wechselrichtereinheit (34). Der Gleichspannungswandler (16) ist dazu eingerichtet, selektiv eine elektrische Spannung eines ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie (12) in eine elektrische Spannung eines vom ersten Spannungsniveau abweichenden zweiten Spannungsniveaus zur Übertragung an die Wechselrichtereinheit (34) umzuwandeln und umgekehrt. Die Energiespeichereinheit (10) weist eine Detektionseinrichtung (20) zur Detektion zumindest einer Information bezüglich eines Lade- bzw. Entladevorgangs der Sekundärbatterie (12) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit, ein Energiespeichersystem, ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinheit und ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems.
Die Speicherung elektrischer Energie ist nicht zuletzt aufgrund der Energiewende derzeit Gegenstand vielfältiger Forschungsaktivitäten. Dabei stehen unterschiedlichste Energiespeicherkonzepte zur Verfügung, die verschiedene Vor- und Nachteile mit sich bringen und für unterschiedliche Anwendungsgebiete geeignet sind. Insbesondere die wenig konstante Bereitstellung elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen erfordert zusätzliche Maßnahmen zur kurzfristigen und flexiblen Speicherung elektrischer Energie bzw. zur Stabilisierung der Netze.
Bekannte Energiespeichersysteme haben oft den Nachteil hoher Investitionskosten, vergleichsweise geringer Lebensdauern sowie den Nachteil einer mangelnden Flexibilität, die eine Änderung oder Erweiterung der Speicherkapazität ohne den Austausch wesentlicher Teile des Systems unmöglich macht. Andere Systeme erlauben dagegen keine bedarfsgerechte Ansteuerung einzelner Sekundärbatterien, sodass diese aufgrund häufiger Ladezyklen und nicht optimal auf den jeweiligen Batterietyp abgestimmte Belastung rasch altern.
Die CN 106 921 210 A offenbart eine Hilfsstromversorgungseinrichtung zur Versorgung elektrischer Verbraucher im Falle eines Netzausfalls. Diese umfasst eine Redox-Flussbatterie mit einer damit verbundenen Hilfseinrichtung und einem Batteriemanagementsystem. Sie umfasst weiterhin einen Leistungskondensator zur Stromversorgung der Redox-Flussbatterie. Damit ist ein selbsttätiges Starten der Redox-Flussbatterie möglich.
Die CN 205 829 281 U beschreibt eine doppelte Regelungseinrichtung für das Laden und Entladen einer Vanadium-Redox-Flussbatterie. Diese umfasst eine Vanadium-Redox-Flussbatterie, ein Photovoltaik-Modul und einen Gleichstromverbinder, der über eine Photovoltaik-Steuerung mit dem Photovoltaik-Modul verbunden ist. Die Vanadium-Redox-Flussbatterie ist mittels eines bidirektionalen DC/CD-Moduls mit einem Pulsweitenmodulations-Konverter verbunden und der Ausgang dieses Konverters ist mit einem Eingang der Vanadium-Redox-Flussbatterie verbunden.
Die CN 205 595 428 U offenbart ein hybrides Energiespeichermanagementsystem für eine Lithium-Batterie und einen Zink-Brom-Akkumulator. Dieses weist fünf in Reihe geschaltete Zink-Brom-Reaktoren auf, die an die Niederspannungsseite eines DC/DC-Wandlers angeschlossen sind. Die Lithium-Batterie ist in vier Wandler unterteilt und an die Niederspannungsseite des DC/DC-Wandlers angeschlossen. Auf diese Weise können die technischen Probleme gelöst werden, dass die Lithium-Batterie nicht über längere Zeiträume tiefenentladen werden kann und die Flussbatterie nicht schnellentladefähig ist.
Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Energiespeichersystem 30 ist in 1 dargestellt. Fett gedruckte Striche bzw. Pfeile stellen Leitungen zur Energieübertragung dar und gestrichelte Pfeile stellen Informationsübermittlungspfade dar.
Das Energiespeichersystem 30 umfasst eine oben dargestellte Wechselrichtereinheit 34 mit einer Energiemanagementeinrichtung 38, die eine Einheit bildet mit vier Gleichspannungswandlern 16. Die Wechselrichtereinheit 34 ist, wie mittels des fett gedruckten Doppelpfeils dargestellt, mit einem Netz 50, dem Stromversorgungsnetz, gekoppelt. Jeder der Gleichspannungswandler 16 ist an eine Sekundärbatterie 12 gekoppelt. Es ist ersichtlich, dass die Wechselrichtereinheit 34 mit der Energiemanagementeinrichtung 38 und die Gleichspannungswandler 16 in einer baulichen Einheit angeordnet sind.
Beim Laden der Sekundärbatterien 12 dient die Wechselrichtereinheit 34 der Umwandlung von Wechselspannung des Netzes 50 in Gleichspannung. Die Gleichspannungswandler 16 dienen der Reduzierung der Gleichspannung auf das Spannungsniveau der Sekundärbatterien 12. Beim Entladen der Sekundärbatterien 12 bzw. bei der Bereitstellung elektrischer Energie an das Netz 50 dienen die Gleichspannungswandler 16 der Erhöhung der Spannung der Sekundärbatterien 12 und die Wechselrichtereinheit 34 dient der Umwandlung der derartig erhöhten Gleichspannung in Wechselspannung zur Ausgabe in das Netz 50.
Die vier Gleichspannungswandler 16 dienen der unabhängigen Ladung bzw. Entladung der vier Sekundärbatterien 12. Dies kann durch die Energiemanagementeinrichtung 38 gesteuert werden.
Die Wechselrichtereinheit 34 mit Energiemanagementeinrichtung 38 ist darüber hinaus, wie mittels des gestrichelten Doppelpfeils dargestellt, mit einem Datennetzwerk 40, dem Internet 42, verbunden.
Das Energiespeichersystem 30 ist wenig flexibel, da Änderungen wie beispielsweise eine Erweiterung der Kapazität mittels zusätzlicher oder anderer Sekundärbatterien 16 einen Austausch der gesamten oben dargestellten Einheit, umfassend Wechselrichtereinheit 34, Energiemanagementeinrichtung 38 und Gleichspannungswandler 16, erforderlich macht. Dies ist notwendig, da die Gleichspannungswandler 16 an die Sekundärbatterien 12 angepasst sind und bei einer Änderung der Sekundärbatterie 12 ebenfalls getauscht werden müssen. Das System kann somit nicht an standortspezifische Bedürfnisse angepasst werden, sondern muss für jede Anwendung und Änderung der Anforderungen individuell ausgelegt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeichereinheit, ein Energiespeichersystem, ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinheit sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems zur Verfügung zu stellen, die eine flexible, einfache und kostengünstige Speicherung sowie Bereitstellung elektrischer Energie ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 1, das Energiespeichersystem gemäß Anspruch 4, das Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 11 und das Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems gemäß Anspruch 12. Ausgestaltungen der Energiespeichereinheit sind in den Unteransprüchen 2-3 angegeben; Ausgestaltungen des Energiespeichersystems sind in den Unteransprüchen 5-10 angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Energiespeichereinheit. Diese umfasst eine Sekundärbatterie, einen mit der Sekundärbatterie gekoppelten Gleichspannungswandler und eine erste Anschlusseinrichtung zum elektrischen Anschluss des Gleichspannungswandlers an eine Wechselrichtereinheit. Der Gleichspannungswandler ist dazu eingerichtet, selektiv eine elektrische Spannung eines ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie in eine elektrische Spannung eines vom ersten Spannungsniveau abweichenden zweiten Spannungsniveaus zur Übertragung an die Wechselrichtereinheit umzuwandeln und umgekehrt. Die Energiespeichereinheit weist eine Detektionseinrichtung zur Detektion zumindest einer Information bezüglich eines Lade- bzw. Entladevorgangs der Sekundärbatterie auf.
Eine Sekundärbatterie ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie und wird auch als Akkumulator bezeichnet. Die erste Anschlusseinrichtung ist mit dem Gleichspannungswandler gekoppelt. Der Gleichspannungswandler ist mit der Sekundärbatterie gekoppelt oder koppelbar. Die Kopplung der Sekundärbatterie mit dem Gleichspannungswandler meint eine elektrische Verbindung der beiden Komponenten. Die Energiespeichereinheit kann mehrere Sekundärbatterien umfassen. Die erste Anschlusseinrichtung umfasst typischerweise zwei elektrische Kontakte zur Kontaktierung jeweiliger Leiter des Netzes. Ein Netz im Sinne der Erfindung meint ein mit einer Wechselspannung betreibbares bzw. betriebenes Stromnetz bzw. elektrisches Versorgungsnetz, das somit zur Bereitstellung eines Wechselstroms eingerichtet ist.
Der Gleichspannungswandler ist insbesondere ein Stromrichter. Er wird auch als DC/DC-Wandler bzw. DC/DC-Konverter bezeichnet. Er ist dazu eingerichtet, zwecks Entladung der Sekundärbatterie bzw. zwecks Übertragung elektrischer Energie zur Wechselrichtereinheit der Sekundärbatterie eine elektrische Spannung des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie in eine elektrische Spannung des zweiten Spannungsniveaus zur Übertragung an die Wechselrichtereinheit umzuwandeln. Weiterhin ist der Gleichspannungswandler dazu eingerichtet, zwecks Ladung der Sekundärbatterie bzw. Aufnahme elektrischer Energie von der Wechselrichtereinheit eine elektrische Spannung des zweiten Spannungsniveaus von der Wechselrichtereinheit in eine elektrische Spannung des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie umzuwandeln. Die beschriebenen elektrischen Spannungen und Spannungsniveaus beziehen sich auf Gleichspannung.
Ein Spannungsniveau ist ein Spannungsbereich, innerhalb dessen die Spannung der Sekundärbatterie bei bestimmungsgemäßer Verwendung liegt. Das erste und das zweite Spannungsniveau weichen voneinander ab. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass die beiden Spannungsniveaus überlappende Spannungsbereiche aufweisen. Typischerweise überlappen sich die Spannungsbereiche der Spannungsniveaus nicht. Sie können in unterschiedlichen Größenordnungen liegen. Das zweite Spannungsniveau kann im Bereich von mehreren hundert Volt liegen. Es liegt insbesondere über dem ersten Spannungsniveau. Insbesondere liegt das erste Spannungsniveau unter 20 V. Beispielsweise beträgt das erste Spannungsniveau zwischen 1 und 10 V, insbesondere zwischen 1,1 V und 6 V. Beispielsweise beträgt das zweite Spannungsniveau zwischen 50 V und 1000 V, insbesondere zwischen 100 V und 500 V.
Die Wechselrichtereinheit liegt außerhalb der Energiespeichereinheit und dient der Umwandlung der elektrischen Spannung des zweiten Spannungsniveaus, die eine Gleichspannung ist, in eine Wechselspannung zur Übertragung an das Netz, und zur Umwandlung der elektrischen Spannung des Netzes, die eine Wechselspannung ist, in die elektrische Spannung des zweiten Spannungsniveaus. Typischerweise ist die Wechselrichtereinheit ein von der Energiespeichereinheit separates Bauteil.
Die Detektionseinrichtung dient der Detektion zumindest einer Information bezüglich eines Lade- bzw. Entladevorgangs der Sekundärbatterie. Sie kann Teil des Gleichspannungswandlers sein bzw. in einer Baueinheit mit diesem vorliegen.
Die Detektionseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, eine Geschwindigkeit eines Lade- und/oder Entladevorgangs zu ermitteln. Dazu kann sie beispielsweise einen Stromfluss, etwa durch zumindest einen Bereich des Gleichspannungswandlers, detektieren und auf diese Weise einen zeitlichen Verlauf bestimmen. Sie kann zusätzlich oder alternativ Spannungen messen bzw. einen Spannungsverlauf bestimmen. Die Detektionseinrichtung kann eine Messeinrichtung zur Messung des Innenwiderstands und/oder der Kapazität der Sekundärbatterie umfassen. Diese Informationen können zur Bestimmung des Alterungszustands der Sekundärbatterie dienen. Die Detektionseinrichtung kann weiterhin zur Detektion des Typs der Sekundärbatterie eingerichtet sein.
Insbesondere ist die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet, das Vorliegen eines Lade- /Entladevorgangs bzw. eines Ladezyklus zu detektieren. Sie kann zum Zählen der vergangenen Lade-/Entladevorgänge bzw. Ladezyklen und/oder der bisherigen Betriebsdauer der Sekundärbatterie eingerichtet sein. Sie kann somit als Betriebsstundenzähler nutzbar sein.
Die Energiespeichereinheit kann eine Auswerteinheit zur Ermittlung von Informationen bezüglich der Sekundärbatterie unter Nutzung zumindest einer detektierten Information aufweisen. Die Auswerteinheit kann beispielsweise zur Ermittlung von Informationen über die verbleibende Lebensdauer der Sekundärbatterie, über einen Ladungszustand und/oder den Typ der Sekundärbatterie eingerichtet sein.
In einer Ausgestaltung weist die Energiespeichereinheit oder ein Element eines die Energiespeichereinheit aufweisenden Energiespeichersystems eine Schnittstelle zur Weitergabe der detektierten Information und/oder der durch die Auswerteinheit ermittelten Information nach außen, beispielsweise zur Bereitstellung für einen Nutzer des Systems, und/oder einen Informationsspeicher zur Speicherung der detektierten oder ermittelten Information auf.
Der Informationsspeicher kann dazu eingerichtet sein, die Anzahl und/oder Dauer vergangener Lade-/Entladevorgänge bzw. Ladezyklen zu speichern. Er kann auch Teil des Gleichspannungswandlers sein bzw. in einer Baueinheit mit diesem vorliegen. Typischerweise ist der Informationsspeicher dazu eingerichtet, detektierte Informationen dauerhaft zu speichern. Typischerweise stehen die Detektionseinrichtung und der Informationsspeicher in datentechnischer bzw. elektrischer Wirkverbindung.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gleichspannungswandler Mittel, um eine hinsichtlich ihrer Größe schwankende Spannung des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie in eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannung des zweiten Spannungsniveaus umzuwandeln. Derartige Schwankungen können sich beispielsweise in Abhängigkeit des Ladezustands der Sekundärbatterie ergeben. Hinsichtlich dieser Fähigkeit des Gleichspannungswandlers ist es besonders vorteilhaft, den Gleichspannungswandler individuell an den Typ und die Eigenschaften der Sekundärbatterie anzupassen.
Die Energiespeichereinheit ist typischerweise eine kompakte Einheit. Mit anderen Worten ist der Gleichspannungswandler fest in die Sekundärbatterie integriert.
Die erfindungsgemäßen Vorteile sind unter anderem die optimale Anpassbarkeit des Gleichspannungswandlers an die Sekundärbatterie. Somit kann auch die bereitgestellte Spannung bzw. das zweite Spannungsniveau an den Typ der Sekundärbatterie angepasst werden. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass eine Einheit fest mit der Sekundärbatterie gekoppelt ist, der zu entnehmen ist, wie oft eine solche Sekundärbatterie bereits ent- bzw. geladen worden ist und auf welche Weise. Dadurch stehen Informationen bereit, anhand derer eine exakte Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer möglich ist.
Durch den Gleichspannungswandler, ggf. die Detektionseinrichtung und, falls vorhanden, den Informationsspeicher, ist eine dauerhafte Überwachung der Sekundärbatterie samt ihrer Historie der Be- und Entladevorgänge möglich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Gleichspannungswandler dazu eingerichtet, die Kontakte der ersten Anschlusseinrichtung spannungsfrei zu schalten. Auf diese Weise können im Fehler- bzw. Wartungsfall der Arbeitsaufwand reduziert und die Arbeitssicherheit erhöht werden.
Eine Ausgestaltung der Energiespeichereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbatterie als Redox-Flussbatterie, insbesondere als Vanadium-Redox-Flussbatterie, ausgestaltet ist.
Redox-Flussbatterien werden auch als Redox-Flow-Batterien, Flussbatterien, Redox-Flussbatterien oder Flüssigbatterien bezeichnet. Vanadium-Redox-Flussbatterien, VRFB, werden auch als Vanadium-Redox-Flow-Batterien oder Vanadium-Redox-Akkumulatoren bezeichnet.
Die Redox-Flussbatterie bzw. die Vanadium-Redox-Flussbatterie hat den Vorteil, dass Leistung und Energie voneinander unabhängig einstellbar sind. Die Energiespeichereinheit kann mehrere derartiger Sekundärbatterien aufweisen. Somit können Sekundärbatterien bzw. Sekundärbatteriesysteme beliebig hoher Leistung und Kapazität modular aufgebaut werden. Redox-Flussbatterien sind darüber hinaus problemlos und auch über längere Zeit ohne wesentliche Alterungseffekte tiefenentladefähig. Sie sind sehr langlebig und überdauern lange Standzeiten und eine Vielzahl von Lade-/Entladezyklen.
Insbesondere ist der Gleichspannungswandler an die genutzte Redox-Flussbatterie angepasst bzw. für diese Sekundärbatterie optimiert. Dies kann sich insbesondere auf die unterschiedlichen Nennspannungen der Sekundärbatterie beziehen, die in Abhängigkeit des Ladezustands auftreten. Mit anderen Worten ist der Gleichspannungswandler bei Nutzung einer Redox-Flussbatterie für einen breiteren Spannungsbereich eingerichtet als bei der Nutzung herkömmlicher Batterien, der auch vergleichsweise niedrige Nennspannungen bei einer Tiefenentladung der Redox-Flussbatterie einschließt.
Mit den am Markt erhältlichen Wechselrichtereinheiten, die typischerweise für Blei-Säure oder Lithium-Akkumulatoren optimiert sind, ist eine Redox-Flussbatterie bzw. eine Vanadium-Redox-Flussbatterie zwar betreibbar, allerdings kann dann nicht der gesamte Spannungsbereich dieses Batterietyps abgedeckt werden. Insbesondere ist eine Tiefenentladung dann nicht möglich. Im Zusammenwirken mit den unten beschriebenen weiteren Komponenten des Energiespeichersystems weist dieses somit den Vorteil auf, dass lediglich der Gleichspannungswandler an die Eigenschaften der Redox-Flussbatterie bzw. der Vanadium-Redox-Flussbatterie angepasst werden muss und eine Anpassung der Wechselrichtereinheit nicht notwendig ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Energiespeichereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit eine mit der Detektionseinrichtung datentechnisch verbundene oder verbindbare Steuerungseinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, unter Nutzung zumindest einer detektierten Information ein Laden bzw. Entladen der Sekundärbatterie zu beeinflussen.
Bei Vorhandensein eines Informationsspeichers kann die Steuerungseinrichtung auch mit diesem datentechnisch verbunden oder verbindbar sein. Die Verbindung der Steuerungseinrichtung mit der Detektionseinrichtung kann also direkt oder, wie im obigen Fall des Informationsspeichers, indirekt sein.
Die Information wird mittels der Detektionseinrichtung detektiert und gelangt, ggf. über die Auswerteinheit und/oder über den Informationsspeicher, zur Steuerungseinrichtung. In der Auswerteinheit kann unter Nutzung der detektierten Information eine Information bezüglich der Sekundärbatterie, beispielsweise über die verbleibende Lebensdauer der Sekundärbatterie, einen Ladungszustand und/oder den Typ der Sekundärbatterie, ermittelt werden, die dann in der Steuerungseinrichtung zur Steuerung genutzt wird. Die Steuerungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, zusätzliche Daten oder Informationen für die Steuerung zu nutzen.
Die Steuerungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, eine Information bezüglich des Typs und/oder wenigstens einer Eigenschaft der Sekundärbatterie zur Beeinflussung des Ladens bzw. Entladens zu nutzen. Diese Information kann der Steuerungseinrichtung mittels der Detektionseinrichtung oder auf andere Weise bereitgestellt werden. Die Steuerungseinrichtung kann einen Datenspeicher umfassen, in welchem eine derartige Information speicherbar bzw. gespeichert ist. Insbesondere kann die Steuerungseinrichtung auf der Basis einer Information, die einen Rückschluss darüber erlaubt, ob und ggf. inwieweit die Sekundärbatterie tiefenentladen werden kann, das Laden bzw. Entladen steuern.
Die Energiespeichereinheit kann auch dazu eingerichtet sein, diese detektierte Information an eine Energiemanagementeinrichtung weiterzugeben. Insbesondere ist die Energiemanagementeinrichtung mit der Detektionseinrichtung datentechnisch verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst die Energiespeichereinheit eine Wechselrichtereinheit mit einem Eingangswandler zur Umwandlung von Wechselspannung des Netzes in Gleichspannung zwecks Übertragung auf die Energiespeichereinheit und einem Ausgangswandler zur Umwandlung von Gleichspannung der Energiespeichereinheit in Wechselspannung zwecks Ausgabe in das Netz.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Energiespeichersystem. Dieses umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Energiespeichereinheit, eine zweite Anschlusseinrichtung zum elektrischen Anschluss des Energiespeichersystems an ein Netz sowie eine mit der ersten Anschlusseinrichtung der Energiespeichereinheit sowie mit der zweiten Anschlusseinrichtung gekoppelte oder koppelbare Wechselrichtereinheit. Die Wechselrichtereinheit weist einen Eingangswandler zur Umwandlung von Wechselspannung des Netzes in Gleichspannung zwecks Übertragung auf die Energiespeichereinheit und einen Ausgangswandler zur Umwandlung von Gleichspannung der Energiespeichereinheit in Wechselspannung zwecks Ausgabe in das Netz auf.
Die Wechselrichtereinheit ist mit anderen Worten eine Kombination eines Eingangswandlers mit einem Ausgangswandler. Sie kann einen Wechselrichter bzw. DC/AC-Wandler bzw. DC/AC-Konverter und einen Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler bzw. AC/DC-Konverter umfassen. Die Wechselrichtereinheit wird auch als bidirektionaler Wechselrichter bezeichnet, der in einer Richtung als Wechselrichter fungiert und in die andere Richtung als Gleichrichter. Die Wechselrichtereinheit weist insbesondere Gleichspannungskontakte zur elektrischen Anbindung der Energiespeichereinheit bzw. der ersten Anschlusseinrichtung auf.
Die zweite Anschlusseinrichtung ist mit der Wechselrichtereinheit gekoppelt oder koppelbar. Sie umfasst typischerweise zwei elektrische Kontakte zur Kontaktierung jeweiliger Leiter des Netzes. Das Netz ist ein Wechselspannungsnetz. Es kann beispielsweise ein kleines lokales Stromversorgungsnetz im Sinne einer Insellösung oder ein allgemeines Elektrizitätsnetz sein. Selbstverständlich ist auch eine Nutzung unabhängig von einem Netz möglich, da die zweite Anschlusseinrichtung zum Anschluss an beliebige Verbraucher und/oder Stromquellen geeignet ist.
Der Eingangswandler ist eine Einrichtung zur Umwandlung von Wechselstrom und/oder Wechselspannung in Gleichstrom und/oder Gleichspannung. Der Ausgangswandler ist eine Einrichtung zur Umwandlung von Gleichstrom und/oder Gleichspannung in Wechselstrom und/oder Wechselspannung. Üblicherweise sind der Eingangswandler und der Ausgangswandler als Stromrichter wie Wechselrichter und Gleichrichter ausgestaltet. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass der Eingangs- und/oder der Ausgangswandler als Umformer ausgestaltet ist.
Der Eingangswandler dient der Umwandlung von Wechselstrom bzw. Wechselspannung des Netzes in Gleichstrom bzw. Gleichspannung zur Übertragung auf den Gleichspannungswandler der Energiespeichereinheit zwecks Eingabe in die Sekundärbatterie. Mit anderen Worten wird die Wechselspannung aus dem Netz gleichgerichtet.
Der Ausgangswandler dient der Umwandlung von Gleichstrom bzw. Gleichspannung aus dem Gleichspannungswandler der Energiespeichereinheit in Wechselstrom bzw. Wechselspannung zur Übertragung, mittels der zweiten Anschlusseinrichtung, auf das Netz. Mit anderen Worten wird die in das zweite Spannungsniveau umgeformte Gleichspannung aus der Sekundärbatterie in Wechselspannung umgewandelt.
Der Eingangswandler und der Ausgangswandler sind als funktionale Elemente zu verstehen. Sie können in einer gemeinsamen Wechselrichtereinheit vorliegen, die die Umwandlung von Wechselstrom bzw. Wechselspannung des Netzes in Gleichstrom bzw. Gleichspannung sowie die Umwandlung von Gleichstrom bzw. Gleichspannung der Sekundärbatterie der Energiespeichereinheit in Wechselstrom bzw. Wechselspannung ermöglicht.
Eine Ausgestaltung des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem mehrere Energiespeichereinheiten aufweist und die Wechselrichtereinheit mit mehreren ersten Anschlusseinrichtungen der Energiespeichereinheiten gekoppelt oder koppelbar ist.
Typischerweise sind die Gleichspannungswandler der Energiespeichereinheiten dazu eingerichtet, die jeweiligen elektrischen Spannungen des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterien in elektrische Spannungen eines einheitlichen zweiten Spannungsniveaus umzuwandeln. Somit kann die Wechselrichtereinheit optimiert betrieben werden. Im Energiespeichersystem kann eine einzige Wechselrichtereinheit genutzt werden, um die mittels der Gleichspannungswandler auf ein einheitliches Niveau gebrachten Gleichspannungen zentral in die Wechselspannung des Netzes umzuwandeln. Die Wechselrichtereinheit weist insbesondere Gleichspannungskontakte zur elektrischen Anbindung mehrerer Energiespeichereinheiten bzw. mehrerer erster Anschlusseinrichtungen auf.
So ist es möglich, die jeweiligen Gleichspannungswandler der Energiespeichereinheiten optimal an die Parameter der Sekundärbatterien anzupassen. Es ergeben sich alle Vorteile eines modular aufbaubaren und erweiterbaren Systems. Außerdem können als Wechselrichtereinheit somit kostengünstige handelsübliche Wechselrichter bzw. AC/DC-Wandler genutzt werden.
Insbesondere sind die Energiespeichereinheiten sowie die Wechselrichtereinheit als baulich separate Komponenten ausgestaltet. Mit anderen Worten sind sie eigenständige Geräte. Sie können in räumlich getrennten Umgebungen angeordnet werden. Die ersten und zweiten Anschlusseinrichtungen sind als elektrische Leiter, beispielsweise als Kabel, oder als mittels elektrischer Leiter miteinander koppelbare Anschlüsse ausgestaltet. Die ersten Anschlusseinrichtungen, die Gleichspannungskontakte der Wechselrichtereinheit und ggf. dazwischen liegende Verkabelung werden als Gleichspannungszwischenkreis oder DC-Zwischenkreis bezeichnet.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass der Verkabelungsaufwand zwischen den einzelnen Energiespeichereinheiten und der Wechselrichtereinheit minimiert ist. Einerseits ist dies darauf zurückzuführen, dass die Sekundärbatterien und die Gleichspannungswandler bereits in einer Einheit, der Energiespeichereinheit, zusammengefasst sind und somit dort keine elektrischen Verbindungen mehr herzustellen sind. Somit reduziert sich die Verkabelung auf den Gleichspannungszwischenkreis. Andererseits sind die Stromstärken im Gleichspannungszwischenkreis vergleichsweise gering, da das dort vorherrschende zweite Spannungsniveau deutlich höher ist als die Spannungen der Sekundärbatterien. Aus diesem Grund sind die benötigten Leiterquerschnitte geringer. Insbesondere bei größeren Anlagen kann dies dazu führen, dass anstelle von Kupferschienen eine herkömmliche Verkabelung erfolgen kann, was deutlich kostengünstiger und einfacher herstellbar ist. Die vergleichsweise hohen Ströme, die entsprechend größere Leiterquerschnitte erfordern, treten lediglich zwischen der Sekundärbatterie und dem Gleichspannungswandler auf und müssen nur noch über die kleinen Distanzen innerhalb der Energiespeichereinheit transportiert werden. Darüber hinaus ist aufgrund des einheitlichen zweiten Spannungsniveaus aller Energiespeichereinheiten eine kabelsparende Bus-Topologie anstelle einer Sternverdrahtung möglich.
Insbesondere ist der Gleichspannungswandler, wie beschrieben, dazu eingerichtet, die Kontakte der ersten Anschlusseinrichtung spannungsfrei zu schalten. Auf diese Weise können im Fehler- bzw. Wartungsfall der Arbeitsaufwand reduziert und die Arbeitssicherheit erhöht werden. Ein zusätzlicher Schalter an der Sekundärbatterie, wie bei herkömmlichen Energiespeichersystemen, ist nicht erforderlich. Somit entfällt auch die damit verbundene Erhöhung des Innenwiderstands der Sekundärbatterie.
Da Gleichspannungswandler und Sekundärbatterie eine Einheit bilden, sind auch weitere Vorteile hinsichtlich einer einfachen und kostengünstigen Skalierbarkeit gegeben. Einerseits müssen nur so viele Gleichspannungswandler verbaut werden, wie tatsächlich benötigt werden. Andererseits kann das Energiespeichersystem modular erweitert werden, indem zusätzliche Energiespeichereinheiten hinzugefügt werden. Wenn dabei der Leistungsbereich der Wechselrichtereinheit überschritten wird, muss nur diese ausgetauscht werden. Die anderen Energiespeichereinheiten mit ihren jeweiligen Gleichspannungswandlern und - falls vorhanden - die Energiemanagementeinrichtung bleiben davon unberührt.
Eine weitere Ausgestaltung des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbatterien der Energiespeichereinheiten hinsichtlich ihrer Nennspannung unterschiedlich ausgestaltet sind und/oder unterschiedlichen Typs sind.
Die Nennspannung der Sekundärbatterien meint die Nennspannung der gesamten jeweiligen Sekundärbatterie oder, falls mehrere Sekundärbatterien in der Energiespeichereinheit enthalten sind, die der Gesamtzahl der enthaltenen Sekundärbatterien. Dies ist unabhängig vom jeweiligen Aufbau aus ggf. mehreren Sekundärzellen oder Stacks. Typischerweise ist die Nennspannung unter vergleichbaren Bedingungen gemeint.
Insbesondere weisen die Energiespeichereinheiten Sekundärbatterien unterschiedlichen Typs auf. So können Vorteile der jeweiligen Typen gezielt genutzt werden. Beispielsweise kann ein erster Sekundärbatterietyp für eine Grundlastversorgung und ein zweiter Sekundärbatterietyp für Spitzenströme genutzt werden. Diese weisen bauartbedingt typischerweise unterschiedliche Nennspannungen auf.
Als Typen der Sekundärbatterien können beispielsweise Redox-Flussbatterien wie etwa Vanadium-Redox-Flussbatterien, Blei-Säure-Akkumulatoren, Blei-Gel-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Eisen- Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren und/oder Nickel-Eisen-Akkumulatoren und andere genutzt werden.
Die an die jeweiligen Sekundärbatterien der Energiespeichereinrichtungen angepassten Gleichspannungswandler bringen die jeweiligen Spannungen der Sekundärbatterien auf ein einheitliches zweites Spannungsniveau, das an der Wechselrichtereinheit anliegt. Im gesamten DC-Zwischenkreis herrscht somit ein einheitliches zweites Spannungsniveau. Somit können als Wechselrichtereinheit auch im Falle unterschiedlicher Typen oder Größen von Sekundärbatterien kostengünstige handelsübliche Wechselrichter bzw. AC/DC-Wandler genutzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem zur Ermöglichung eines Kaltstarts eine vom Typ Redox-Flussbatterie abweichende elektrische Energiequelle, insbesondere einen Blei-Säure-Akkumulator, aufweist.
Der Start einer Redox-Flussbatterie erfordert selbst Strom, da die darin enthaltenen Pumpen zunächst gestartet werden müssen. Dazu ist hier eine vom Typ Redox-Flussbatterie abweichende, zur unmittelbaren Lieferung elektrischer Leistung eingerichtete Batterie vorgesehen, die den sogenannten Kaltstart ermöglicht.
Alternativ zu Blei-Säure-Akkumulatoren, die eine hohe Verfügbarkeit aufweisen und robust, zuverlässig und kostengünstig sind, können andere elektrische Energiequellen zum Kaltstart des Systems genutzt werden, beispielsweise Kondensatoren.
Es ist möglich, dass das Energiespeichersystem eine Energiespeichereinheit mit einer vom Typ Redox-Flussbatterie abweichenden Sekundärbatterie aufweist. Diese kann auf einfache Weise als zusätzliches Modul für ein bestehendes Energiespeichersystem nachgerüstet werden.
Diese Ausgestaltung ermöglicht den Vorteil, das Energiespeichersystem als unterbrechungsfreie Stromversorgung, USV, zu nutzen. Dieses läuft im Falle eines Netzausfalls durch die unmittelbar bereitgestellte Energie der vom Typ Redox-Flussbatterie abweichenden Energiequelle, die einen Start der Pumpen ermöglicht und darüber hinaus die Stromversorgung der an das Energiespeichersystem angeschlossenen elektrischen Verbraucher in den ersten Sekunden oder Minuten der Startzeit der Redox-Flussbatterie ermöglichen kann, ohne Unterbrechung weiter. Auch ein Inselbetrieb unabhängig vom Netz ist mit dieser Ausgestaltung möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Energiespeichersystem eine Energiemanagementeinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, unter Nutzung zumindest einer mittels der Detektionseinrichtung detektierten Information einen Lade- bzw. Entladevorgang zu beeinflussen. Die Beeinflussung erfolgt derart, dass beim Laden bzw. Entladen zumindest ein Parameter wenigstens einer Sekundärbatterie von demselben Parameter wenigstens einer anderen Sekundärbatterie abweicht.
Eine Energiemanagementeinrichtung in Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen Lade- bzw. Entladevorgang derart zu beeinflussen, dass zumindest eine Sekundärbatterie abweichend von zumindest einer anderen Sekundärbatterie geladen bzw. entladen wird. Parameter von Sekundärbatterien im Sinne dieser Ausgestaltung sind insbesondere physikalische Parameter wie der elektrische Strom, die elektrische Spannung, der Innenwiderstand oder die Kapazität der Sekundärbatterie.
Zumindest ein Parameter einer Sekundärbatterie weicht beim Lade- oder Entladevorgang von demselben Parameter einer anderen Sekundärbatterie ab. Dies meint, dass die Größe des Parameters abweicht, etwa eine Messgröße. Beispielsweise wird einer Sekundärbatterie ein höherer Strom oder eine höhere Leistung zugeführt oder entnommen als einer anderen, was typischerweise auch zu unterschiedlichen Spannungen des ersten Spannungsniveaus führt. Eingeschlossen sind Fälle, in denen nur eine oder nur ein Teil der Sekundärbatterien ge- bzw. entladen werden und die andere(n) Sekundärbatterie(n) nicht genutzt werden. In diesem Fall weichen alle Parameter der Ladung bzw. Entladung voneinander ab.
Die Energiemanagementeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Lade- bzw. Entladevorgang auf der Basis von Informationen betreffend einen Ladungszustand, einer verbleibenden Lebensdauer und/oder den Typ der Sekundärbatterien zu beeinflussen, die zumindest anteilig auf mittels der Detektionseinrichtung detektierten Informationen basieren.
Zumindest Teile der Informationen, die von der Energiemanagementeinrichtung nutzbar sind, den Lade- bzw. Entladevorgang zu beeinflussen, basieren auf mittels der Detektionseinrichtung detektierten Informationen. Das meint, dass diese Informationen unmittelbar von der Energiemanagementeinrichtung nutzbar sind oder Informationen nutzbar sind, die unter Nutzung dieser Informationen erstellt bzw. verändert worden sind.
Darüber hinaus kann die Energiemanagementeinrichtung zusätzlich Informationen bezüglich einer vom Energiespeichersystem aufzunehmenden oder abzugebenden Stromstärke oder Leistung und/oder weitere Informationen berücksichtigen. Insbesondere berücksichtigt die Energiemanagementeinrichtung bei der Beeinflussung des Lade- bzw. Entladevorgangs die verbleibende Lebensdauer der jeweiligen Sekundärbatterien sowie deren Eignung zur anteiligen Aufnahme bzw. Abgabe der benötigten Energie bzw. Leistung, was insbesondere aus dem Typ der Sekundärbatterie ableitbar sein kann. Sie kann zusätzlich den aktuellen Ladungszustand der Sekundärbatterien berücksichtigen.
Mit anderen Worten steht der Energiemanagementeinrichtung zu jeder der Sekundärbatterien eine Information über den jeweiligen Ladungszustand und/oder die Restlebensdauer zur Verfügung. Diese wird genutzt, um gezielt eine oder mehrere bestimmte Sekundärbatterien zu laden bzw. zu entladen. Auf diese Weise kann beispielsweise gezielt diejenige Energiespeichereinheit bzw. können diejenigen Energiespeichereinheiten angesteuert werden, deren Sekundärbatterie bzw. -batterien die größte verbleibende Lebensdauer haben. Somit kann eine Maximierung der Lebensdauer des Energiespeichersystems erreicht werden, da einerseits alle Sekundärbatterien gleichmäßig genutzt werden können bzw. vergleichbare Anzahlen von Ladezyklen durchlaufen und somit gleich schnell altern. Andererseits können die Sekundärbatterien im jeweiligen Fall bedarfs- und typgerecht eingesetzt werden, sodass sie hinsichtlich der angeforderten Leistungsabgabe oder -Entnahme für ihren Typ bzw. ihre Eigenschaften geeignete Be- und Entladevorgänge durchlaufen, was die individuelle Alterung verlangsamt.
Die Energiemanagementeinrichtung ist dadurch in die Lage versetzt, abzuschätzen, welcher Batterie noch wie viel Leistung entnommen werden kann, um Lebensdauer-optimiert eine Vielzahl von Energiespeichereinheiten bzw. Sekundärbatterien steuern zu können. Insbesondere bei unterschiedlichen Typen von Sekundärbatterien kann dies aufgrund unterschiedlicher Lade-/Entladecharakteristika dieser Sekundärbatterien vorteilhaft sein.
Insbesondere umfasst das Energiespeichersystem Energiespeichereinheiten mit Sekundärbatterien unterschiedlichen Typs. Beispielsweise ist zumindest eine Sekundärbatterie für eine kurzfristige hohe Leistungsentnahme optimiert und zumindest eine Sekundärbatterie ist für eine moderate, dauerhafte Leistungsentnahme optimiert. Das Energiespeichersystem ist durch die Energiemanagementeinrichtung in der Lage, diese unterschiedlichen Sekundärbatterien basierend auf den detektierten Informationen gezielt anzusteuern. Beispielsweise können mehrere oder alle Batterien eines Typs und/oder eines gleichen oder ähnlichen Ladezustands gleichartig ge- bzw. entladen werden.
Insbesondere ist die Energiemanagementeinrichtung dazu eingerichtet, auf der Basis von Informationen betreffend einen Ladungszustand und der verbleibenden Lebensdauer der Sekundärbatterien den Lade- bzw. Entladevorgang wie beschrieben zu beeinflussen. Die Steuerung der Ladung bzw. Entladung erfolgt dann nicht nur in Abhängigkeit von dem optimierten Batterietyp, sondern darüber hinaus auch in Abhängigkeit von der abgeschätzten verbleibenden Lebensdauer, damit dem Energiespeichersystem insgesamt Lebensdauer-optimiert Leistung entnommen werden kann.
Beispielsweise können die unterschiedlichen Typen von Sekundärbatterien für die Grundlastversorgung und für Spitzenströme mittels der Steuerungseinrichtung bedarfsgerecht angesteuert und gezielt geladen bzw. entladen werden.
Die Energiemanagementeinrichtung ist insbesondere eine baulich separate Komponente bzw. eine eigenständige Einheit.
In einer Ausgestaltung ist die Energiemanagementeinrichtung zwecks Erhalts der detektierten Information datentechnisch mit dem Gleichspannungswandler der Energiespeichereinheit verbunden oder verbindbar.
Mit anderen Worten weist das Energiespeichersystem zumindest eine erste Datenverbindung, insbesondere je Energiespeichereinheit eine erste Datenverbindung, zur datentechnischen Verbindung der Energiemanagementeinrichtung mit der Energiespeichereinheit auf. Jede erste Datenverbindung kann als CAN-Bus ausgeführt sein. Die ersten Datenverbindungen sind insbesondere mit den Gleichspannungswandlern und/oder den Detektionseinrichtungen der Energiespeichereinheit datentechnisch verbunden bzw. verbindbar. Auch hier ist eine kabelsparende Bus-Topologie anstelle einer Sternverdrahtung möglich.
Eine weitere Ausgestaltung des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinrichtung datentechnisch mit der Wechselrichtereinheit verbunden oder verbindbar ist. Somit kann sie die Umwandlung von Wechselspannung des Netzes in Gleichspannung und/oder die Umwandlung von Gleichspannung der Energiespeichereinheit in Wechselspannung beeinflussen.
Mit anderen Worten weist das Energiespeichersystem eine zweite Datenverbindung zur datentechnischen Verbindung der Energiemanagementeinrichtung mit der Wechselrichtereinheit auf. Die zweite Datenverbindung kann als CAN-Bus ausgeführt sein.
Eine weitere Ausgestaltung des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinrichtung datentechnisch mit einem Datennetzwerk, insbesondere dem Internet, verbunden oder verbindbar ist.
Auf diese Weise kann eine Auswertung, Diagnose und ggf. Steuerung von Vorgängen des Energiespeichersystems einfach und kostengünstig aus der Ferne erfolgen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinheit. Bei dem Verfahren wird eine erfindungsgemäße Energiespeichereinheit bereitgestellt. Es wird mittels des Gleichspannungswandlers eine elektrische Spannung des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie in eine elektrische Spannung eines vom ersten Spannungsniveau abweichenden zweiten Spannungsniveaus zur Übertragung an die Wechselrichtereinheit umgewandelt. Alternativ wird eine elektrische Spannung des zweiten Spannungsniveaus von der Wechselrichtereinheit in eine elektrische Spannung des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie umgewandelt. Es wird darüber hinaus mittels der Detektionseinrichtung zumindest eine Information bezüglich eines Lade- bzw. Entladevorgangs der Sekundärbatterie detektiert.
Insbesondere ist die Sekundärbatterie mittels der ersten Anschlusseinrichtung elektrisch an eine Wechselrichtereinheit angeschlossen. Typischerweise erfolgen, mittels der Wechselrichtereinheit, die Umwandlung der elektrischen Spannung des ersten Spannungsniveaus in die elektrische Spannung des zweiten Spannungsniveaus und die Umwandlung in umgekehrter Richtung in zeitlicher Abfolge nacheinander. Somit kann die Sekundärbatterie bedarfsgerecht geladen und entladen werden.
Mittels der Detektionseinrichtung kann beispielsweise das Vorliegen bzw. die Geschwindigkeit eines Lade- und/oder Entladevorgangs bzw. eines Ladezyklus, einen Stromfluss, eine Spannung, einen Innenwiderstand und/oder eine Kapazität der Sekundärbatterie ermitteln. Sie kann Betriebsstunden der Sekundärbatterie zählen. Sie kann darüber hinaus den Typ der Sekundärbatterie ermitteln.
Mittels einer Auswerteinheit der Energiespeichereinheit kann zumindest eine Information bezüglich der Sekundärbatterie unter Nutzung zumindest einer detektierten Information ermittelt werden, wie beispielsweise eine Information über die verbleibende Lebensdauer der Sekundärbatterie, über einen Ladungszustand und/oder den Typ der Sekundärbatterie.
Zumindest ein Teil einer mittels der Detektionseinrichtung detektierten Information und/oder einer mittels der Auswerteinheit ermittelten Information kann mittels einer Schnittstelle nach außen weitergegeben werden und/oder in einem Informationsspeicher gespeichert werden.
Der Gleichspannungswandler wandelt in einer Ausgestaltung eine hinsichtlich ihrer Größe schwankende Spannung des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie in eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannung des zweiten Spannungsniveaus um.
In einer Ausgestaltung beeinflusst eine mit der Detektionseinrichtung direkt oder indirekt datentechnisch verbundene Steuerungseinrichtung der Energiespeichereinheit ein Laden bzw. Entladen der Sekundärbatterie unter Nutzung zumindest einer detektierten Information. Die Steuerungseinrichtung kann dazu wenigstens eine mittels der Detektionseinrichtung detektierte Information und/oder wenigstens eine mittels der Auswerteinheit ermittelte Information nutzen.
Ein vierter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems. Bei dem Verfahren wird ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem bereitgestellt, wobei das Energiespeichersystem mittels der zweiten Anschlusseinrichtung an ein Netz angeschlossen ist. Es wird mittels des Eingangswandlers der Wechselrichtereinheit Wechselspannung des Netzes zwecks Übertragung auf die Energiespeichereinheit in Gleichspannung umgewandelt. Alternativ wird mittels des Ausgangswandlers der Wechselrichtereinheit Gleichspannung der Energiespeichereinheit zwecks Ausgabe in das Netz in Wechselspannung umgewandelt.
Das Verfahren kann den Anschluss des Energiespeichersystems an das Netz mittels der zweiten Anschlusseinrichtung umfassen. Anderenfalls ist das Energiespeichersystem zu Beginn bereits am Netz angeschlossen.
Es kann in zeitlicher Abfolge nacheinander mittels des Eingangswandlers Wechselspannung des Netzes zwecks Übertragung auf die Energiespeichereinheit in Gleichspannung umgewandelt werden und mittels des Ausgangswandlers Gleichspannung der Energiespeichereinheit zwecks Ausgabe in das Netz in Wechselspannung umgewandelt werden.
Beim Laden der Sekundärbatterie unter Aufnahme elektrischer Energie aus dem Netz erfolgt demnach die Übertragung von Wechselspannung des Netzes über die zweite Anschlusseinrichtung des Energiespeichersystems zur Wechselrichtereinheit des Energiespeichersystems. Der Eingangswandler der Wechselrichtereinheit wandelt die Wechselspannung des Netzes in Gleichspannung des zweiten Spannungsniveaus um. Die Wechselrichtereinheit ist mittels der ersten Anschlusseinrichtung zumindest einer Energiespeichereinheit an einen Gleichspannungswandler der Energiespeichereinheit angeschlossen. Von diesem wird die elektrische Gleichspannung des zweiten Spannungsniveaus in eine elektrische Gleichspannung des vom zweiten Spannungsniveau abweichenden ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie der Energiespeichereinheit umgewandelt. Diese wird auf die mit dem Gleichspannungswandler gekoppelte Sekundärbatterie übertragen. Mittels der Detektionseinrichtung wird eine Information bezüglich des Ladevorgangs detektiert.
Beim Entladen der Sekundärbatterie bzw. der Eingabe elektrischer Energie in das Netz erfolgen die Schritte in umgekehrter Reihenfolge: Die elektrische Gleichspannung der Sekundärbatterie einer Energiespeichereinheit liegt am mit der Sekundärbatterie verbundenen Gleichspannungswandler an. Dieser wandelt die elektrische Gleichspannung des ersten Spannungsniveaus in eine elektrische Gleichspannung eines vom ersten Spannungsniveau abweichenden zweiten Spannungsniveaus um. Mittels der Detektionseinrichtung wird eine Information bezüglich des Entladevorgangs detektiert. Die elektrische Gleichspannung des zweiten Spannungsniveaus wird mittels der ersten Anschlusseinrichtung der Energiespeichereinheit, die an die Wechselrichtereinheit des Energiespeichersystems angeschlossen ist, auf die Wechselrichtereinheit übertragen. Der Ausgangswandler wandelt die Gleichspannung des zweiten Spannungsniveaus aus der Energiespeichereinheit in Wechselspannung um. Mittels der zweiten Anschlusseinrichtung des Energiespeichersystems, die mit dem Netz verbunden ist, wird die Wechselspannung in das Netz ausgegeben.
Es kann elektrische Energie von Sekundärbatterien mehrerer Energiespeichereinheiten in das Netz ausgegeben werden und/oder elektrische Energie des Netzes zum Laden von Sekundärbatterien mehrerer Energiespeichereinheiten genutzt werden. Die Gleichspannungswandler der Energiespeichereinheiten wandeln die jeweiligen elektrischen Spannungen des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterien in elektrische Spannungen eines einheitlichen zweiten Spannungsniveaus um und/oder die Wechselrichtereinheit stellt elektrische Wechselspannung eines einheitlichen zweiten Spannungsniveaus an allen ersten Anschlusseinrichtungen der Energiespeichereinheiten zur Verfügung. Die Sekundärbatterien der Energiespeichereinheiten können hinsichtlich ihrer Nennspannung unterschiedlich ausgestaltet sein und/oder unterschiedlichen Typs sein.
Es kann mittels einer vom Typ Redox-Flussbatterie abweichenden Energiequelle, insbesondere mittels eines Blei-Säure-Akkumulators, ein Kaltstart des Energiespeichersystems durchgeführt werden. Dabei wird mittels der abweichenden Energiequelle elektrische Energie zum anfänglichen Betrieb der Pumpe bzw. Pumpen der zumindest einen Redox-Flussbatterie bereitgestellt. Gegebenenfalls wird mittels der abweichenden Energiequelle zusätzlich die während der Startzeit der Redox-Flussbatterie benötigte elektrische Energie der an das Energiespeichersystem angeschlossenen elektrischen Verbraucher bereitgestellt. Auf diese Weise kann eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, USV, gewährleistet werden.
In einer Ausgestaltung beeinflusst eine Energiemanagementeinrichtung des Energiespeichersystems einen Lade- bzw. Entladevorgang unter Nutzung zumindest einer mittels der Detektionseinrichtung detektierten Information derart, dass beim Laden bzw. Entladen zumindest ein Parameter wenigstens einer Sekundärbatterie von demselben Parameter wenigstens einer anderen Sekundärbatterie abweicht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen

1: eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Energiespeichersystems, sowie
2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems mit mehreren erfindungsgemäßen Energiespeicherei n richtu ngen.

Auf 1 wurde bereits im Zuge der Würdigung des Standes der Technik eingegangen.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem 30 mit vier erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtungen 10. Auch hier stellen fett gedruckte Striche bzw. Pfeile Leitungen zur Energieübertragung dar und gestrichelte Striche bzw. Pfeile stellen Informationsübermittlungspfade dar.
Das Energiespeichersystem 30 umfasst eine Wechselrichtereinheit 34, die einen Eingangswandler 35 und einen Ausgangswandler 36 aufweist. Die Wechselrichtereinheit 34 ist mittels einer zweiten Anschlusseinrichtung 32 an ein Netz 50, beispielsweise ein lokales Versorgungsnetz oder das allgemeine Stromnetz, angeschlossen. Dies ist mittels des oben rechts angeordneten und fett gedruckten Doppelpfeils dargestellt. Der Eingangswandler 35 dient der Umwandlung der aus dem Netz 50 stammenden Wechselspannung in eine Gleichspannung, die in den Gleichspannungszwischenkreis 60 ausgegeben wird, beim Laden der Sekundärbatterien aus dem Netz 50. Der Ausgangswandler 36 dient der Umwandlung der Gleichspannung aus dem Gleichspannungszwischenkreis 60 in die zur Ausgabe an das Netz 50 benötigte Wechselspannung bei der Bereitstellung elektrischer Energie vom Energiespeichersystem 30 an das Netz 50.
An den Gleichspannungszwischenkreis 60 angeschlossen sind - die Zahl ist rein beispielhaft zu verstehen - vier Energiespeichereinheiten 10. Die nach rechts außen fortgeführten Linien des Gleichspannungszwischenkreises 60 sowie des CAN-Busses 70 symbolisieren, dass weitere Energiespeichereinheiten 10 vorhanden sein können und/oder ergänzt werden können.
Jede Energiespeichereinheit 10 umfasst eine als Redox-Flussbatterie 13, nämlich als Vanadium-Redox-Flussbatterie 14 ausgestaltete Sekundärbatterie 12 und einen Gleichspannungswandler 16. Weiterhin umfasst sie eine Detektionseinrichtung 20, eine Steuerungseinrichtung 22 sowie eine erste Anschlusseinrichtung 17 zum elektrischen Anschluss des Gleichspannungswandlers 16 an die Wechselrichtereinheit 34. Die ersten Anschlusseinrichtungen 17 der Energiespeichereinheiten 10 sind mit dem Gleichspannungszwischenkreis 60 verbunden.
Der Gleichspannungswandler 16 dient beim Entladen der Sekundärbatterie 12 der Umwandlung der auf einem ersten Spannungsniveau liegenden elektrischen Spannung der Sekundärbatterie 12 in eine auf einem zweiten Spannungsniveau liegende elektrische Spannung zur Übertragung an die Wechselrichtereinheit 34. Das zweite Spannungsniveau weicht vom ersten Spannungsniveau ab und ist typischerweise um wenigstens eine Größenordnung größer. So kann das erste Spannungsniveau, gemessen in Volt, im einstelligen Bereich liegen und das zweite Spannungsniveau im dreistelligen Bereich. Der Gleichspannungswandler 16 erhöht also die elektrische Spannung der Sekundärbatterie 12.
Beim Laden der Sekundärbatterie 12 dient der Gleichspannungswandler 16 der Umwandlung der aus der Wechselrichtereinheit 34 stammenden elektrischen Spannung des zweiten Spannungsniveaus in die - typischerweise wesentlich geringere - elektrische Spannung der Sekundärbatterie 12. Er verringert also die elektrische Spannung.
Die Detektionseinrichtung 20 dient der Detektion zumindest einer Information bezüglich eines Lade- bzw. Entladevorgangs der Sekundärbatterie 12. Sie ist als Bestandteil des Gleichspannungswandlers 16 ausgestaltet. Die Steuerungseinrichtung 22 ist dazu eingerichtet, unter Nutzung zumindest einer detektierten Information ein Laden bzw. Entladen der Sekundärbatterie 12 zu beeinflussen. Die Steuerungseinrichtung 22 ist datentechnisch verbunden mit der Detektionseinrichtung 20.
Das Energiespeichersystem 30 umfasst weiterhin eine Energiemanagementeinrichtung 38, die dazu eingerichtet ist, unter Nutzung von mittels der Detektionseinrichtungen 20 detektierten Informationen Lade- bzw. Entladevorgänge der Sekundärbatterien 12 derart zu beeinflussen, dass beim Laden bzw. Entladen zumindest ein Parameter wenigstens einer Sekundärbatterie 12 von demselben Parameter wenigstens einer anderen Sekundärbatterie 12 abweicht. Sie dient der individuellen und bedarfsgerechten Ansteuerung der jeweils am besten geeigneten Sekundärbatterie 12 bzw. Sekundärbatterien 12, wobei zur Entscheidungsfindung über die Eignung einer jeweiligen Sekundärbatterie 12 die Restlebensdauer, die Fähigkeit zur anteiligen Aufnahme bzw. Bereitstellung der aufzunehmenden bzw. bereitzustellenden Energie bzw. Leistung und ggf. weitere Informationen bezüglich der Sekundärbatterie 12 genutzt werden.
Die Energiemanagementeinrichtung 38 ist, wie mittels des gestrichelten Doppelpfeils dargestellt, datentechnisch mit einem Datennetzwerk 40, nämlich dem Internet 42, verbunden. Auf diese Weise kann eine Auswertung, Diagnose und ggf. Steuerung von Vorgängen des Energiespeichersystems 30 einfach und kostengünstig aus der Ferne erfolgen.
Die Energiemanagementeinrichtung 38 ist datentechnisch mit der Wechselrichtereinheit 34 verbunden, sodass sie die Funktionalität der Wechselrichtereinheit, also beispielsweise die Umwandlung von Wechselspannung des Netzes 50 in Gleichspannung und/oder die Umwandlung von Gleichspannung der Energiespeichereinheit 10 in Wechselspannung, beeinflussen kann.
Die Energiemanagementeinrichtung 38 ist in einer kabelsparenden Bus-Topologie mittels eines CAN-Busses 70 mit allen Energiespeichereinheiten 10 verbunden.
Jede der Energiespeichereinheiten 10 kann separat angesteuert werden. Somit können die jeweiligen Sekundärbatterien 12 unabhängig voneinander geladen bzw. entladen werden, was durch die Energiemanagementeinrichtung 38 gesteuert werden kann.
Das Energiespeichersystem 30 ist äußerst flexibel, da Änderungen wie beispielsweise eine Erweiterung der Kapazität mittels zusätzlicher oder anderer Sekundärbatterien 16 lediglich einen Austausch der jeweiligen Energiespeichereinheiten 10 erfordert. Da die jeweiligen Gleichspannungswandler 16 unmittelbar an die jeweilige Sekundärbatterie angepasst sind und alle Gleichspannungswandler 16 dasselbe zweite Spannungsniveau liefern, ist eine modulare Erweiterung oder Änderung ohne Weiteres möglich. Das System kann somit auf einfache und kostengünstige Weise an standortspezifische Bedürfnisse angepasst und skaliert werden.
Bezugszeichenliste

10: Energiespeichereinheit
12: Sekundärbatterie
13: Redox-Flussbatterie
14: Vanadium-Redox-Flussbatterie
16: Gleichspannungswandler
17: Erste Anschlusseinrichtung
20: Detektionseinrichtung
22: Steuerungseinrichtung
30: Energiespeichersystem
32: Zweite Anschlusseinrichtung
34: Wechselrichtereinheit
35: Eingangswandler
36: Ausgangswandler
38: Energiemanagementeinrichtung
40: Datennetzwerk
42: Internet
50: Netz
60: Gleichspannungszwischenkreis
70: CAN-Bus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 106921210 A [0004]
CN 205829281 U [0005]
CN 205595428 U [0006]

Claims

Energiespeichereinheit (10), umfassend eine Sekundärbatterie (12), einen mit der Sekundärbatterie (12) gekoppelten Gleichspannungswandler (16) und eine erste Anschlusseinrichtung (17) zum elektrischen Anschluss des Gleichspannungswandlers (16) an eine Wechselrichtereinheit (34), wobei der Gleichspannungswandler (16) dazu eingerichtet ist, selektiv eine elektrische Spannung eines ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie (12) in eine elektrische Spannung eines vom ersten Spannungsniveau abweichenden zweiten Spannungsniveaus zur Übertragung an die Wechselrichtereinheit (34) umzuwandeln und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (10) eine Detektionseinrichtung (20) zur Detektion zumindest einer Information bezüglich eines Lade- bzw. Entladevorgangs der Sekundärbatterie (12) aufweist.
Energiespeichereinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbatterie (12) als Redox-Flussbatterie (13), insbesondere als Vanadium-Redox-Flussbatterie (14), ausgestaltet ist.
Energiespeichereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (10) eine mit der Detektionseinrichtung (20) datentechnisch verbundene oder verbindbare Steuerungseinrichtung (22) aufweist, die dazu eingerichtet ist, unter Nutzung zumindest einer detektierten Information ein Laden bzw. Entladen der Sekundärbatterie (12) zu beeinflussen.
Energiespeichersystem (30), umfassend wenigstens eine Energiespeichereinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1-3, eine zweite Anschlusseinrichtung (32) zum elektrischen Anschluss des Energiespeichersystems (30) an ein Netz (50) sowie eine mit der ersten Anschlusseinrichtung (17) der Energiespeichereinheit (10) sowie mit der zweiten Anschlusseinrichtung (32) gekoppelte oder koppelbare Wechselrichtereinheit (34) mit einem Eingangswandler (35) zur Umwandlung von Wechselspannung des Netzes (50) in Gleichspannung zwecks Übertragung auf die Energiespeichereinheit (10) und einem Ausgangswandler (36) zur Umwandlung von Gleichspannung der Energiespeichereinheit (10) in Wechselspannung zwecks Ausgabe in das Netz (50).
Energiespeichersystem (30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (30) mehrere Energiespeichereinheiten (10) aufweist und die Wechselrichtereinheit (34) mit mehreren ersten Anschlusseinrichtungen (17) der Energiespeichereinheiten (10) gekoppelt oder koppelbar ist.
Energiespeichersystem (30) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbatterien (12) der Energiespeichereinheiten (10) hinsichtlich ihrer Nennspannung unterschiedlich ausgestaltet sind und/oder unterschiedlichen Typs sind.
Energiespeichersystem (30) nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (30) zur Ermöglichung eines Kaltstarts eine vom Typ Redox-Flussbatterie (13) abweichende elektrische Energiequelle, insbesondere einen Blei-Säure-Akkumulator, aufweist.
Energiespeichersystem (30) nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (30) eine Energiemanagementeinrichtung (38) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, unter Nutzung zumindest einer mittels der Detektionseinrichtung (20) detektierten Information einen Lade- bzw. Entladevorgang zumindest einer Sekundärbatterie (12) derart zu beeinflussen, dass beim Laden bzw. Entladen zumindest ein Parameter wenigstens einer Sekundärbatterie (12) von demselben Parameter wenigstens einer anderen Sekundärbatterie (12) abweicht.
Energiespeichersystem (30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinrichtung (38) datentechnisch mit der Wechselrichtereinheit (34) verbunden oder verbindbar ist, sodass sie die Umwandlung von Wechselspannung des Netzes (50) in Gleichspannung und/oder die Umwandlung von Gleichspannung der Energiespeichereinheit (10) in Wechselspannung beeinflussen kann.
Energiespeichersystem (30) nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemanagementeinrichtung (38) datentechnisch mit einem Datennetzwerk (40), insbesondere dem Internet (42), verbunden oder verbindbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinheit (10), bei dem - eine Energiespeichereinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1-3 bereitgestellt wird, - mittels des Gleichspannungswandlers (16) eine elektrische Spannung des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie (12) in eine elektrische Spannung eines vom ersten Spannungsniveau abweichenden zweiten Spannungsniveaus zur Übertragung an die Wechselrichtereinheit (34) umgewandelt wird oder eine elektrische Spannung des zweiten Spannungsniveaus von der Wechselrichtereinheit (34) in eine elektrische Spannung des ersten Spannungsniveaus der Sekundärbatterie (12) umgewandelt wird, und - mittels der Detektionseinrichtung (20) zumindest eine Information bezüglich eines Lade- bzw. Entladevorgangs der Sekundärbatterie (12) detektiert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems (30), bei dem - ein Energiespeichersystem (30) gemäß einem der Ansprüche 4-8 bereitgestellt wird, wobei das Energiespeichersystem (30) mittels der zweiten Anschlusseinrichtung (32) an ein Netz (50) angeschlossen ist, - mittels des Eingangswandlers (35) der Wechselrichtereinheit (34) Wechselspannung des Netzes (50) zwecks Übertragung auf die Energiespeichereinheit (10) in Gleichspannung umgewandelt wird oder mittels des Ausgangswandlers (36) der Wechselrichtereinheit (34) Gleichspannung der Energiespeichereinheit (10) zwecks Ausgabe in das Netz (50) in Wechselspannung umgewandelt wird.