DE202021100557U1 - Modular battery storage system with rechargeable energy storage modules - Google Patents

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Abstract

Modulares Batteriespeichersystem (100) mit einer Gruppe aus n wiederaufladbaren Energiespeichermodulen (110), wobei das modulare Batteriespeichersystem die folgenden Merkmale aufweist:a. Die Energiespeichermodule (110) umfassen jeweils mindestens ein, vorzugsweise mehrere wiederaufladbare Energiespeicherelemente, undb. jedem einzelnen der n Energiespeichermodule (110) ist ein Schalter (120) zugeordnet, über den das jeweilige Energiespeichermodul (110) aktiviert und deaktiviert werden kann, undc. die n Energiespeichermodule (110) sind über die Schalter (120) derart miteinander verschaltbar, dass sich die Einzelspannungen UEinzelvon aktivierten Energiespeichermodulen zu einer Gesamtspannung UGesamtaddieren können, undd. das Batteriespeichersystem (100) umfasst eine Steuereinrichtung (130) zur Ansteuerung der den n Energiespeichermodulen (110) zugeordneten Schalter (120), dadurch gekennzeichnet, dasse. das Batteriespeichersystem (100) eine Modulationseinheit (200) mit den folgenden Merkmalen umfasst:i. Die Modulationseinheit (200) ist derart mit den verschaltbaren n Energiespeichermodulen (110) verbunden, dass sie die Gesamtspannung UGesamtzu modulieren vermag,ii. die Modulationseinheit (200) umfasst einen Pulsweitenmodulationsschalter (210), undiii. die Modulationseinheit (200) umfasst ein Gehäuse (240), das den Pulsweitenmodulationsschalter (210) umschließt und das dazu ausgebildet ist, elektronische Komponenten außerhalb des Gehäuses gegen von dem Pulsweitenmodulationsschalter (210) ausgehende elektromagnetische Störausstrahlung (280) abzuschirmen.Modular battery storage system (100) with a group of n rechargeable energy storage modules (110), the modular battery storage system having the following features: a. The energy storage modules (110) each comprise at least one, preferably several, rechargeable energy storage elements, and b. each individual one of the n energy storage modules (110) is assigned a switch (120) via which the respective energy storage module (110) can be activated and deactivated, and c. the n energy storage modules (110) can be interconnected via the switches (120) in such a way that the individual voltages Uindividual of activated energy storage modules can add up to a total voltage Utotal, and d. the battery storage system (100) comprises a control device (130) for controlling the switches (120) assigned to the n energy storage modules (110), characterized in thate. the battery storage system (100) comprises a modulation unit (200) having the following features: i. The modulation unit (200) is connected to the interconnectable n energy storage modules (110) in such a way that it is able to modulate the total voltage UTotal, ii. the modulation unit (200) comprises a pulse width modulation switch (210), and iii. the modulation unit (200) comprises a housing (240) which encloses the pulse width modulation switch (210) and which is designed to shield electronic components outside the housing from electromagnetic interference radiation (280) emanating from the pulse width modulation switch (210).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares Batteriespeichersystem mit einer Gruppe von n wiederaufladbaren Energiespeichermodulen.The present invention relates to a modular battery storage system with a group of n rechargeable energy storage modules.

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIKFIELD OF APPLICATION AND STATE OF THE ART

Ein modulares Batteriespeichersystem umfasst eine Gruppe aus n Energiespeichermodulen, wobei n mindestens 2 ist. Die Energiespeichermodule sind wiederaufladbar ausgebildet. Innerhalb eines Batteriespeichersystems sind die Energiespeichermodule in aller Regel durch parallele und/oder serielle Verschaltung miteinander verbunden. Die Energiespeichermodule können jeweils einzelne elektrochemische Zellen umfassen oder aber auch Verbünde aus zwei oder mehr solcher Zellen. Innerhalb eines solchen Verbunds können einzelne elektrochemische Zellen wiederum durch parallele und/oder serielle Verschaltung miteinander verbunden sein.A modular battery storage system comprises a group of n energy storage modules, where n is at least 2. The energy storage modules are designed to be rechargeable. Within a battery storage system, the energy storage modules are generally connected to one another by parallel and / or serial interconnection. The energy storage modules can each comprise individual electrochemical cells or else combinations of two or more such cells. Within such a network, individual electrochemical cells can in turn be connected to one another by parallel and / or serial interconnection.

Solche Batteriespeichersysteme werden meist als Gleichstromquelle verwendet. Mit Hilfe eines Multilevel-Umrichters können Batteriespeichersysteme aber auch an ein Wechselstromnetz angeschlossen werden. Bei solchen Umrichtern werden die Spannungen einzelner Energiespeichermodule zeitversetzt für unterschiedlich lange Zeiträume addiert. Wenn die Spannungen der einzelnen Energiespeichermodule im Verhältnis zur addierten Gesamtspannung ausreichend klein sind, lassen sich z.B. sinusförmige Spannungsverläufe in guter Näherung erzeugen.Such battery storage systems are mostly used as a direct current source. With the help of a multilevel converter, battery storage systems can also be connected to an alternating current network. In such converters, the voltages of individual energy storage modules are added with a time delay for different periods of time. If the voltages of the individual energy storage modules are sufficiently small in relation to the total voltage added, sinusoidal voltage curves, for example, can be generated to a good approximation.

Aus der WO 2018/162122 A1 ist ein modulares Batteriespeichersystem bekannt, bei dem den einzelnen Energiespeichermodulen jeweils ein Schalter zugeordnet ist, über den das jeweilige Energiespeichermodul aktiviert und deaktiviert werden kann. Dabei sind die Energiespeichermodule derart miteinander verschaltbar, dass sich die Einzelspannungen von aktivierten Energiespeichermodulen zu einer Gesamtspannung addieren können. Hierbei wird für jedes der Energiespeichermodule mindestens ein Leistungswert ermittelt und es wird eine sich zeitlich ändernde Gesamtspannung erzeugt, indem mindestens zwei Energiespeichermodule zeitlich überlappend, aber über unterschiedlich lange Aktivierungszeiträume aktiviert werden. In Abhängigkeit des jeweiligen Leistungswerts werden den einzelnen Energiespeichermodulen unterschiedlich lange Aktivierungszeiträume zugeordnet, so dass auch Energiespeichermodule unterschiedlichen Typs gut in das System eingebunden werden können.From the WO 2018/162122 A1 a modular battery storage system is known in which the individual energy storage modules are each assigned a switch via which the respective energy storage module can be activated and deactivated. The energy storage modules can be interconnected with one another in such a way that the individual voltages of activated energy storage modules can add up to a total voltage. In this case, at least one power value is determined for each of the energy storage modules and a total voltage that changes over time is generated by activating at least two energy storage modules in a temporally overlapping manner, but over activation periods of different length. Depending on the respective power value, the individual energy storage modules are assigned activation periods of different length, so that energy storage modules of different types can also be well integrated into the system.

Bei derartigen modularen Batteriespeichersystem kann durch sukzessive Verschaltungder Energiespeichermodule die Gesamtspannungstufenweise erhöht und erniedrigt werden, so dass im Ergebnis eine sogenannte Treppenspannung, die sich an eine sinusförmige Halbwelle annähert, erzeugt werden kann. Im Prinzip lassen sich durch geeignetes Zu- und Abschalten der einzelnen Energiespeichermodule zu den richtigen Zeitpunkten beliebige Kurvenformen generieren.In modular battery storage systems of this type, the total voltage can be increased and decreased in stages by successive interconnection of the energy storage modules, so that as a result a so-called staircase voltage, which approximates a sinusoidal half-wave, can be generated. In principle, any curve shapes can be generated by switching the individual energy storage modules on and off appropriately at the right times.

Über das Zu- und Abschalten bzw. Aktivieren und Deaktivieren der Energiespeichermodule ist jedoch nur eine grobe Annäherung an die gewünschte Ausgangsspannung möglich. Für eine weitere Angleichung der durch geeignete Schaltung der Energiespeichermodule erreichbaren gestuften Spannung ist es daher bereits bekannt, eine Pulsweitenmodulation (PWM) bei den einzelnen erzeugten Spannungen vorzugnehmen. So beschreibt bereits die erwähnte WO 2018/162122 A1 , dass jeder Schalter, der den einzelnen Energiespeichermodulen zugeordnet ist, dazu ausgebildet ist, eine solche Pulsweitenmodulation durchzuführen. Die derart modifizierten Einzelspannungen können dann zu einer Gesamtspannung aufaddiert werden, die somit der gewünschten sinusförmigen Welle der Spannung weiter angenähert ist.By connecting and disconnecting or activating and deactivating the energy storage modules, however, only a rough approximation of the desired output voltage is possible. For a further adjustment of the stepped voltage that can be achieved by suitable switching of the energy storage modules, it is therefore already known to carry out pulse width modulation (PWM) for the individual voltages generated. So already describes the mentioned WO 2018/162122 A1 that each switch that is assigned to the individual energy storage modules is designed to carry out such a pulse width modulation. The individual voltages modified in this way can then be added to a total voltage which is thus further approximated to the desired sinusoidal wave of the voltage.

Für die Durchführung einer Pulsweitenmodulation sind in der Regel hohe Frequenzen erforderlich. Hieraus ergibt sich jedoch das Problem, dass sich die hohen Frequenzen nachteilig auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) auswirken und aufwendige Abschirmungsmaßnahmen erforderlich werden. Unter Umständen können jedoch auch bei aufwendigen Abschirmungsmaßnahmen diese Probleme nicht gelöst werden, so dass insgesamt die Funktionsfähigkeit und die Einsatzmöglichkeiten der Batteriespeichersysteme in der Praxis stark beschränkt sind. Die mit hohen Frequenzen einhergehende Erwärmung macht darüber hinaus eine Kühlung der einzelnen Energiespeichermodule erforderlich.High frequencies are generally required to carry out pulse width modulation. However, this results in the problem that the high frequencies have a detrimental effect on electromagnetic compatibility (EMC) and complex shielding measures are required. Under certain circumstances, however, these problems cannot be solved even with complex shielding measures, so that overall the functionality and possible uses of the battery storage systems are severely limited in practice. The heating associated with high frequencies also makes it necessary to cool the individual energy storage modules.

Die WO 2018/162122 A1 schlägt bereits vor, dass gegebenenfalls nur einer der den Energiespeichermodulen zugeordneten Schaltern zur PWM-Erzeugung ausgebildet ist. Dennoch werden auch hiermit die bei derartigen Batteriespeichersystemen auftretenden Probleme insbesondere im Hinblick auf elektromagnetische Störausstrahlung nicht befriedigend gelöst.The WO 2018/162122 A1 already suggests that if necessary only one of the switches assigned to the energy storage modules is designed for PWM generation. Nevertheless, the problems that occur with such battery storage systems, in particular with regard to electromagnetic interference radiation, are not satisfactorily solved in this way either.

AUFGABE UND LÖSUNGTASK AND SOLUTION

Die Erfindung stellt sich demgegenüber die Aufgabe, ein verbessertes modulares Batteriespeichersystem bereitzustellen, das auf der einen Seite eine kostengünstige Lösung bietet und auf der anderen Seite im Betrieb sehr robust und störunanfällig ist. Insbesondere soll das Batteriespeichersystem dazu in der Lage sein, die mit den einzelnen Energiespeichermodulen erzeugte Spannung in ein Wechselstromnetz einzuspeisen.In contrast, the invention has the object of providing an improved modular battery storage system which, on the one hand, offers a cost-effective solution and, on the other hand, is very robust and not susceptible to failure in operation. In particular, the battery storage system should be able to with the individual Energy storage modules to feed the voltage generated into an alternating current network.

Diese Aufgabe wird durch ein modulares Batteriespeichersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des modularen Batteriespeichersystems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a modular battery storage system with the features of claim 1. Preferred configurations of the modular battery storage system are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem umfasst eine Gruppe aus n wiederaufladbaren Energiespeichermodulen. Dabei weist das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem stets die folgenden Merkmale auf:

  1. a. Die Energiespeichermodule umfassen jeweils mindestens ein, vorzugsweise mehrere wiederaufladbare Energiespeicherelemente, und
  2. b. jedem einzelnen der n Energiespeichermodule ist ein Schalter zugeordnet, über den das jeweilige Energiespeichermodul aktiviert und deaktiviert werden kann, und
  3. c. die n Energiespeichermodule sind über die Schalter derart miteinander verschaltbar, dass sich die Einzelspannungen UEinzel von aktivierten Energiespeichermodulen zu einer Gesamtspannung UGesamt addieren können, und
  4. d. das Batteriespeichersystem umfasst eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der den n Energiespeichermodulen zugeordneten Schalter,
The modular battery storage system according to the invention comprises a group of n rechargeable energy storage modules. The modular battery storage system according to the invention always has the following features:
  1. a. The energy storage modules each comprise at least one, preferably several, rechargeable energy storage elements, and
  2. b. each individual one of the n energy storage modules is assigned a switch via which the respective energy storage module can be activated and deactivated, and
  3. c. the n energy storage modules can be interconnected via the switches in such a way that the individual voltages U individual from activated energy storage modules can add up to a total voltage U total, and
  4. d. The battery storage system comprises a control device for controlling the switches assigned to the n energy storage modules,

Der Kernpunkt der Erfindung liegt darin, dass das modulare Batteriespeichersystem eine Modulationseinheit (Merkmal e.) aufweist, welche sich durch die folgenden Merkmale i. bis iii. auszeichnet:

  1. i. Die Modulationseinheit ist derart mit den verschaltbaren n Energiespeichermodulen verbunden, dass sie die Gesamtspannung UGesamt zu modulieren vermag,
  2. ii. die Modulationseinheit umfasst einen Pulsweitenmodulationsschalter, und
  3. iii. die Modulationseinheit umfasst ein Gehäuse, das den Pulsweitenmodulationsschalter umschließt und das dazu ausgebildet ist, elektronische Komponenten außerhalb des Gehäuses gegen von dem Pulsweitenmodulationsschalter ausgehende elektromagnetische Störausstrahlung abzuschirmen.
The essence of the invention is that the modular battery storage system has a modulation unit (feature e.), Which is characterized by the following features i. to iii. distinguishes:
  1. i. The modulation unit is connected to the interconnectable n energy storage modules in such a way that it is able to modulate the total voltage U total,
  2. ii. the modulation unit comprises a pulse width modulation switch, and
  3. iii. the modulation unit comprises a housing which encloses the pulse width modulation switch and which is designed to shield electronic components outside the housing from electromagnetic interference radiation emanating from the pulse width modulation switch.

Schalter zur Pulsweitenmodulation gehören zum Stand der Technik und sind käuflich erhältlich. Erfindungsgemäß bevorzugt zeichnet sich das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem durch mindestens eines der unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. bis c. aus:

  1. a. Der Pulsweitenmodulationsschalter umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern.
  2. b. Der Pulsweitenmodulationsschalter umfasst eine H-Brückenschaltung mit vier Halbleiterschaltern.
  3. c. Die H-Brückenschaltung umfasst zwei Leitungszweige mit jeweils zwei Halbleiterschaltern, die über einen Kondensator miteinander verbunden sind.
Pulse width modulation switches are state of the art and are commercially available. According to the invention, the modular battery storage system according to the invention is preferably characterized by at least one of the additional features immediately following a. to c. out:
  1. a. The pulse width modulation switch comprises a plurality of semiconductor switches.
  2. b. The pulse width modulation switch comprises an H-bridge circuit with four semiconductor switches.
  3. c. The H-bridge circuit comprises two line branches, each with two semiconductor switches, which are connected to one another via a capacitor.

Besonders bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. bei der Erfindung in Kombination realisiert.Particularly preferred are the immediately above features a. to c. realized in combination with the invention.

Bei den Halbleiterschaltern handelt es sich besonders bevorzugt um MOSFETs. Alternativ zu diesen können als Halbleiterschaltelemente beispielsweise aber auch Bipolartransistoren, insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) verwendet werden.The semiconductor switches are particularly preferably MOSFETs. As an alternative to these, for example, bipolar transistors, in particular bipolar transistors with an insulated gate electrode (IGBTs) can also be used as semiconductor switching elements.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem durch mindestens eines der unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. und b. aus:

  1. a. Die Modulationseinheit umfasst eine Filterdrossel, die in Entladerichtung dem Pulsweitenmodulationsschalter nachgeschaltet ist.
  2. b. Das Gehäuse umschließt auch die Filterdrossel.
In further preferred embodiments, the modular battery storage system according to the invention is characterized by at least one of the immediately following additional features a. and b. out:
  1. a. The modulation unit comprises a filter choke, which is connected downstream of the pulse width modulation switch in the discharge direction.
  2. b. The housing also encloses the filter choke.

Besonders bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. bei der Erfindung in Kombination realisiert.Particularly preferred are the immediately above features a. and b. realized in combination with the invention.

Das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem vermag durch entsprechende Aktivierung und Deaktivierung von einzelnen Energiespeichermodulen eine stufenförmige Gesamtspannung zu erzeugen, die mittels der Modulationseinheit und dem darin enthaltenen Pulsweitenmodulationsschalter in einen insgesamt pulsweitenmodulierten Spannungsverlauf umgewandelt wird, der dem gewünschten Spannungsverlauf stark angenähert ist. Durch die Pulsweitenmodulation (PWM) werden dabei die Übergänge zwischen einzelnen Spannungsstufen abgefedert. Mittels der nachgeschalteten Filterdrossel wird der Spannungsverlauf weiter geglättet, so dass die gewünschte Kurvenform erzeugt wird. Somit ist beispielsweise in besonders vorteilhafter Weise eine Umrichtung der mit den einzelnen Energiespeichermodulen erzeugten Gleichspannung in einen sinusförmigen Verlauf möglich, wobei diese Spannung in ein Wechselstromnetz eingespeist werden kann.The battery storage system according to the invention is able to generate a step-shaped total voltage by activating and deactivating individual energy storage modules, which is converted by means of the modulation unit and the pulse width modulation switch contained therein into an overall pulse width modulated voltage curve that closely approximates the desired voltage curve. The transitions between the individual voltage levels are cushioned by pulse width modulation (PWM). The voltage curve is smoothed further by means of the downstream filter choke, so that the desired curve shape is generated. Thus, for example, the direct voltage generated with the individual energy storage modules can be converted into a sinusoidal curve in a particularly advantageous manner, with this voltage being able to be fed into an alternating current network.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems liegt darin, dass die PWM an zentraler Stelle in der Modulationseinheit durchgeführt wird, in die die addierten Einzelspannungen einfließen. Die Modulationseinheit fasst dabei den Pulsweitenmodulationsschalter mit der nachgeschalteten Filterdrossel, die die Glättung der Kurve und damit deren Einspeisung in das Netz ermöglicht, zusammen, wobei diese Modulationseinheit insgesamt durch ein geeignetes Gehäuse, insbesondere ein metallisches Gehäuse, derart abgeschirmt ist, dass bei diesem Vorgang erzeugte elektromagnetische Störausstrahlung zuverlässig abgefangen wird und nicht nach außen dringt. Das Gehäuse der Modulationseinheit umschließt bevorzugt sowohl den Pulsweitenmodulationsschalter als auch die Filterdrossel.The particular advantage of the battery storage system according to the invention is that the PWM is carried out at a central point in the modulation unit, into which the added individual voltages flow. The modulation unit combines the pulse width modulation switch with the downstream filter choke, which enables the curve to be smoothed and thus fed into the network, this modulation unit being shielded overall by a suitable housing, in particular a metallic housing, in such a way that generated during this process electromagnetic interference is reliably intercepted and does not penetrate to the outside. The housing of the modulation unit preferably encloses both the pulse width modulation switch and the filter choke.

In einigen bevorzugten Ausführungsformen befindet sich auch die Steuereinrichtung innerhalb des Gehäuses.In some preferred embodiments, the control device is also located within the housing.

Durch die PWM an zentraler Stelle wird vermieden, dass eine derartige Pulsweitenmodulation in den einzelnen Energiespeichermodulen durchgeführt werden müsste, was mit verschiedenen Problemen behaftet ist. Insbesondere wird hierdurch vermieden, dass dezentral elektromagnetische Störstrahlung erzeugt wird. Das Erfordernis einer elektromagnetischen Abschirmung ist daher auf die Modulationseinheit beschränkt, so dass alle übrigen Komponenten des Batteriespeichersystems wesentlich einfacher und kostengünstiger ausgebildetsein können.The PWM at a central point prevents such a pulse width modulation from having to be carried out in the individual energy storage modules, which is associated with various problems. In particular, this prevents electromagnetic interference radiation from being generated in a decentralized manner. The requirement for electromagnetic shielding is therefore limited to the modulation unit, so that all other components of the battery storage system can be designed in a much simpler and more cost-effective manner.

Die zentrale Durchführung der PWM in der Modulationseinheit des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems ist mit erheblichen Kostenvorteilen verbunden. Wenn beispielsweise in jedem einzelnen Energiespeichermodul eine PWM bzw. in dem zugeordneten Schalter eine PWM, wie im Stand der Technik, vorgesehen wäre, würden durch die hierfür erforderlichen schnellen Schaltelemente und die erforderlichen schnellen und leistungsstarken Treiber erhebliche Kosten aufzuwenden sein. In dem modularen Batteriespeichersystem gemäß der Erfindung hingegen können die einzelnen Energiespeichermodule wesentlich einfacher ausgestaltet werden, da die zugehörigen Schalter lediglich ein An- und Ausschalten bzw. ein Aktivieren und Deaktivieren des Energiespeichermoduls erlauben müssen. Hierfür können kostengünstige Schalter verwendet werden, die mit einer vergleichsweise niedrigen Taktfrequenz betrieben werden.The central implementation of the PWM in the modulation unit of the modular battery storage system according to the invention is associated with considerable cost advantages. If, for example, a PWM were provided in each individual energy storage module or a PWM in the associated switch, as in the prior art, the high-speed switching elements required for this and the high-performance drivers required would result in considerable costs. In the modular battery storage system according to the invention, on the other hand, the individual energy storage modules can be configured much more simply, since the associated switches only have to allow the energy storage module to be switched on and off or to be activated and deactivated. For this purpose, inexpensive switches can be used that are operated with a comparatively low clock frequency.

Die mit einer PWM bei den einzelnen Energiespeichermodulen von herkömmlichen Systemen erforderlichen hohen Frequenzen gehen bei herkömmlichen modularen Batteriespeichersystemen darüber hinaus mit einer großräumigen Wärmeentwicklung in der Peripherie des Systems einher, die durch entsprechende Kühlsysteme reguliert werden muss. Auch hierauf kann bei dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem verzichtet werden, wobei allenfalls eine Kühlung der Modulationseinheit erforderlich ist. Auch dies ist mit einem erheblichen Kostenvorteil verbunden.The high frequencies required with PWM in the individual energy storage modules of conventional systems are also associated with conventional modular battery storage systems with a large amount of heat in the periphery of the system, which must be regulated by appropriate cooling systems. This can also be dispensed with in the modular battery storage system according to the invention, in which case cooling of the modulation unit may be required. This is also associated with a considerable cost advantage.

Bei einem herkömmlichen modularen Batteriespeichersystem mit einer PWM in den Schaltern der einzelnen Energiespeichermodule sind infolge der PWM-Taktung in der weitläufigen Verdrahtung von derartigen Batteriespeichersystemen durch die pulsierenden, elektromagnetischen Felder beträchtliche Störungen zu beobachten, die sich auf dereinen Seite auf die Funktionsfähigkeit des Systems selbst störend auswirken können und auf der anderen Seite auch nach außen hin abgeschirmt werden müssen, um Vorgaben zur elektromagnetischen Verträglichkeit einhalten zu können. Eine derartige Abschirmung wirft insbesondere durch die weitläufigen Raumerfordernisse von derartigen Systemen große Probleme auf, die bei dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem nahezu vollständig vermieden werden, da im Prinzip ausschließlich die Modulationseinheit elektromagnetisch abgeschirmt werden muss.In a conventional modular battery storage system with a PWM in the switches of the individual energy storage modules, considerable interference can be observed due to the PWM clocking in the extensive wiring of such battery storage systems due to the pulsating electromagnetic fields, which on the one hand interfere with the functionality of the system itself can have an effect and on the other hand must also be shielded from the outside in order to be able to comply with specifications for electromagnetic compatibility. Such shielding raises major problems, in particular due to the extensive space requirements of such systems, which are almost completely avoided in the modular battery storage system according to the invention, since in principle only the modulation unit has to be electromagnetically shielded.

Die bei herkömmlichen modularen Batteriespeichersystemen mit einer PWM-Schaltung, die den einzelnen Energiespeichermodulen zugeordnet ist, erforderliche Regelung des jeweils richtigen PWM-Verhältnisses zur genau richtigen Zeit für das jeweilige Energiespeichermodul ist aufwendig und erfordert eine echtzeitfähige Kommunikation und Datenübertragung. Auch dieser Aspekt fällt bei dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem weg, so dass auch in dieser Hinsicht die Ausgestaltung des modularen Batteriespeichersystems im Vergleich mit herkömmlichen Systemen wesentlich einfacher und robuster ausgestaltet werden kann. Insbesondere sind dabei Fehler in der PWM der einzelnen Energiespeichermodule ausgeschlossen, die bei herkömmlichen Systemen gegebenenfalls zu Netzstörungen, Betriebsstörungen bei dem Betrieb des Batteriespeichersystems selbst bis hin zu Hardwaredefekten des Systems führen können.The regulation of the correct PWM ratio at exactly the right time for the respective energy storage module, which is required in conventional modular battery storage systems with a PWM circuit that is assigned to the individual energy storage modules, is complex and requires real-time communication and data transmission. This aspect is also omitted in the modular battery storage system according to the invention, so that in this respect too the configuration of the modular battery storage system can be made much simpler and more robust in comparison with conventional systems. In particular, errors in the PWM of the individual energy storage modules are excluded, which in conventional systems can possibly lead to network disruptions, operational disruptions in the operation of the battery storage system itself and even hardware defects in the system.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Durchführung der PWM an zentraler Stelle in der separaten Modulationseinheit des Batteriespeichersystems liegt darin, dass in der separaten Modulationseinheit eine optimale elektromagnetische Abschirmung möglich ist, so dass die PWM mit sehr hoher Frequenz gefahren werden kann. Hierdurch ist es möglich, die nachgeschaltete Filterdrossel, die bei hohen Frequenzen am wirksamsten ist, relativ klein auszulegen. Dies ist besonders vorteilhaft, da im Allgemeinen die Filterdrossel mitzunehmenderGröße das kostenintensivste Bauteil des Systems ist.Another particular advantage of performing the PWM at a central point in the separate modulation unit of the battery storage system is that optimal electromagnetic shielding is possible in the separate modulation unit, so that the PWM can be run at a very high frequency. This makes it possible to design the downstream filter choke, which is most effective at high frequencies, to be relatively small. This is particularly advantageous because, in general, as the size of the filter choke increases, it is the most expensive component of the system.

Die Modulationseinheit kann sehr kompakt aufgebaut werden, wodurch die Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Störausstrahlung weiter vereinfacht wird.The modulation unit can be built very compactly, which makes the shielding is further simplified with respect to electromagnetic interference.

Durch die Vermeidung von hochfrequenten Strömen und Spannungen in den einzelnen Energiespeichermodulen ist die elektromagnetische Verträglichkeit gegenüber herkömmlichen Systemen erheblich verbessert und der Schirmungs- und Filterungsaufwand ist wesentlich geringer als bei herkömmlichen Systemen. Auch sinken die Anforderungen an die Verkabelung der Energiespeichermodule, insbesondere kann mit besonderem Vorteil auf eine Abschirmung für die Signalleitungen verzichtet werden.By avoiding high-frequency currents and voltages in the individual energy storage modules, the electromagnetic compatibility is significantly improved compared to conventional systems and the shielding and filtering effort is significantly lower than with conventional systems. The requirements for the cabling of the energy storage modules also decrease; in particular, shielding for the signal lines can be dispensed with, with particular advantage.

Insgesamt können bei dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem die einzelnen Energiespeichermodule wesentlich einfacher als bei herkömmlichen Batteriespeichersystemen ausgestaltet werden. Die damit verbundenen Einsparungen multiplizieren sich mit der Anzahl der einzelnen Energiespeichermodule. So können die Energiespeichermodule mit konventioneller Technik hergestellt werden, da keine Intelligenz der Energiespeichermodule erforderlich ist und da eine einfache, günstige Hardware und nur wenig Softwareaufwand für die einzelnen Energiespeichermodule erforderlich ist. Darüber hinaus ist weniger Kühlaufwand in den einzelnen Energiespeichermodulen und damit im Gesamtsystem notwendig. Es ist keine komplexe und zeitkritische Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung und den einzelnen Energiespeichermodulen erforderlich. Beispielsweise ist kein Datenbus zur Ansteuerung der einzelnen Energiespeichermodule erforderlich. Insgesamt kann damit das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem wesentlich störfester und kostengünstiger hergestellt werden.Overall, in the modular battery storage system according to the invention, the individual energy storage modules can be designed much more simply than in conventional battery storage systems. The associated savings are multiplied by the number of individual energy storage modules. The energy storage modules can thus be produced using conventional technology, since the energy storage modules do not require any intelligence and since simple, inexpensive hardware and only a small amount of software are required for the individual energy storage modules. In addition, less cooling is required in the individual energy storage modules and thus in the overall system. There is no need for complex and time-critical communication between the control device and the individual energy storage modules. For example, no data bus is required to control the individual energy storage modules. Overall, the battery storage system according to the invention can thus be produced in a significantly more interference-free and cost-effective manner.

Mögliche Konfigurationen von Energiespeichermodulen erfindungsgemäßer Batteriespeichersysteme sind eingangs beschrieben. Die beschriebenen Konfigurationen sind auch im Rahmen des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems bevorzugt. Bei den Energiespeicherelementen kann es sich beispielsweise um gealterte Energiespeicherelemente mit bereits reduzierter Kapazität handeln, die aus anderen Anwendungen stammen, z. B. aus Automobilanwendungen, und die durch den Einsatz in einem solchen modularen Batteriespeichersystem weiterhin zweckbringend eingesetzt werden können.Possible configurations of energy storage modules of battery storage systems according to the invention are described at the beginning. The configurations described are also preferred in the context of the modular battery storage system according to the invention. The energy storage elements can be, for example, aged energy storage elements with already reduced capacity that originate from other applications, e.g. B. from automotive applications, and which can continue to be used expediently through use in such a modular battery storage system.

Besonders bevorzugt umfassen erfindungsgemäß einsetzbare Energiespeichermodule elektrochemische Zellen, insbesondere auf Basis von Lithium-Ionen-Technologie und/oder auf Basis von Nickel-Metallhydrid-Technologie.Energy storage modules which can be used according to the invention particularly preferably comprise electrochemical cells, in particular based on lithium-ion technology and / or based on nickel-metal hydride technology.

Die von dem Batteriespeichersystem umfassten Energiespeichermodule können alle die gleichen Einzelspannungen UEinzel aufweisen. Dies muss aber keineswegs immer so sein. Im Gegenteil, es kann sogar bevorzugt sein, Energiespeichermodule mit unterschiedlichen Einzelspannungen UEinzel innerhalb des gleichen Systems zu verbauen. Dies kann die darstellbaren Varianten der Gesamtspannung UGesamt erhöhen.The energy storage modules comprised by the battery storage system can all have the same individual voltages U individual . However, this does not always have to be the case. On the contrary, it may even be preferred to install energy storage modules with different individual voltages U individual within the same system. This can increase the representable variants of the total voltage U total .

Die Schalter sind bevorzugt derart ausgebildet, dass die jeweils zugeordneten Energiespeichermodule auch mit umgekehrter Polarität aktiviert werden können. Auch hierdurch werden die darstellbaren Varianten der Gesamtspannung UGesamt erhöht, insbesondere wenn gleichzeitig Energiespeichermodule mit unterschiedlichen Einzelspannungen UEinzel innerhalb des gleichen Systems verbaut werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Einzelspannung UEinzel eines in umgekehrter Polarität aktivierten Energiespeichermoduls einen negativen Beitrag zur Gesamtspannung UGesamt leistet.The switches are preferably designed in such a way that the respectively assigned energy storage modules can also be activated with reversed polarity. This also increases the representable variants of the total voltage U total , in particular if energy storage modules with different individual voltages U individual are installed within the same system at the same time. This is particularly advantageous since the individual voltage U individual of an energy storage module activated in reverse polarity makes a negative contribution to the total voltage U total .

Wenn eines der n Energiespeichermodule deaktiviert ist, so leistet es keinen Beitrag zu der Gesamtspannung UGesamt. In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Schalter dazu ausgebildet, das jeweils zu ihnen gehörige Energiespeichermodul bei Bedarf überbrücken zu können. Überbrückte deaktivierte Energiespeichermodule sind nicht mehr elektrisch mit den weiteren Energiespeichermodulen der Gruppe verbunden.If one of the n energy storage modules is deactivated, it makes no contribution to the total voltage U total . In particularly preferred embodiments, the switches are designed to be able to bypass the energy storage module associated with them if necessary. Bridged deactivated energy storage modules are no longer electrically connected to the other energy storage modules in the group.

Das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem kann eine sehr große Anzahl an Energiespeichermodulen umfassen. In der Regel ist die Variable n ein Wert im Bereich von 2 bis 100000, bevorzugt im Bereich von 2 bis 10000, besonders bevorzugt 2 bis 1000. Innerhalb dieser Bereiche gilt weiter bevorzugt, dass die Variable n ein Wert im Bereich von 5 bis 100, besonders bevorzugt von 5 bis 20, insbesondere von 7 bis 10, ist.The modular battery storage system according to the invention can comprise a very large number of energy storage modules. As a rule, the variable n is a value in the range from 2 to 100,000, preferably in the range from 2 to 10,000, particularly preferably 2 to 1000. Within these ranges, it is further preferred that the variable n has a value in the range from 5 to 100, particularly preferably from 5 to 20, in particular from 7 to 10, is.

In bevorzugter Weise zeichnet sich das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem durch mindestens eines der unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. bis c. aus:

  1. a. Die Modulationseinheit umfasst einen Tiefpassfilter,derin Entladerichtung dem Pulsweitenmodulationsschaltervorgeschaltet ist.
  2. b. Die Modulationseinheit umfasst einen Tiefpassfilter,derin Entladerichtung dem Pulsweitenmodulationsschalter nachgeschaltet ist.
  3. c. Das Gehäuse umschließt auch das Tiefpassfilter und/oder das Tiefpassfilter.
In a preferred manner, the modular battery storage system according to the invention is characterized by at least one of the immediately following additional features a. to c. out:
  1. a. The modulation unit comprises a low-pass filter which is connected upstream of the pulse width modulation switch in the discharge direction.
  2. b. The modulation unit comprises a low-pass filter, which is connected downstream of the pulse width modulation switch in the discharge direction.
  3. c. The housing also encloses the low-pass filter and / or the low-pass filter.

Bei den Tiefpassfiltern, die in bevorzugten Ausführungsformen dem Pulsweitenmodulationsschalter vorgeschaltet und/oder nachgeschaltet sind, kann es sich um übliche Tiefpassfilter handeln, mit denen hochfrequente Anteile der Gesamtspannung bis zu einer Grenzfrequenz im Bereich von 100 kHz bis 1 GHz gedämpft werden. Eine Tiefpassfilterung vor der Einleitung der Gesamtspannung in den Pulsweitenmodulationsschalter hat den besonderen Vorteil, dass hierdurch die PWM in dem Pulsweitenmodulationsschalter durch die reduzierten hochfrequenten Anteile weniger aufwendig ist.The low-pass filters, which are connected upstream and / or downstream of the pulse width modulation switch in preferred embodiments, can be conventional low-pass filters with which high-frequency components of the total voltage are attenuated up to a cut-off frequency in the range from 100 kHz to 1 GHz. A low pass filtering Before the total voltage is introduced into the pulse width modulation switch, it has the particular advantage that the PWM in the pulse width modulation switch is less complex because of the reduced high-frequency components.

In besonders bevorzugter Weise ist es vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich zum vorgeschalteten Tiefpassfilter auch nach der Filterdrossel ein Tiefpassfilter mit der genannten Charakteristik vorgesehen ist. In besonders bevorzugter Weise ist ein Tiefpassfilter am Eingang der Modulationseinheit und ein weiteres Tiefpassfilter am Ausgang der Modulationseinheit vorgesehen.In a particularly preferred manner, it is provided that, as an alternative or in addition to the upstream low-pass filter, a low-pass filter with the characteristics mentioned is also provided after the filter choke. In a particularly preferred manner, a low-pass filter is provided at the input of the modulation unit and a further low-pass filter is provided at the output of the modulation unit.

Die Filterdrossel unterscheidet sich gegenüber dem oder den Tiefpassfiltern vorzugsweise darin, dass die Filterdrossel zur Glättung von vergleichsweise niedrigfrequenten Anteilen im Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 MHz ausgelegt ist, vor allem in Bezug auf die Taktfrequenz des Wandlers und auf niedrigskalige Oberwellen.The filter choke differs from the low-pass filter or filters in that the filter choke is designed to smooth comparatively low-frequency components in the frequency range from 1 kHz to 10 MHz, especially with regard to the clock frequency of the converter and low-scale harmonics.

Besonders geeignete Filterdrosseln besitzen vorzugsweise einen ferromagnetischen Kern, der so ausgelegt ist, dass er bei der Taktfrequenz des Wandlers und den niedrigskaligen Oberwellen wirksam ist. Geeignete Materialen weisen dabei vorzugsweise hohe Permeabilitäten auf, so dass die Windungszahlen klein sein können und die Kupferverluste in Grenzen gehalten werden. Solche auch als „Power-Ferrite“ bezeichnete Kerne sind dabei im Bereich von EMV-relevanten, höheren Frequenzen, beispielsweise im MHz-Bereich, weitgehend unwirksam. Trotz der durch die hohe Permeabilität des weichmagnetischen Kerns kleinstmöglich gehaltenen Kupferwicklung ist die Bewicklung dennoch mit relativ hohen, parasitären Kapazitäten behaftet, die die Filterdrossel für hohe Frequenzen gleichsam überbrücken und damit unwirksam machen. Insgesamt filtert die Filterdrossel vorzugsweise die niedrigeren Frequenzanteile.Particularly suitable filter chokes preferably have a ferromagnetic core which is designed in such a way that it is effective at the clock frequency of the converter and the low-scale harmonics. Suitable materials preferably have high permeabilities, so that the number of turns can be small and the copper losses are kept within limits. Such cores, also known as “power ferrites”, are largely ineffective in the range of EMC-relevant, higher frequencies, for example in the MHz range. Despite the copper winding, which is kept as small as possible due to the high permeability of the soft magnetic core, the winding is nevertheless afflicted with relatively high, parasitic capacitances which, as it were, bypass the filter choke for high frequencies and thus render it ineffective. Overall, the filter choke preferably filters the lower frequency components.

Das oder die vorzugsweise vorgesehenen Tiefpassfilter können auch als EMV-Filter bezeichnet werden, da sie vorzugsweise elektromagnetische Störstrahlung herausfiltern. Vorzugsweise weisen das oder die Tiefpassfilter einen Spulenkern mit Tauglichkeit für hohe Frequenzen auf. Diese Materialen weisen zwar in der Regel auf der einen Seite deutlich geringere Permeabilitäten und Sättigungsflussdichten als die erwähnten „Power“-Materialien auf, so dass sie zu wenig Induktivität für die Grundfrequenz besitzen. Auf der anderen Seite hingegen sind sie bei den besonders EMV-relevanten, hohen Frequenzen wirksam. Insbesondere zeichnen sich das oder die Tiefpassfilter durch eine kapazitätsarme Wicklung aus. Bedingt durch das Kernmaterial weisen sie eine geringe Induktivität auf.The low-pass filter or filters that are preferably provided can also be referred to as EMC filters, since they preferably filter out electromagnetic interference radiation. The low-pass filter or filters preferably have a coil core suitable for high frequencies. On the one hand, these materials generally have significantly lower permeabilities and saturation flux densities than the “power” materials mentioned, so that they have too little inductance for the fundamental frequency. On the other hand, however, they are effective at the high frequencies that are particularly relevant to EMC. In particular, the low-pass filter or filters are characterized by a low-capacitance winding. Due to the core material, they have a low inductance.

Vorzugsweise enthalten das oder die Tiefpassfilter auch Glättungs- bzw. Ableitkondensatoren. Darüber hinaus können das oder die Tiefpassfilter auch eine zusätzliche, stromkompensierte Drossel und gegebenenfalls Y-Kondensatoren zur Bekämpfung von Gleichtaktstörungen aufweisen. Dabei setzen stromkompensierte Drosseln einer auftretenden Gleichtaktstörung eine hemmende Impedanz entgegen. Y-Kondensatoren leiten das, was noch übrig ist, gegen Erde ab.The low-pass filter or filters preferably also contain smoothing or bypass capacitors. In addition, the low-pass filter or filters can also have an additional, current-compensated choke and, if necessary, Y-capacitors for combating common-mode interference. Current-compensated chokes counteract common-mode interference with an inhibiting impedance. Y capacitors divert what is left to earth.

Die Ausbildung des Pulsweitenmodulationsschalters als eine H-Brückenschaltung mit vier Halbleiterschaltern ist prinzipiell vergleichbar mit der leistungselektronischen Grundstruktur einer an sich bekannten Multilevel-Umrichter-Stufe. Die Spannung über dem Kondensator wird dabei vorteilhafterweise über die Ansteuerung der Leistungshalbleiter per Pulsweitenmodulation eingestellt bzw. geregelt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Kondensator keine dedizierte Ladeschaltung benötigt.The design of the pulse width modulation switch as an H-bridge circuit with four semiconductor switches is in principle comparable with the power electronic basic structure of a multilevel converter stage known per se. The voltage across the capacitor is advantageously set or regulated by controlling the power semiconductors by pulse width modulation. This has the particular advantage that the capacitor does not require a dedicated charging circuit.

In besonders bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems zeichnet sich das Batteriespeichersystem im Hinblick auf die Modulationseinheit durch eines der unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. und b. aus:

  1. a. Die Modulationseinheit umfasst eine Kühleinrichtung.
  2. b. Der Modulationseinheit ist eine Kühleinrichtung zugeordnet.
In particularly preferred refinements of the modular battery storage system according to the invention, the battery storage system is characterized with regard to the modulation unit by one of the additional features immediately following a. and b. out:
  1. a. The modulation unit comprises a cooling device.
  2. b. A cooling device is assigned to the modulation unit.

Durch die hochfrequenten Ströme, die bei dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem prinzipiell ausschließlich im Bereich der Modulationseinheit auftreten, kann es innerhalb der Modulationseinheit zu einer Wärmeentwicklung kommen, der zweckmäßigerweise mit einer Kühleinrichtung zur Kühlung der Modulationseinheit begegnet wird. Diese Kühleinrichtung kann innerhalb des Gehäuses der Modulationseinheit angeordnet sein oder es kann sich auch um eine externe Kühleinrichtung handeln, die der Modulationseinheit zugeordnet ist. Hierfür können beispielsweise an sich bekannte Kühlkreisläufe oder andere Kühlelemente zum Einsatz kommen.The high-frequency currents, which in principle occur exclusively in the area of the modulation unit in the modular battery storage system according to the invention, can generate heat within the modulation unit, which is expediently countered with a cooling device for cooling the modulation unit. This cooling device can be arranged within the housing of the modulation unit or it can also be an external cooling device which is assigned to the modulation unit. For example, cooling circuits known per se or other cooling elements can be used for this purpose.

In besonders bevorzugter Weise zeichnet sich das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem durch mindestens eines, vorzugsweise beide, der nachfolgenden zusätzlichen Merkmale a. und b. aus:

  1. a. Die Schalter, die den n Energiespeichermodulen zugeordnet sind, sind nicht zur Pulsweitenmodulation eingerichtet.
  2. b. Die n Energiespeichermodule weisen keine oder lediglich eine passive Kühleinrichtung auf oder den n Energiespeichermodulen ist keine oder lediglich eine passive Kühleinrichtungzugeordnet.
In a particularly preferred manner, the modular battery storage system according to the invention is characterized by at least one, preferably both, of the following additional features a. and b. out:
  1. a. The switches that are assigned to the n energy storage modules are not set up for pulse width modulation.
  2. b. The n energy storage modules have no or only a passive cooling device, or none or only a passive cooling device is assigned to the n energy storage modules.

Dadurch, dass die n Energiespeichermodule des erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems nicht zur Pulsweitenmodulation eingerichtet sind, können erhebliche Einsparungen bei dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem vorgenommen werden, da die Energiespeichermodule sehr einfach aufgebaut sein können und keine aufwendigen Schaltungen benötigen. Da gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept die Pulsweitenmodulation an zentraler Stelle in der Modulationseinheit erfolgt, sind keine aufwendigen Pulsweitenmodulationsschalter an den einzelnen Energiespeichermodulen erforderlich. Dies bringt verschiedene Vorteile mit sich. Neben dem erwähnten Einsparungspotenzial ergeben sich auch besondere Vorteile im Hinblick auf die Wärmeentwicklung in dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem. Durch den Verzicht einer Pulsweitenmodulation bei den einzelnen Energiespeichermodulen sind in diesen Bereichen keine hochfrequenten Ströme erforderlich und es besteht keine Notwendigkeit von aufwendigen Kühlsystemen oder Kühleinrichtungen, da es bei den Energiespeichermodulen nicht zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung kommt. In bevorzugten Ausführungsformen sind kostengünstige Kühlmaßnahmen, beispielsweise vergrößerte Kupferflächen auf der Leiterplatte und/oder aufgelötete SMD-Kühlkörper (SMD - oberflächenmontierte Bauelemente), bei den Energiespeichermodulen vorgesehen, die ausreichend sind, um die auftretenden Leitungsverluste auszugleichen. Darüber hinaus können Kühlmaßnahmen im Hinblick auf die ohmschen Verluste bei dem Betrieb der Energiespeicherelemente in den einzelnen Energiespeichermodulen erforderlich bzw. sinnvoll sein.Because the n energy storage modules of the battery storage system according to the invention are not set up for pulse width modulation, considerable savings can be made in the modular battery storage system according to the invention, since the energy storage modules can be constructed very simply and do not require complex circuits. Since, according to the inventive concept, the pulse width modulation takes place at a central point in the modulation unit, no complex pulse width modulation switches are required on the individual energy storage modules. This has various advantages. In addition to the aforementioned potential for savings, there are also particular advantages with regard to the generation of heat in the modular battery storage system according to the invention. By dispensing with pulse width modulation in the individual energy storage modules, no high-frequency currents are required in these areas and there is no need for complex cooling systems or cooling devices, since the energy storage modules do not generate excessive heat. In preferred embodiments, inexpensive cooling measures, for example enlarged copper areas on the circuit board and / or soldered SMD heat sinks (SMD - surface-mounted components), are provided for the energy storage modules, which are sufficient to compensate for the line losses that occur. In addition, cooling measures with regard to the ohmic losses in the operation of the energy storage elements in the individual energy storage modules can be necessary or useful.

Weitere besondere Vorteile in diesem Zusammenhang ergeben sich aus der oben bereits erläuterten besonders vorteilhaften elektromagnetischen Verträglichkeit, da durch den Verzicht auf hochfrequente Ströme im Bereich der Energiespeichermodule keine übermäßigen elektromagnetischen Störströme im Bereich der Energiespeichermodule entstehen. Eine elektromagnetische Abschirmung gegenüber Störstrahlungen ist also im Bereich der Energiespeichermodule nicht erforderlich. Lediglich im Bereich der zentralen Modulationseinheit ist eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Störausstrahlung sinnvoll und erforderlich.Further particular advantages in this context result from the particularly advantageous electromagnetic compatibility already explained above, since by dispensing with high-frequency currents in the area of the energy storage modules, no excessive electromagnetic interference currents arise in the area of the energy storage modules. Electromagnetic shielding against interference radiation is therefore not required in the area of the energy storage modules. Shielding against electromagnetic interference radiation is only useful and necessary in the area of the central modulation unit.

In besonders bevorzugter Weise zeichnet sich das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem im Hinblick auf die Ansteuerung der Energiespeichermodule durch das unmittelbarfolgende zusätzliche Merkmal a. aus:

  1. a. Zur Ansteuerung der den Energiespeichermodulen zugeordneten Schalter sind 0/1-Signalleitungen vorgesehen.
In a particularly preferred manner, the modular battery storage system according to the invention is characterized with regard to the control of the energy storage modules by the immediately following additional feature a. out:
  1. a. To control the switches assigned to the energy storage modules, 0/1 signal lines are provided.

Da für die einzelnen Energiespeichermodule keine Pulsweitenmodulation vorgesehen ist und die Pulsweitenmodulation ausschließlich an zentraler Stelle in der Modulationseinheit erfolgt, kann auch die Ansteuerung der einzelnen Energiespeichermodule sehr einfach gestaltet werden. Insbesondere ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Ansteuerung der den Energiespeichermodulen zugeordneten Schalter lediglich 0/1-Signalleitungen vorgesehen sind. Zur Ansteuerung der Schalter der einzelnen Energiespeichermodule kann dabei beispielsweise ein vergleichsweise langsames, gemeinsames Bussystem genutzt werden, da nur ein Zuschalten und Abschalten der einzelnen Energiespeichermodule erforderlich ist. Diese Ausgestaltung der Ansteuerung der Energiespeichermodule ist auf der einen Seite im Prinzip ausreichend für den Betrieb des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems und ermöglicht auf der anderen Seite ein erhebliches Kosteneinsparungspotenzial.Since no pulse width modulation is provided for the individual energy storage modules and the pulse width modulation takes place exclusively at a central point in the modulation unit, the individual energy storage modules can also be controlled very easily. In particular, it is particularly advantageous if only 0/1 signal lines are provided for controlling the switches assigned to the energy storage modules. To control the switches of the individual energy storage modules, a comparatively slow, shared bus system can be used, for example, since the individual energy storage modules only need to be switched on and off. This configuration of the control of the energy storage modules is, on the one hand, in principle sufficient for the operation of the modular battery storage system according to the invention and, on the other hand, enables considerable potential for cost savings.

Zur Verbesserung der Störfestigkeit können in bevorzugten Ausführungsformen für die 0/1-Signalleitungen statt üblicher Kupferdrähte auch Lichtleiter verwendet werden. Lichtleiter sind zwar etwas teurer als Kupferdrähte, weisen aber bereits eine inhärente galvanische Trennung auf und werden von elektromagnetischen Störungen im Prinzip nicht beeinflusst. Da in der Regel bei dem erfindungsgemäßen System keine hohen Taktraten erforderlich sind, können die erforderlichen Transmitter/Receiver sehr einfach und damit kostengünstig ausgeführt werden.In order to improve the interference immunity, light guides can also be used in preferred embodiments for the 0/1 signal lines instead of the usual copper wires. Although light guides are somewhat more expensive than copper wires, they already have an inherent galvanic separation and are in principle not affected by electromagnetic interference. Since, as a rule, no high clock rates are required in the system according to the invention, the required transmitters / receivers can be implemented very simply and thus inexpensively.

Alternativ zu einer 0/1-Signalleitungen können auch sogenannte Tri-State-Elemente eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um digitale Schaltelemente, deren Ausgänge nicht nur 0 und 1, sondern zusätzliche einen dritten, hochohmigen Zustand annehmen können.As an alternative to a 0/1 signal line, so-called tri-state elements can also be used. These are digital switching elements whose outputs can assume not only 0 and 1, but also a third, high-resistance state.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems zeichnet sich das System durch das unmittelbar folgende zusätzliche Merkmal a. aus:

  1. a. Die Steuereinrichtung ist derart eingerichtet, dass sich mindestens zwei der Energiespeichermodule über die jeweils zugeordneten Schalter zeitlich überlappend, aber über unterschiedlich lange Aktivierungszeiträume aktivieren lassen, um eine sich zeitlich ändernde Gesamtspannung UGesamt(t) zu erzeugen.
In a particularly preferred embodiment of the modular battery storage system according to the invention, the system is characterized by the immediately following additional feature a. out:
  1. a. The control device is set up in such a way that at least two of the energy storage modules can be activated in a temporally overlapping manner, but over activation periods of different length, in order to generate a total voltage U total (t) that changes over time.

Die zeitlich sich ändernde Gesamtspannung UGesamt(t) kann mit grundsätzlich beliebigen Spannungsverläufen erzeugt werden. So lässt sich eine Sägezahnspannung in ebenso guter Näherung erzeugen wie eine Dreieckspannung. The total voltage U total (t), which changes over time, can be generated with basically any voltage curves. In this way, a sawtooth voltage can be generated in just as good an approximation as a triangular voltage.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei UGesamt(t) insbesondere um eine Spannung mit sinusförmigem Spannungsverlauf, wie sie eingangs bereits Erwähnung fand. Das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem kann also in bevorzugten Ausführungsformen in Form eines Entladeverfahrens betrieben werden, bei dem Strom aus einer Gleichspannungsquelle unter Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung in ein Wechselstromnetz eingespeist wird.Particularly preferably, U total (t) is, in particular, a voltage with a sinusoidal voltage profile, as was already mentioned at the beginning. The modular battery storage system according to the invention can therefore be operated in preferred embodiments in the form of a discharge process in which current from a direct voltage source is fed into an alternating current network with conversion of direct voltage into alternating voltage.

Neben der Ansteuerung der Energiespeichermodule zeichnet sich das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem im Hinblick auf die Funktionen der Steuereinrichtung weiterhin in besonders bevorzugter Weise durch das unmittelbar folgende zusätzliche Merkmal aus:

  1. a. Die Steuereinrichtung ist zur Regelung des Pulsweitenmodulationsschalters in der Modulationseinheit eingerichtet.
In addition to the control of the energy storage modules, the modular battery storage system according to the invention is also particularly preferably characterized by the following additional feature with regard to the functions of the control device:
  1. a. The control device is set up to regulate the pulse width modulation switch in the modulation unit.

In dieser bevorzugten Ausführungsform übernimmt also die Steuereinrichtung sowohl die Ansteuerung und Schaltung der n Energiespeichermodule als auch die Regelung des Pulsweitenmodulationsschalters in der Modulationseinheit. Für die direkte Ansteuerung des Pulsweitenmodulationsschalters ist vorzugsweise ein Signalbus vorgesehen, der für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt ist. Für die Ansteuerung der n Energiespeichermodule ist die Übertragung eines einfachen 0/1-Signals mit niedriger Frequenz ausreichend.In this preferred embodiment, the control device takes over both the control and switching of the n energy storage modules and the regulation of the pulse width modulation switch in the modulation unit. A signal bus designed for high speeds is preferably provided for direct control of the pulse width modulation switch. To control the n energy storage modules, the transmission of a simple 0/1 signal with a low frequency is sufficient.

In bevorzugten Ausgestaltungen zeichnet sich die Steuereinrichtung des modularen Batteriespeichersystems durch eines der unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale aus:

  1. a. Die Steuereinrichtung ist ein Signalprozessor.
  2. b. Die Steuereinrichtung ist ein Mikrocontroller.
In preferred configurations, the control device of the modular battery storage system is characterized by one of the following additional features:
  1. a. The control device is a signal processor.
  2. b. The control device is a microcontroller.

Ein Verfahren zum Betreiben eines modularen Batteriespeichersystems gemäß der obigen Beschreibung umfasst die unmittelbar folgenden Schritte a. und b.:

  1. a. Durch sukzessives Aktivieren und Deaktivieren der n Energiespeichermodule wird eine Treppenspannung erzeugt, und
  2. b. die Treppenspannung wird in die Modulationseinheit geleitet und durch eine Pulsweitenmodulation und mindestens eine Filterung in eine geglättete Sinusspannung überführt.
A method for operating a modular battery storage system according to the description above comprises the following steps a. and b .:
  1. a. A staircase voltage is generated by successively activating and deactivating the n energy storage modules, and
  2. b. the staircase voltage is fed into the modulation unit and converted into a smoothed sinusoidal voltage by pulse width modulation and at least one filtering.

In besonders bevorzugter Weise kann die geglättete Sinusspannung als eine Phase in ein Wechselstromnetz eingespeist werden. Somit kann die mit den einzelnen Energiespeichermodulen erzeugte Gleichspannung durch eine entsprechende sequenzielle Ansteuerung der einzelnen Energiespeichermodule in eine Wechselspannung überführt und in entsprechenden Stromnetzen genutzt werden. Gleichfalls eignetsich das System auch für Verfahren zum Betreiben von Mehrphasensystemen, beispielsweise zur Erzeugung von Drehstrom.In a particularly preferred manner, the smoothed sinusoidal voltage can be fed into an alternating current network as a phase. The direct voltage generated with the individual energy storage modules can thus be converted into an alternating voltage by a corresponding sequential control of the individual energy storage modules and used in corresponding power networks. The system is also suitable for methods of operating multi-phase systems, for example for generating three-phase current.

Darüber hinaus kann das System auch zur Versorgung von Gleichstromanwendungen genutzt werden, zum Beispiel zum Laden von Elektroautos oder anderem. Das System wäre aber auch dazu in der Lage, Gleichspannung sowohl zu liefern als auch zu beziehen, beispielsweise aus einem Photovoltaiksystem, ohne dass dafür bauliche Änderungen vorgenommen werden müssten. Der dabei gespeicherte Strom kann als Wechselstrom in ein Netz eingespeist oder aber als Gleichstrom beispielsweise zum Laden eines Elektrofahrzeugs verwendet werden.In addition, the system can also be used to supply DC power applications, such as charging electric cars or other things. However, the system would also be able to both supply and draw direct voltage, for example from a photovoltaic system, without structural changes having to be made. The electricity stored in this process can be fed into a network as alternating current or used as direct current, for example for charging an electric vehicle.

Es wäre so möglich, ein erfindungsgemäßes System als Ladevorrichtung, beispielsweise für E-Fahrzeuge, auszubilden, wobei der Multilevel-Umrichter des Systems dazu ausgebildet ist, konfigurierbar per Software wahlweise Gleichspannung oder Wechselspannung zu liefern. Damit wäre eine einzige Ladevorrichtung mit einer einzigen Leistungselektronik dazu in der Lage, verschiedene Ladesysteme zu bedienen.It would thus be possible to design a system according to the invention as a charging device, for example for e-vehicles, the multilevel converter of the system being designed to deliver either direct voltage or alternating voltage, configurable via software. A single charging device with a single power electronics would thus be able to serve different charging systems.

Prinzipiell lassen sich beim Betreiben des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems auch andere beliebige Kurvenformen generieren. So eignet sich das erfindungsgemäße modulare Batteriespeichersystem beispielsweise auch zur Erzeugung einer Gleichspannung, die beispielsweise für Photovoltaikanlage-Anwendungen oder zum Laden von Elektrofahrzeugen oder für andere Zwecke eingesetzt werden kann.In principle, any other curve shapes can also be generated when the modular battery storage system according to the invention is operated. For example, the modular battery storage system according to the invention is also suitable for generating a direct voltage that can be used, for example, for photovoltaic system applications or for charging electric vehicles or for other purposes.

In besonders bevorzugter Weise zeichnet sich das Verfahren durch das unmittelbarfolgende zusätzliche Merkmal a. aus:

  1. a. Die Energiespeichermodule des modularen Batteriespeichersystems werden mit einer Frequenz zwischen 50 und 500 Hz, insbesondere mit 100 Hz, angesteuert.
In a particularly preferred manner, the method is characterized by the immediately following additional feature a. out:
  1. a. The energy storage modules of the modular battery storage system are controlled with a frequency between 50 and 500 Hz, in particular with 100 Hz.

Eine Schaltung mit einer Frequenz von 100 Hz ist besonders vorteilhaft, da dies die Frequenz der Netz-Halbwellen in Haushaltsnetzen entspricht, so dass durch eine solche Schaltung der Energiespeichermodule die erzeugte Wechselspannung ohne Weiteres als eine Phase in ein Haushaltsnetz eingespeist werden kann.A circuit with a frequency of 100 Hz is particularly advantageous since this corresponds to the frequency of the network half-waves in household networks, so that the alternating voltage generated can easily be fed into a household network as a phase through such a circuit of the energy storage modules.

In besonders bevorzugter Weise zeichnet sich das Verfahren weiterhin durch das unmittelbar folgende zusätzliche Merkmal aus:

  1. a. Der Pulsweitenmodulationsschalter der Modulationseinheit wird mit einer hohen Frequenz angesteuert.
In a particularly preferred manner, the method is further characterized by the following additional feature:
  1. a. The pulse width modulation switch of the modulation unit is controlled with a high frequency.

Die hohen Frequenzen für die Ansteuerung des Pulsweitenmodulationsschalters liegen vorzugsweise in einem Bereich von 1 kHz bis 1 Mhz. Der tatsächlich gewählte Frequenzbereich ist zweckmäßigerweise an die verwendete Schaltungstechnik und/oder Halbleitertechnologie angepasst. In besonders bevorzugten Ausführungsformen liegt die Frequenz in einem Bereich zwischen 10 kHz und 200 kHz.The high frequencies for controlling the pulse width modulation switch are preferably in a range from 1 kHz to 1 MHz. The frequency range actually selected is expediently adapted to the circuit technology and / or semiconductor technology used. In particularly preferred embodiments, the frequency is in a range between 10 kHz and 200 kHz.

Durch die hohen Frequenzen bei derAnsteuerungdes Pulsweitenmodulationsschalters ist die Effektivität der nachgeschalteten Filterdrossel besonders hoch, so dass bei einer hohen Taktfrequenz für die Pulsweitenmodulation die Filterdrossel sogar verkleinert werden kann. Die Verkleinerung der Filterdrossel bietet dabei ein besonderes Einsparungspotenzial bei der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems bzw. bei der Ausgestaltung der Modulationseinheit, so dass eine hohe Taktfrequenz bei der Ansteuerung des Pulsweitenmodulationsschalters besonders bevorzugt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Batteriespeichersystems und insbesondere durch das Gehäuse der Modulationseinheit sind die mit hohen Frequenzen einhergehenden elektromagnetischen Störausstrahlungen nicht problematisch, da durch eine kompakte Bauweise der Modulationseinheit eine entsprechende Ausgestaltung mit Abschirmungselementen, zum Beispiel durch ein metallisches Gehäuse, ohne großen Aufwand möglich ist.Due to the high frequencies when activating the pulse width modulation switch, the effectiveness of the downstream filter choke is particularly high, so that the filter choke can even be reduced in size at a high clock frequency for the pulse width modulation. The reduction in size of the filter choke offers particular savings potential in the design of the modular battery storage system according to the invention or in the design of the modulation unit, so that a high clock frequency is particularly preferred when controlling the pulse width modulation switch. Due to the design of the battery storage system according to the invention and, in particular, the housing of the modulation unit, the electromagnetic interference emissions associated with high frequencies are not problematic, since the compact design of the modulation unit enables a corresponding design with shielding elements, for example by means of a metallic housing, without great effort.

Das Gehäuse ist in bevorzugten Ausgestaltungen ein metallisches Gehäuse. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass für das Gehäuse oder zumindest für abschirmende Elemente des Gehäuses ein metallisierter Kunststoff verwendet wird, das Gehäuse also aus Kunststoffteilen besteht, die eine metallische Beschichtung aufweisen.In preferred configurations, the housing is a metallic housing. However, it can also be provided that a metallized plastic is used for the housing or at least for shielding elements of the housing, that is to say the housing consists of plastic parts which have a metallic coating.

In bevorzugten Ausführungsformen ist das Gehäuse derart zur Abschirmung ausgebildet, dass ein im Wesentlichen lückenlos die Leistungselektronik umschließender faradayscher Käfig ausgebildet wird, der keine Schlitze oder andere Öffnungen ausbildet, die bei den auftretenden Frequenzen Resonanzen bzw. Antennen bilden könnten. Weiterhin können als abschirmende Maßnahmen beispielsweise Metallgitter vorgesehen sein, die Lüftungsöffnungen abdecken.In preferred embodiments, the housing is designed for shielding in such a way that a Faraday cage is formed which essentially completely encloses the power electronics and does not form any slots or other openings that could form resonances or antennas at the frequencies that occur. Furthermore, metal grids, for example, which cover ventilation openings, can be provided as shielding measures.

Zweckmäßigerweise ist in besonders bevorzugten Ausgestaltungen des Systems eine Datenkommunikation zu den einzelnen Energiespeichermodulen vorgesehen. Im Vergleich mit herkömmlichen Systemen kann ein entsprechender Kommunikationsbus jedoch wesentlich einfacher ausgebildet sein. Insbesondere ist keine echtzeitfähige Datenübertragung erforderlich, so dass bevorzugten Datenkommunikationsleitungen nicht echtzeitfähig sind. So können in diesem Zusammenhang beispielsweise kostengünstige Schnittstellen wie CAN oder RS485 verwendet werden.In particularly preferred configurations of the system, data communication with the individual energy storage modules is expediently provided. In comparison with conventional systems, however, a corresponding communication bus can be designed much more simply. In particular, no real-time capable data transmission is required, so that preferred data communication lines are not real-time capable. In this context, for example, inexpensive interfaces such as CAN or RS485 can be used.

In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems bzw. in bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens zum Betreiben eines solchen Batteriespeichersystems kann es vorgesehen sein, dass für jedes der n Energiespeichermodule mindestens ein Leistungsparameter bzw. mindestens ein Leistungswert ermittelt wird. In Abhängigkeit des ermittelten Leistungsparameters können den einzelnen Energiespeichermodulen unterschiedlich lange Aktivierungszeiträume zugeordnet werden. Mit anderen Worten, in Abhängigkeit des mindestens einen Leistungsparameters wird eine Zuordnung vorgenommen, welche der Energiespeichermodule nur für eine kurze Zeitdauer (einen kurzen Aktivierungszeitraum) und welche der Energiespeichermodule für eine längere Zeitdauer (einen längeren Aktivierungszeitraum) aktiviert werden. In further preferred configurations of the modular battery storage system according to the invention or in preferred configurations of the method for operating such a battery storage system, it can be provided that at least one performance parameter or at least one performance value is determined for each of the n energy storage modules. Depending on the determined performance parameter, activation periods of different length can be assigned to the individual energy storage modules. In other words, depending on the at least one performance parameter, an assignment is made as to which of the energy storage modules are activated only for a short period of time (a short activation period) and which of the energy storage modules are activated for a longer period of time (a longer activation period).

Allgemein spielt für den Betrieb eines Batteriespeichersystems die aktuelle Restkapazität (State-of-Charge, kurz: SOC) und die maximal verfügbare Kapazität (State-of-Health, kurz: SOH) der von dem Batteriespeichersystem umfassten Energiespeichermodule eine Rolle. Potentiell problematisch ist hierbei, dass SOC und SOH einzelner Energiespeichermodule in einem Batteriespeichersystem sehr stark divergieren können, beispielsweise in Folge von unterschiedlich schneller Alterung. In aller Regel bestimmen die Energiespeichermodule mit den schlechtesten Leistungswerten die Gesamtperformance eines Batteriespeichersystems.In general, the current remaining capacity (state-of-charge, SOC for short) and the maximum available capacity (state-of-health, SOH for short) of the energy storage modules included in the battery storage system play a role in the operation of a battery storage system. A potential problem here is that the SOC and SOH of individual energy storage modules can diverge very strongly in a battery storage system, for example as a result of aging at different rates. As a rule, the energy storage modules with the worst performance values determine the overall performance of a battery storage system.

Mit Hilfe sogenannter Balancing-Systeme kann bekanntermaßen ein Ladungs- und/oder Spannungsausgleich zwischen Energiespeichermodulen mit ungleichem Ladungs- und/oder Spannungszustand herbeigeführt werden. Allerdings sind solche Balancing-Systeme nicht kostengünstig umzusetzen, da der damit verbundene Hard- und Softwareaufwand erheblich ist.With the help of so-called balancing systems, it is known that a charge and / or voltage equalization can be brought about between energy storage modules with unequal charge and / or voltage states. However, such balancing systems cannot be implemented cost-effectively, since the associated hardware and software expenditure is considerable.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystems bzw. in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens können ungleiche Ladungs- und/oder Spannungszustände durch die Berücksichtigung von Leistungsparametern bei der Ansteuerung der einzelnen Energiespeichermodule ausgeglichen werden.In a preferred embodiment of the modular battery storage system according to the invention or in a preferred embodiment of the method, unequal charge and / or voltage states can be compensated for by taking power parameters into account when controlling the individual energy storage modules.

Bei dem Leistungswert bzw. dem Leistungsparameter handelt es sich um einen Zustandswert, der charakteristisch für die Leistungsfähigkeit eines Energiespeichermoduls ist. Insbesondere kann es sich dabei um den aktuellen SOC oder den aktuellen SOH des jeweiligen Energiespeichermoduls zum Zeitpunkt der Ermittlung handeln. Es kann sich bei dem mindestens einen Leistungswert aber auch um einen Wert handeln, der mit dem aktuellen SOC und/oder dem aktuellen SOH des jeweiligen Energiespeichermoduls korreliert.The performance value or the performance parameter is a state value that is characteristic of the performance of an energy storage module. In particular, it can be the current SOC or the current SOH of the respective energy storage module at the time of the determination. However, the at least one power value can also be a value that correlates with the current SOC and / or the current SOH of the respective energy storage module.

Zur Bestimmung des SOC existieren mehrere bekannte Vorgehensweisen. Beispielsweise kann bei Messung einer Entladespannung mit Hilfe bekannter Entladekurven auf den aktuellen SOC-Wert geschlossen werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die gewählte Methode zur SOC-Bestimmung jedoch sekundär. Wichtig ist lediglich, dass die ermittelten Leistungswerte miteinander vergleichbar sind, also auf vergleichbare Weise gewonnen werden, so dass anhand der Werte die Leistungsfähigkeit der Energiespeichermodule verglichen werden kann.There are several known approaches to determining the SOC. For example, when measuring a discharge voltage, the current SOC value can be deduced with the aid of known discharge curves. In the context of the present invention, however, the selected method for determining the SOC is secondary. It is only important that the determined performance values are comparable with one another, that is to say are obtained in a comparable manner, so that the performance of the energy storage modules can be compared on the basis of the values.

Auch zur Bestimmung des SOH existieren mehrere bekannte Vorgehensweisen. Charakteristisch für den SOH eines Energiespeichermoduls ist beispielsweise sein Innenwiderstand. Beispielsweise lässt sich bei Inbetriebnahme eines Energiespeichermoduls bei definierten Bedingungen (Temperatur, Ladezustand, Entladestrom, Entladedauer etc.) ein Referenzwert für den Innenwiderstand bestimmen. Anhand der Änderung des Innenwiderstands (gemessen unter den gleichen definierten Bedingungen) lässt sich auf den SOH schließen. Im Rahmen dervorliegenden Erfindung ist allerdings auch die gegebenenfalls gewählte Methode zur SOC-Bestimmung sekundär. Wichtig ist auch hier lediglich, dass die ermittelten Leistungswerte für die Energiespeichermodule des Batteriespeichersystems miteinander vergleichbar sind, also auf vergleichbare Weise gewonnen werden, so dass die Leistungsfähigkeit der Energiespeichermodule anhand der gewonnenen Werte untereinander verglichen werden kann.There are also several known procedures for determining the SOH. Internal resistance is characteristic of the SOH of an energy storage module, for example. For example, when an energy storage module is put into operation under defined conditions (temperature, state of charge, discharge current, discharge duration, etc.), a reference value for the internal resistance can be determined. The SOH can be inferred from the change in internal resistance (measured under the same defined conditions). In the context of the present invention, however, the optionally selected method for determining the SOC is also secondary. Here, too, it is only important that the determined power values for the energy storage modules of the battery storage system are comparable with one another, that is to say are obtained in a comparable manner, so that the performance of the energy storage modules can be compared with one another on the basis of the values obtained.

In aller Regel ändert sich der SOH eines Energiespeichermoduls -abgesehen von Formierungszyklen bei Inbetriebnahme - zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Lade- und Entladezyklen nicht signifikant. Wenn es sich bei dem mindestens einen Leistungswert um den aktuellen SOH handelt oder aber um einen Wert, der mit dem aktuellen SOH korreliert, so ist es daher in der Regel ausreichend, den Leistungswert nur in Intervallen, beispielsweise in Abständen von 10 Lade- und Entladezyklen, zu bestimmen. Der bestimmte Wert kann dann gespeichert werden und bis zu seiner Aktualisierung bei der Zuordnung der mindestens zwei Energiespeichermodule zu den unterschiedlich langen Aktivierungszeiträumen herangezogen werden.As a rule, the SOH of an energy storage module - apart from formation cycles during commissioning - does not change significantly between immediately successive charging and discharging cycles. If the at least one power value is the current SOH or a value that correlates with the current SOH, it is therefore usually sufficient to only read the power value at intervals, for example at intervals of 10 charging and discharging cycles to determine. The specific value can then be stored and used until it is updated when assigning the at least two energy storage modules to the activation periods of different length.

Hingegen ist es in der Regel zweckmäßig, den aktuellen SOC oder aber um einen Wert, der mit dem aktuellen SOH korreliert, unmittelbar vor der Zuordnung zu bestimmen, da sich der SOC sehr kurzfristig in signifikantem Ausmaß ändern kann.On the other hand, it is usually useful to determine the current SOC or a value that correlates with the current SOH immediately before the assignment, since the SOC can change to a significant extent at very short notice.

In bevorzugten Ausführungsformen weist das Verfahren mindestens einen der folgenden zusätzlichen Schritte, besonders bevorzugt alle drei folgenden zusätzlichen Schritte, auf:

  • • In einem Datenspeicher werden die ermittelten Leistungswerte für jedes der n Energiespeichermodule abgelegt, so dass eine Sortierung der n Energiespeichermodule nach ihrer Leistungsfähigkeit möglich ist.
  • • Die Zuordnung der Energiespeichermodule zu den unterschiedlich langen Aktivierungszeiträumen erfolgt anhand der in dem Datenspeicher abgelegten Leistungswerte.
  • • Energiespeichermodulen mit vergleichsweise hoher Leistungsfähigkeit werden längere Aktivierungszeiträume zugeordnet als Energiespeichermodulen mit vergleichsweise geringer Leistungsfähigkeit.
In preferred embodiments, the method has at least one of the following additional steps, particularly preferably all three of the following additional steps:
  • The power values determined for each of the n energy storage modules are stored in a data memory, so that the n energy storage modules can be sorted according to their performance.
  • • The assignment of the energy storage modules to the activation periods of different lengths takes place on the basis of the power values stored in the data memory.
  • • Energy storage modules with a comparatively high capacity are assigned longer activation periods than energy storage modules with a comparatively low capacity.

In der Regel korrelieren die Aktivierungszeiträume zu den ermittelten Leistungsfähigkeiten der einzelnen Module. Wenn es sich beispielsweise bei dem mindestens einen Leistungswert um den aktuellen SOH handelt, so lassen sich die Energiespeichermodule nach steigendem SOH sortieren. Der größte SOH-Wert kennzeichnet dann die größte Leistungsfähigkeit, der kleinste SOH-Wert die geringste Leistungsfähigkeit. Es ist bevorzugt, dass dem Energiespeichermodul mit dem größten SOH der längste Aktivierungszeitraum zugeordnet wird, dem Energiespeichermodul mit dem kleinsten SOH hingegen der kürzeste Aktivierungszeitraum.As a rule, the activation periods correlate with the determined performance capabilities of the individual modules. If, for example, the at least one power value is the current SOH, then the energy storage modules can be sorted according to increasing SOH. The highest SOH value then indicates the greatest efficiency, the smallest SOH value the lowest efficiency. It is preferred that the energy storage module with the largest SOH is assigned the longest activation period, whereas the energy storage module with the smallest SOH is assigned the shortest activation period.

Dies hat zur Konsequenz, dass leistungsfähigere Energiespeichermodule im Betrieb stärker belastet werden als weniger leistungsfähige. Durch die unterschiedlichen Belastungen werden die Leistungsfähigkeiten der Energiespeichermodule langfristig wieder aneinander angeglichen, da stärker belastete Module im Mittel schneller altern als schwächer belastete. Das Verfahren sorgt damit indirekt für eine Symmetrisierung der Energiespeichermodule und hat damit einen ähnlichen Effekt wie die oben erwähnten Balancing-Systeme.The consequence of this is that more powerful energy storage modules are more heavily loaded during operation than less powerful ones. Due to the different loads, the capacities of the energy storage modules are adjusted to one another again in the long term, since more heavily loaded modules age faster on average than less loaded ones. The method thus indirectly ensures a symmetrization of the energy storage modules and thus has an effect similar to the above-mentioned balancing systems.

Die größte Kapazitätsvarianz weisen gealterte Energiespeichermodule aus der Elektromobilität auf. Auch solche gealterten Energiespeichermodule können gemäß dem vorliegend beschriebenen Verfahren problemlos gemeinsam in einem Batteriespeichersystem betrieben werden, ohne dass sie vorselektiert werden müssten. Wenn ein Energiespeichermodul sein Lebensende erreicht hat, so kann es durch ein Ersatzmodul ohne weiteres ersetzt werden, ohne dass es dabei aufwendiger, vorbereitender Maßnahmen (Matching usw.) bedarf. Auch neuwertige Energiespeichermodule können ungeachtet ihrer Initialkapazität und einer eventuellen Produktionsstreuung ohne vorbereitende Maßnahmen verschaltet und betrieben werden.Aged energy storage modules from electromobility show the greatest capacity variance. According to the method described here, such aged energy storage modules can also be operated jointly in a battery storage system without having to be preselected. When an energy storage module has reached the end of its life, it can easily be replaced by a replacement module without the need for complex, preparatory measures (matching, etc.). Even energy storage modules that are as good as new can be connected and operated without any preparatory measures, regardless of their initial capacity and any production spread.

Insgesamt verlängert sich mit diesen Maßnahmen die Nutzungsdauer der in einem erfindungsgemäß betriebenen Batteriespeichersystem eingesetzten Energiespeichermodule, was sowohl einen ökologischen als auch ökonomischem Vorteil mit sich bringt.Overall, these measures extend the service life of the energy storage modules used in a battery storage system operated according to the invention, which has both an ecological and an economic advantage.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen weistdas Verfahren mindestens einen derfolgenden zusätzlichen Schritte, besonders bevorzugt alle fünf der im Folgenden erläuterten zusätzlichen Schritte, auf:

  • • Es wird ermittelt, welche Anzahl m an Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Scheitelspannung von UGes(t) benötigt wird.
  • • Die m Energiespeichermodule werden aus den zur Verfügung stehenden n Energiespeichermodulen ausgewählt.
  • • Um einen gewünschten Spannungsverlauf von UGes(t) zu erzeugen, wird festgelegt, in welchen zeitlichen Abständen und über welchen Aktivierungszeitraum die m Energiespeichermodule zu aktivieren sind.
  • • Die ausgewählten m Energiespeichermodule werden unter Berücksichtigung der Sortierkriterien „Leistungsfähigkeit“ und „Länge der ihnen zugeordneten Aktivierungszeiträume“ in eine Reihenfolge überführt, in der die beiden Sortierkriterien in gleicher Richtung entweder beide ansteigen oder beide abfallen.
In particularly preferred embodiments, the method has at least one of the following additional steps, particularly preferably all five of the additional steps explained below:
  • • It is determined what number m of energy storage modules is required to generate a peak voltage of U Ges (t).
  • • The m energy storage modules are selected from the available n energy storage modules.
  • • In order to generate a desired voltage curve of U Ges (t), it is determined at which time intervals and over which activation period the m energy storage modules are to be activated.
  • • The selected m energy storage modules are transferred into a sequence, taking into account the sorting criteria “performance” and “length of the activation periods assigned to them”, in which the two sorting criteria either both increase or both decrease in the same direction.

Die m Energiespeichermodule sind nach ihrer Leistungsfähigkeit sortierbar, die Aktivierungszeiträume nach ihrer Länge. Die Aktivierungszeiträume werden den m Energiespeichermodulen zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt dabei derart, dass nach der Zuordnung eine Sortierung der Energiespeichermodule nach ihrer Leistungsfähigkeit und nach der Länge der ihnen zugeordneten Aktivierungszeiträume zum gleichen Ergebnis führt. Bei einer Sortierung nach steigender Leistungsfähigkeit ergibt sich also eine Reihenfolge, in der dem leistungsfähigsten Modul der längste Aktivierungszeitraum zugeordnet ist, dem zweitleistungsfähigsten der zweitlängste Aktivierungszeitraum, dem drittleistungsfähigsten der drittlängste Aktivierungszeitraum etc..

  • • Die m Energiespeichermodule werden in dieser Reihenfolge und in den festgelegten zeitlichen Abständen aktiviert.
The m energy storage modules can be sorted according to their performance, the activation periods according to their length. The activation periods are assigned to the m energy storage modules. The assignment takes place in such a way that, after the assignment, sorting the energy storage modules according to their performance and according to the length of the activation periods assigned to them leads to the same result. Sorting according to increasing performance results in a sequence in which the longest activation period is assigned to the most powerful module, the second longest activation period to the second most powerful, the third longest activation period to the third most powerful module, etc.
  • • The m energy storage modules are activated in this order and at the specified time intervals.

Bei der Scheitelspannung handelt es sich um den größten Betrag des Augenblickswerts einer sich periodisch ändernden Spannung. Bei sinusförmigem Spannungsverlauf entspricht die Scheitelspannung der Amplitude der Sinusschwingung.The peak voltage is the largest amount of the instantaneous value of a periodically changing voltage. In the case of a sinusoidal voltage curve, the peak voltage corresponds to the amplitude of the sinusoidal oscillation.

Die Ermittlung von m erfolgt im einfachsten Fall (wenn alle Energiespeichermodule des modularen Batteriespeichersystems die gleiche Einzelspannung UEinzel aufweisen), indem der Wert der Scheitelspannung durch den Wert der Einzelspannung UEinzel, die ein einzelnes Energiespeichermodul liefert, dividiert wird.In the simplest case, m is determined (if all energy storage modules of the modular battery storage system have the same individual voltage U Individual ) by dividing the value of the peak voltage by the value of the individual voltage U Individual , which is supplied by an individual energy storage module.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen umfasst das modulare Batteriespeichersystem mehr Energiespeichermodule als zur Erzeugung der Scheitelspannung benötigt werden. In Kurzfassung, es gilt bevorzugt n > m. Die Auswahl der m Energiespeichermodule kann beispielsweise anhand der verfügbaren Daten zur Leistungsfähigkeit der Module erfolgen. Es können beispielsweise immer die m leitungsfähigsten Module ausgewählt werden.In particularly preferred embodiments, the modular battery storage system comprises more energy storage modules than are required to generate the peak voltage. In short, n> m preferably applies. The selection of the m energy storage modules can be made, for example, on the basis of the available data on the performance of the modules. For example, the m most conductive modules can always be selected.

Mit besonderem Vorteil kann es auch vorgesehen sein, dass defekte Energiespeichermodule bei der Auswahl nicht berücksichtigt werden. Hierzu kann beispielsweise für jedes der n Energiespeichermodule ein Leistungsschwellwert definiert werden, bei dessen Unterschreiten ein Energiespeichermodul deaktiviert wird.It can also be provided with particular advantage that defective energy storage modules are not taken into account in the selection. For this purpose, for example, a power threshold value can be defined for each of the n energy storage modules, below which an energy storage module is deactivated.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die Deaktivierung in Folge des Unterschreitens ein Signal oder eine Mitteilung auslöst, das auf die Deaktivierung und/oder auf die Notwendigkeit eines Austauschs hinweist. Das defekte Energiespeichermodul kann grundsätzlich im laufenden Betrieb getauscht werden. Das Verfahren muss hierfür nicht gestoppt werden. Zu diesem Zweck weisen die den Energiespeichermodulen zugeordneten Schalter die oben erwähnte Möglichkeit zur Überbrückung auf, bei der die Energiespeichermodule nicht mehr elektrisch mit weiteren Energiespeichermodulen verbunden sind.If necessary, it can be provided that the deactivation triggers a signal or a message that indicates the deactivation and / or the need for an exchange as a result of the undershooting. The defective energy storage module can basically be replaced during operation. The process does not have to be stopped for this. For this purpose, the switches assigned to the energy storage modules have the above-mentioned bridging option, in which the energy storage modules are no longer electrically connected to further energy storage modules.

In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen weist das Verfahren mindestens eines der folgenden zusätzlichen Merkmale und/oder einen der folgenden zusätzlichen Schritte auf:

  • • Der gewünschte Spannungsverlauf ist sinusförmig.
  • • Das Energiespeichermodul mit der höchsten Leistungsfähigkeit wird zuerst aktiviert und das mit der geringsten Leistungsfähigkeit zuletzt.
  • • Das Energiespeichermodul mit der höchsten Leistungsfähigkeit wird über den längsten Aktivierungszeitraum aktiviert und das Energiespeichermodul mit der geringsten Leistungsfähigkeit über den kürzesten Aktivierungszeitraum.
In further particularly preferred embodiments, the method has at least one of the following additional features and / or one of the following additional steps:
  • • The desired voltage curve is sinusoidal.
  • • The energy storage module with the highest performance is activated first and the one with the lowest performance last.
  • • The energy storage module with the highest performance is activated over the longest activation period and the energy storage module with the lowest performance over the shortest activation period.

Zur Erzeugung einer Sinus-Halbwelle ist es zweckmäßig, dass das Energiespeichermodul, dem der längste Aktivierungszeitraum zugeordnet wurde, als erstes aktiviert und als letztes deaktiviert wird. Hingegen sollte das Energiespeichermodul, dem der kürzeste Aktivierungszeitraum zugeordnet wurde, als letztes aktiviert und als erstes deaktiviert werden. Dementsprechend weist das Energiespeichermodul, dem der längste Aktivierungszeitraum zugeordnet wurde, eine vergleichsweise hohe Leistungsfähigkeit auf. Das Energiespeichermodul, dem der kürzeste Aktivierungszeitraum zugeordnet wurde, kann hingegen eine vergleichsweise niedrige Leistungsfähigkeit aufweisen.To generate a sine half-wave, it is expedient for the energy storage module to which the longest activation period was assigned to be activated first and deactivated last. In contrast, the energy storage module to which the shortest activation period was assigned should be activated last and deactivated first. Accordingly, the energy storage module to which the longest activation period was assigned has a comparatively high performance. The energy storage module to which the shortest activation period was assigned, on the other hand, can have a comparatively low performance.

In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem mindestens eines der folgenden zusätzlichen Merkmale auf:

  • • Die Gruppe aus den n Energiespeichermodulen umfasst ausschließlich Energiespeichermodule vom Lithium-Ionen-Typ.
  • • Die Gruppe aus den n Energiespeichermodulen umfasst ausschließlich Energiespeichermodule vom Typ Nickel-Metallhydrid.
  • • Die Gruppe aus den n Energiespeichermodulen umfasst verschiedene Typen von Energiespeichermodulen.
  • • Die Gruppe aus den n Energiespeichermodulen umfasst mindestens ein Energiespeichermodul mit einer Kathode auf Basis von LFP (Lithium-Eisenphosphat).
  • • Die Gruppe aus den n Energiespeichermodulen umfasst mindestens ein Energiespeichermodul mit einer Kathode auf Basis von NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid).
  • • Die Gruppe aus den n Energiespeichermodulen umfasst mindestens ein Energiespeichermodul mit einer Kathode auf Basis von LTO (Lithium-Titanat).
  • • Die Gruppe aus den n Energiespeichermodulen umfasst mindestens ein Energiespeichermodul mit einer Kathode auf Basis von NCA (Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid).
  • • Die Gruppe aus den n Energiespeichermodulen umfasst mindestens ein Energiespeichermodul vom Typ Pb/PbO2.
In further particularly preferred embodiments, the battery storage system according to the invention has at least one of the following additional features:
  • • The group of the n energy storage modules exclusively includes energy storage modules of the lithium-ion type.
  • • The group of the n energy storage modules exclusively includes energy storage modules of the nickel-metal hydride type.
  • • The group of the n energy storage modules includes different types of energy storage modules.
  • • The group of the n energy storage modules includes at least one energy storage module with a cathode based on LFP (lithium iron phosphate).
  • • The group of the n energy storage modules includes at least one energy storage module with a cathode based on NMC (lithium-nickel-manganese-cobalt-oxide).
  • • The group of the n energy storage modules includes at least one energy storage module with a cathode based on LTO (lithium titanate).
  • • The group of the n energy storage modules includes at least one energy storage module with a cathode based on NCA (lithium nickel cobalt aluminum oxide).
  • • The group of the n energy storage modules includes at least one energy storage module of the Pb / PbO 2 type .

In dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem können ohne weiteres auch Energiespeichermodule unterschiedlichen Typs miteinander verschaltet werden. Hierbei können die Stärken einzelner Typen gezielt genutzt werden. Unterschiedliche Energiespeichermodule können je nach Anforderung angesteuert werden. Beispielsweise eignen sich Energiespeichermodule mit einer Kathode auf Basis von LTO zum Auffangen hoher Lastspitzen.In the modular battery storage system according to the invention, energy storage modules of different types can easily be interconnected. The strengths of individual types can be used in a targeted manner. Different energy storage modules can be controlled depending on the requirements. For example, energy storage modules with a cathode based on LTO are suitable for absorbing high load peaks.

Grundsätzlich ist es sogar möglich, Energiespeichermodule vom Typ Nickel-Metallhydrid und Energiespeichermodule vom Lithium-Ionen-Typ in einem Batteriespeichersystem miteinander zu verschalten.In principle, it is even possible to interconnect energy storage modules of the nickel-metal hydride type and energy storage modules of the lithium-ion type in a battery storage system.

Energiespeichermodule vom Typ Pb/PbO2 finden mit einem Schwefelsäure-Elektrolyten klassisch als Einzelzellen eines Bleiakkumulators Verwendung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es besonders bevorzugt sein, das mindestens eine Energiespeichermodul vom Typ Pb /PbO2 mit Energiespeichermodulen vom Lithium-Ionen-Typ in einem Batteriespeichersystem miteinander zu verschalten. Energiespeichermodule vom Typ Pb/PbO2 eignen sich besonders gut zur Verwendung in Scheitelspitzen.Energy storage modules of the Pb / PbO 2 type are traditionally used with a sulfuric acid electrolyte as single cells in a lead-acid battery. In the context of the present invention, it can be particularly preferred to interconnect the at least one energy storage module of the Pb / PbO 2 type with energy storage modules of the lithium-ion type in a battery storage system. Energy storage modules of the Pb / PbO 2 type are particularly suitable for use in vertex tips.

In Übereinstimmung mit diesen Ausführungen weist das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem bzw. das beschriebene Verfahren mindestens eines der folgenden Merkmale auf:

  • • Die Energiespeichermodule unterschiedlichen Typs weisen bevorzugt unterschiedliche Einzelspannungen UEinzel auf.
In accordance with these statements, the battery storage system according to the invention or the method described has at least one of the following features:
  • The energy storage modules of different types preferably have different individual voltages U individual .

Die Gruppe aus n Energiespeichermodulen kann also beispielsweise Energiespeichermodule mit einer Nennspannung von 1,2 V (wie sie z.B. ein Energiespeichermodul vom Typ Nickel-Metallhydrid in der Regel aufweist) kombiniert mit Energiespeichermodulen mit einer Nennspannung von 2 V (z.B. ein Energiespeichermodul vom Typ Pb/PbO2) umfassen.

  • • Die Energiespeichermodule unterschiedlichen Typs umfassen bevorzugt ein Energiespeichermodul aus der Gruppe mit Energiespeichermodulen vom Lithium-Ionen-Typ, Energiespeichermodulen vom Typ Nickel-Metallhydrid und Energiespeichermodulen vom Typ Pb/PbO2.
  • • Die Energiespeichermodule unterschiedlichen Typs umfassen bevorzugt mindestens zwei Energiespeichermodule aus der Gruppe mit Energiespeichermodulen vom Lithium-Ionen-Typ, Energiespeichermodulen vom Typ Nickel-Metallhydrid und Energiespeichermodulen vom Typ Pb/PbO2.
The group of n energy storage modules can thus, for example, energy storage modules with a nominal voltage of 1.2 V (such as, for example, an energy storage module of the nickel-metal hydride type usually has) combined with energy storage modules with a nominal voltage of 2 V (e.g. an energy storage module of the Pb / PbO 2 ) include.
  • The energy storage modules of different types preferably include an energy storage module from the group with energy storage modules of the lithium-ion type, energy storage modules of the nickel-metal hydride type and energy storage modules of the Pb / PbO 2 type .
  • • The energy storage modules of different types preferably include at least two Energy storage modules from the group with energy storage modules of the lithium-ion type, energy storage modules of the nickel-metal hydride type and energy storage modules of the Pb / PbO 2 type .

Die Gruppe aus n Energiespeichermodulen umfasst also beispielsweise mindestens ein Energiespeichermodul vom Typ Nickel-Metallhydrid mit einer Nennspannung von 1,2 V kombiniert mit mindestens einem Energiespeichermodul vom Typ Pb/PbO2 mit einer Nennspannung von 2 V oder kombiniert mit mindestens einem Energiespeichermodul vom Lithium-Ionen-Typ. Alternativ kann die Gruppe aus n Energiespeichermodulen auch mindestens ein Energiespeichermodul von jedem der drei genannten Typen aufweisen oder aber mindestens ein Energiespeichermodul vom Typ Pb/PbO2 kombiniert mit mindestens einem Energiespeichermodul vom Lithium-Ionen-Typ.

  • • Die Energiespeichermodule unterschiedlichen Typs umfassen mindestens ein Energiespeichermodul aus der Gruppe mit Energiespeichermodulen mit einer Kathode auf Basis von LFP, Energiespeichermodulen mit einer Kathode auf Basis von NMC, Energiespeichermodulen mit einer Kathode auf Basis von LTO und Energiespeichermodulen mit einer Kathode auf Basis von NCA.
The group of n energy storage modules thus comprises, for example, at least one energy storage module of the nickel-metal hydride type with a nominal voltage of 1.2 V combined with at least one energy storage module of the Pb / PbO 2 type with a nominal voltage of 2 V or combined with at least one energy storage module of the lithium Ion type. Alternatively, the group of n energy storage modules can also have at least one energy storage module of each of the three types mentioned or at least one energy storage module of the Pb / PbO 2 type combined with at least one energy storage module of the lithium-ion type.
  • • The energy storage modules of different types include at least one energy storage module from the group with energy storage modules with a cathode based on LFP, energy storage modules with a cathode based on NMC, energy storage modules with a cathode based on LTO and energy storage modules with a cathode based on NCA.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem mit einem Batteriemanagementsystem betrieben, wobei auf der Basis von messbaren Parametern der Energiespeicherzellen bzw. Energiespeichermodule die einzelnen Module gezielt angesteuert werden.In particularly preferred embodiments, the battery storage system according to the invention is operated with a battery management system, the individual modules being controlled in a targeted manner on the basis of measurable parameters of the energy storage cells or energy storage modules.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. The individual features can be implemented individually or in combination with one another.

FigurenlisteFigure list

  • 1 Verlauf der Gesamtspannung eines modularen Batteriespeichersystems; 1 Course of the total voltage of a modular battery storage system;
  • 2 modulares Batteriespeichersystem aus dem Stand der Technik; 2 prior art modular battery storage system;
  • 3 modulares Batteriespeichersystem in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und 3 modular battery storage system in a preferred embodiment of the invention; and
  • 4 leistungselektronische Struktur der Modulationseinheit als Bestandteil eines modularen Batteriespeichersystems gemäß der Erfindung. 4th power electronic structure of the modulation unit as part of a modular battery storage system according to the invention.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Die grundsätzliche Funktionsweise eines modularen Batteriespeichersystems ist beispielsweise in der WO 2018/162122 A1 im Detail beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird.The basic functionality of a modular battery storage system is, for example, in the WO 2018/162122 A1 described in detail, which is hereby incorporated by reference.

1 illustriert das Prinzip der Angleichung bzw. „Verschleifung“ einer mit einem modularen Batteriespeichersystem erzeugbaren Treppenspannung 1 in eine sinuskurvenförmige Spannung 2, die insbesondere zur Einspeisung in ein Wechselstromnetz genutzt werden kann. Die Treppenspannung wird dabei so erzeugt, dass einzelne Energiespeichermodule eines modularen Batteriespeichersystems sukzessive zu- und abgeschaltet werden, woraus sich eine Gesamtspannung in treppenförmiger Abstufung ergibt. Diese Treppenspannung 1 ist einer Sinusspannung in einem Stromnetz angenähert. Über das Schalten der Energiespeichermodule ist jedoch nur eine grobe Annäherung an die gewünschte Ausgangsspannung möglich. Es ist daher bereits bekannt, eine Pulsweitenmodulation (PWM) zur Angleichung derTreppenspannung 1 an die gewünschten sinuskurvenförmige Spannung 2 durchzuführen, mit der die Spannungsstufen abgefedert bzw. ausgeglichen werden. 1 illustrates the principle of equalization or "blending" of a staircase voltage that can be generated with a modular battery storage system 1 into a sinusoidal voltage 2 that can be used in particular for feeding into an alternating current network. The staircase voltage is generated in such a way that individual energy storage modules of a modular battery storage system are successively switched on and off, which results in a total voltage in steps. This stair tension 1 approximates a sinusoidal voltage in a power grid. By switching the energy storage modules, however, only a rough approximation of the desired output voltage is possible. It is therefore already known to use pulse width modulation (PWM) to match the staircase voltage 1 to the desired sinusoidal voltage 2 carry out, with which the voltage levels are cushioned or compensated.

Die Treppenspannung 1 ist lediglich ein Beispiel für die Möglichkeiten eines modularen Batteriespeichersystems. Tatsächlich lassen sich mit einer Schaltung der einzelnen Energiespeichermodule eines modularen Batteriespeichersystems prinzipiell beliebige Kurvenformen generieren.The stair tension 1 is just one example of the possibilities of a modular battery storage system. In fact, with a circuit of the individual energy storage modules of a modular battery storage system, in principle any curve shapes can be generated.

2 illustriert ein herkömmliches modulares Batteriespeichersystem mit einer Mehrzahl einzelner Energiespeichermodule 11, denen jeweils ein Schalter 12 zugeordnet ist. Bei den Energiespeichermodulen 11 handelt es sich um wiederaufladbare Energiespeichermodule. Jedem der Schalter 12 ist genau ein Energiespeichermodul 11 zugeordnet und umgekehrt. Mittels der Schalter 12 können die jeweiligen Energiespeichermodule 11 aktiviert und deaktiviert werden. 2 illustrates a conventional modular battery storage system with a plurality of individual energy storage modules 11 each with a switch 12th assigned. With the energy storage modules 11 are rechargeable energy storage modules. Each of the switches 12th is exactly one energy storage module 11 assigned and vice versa. Using the switch 12th the respective energy storage modules 11 activated and deactivated.

Jeder der Schalter 12 kann mehrere Schaltstellungen aufweisen. In einer ersten Schaltstellung ist das dem Schalter 12 zugeordnete Energiespeichermodul 11 aktiviert und seine Einzelspannung UEinzel steht zur Verfügung. In einer zweiten Schaltstellung ist das dem Schalter 12 zugeordnete Energiespeichermodul 11 deaktiviert und seine Einzelspannung UEinzel steht nichtzurVerfügung. Gegebenenfalls kann eine dritte Schaltstellung vorgesehen sein, in der das dem Schalter 12 zugeordnete Energiespeichermodul 11 mit umgekehrter Polarität aktiviert ist.Each of the switches 12th can have several switching positions. In a first switch position this is the switch 12th assigned energy storage module 11 activated and its individual voltage U individual is available. In a second switch position this is the switch 12th assigned energy storage module 11 deactivated and its individual voltage U individual is not available. If necessary, a third switch position can be provided in which the switch 12th assigned energy storage module 11 is activated with reverse polarity.

Alle Schalter 12 sind vorteilhafterweise dazu ausgebildet, die jeweils zu ihnen gehörigen Energiespeichermodule 11 im Deaktivierungsfall überbrücken zu können. So können deaktivierte Energiespeichermodule 11 beispielsweise im laufenden Betrieb ausgetauscht werden.All switches 12th are advantageously designed to have the energy storage modules associated with them 11 to be able to bridge in case of deactivation. Deactivated energy storage modules 11 for example, can be exchanged during operation.

Die Schalter 12 sind in Serie geschaltet. Über die Schalter 12 können die Energiespeichermodule 11 damit derart verschaltet werden, dass sich die Einzelspannungen UEinzel von aktivierten Energiespeichermodulen 11 zu einer Gesamtspannung UGesamt addieren. Befindet sich einer der Schalter 12 in der zweiten Schaltstellung, so überbrückt er das ihm zugeordnete deaktivierte Energiespeichermodul 11. Befindet sich einer der Schalter 12 in der dritten Schaltstellung, so leistet die Einzelspannung UEinzel des ihm zugeordneten Energiespeichermoduls 11 einen negativen Beitrag zur Gesamtspannung UGesamt. Durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Schalter 12 über die Steuereinrichtung 13 kann damit insbesondere eine Treppenspannung aus der Addition der Einzelspannungen erzeugt werden, die einem sinuskurvenförmigen Verlauf der Spannung angenähert ist. Beim sukzessiven Zuschalten der Energiespeichermodule 11 erhöht sich die Gesamtspannung UGesamt stufenweise, bis der gewünschte Scheitelwert erreicht ist. Danach wird die Gesamtspannung durch sukzessive Deaktivierung der einzelnen Energiespeichermodule stufenweise abgesenkt.The switches 12th are connected in series. Via the switch 12th can use the energy storage modules 11 thus are interconnected in such a way that the individual voltages U individual from activated energy storage modules 11 Add to a total voltage U total . Is one of the switches 12th in the second switch position, it bridges the deactivated energy storage module assigned to it 11 . Is one of the switches 12th in the third switch position, the individual voltage U individual of the energy storage module assigned to it provides 11 a negative contribution to the total voltage U total . By activating the individual switches accordingly 12th via the control device 13th In particular, a staircase voltage can thus be generated from the addition of the individual voltages, which approximates a sinusoidal curve of the voltage. When the energy storage modules are switched on successively 11 the total voltage U total increases in stages until the desired peak value is reached. The total voltage is then gradually reduced by successively deactivating the individual energy storage modules.

Um eine ausreichende Annäherung an die Sinuskurve eines Wechselstroms zu bewerkstelligen, wird herkömmlicherweise bei den einzelnen Energiespeichermodulen 11 die generierte Einzelspannung einer PWM über den jeweils zugeordneten Schalter 12 unterzogen, bevor die modulierten Einzelspannungen addiert werden. Das modulare Batteriespeichersystem 10 weist einen Neutralleiter 16 und einen Ausgang 17 auf, wobei über den Ausgangsleiter 17 die Gesamtspannung, die insbesondere einer sinuskurvenförmigen Spannung angenähert ist, in eine Netzspannung eingespeist werden kann.In order to achieve a sufficient approximation of the sinusoidal curve of an alternating current, the individual energy storage modules are conventionally used 11 the individual voltage generated by a PWM via the respectively assigned switch 12th before the modulated individual voltages are added. The modular battery storage system 10 has a neutral conductor 16 and an exit 17th on, being via the output conductor 17th the total voltage, which in particular approximates a sinusoidal voltage, can be fed into a mains voltage.

Für die PWM ist eine hohe Taktfrequenz erforderlich, so dass durch die entsprechend hochfrequente Ansteuerung 14 der einzelnen Schalter 12 es zur Ausbildung von elektromagnetischer Störausstrahlung 15 im Bereich der einzelnen Energiespeichermodule 11 und auch im Bereich der Leitungen zur Ansteuerung 14 der Schalter 12 kommt. Die schnellen Schaltvorgänge an den Schaltern 12 verursachen bei hohen Strömen starke magnetische Wechselfelder, die dazu führen können, dass das modulare Batteriespeichersystem in der Praxis kaum einsetzbar ist. Der Aufbau des modularen Batteriespeichersystems 10 stört dabei nicht nur seinen eigenen Betrieb durch die elektromagnetischen Störausstrahlungen, sondern kann auch beträchtliche Störungen nach außen abstrahlen und in benachbarte Leiter magnetisch einkoppeln. Dies macht eine aufwendige Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Störausstrahlung im gesamten Bereich des modularen Batteriespeichersystems 10 erforderlich. Auch der Ausgangsleiter 17 verursacht elektromagnetische Störausstrahlungen 18, die abgeschirmt werden sollten.A high clock frequency is required for the PWM, so that through the corresponding high-frequency control 14th of the individual switches 12th it to the formation of electromagnetic interference radiation 15th in the area of the individual energy storage modules 11 and also in the area of the control lines 14th the desk 12th comes. The fast switching operations at the switches 12th cause strong alternating magnetic fields at high currents, which can mean that the modular battery storage system can hardly be used in practice. The structure of the modular battery storage system 10 not only interferes with its own operation through electromagnetic interference, but can also emit considerable interference to the outside and magnetically couple it into neighboring conductors. This makes a complex shield against electromagnetic interference radiation in the entire area of the modular battery storage system 10 required. Also the exit manager 17th causes electromagnetic interference 18th that should be shielded.

3 illustriert ein modulares Batteriespeichersystem 100 gemäß der Erfindung. Auch hier ist eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen 110 vorgesehen, denen jeweils ein Schalter 120 zugeordnet ist. Der in 3 angedeutete Neutralleiter 160 ist nicht zwingend erforderlich. So kann das System auch als reines Dreiphasensystem aufgebaut sein. Anders als bei dem herkömmlichen Batteriespeichersystem, das anhand der 2 erläutert wurde, ist hier jeweils eine vergleichsweise einfache Schaltung 120 vorgesehen, die vor allem eine An- und Abschaltung der einzelnen Energiespeichermodule 110 erlaubt und die mit einer niedrigen Frequenz angesteuert wird. Die entsprechende Ansteuerung 140 über die Steuereinrichtung 130 ist daher langsam und kann beispielsweise eine Frequenz von 100 Hz aufweisen, die dem Takt von Netz-Halbwellen entspricht. Beispielsweise sind hierbei einfache 0/1-Signalleitungen ausreichend. Ein Datenbus ist nicht erforderlich oder es kann ein sehr einfach ausgestalteter Kommunikationsbus vorgesehen sein. Insbesondere sind keine echtzeitfähigen Leitungen erforderlich. Durch die einfachen Schalter 120 und die einfachen Signalleitungen 140 kommt es in dem Bereich der einzelnen Energiespeichermodule 110 nicht zu einer relevanten Abstrahlung von elektromagnetischer Störausstrahlung, so dass in diesem Bereich auf aufwendige Abschirmmaßnahmen verzichtet werden kann. 3 illustrates a modular battery storage system 100 according to the invention. Here, too, there is a plurality of energy storage modules 110 provided, each of which has a switch 120 assigned. The in 3 indicated neutral conductor 160 is not absolutely necessary. The system can also be built up as a pure three-phase system. Unlike the conventional battery storage system, which is based on the 2 has been explained, each is a comparatively simple circuit 120 provided, which above all a connection and disconnection of the individual energy storage modules 110 allowed and which is controlled with a low frequency. The corresponding control 140 via the control device 130 is therefore slow and can, for example, have a frequency of 100 Hz, which corresponds to the cycle of mains half-waves. For example, simple 0/1 signal lines are sufficient here. A data bus is not required or a very simply configured communication bus can be provided. In particular, no real-time capable lines are required. With the simple switch 120 and the simple signal lines 140 it occurs in the area of the individual energy storage modules 110 does not lead to a relevant emission of electromagnetic interference, so that costly shielding measures can be dispensed with in this area.

Die Einzelspannungen UEinzel, die in den einzelnen zugeschalteten bzw. aktivierten Energiespeichermodulen 110 generiert werden, werden zu einer Gesamtspannung UGesamt addiert und über den Ausgangsleiter 170 in eine zentrale Modulationseinheit 200 eingespeist. Kernstück der Modulationseinheit 200 ist ein Pulsweitenmodulationsschalter 210, der die für eine Feineinstellung der Gesamtspannung UGesamt erforderliche Pulsweitenmodulation des Spannungsverlaufs vornimmt. Dem Pulsweitenmodulationsschalter 210 nachgeschaltet ist eine Filterdrossel 220, die für eine weitere Glättung der durch die Pulsweitenmodulation gewissermaßen zerhackten Gesamtspannung sorgt.The individual voltages U individual in the individual connected or activated energy storage modules 110 are generated, are added to a total voltage U total and via the output conductor 170 into a central modulation unit 200 fed in. The heart of the modulation unit 200 is a pulse width modulation switch 210 , which performs the pulse width modulation of the voltage curve required for fine adjustment of the total voltage U total. The pulse width modulation switch 210 downstream is a filter choke 220 , which ensures a further smoothing of the total voltage, which is to a certain extent chopped up by the pulse width modulation.

Die Taktfrequenz für die Pulsweitenmodulation, die durch eine direkte Kontrolle über eine Ansteuerleitung 230 der Steuereinrichtung 130 erfolgt, wird verhältnismäßig hoch gewählt, da dann die Filterdrossel 220 besonders wirksam ist und demgemäß verhältnismäßig klein ausgelegt werden kann. Da die Filterdrossel 220 im Allgemeinen das teuerste Bauteil des gesamten Batteriespeichersystems 100 ist, bietet diese Maßnahme erhebliches Einsparungspotenzial.The clock frequency for the pulse width modulation, which is controlled by a direct control line 230 the control device 130 takes place, is selected to be relatively high, because then the filter choke 220 is particularly effective and can accordingly be designed to be relatively small. As the filter choke 220 generally the most expensive Component of the entire battery storage system 100 is, this measure offers considerable savings potential.

Die im Zusammenhang mit der hochfrequenten Pulsweitenmodulationen entstehenden elektromagnetischen Störausstrahlungen 280 werden effektiv durch ein Gehäuse 240 der Modulationseinheit 200 abgeschirmt, wobei das Gehäuse 240 bzw. die Modulationseinheit 200 mit besonderem Vorteil besonders kompakt und robust ausgebildet ist.The electromagnetic interference emissions that arise in connection with the high-frequency pulse width modulations 280 become effective through an enclosure 240 the modulation unit 200 shielded, with the housing 240 or the modulation unit 200 is designed to be particularly compact and robust with particular advantage.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann am Eingang und am Ausgang der Modulationseinheit 200jeweils ein Tiefpassfilter 250, 260 vorgesehen sein, um die Gesamtspannung UGesamt weiter zu glätten.In particularly preferred embodiments, a low-pass filter can each be provided at the input and at the output of the modulation unit 200 250 , 260 be provided in order to smooth the total voltage U total further.

Die resultierende Gesamtspannung UGesamt 171 nach dem Durchlaufen der Modulationseinheit 200 ist in besonderer Weise geeignet, beispielsweise als eine von beispielsweise drei Phasen in ein Wechselstromnetz eingespeist zu werden.The resulting total voltage U total 171 after passing through the modulation unit 200 is particularly suitable, for example, to be fed into an alternating current network as one of, for example, three phases.

Die Steuereinrichtung 130 ist vorzugsweise integraler Bestandteil der Modulationseinheit 200, da hiermit in besonders geeigneter Weise ein Schutz und eine Abschirmung nach außen auch für die Steuereinrichtung 130 erreicht wird.The control device 130 is preferably an integral part of the modulation unit 200 , as this is a particularly suitable way of protecting and shielding from the outside also for the control device 130 is achieved.

Der Pulsweitenmodulationsschalter 210 kann direkt durch die Steuereinrichtung 130 über die Ansteuerung 230 kontrolliert werden, wobei nicht zwingend ein schneller Datenbus für die Ansteuerung 230 erforderlich ist.The pulse width modulation switch 210 can be done directly by the control device 130 via the control 230 can be controlled, although not necessarily a fast data bus for the control 230 is required.

Die durch den hochfrequent angesteuerten Pulsweitenmodulationsschalter 210 verursachte elektromagnetische Störausstrahlung 280 wird zuverlässig durch das Gehäuse 240 abgeschirmt. Die auf der einen Seite kompakte und konzentrierte Konstruktion der Modulationseinheit 200, die auch die Filterdrossel 220 integriert, erlaubt hohe Schaltfrequenzen und erlaubt somit eine Reduktion der Größe und der Kosten der einzelnen Komponenten. Auf der anderen Seite kann bei dem erfindungsgemäßen Batteriespeichersystem 100 die raumgreifende Struktur, die von den einzelnen Energiespeichermodulen 110 gebildet wird, ohne weitere Maßnahmen zur Abschirmung ausgebildet werden, wodurch weiterhin Kosten reduziert werden und die Gehäusekonstruktion im gewissermaßen peripheren Bereich des Batteriespeichersystems vereinfacht wird.The pulse width modulation switch controlled by the high frequency 210 caused electromagnetic interference 280 becomes reliable due to the housing 240 shielded. On the one hand, the compact and concentrated design of the modulation unit 200 that is also the filter choke 220 integrated, allows high switching frequencies and thus allows a reduction in the size and cost of the individual components. On the other hand, in the case of the battery storage system according to the invention 100 the space-consuming structure created by the individual energy storage modules 110 is formed, without further measures for shielding, whereby costs are further reduced and the housing construction is simplified in what is, as it were, the peripheral area of the battery storage system.

Die Modulationseinheit 200 umfasst in bevorzugten Ausführungsformen eine hier nicht näher illustrierte Kühleinrichtung.The modulation unit 200 comprises, in preferred embodiments, a cooling device not illustrated in detail here.

4 illustriert die leistungselektronische Grundstruktur der Modulationseinheit 200. Der Pulsweitenmodulationsschalter 210 umfasst eine H-Brückenschaltung mit zwei Leitungszweigen mit jeweils zwei Halbleiterschaltern (T1, T2 und T3, T4), die über einen Kondensator (212) miteinander verbunden sind (C_L). In den Eingang der Schalterstruktur wird die Gesamtspannung UGesamt aus den hier nicht gezeigten Energiespeichermodulen über deren Ausgangsleiter 170 eingespeist. Die Gesamtspannung UGesamt weist in diesem Beispiel die Form einer Treppenspannung 1 auf. 4th illustrates the basic power electronic structure of the modulation unit 200 . The pulse width modulation switch 210 comprises an H-bridge circuit with two branches, each with two semiconductor switches (T1, T2 and T3, T4), which are connected via a capacitor ( 212 ) are connected to each other (C_L). The total voltage U total from the energy storage modules, not shown here, is fed into the input of the switch structure via their output conductors 170 fed in. In this example, the total voltage U total has the form of a staircase voltage 1 on.

Die Spannung über dem Kondensator 212 wird über die Ansteuerung der Leistungshalbleiter 211, insbesondere per Pulsweitenmodulation, eingestellt bzw. geregelt. Nach dem Durchlaufen der Schaltung 210 und dem Durchlaufen der nachgeschalteten Filterdrossel 220 (L_f) resultiert ein geglätteter sinuskurvenförmiger Spannungsverlauf 2, der beispielsweise als eine der drei Netzphasen in eine Netzspannung eingespeist werden kann. Eine derartige Sinusform der resultierenden Spannung ist jedoch nur ein mögliches Beispiel für die mit dem erfindungsgemäßen modularen Batteriespeichersystem generierbare Spannung. Gleichfalls können auch andere Kurvenformen oder ein Gleichstrom generiert werden.The voltage across the capacitor 212 is controlled by the power semiconductors 211 , in particular by pulse width modulation, set or regulated. After going through the circuit 210 and passing through the downstream filter choke 220 (L_f) results in a smoothed sinusoidal voltage curve 2 , which can be fed into a mains voltage as one of the three mains phases, for example. Such a sinusoidal shape of the resulting voltage is only one possible example of the voltage that can be generated with the modular battery storage system according to the invention. Other waveforms or a direct current can also be generated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2018/162122 A1 [0004, 0006, 0008, 0104]WO 2018/162122 A1 [0004, 0006, 0008, 0104]

Claims (11)

Modulares Batteriespeichersystem (100) mit einer Gruppe aus n wiederaufladbaren Energiespeichermodulen (110), wobei das modulare Batteriespeichersystem die folgenden Merkmale aufweist: a. Die Energiespeichermodule (110) umfassen jeweils mindestens ein, vorzugsweise mehrere wiederaufladbare Energiespeicherelemente, und b. jedem einzelnen der n Energiespeichermodule (110) ist ein Schalter (120) zugeordnet, über den das jeweilige Energiespeichermodul (110) aktiviert und deaktiviert werden kann, und c. die n Energiespeichermodule (110) sind über die Schalter (120) derart miteinander verschaltbar, dass sich die Einzelspannungen UEinzel von aktivierten Energiespeichermodulen zu einer Gesamtspannung UGesamt addieren können, und d. das Batteriespeichersystem (100) umfasst eine Steuereinrichtung (130) zur Ansteuerung der den n Energiespeichermodulen (110) zugeordneten Schalter (120), dadurch gekennzeichnet, dass e. das Batteriespeichersystem (100) eine Modulationseinheit (200) mit den folgenden Merkmalen umfasst: i. Die Modulationseinheit (200) ist derart mit den verschaltbaren n Energiespeichermodulen (110) verbunden, dass sie die Gesamtspannung UGesamt zu modulieren vermag, ii. die Modulationseinheit (200) umfasst einen Pulsweitenmodulationsschalter (210), und iii. die Modulationseinheit (200) umfasst ein Gehäuse (240), das den Pulsweitenmodulationsschalter (210) umschließt und das dazu ausgebildet ist, elektronische Komponenten außerhalb des Gehäuses gegen von dem Pulsweitenmodulationsschalter (210) ausgehende elektromagnetische Störausstrahlung (280) abzuschirmen. Modular battery storage system (100) with a group of n rechargeable energy storage modules (110), the modular battery storage system having the following features: a. The energy storage modules (110) each comprise at least one, preferably several, rechargeable energy storage elements, and b. each individual one of the n energy storage modules (110) is assigned a switch (120) via which the respective energy storage module (110) can be activated and deactivated, and c. the n energy storage modules (110) can be interconnected via the switches (120) in such a way that the individual voltages U individual from activated energy storage modules can add up to a total voltage U total, and d. the battery storage system (100) comprises a control device (130) for controlling the switches (120) assigned to the n energy storage modules (110), characterized in that e. the battery storage system (100) comprises a modulation unit (200) having the following features: i. The modulation unit (200) is connected to the interconnectable n energy storage modules (110) in such a way that it is able to modulate the total voltage U total, ii. the modulation unit (200) comprises a pulse width modulation switch (210), and iii. the modulation unit (200) comprises a housing (240) which encloses the pulse width modulation switch (210) and which is designed to shield electronic components outside the housing from electromagnetic interference radiation (280) emanating from the pulse width modulation switch (210). Modulares Batteriespeichersystem nach Anspruch 1 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Der Pulsweitenmodulationsschalter (210) umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern (211). b. Der Pulsweitenmodulationsschalter (210) umfasst eine H-Brückenschaltung mit vier Halbleiterschaltern (211). c. Die H-Brückenschaltung umfasst zwei Leitungszweige mit jeweils zwei Halbleiterschaltern (T1, T2 und T3, T4), die über einen Kondensator (212) miteinander verbunden sind.Modular battery storage system according to Claim 1 with at least one of the following additional characteristics: a. The pulse width modulation switch (210) comprises a plurality of semiconductor switches (211). b. The pulse width modulation switch (210) comprises an H-bridge circuit with four semiconductor switches (211). c. The H-bridge circuit comprises two line branches each with two semiconductor switches (T1, T2 and T3, T4) which are connected to one another via a capacitor (212). Modulares Batteriespeichersystem nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die Modulationseinheit (200) umfasst eine Filterdrossel (220), die in Entladerichtung dem Pulsweitenmodulationsschalter (210) nachgeschaltet ist. b. Das Gehäuse (240) umfasst auch die Filterdrossel (220).Modular battery storage system according to Claim 1 or after Claim 2 with at least one of the following additional characteristics: a. The modulation unit (200) comprises a filter choke (220) which is connected downstream of the pulse width modulation switch (210) in the discharge direction. b. The housing (240) also includes the filter choke (220). Modulares Batteriespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die Modulationseinheit (200) umfasst einen Tiefpassfilter (250), der in Entladerichtung dem Pulsweitenmodulationsschalter (210) vorgeschaltet ist. b. Die Modulationseinheit (200) umfasst einen Tiefpassfilter (260), der in Entladerichtung dem Pulsweitenmodulationsschalter (210) nachgeschaltet ist. c. Das Gehäuse (240) umfasst auch das Tiefpassfilter (250) und/oder das Tiefpassfilter (260).Modular battery storage system according to one of the Claims 1 to 3 with at least one of the following additional characteristics: a. The modulation unit (200) comprises a low-pass filter (250) which is connected upstream of the pulse width modulation switch (210) in the discharge direction. b. The modulation unit (200) comprises a low-pass filter (260) which is connected downstream of the pulse width modulation switch (210) in the discharge direction. c. The housing (240) also includes the low-pass filter (250) and / or the low-pass filter (260). Modulares Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Das Gehäuse besteht aus Metall und/oder einem metallisierten Kunststoff.Modular battery storage system according to one of the preceding Claims 1 with the following additional characteristic: a. The housing is made of metal and / or a metallized plastic. Modulares Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die Modulationseinheit (200) umfasst eine Kühleinrichtung. b. Der Modulationseinheit (200) ist eine Kühleinrichtung zugeordnet.Modular battery storage system according to one of the preceding claims with one of the following additional features: a. The modulation unit (200) comprises a cooling device. b. A cooling device is assigned to the modulation unit (200). Modulares Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die Schalter (120), die den n Energiespeichermodulen (110) zugeordnet sind, sind nicht zur Pulsweitenmodulation eingerichtet. b. Die n Energiespeichermodule (110) weisen keine oder lediglich eine passive Kühleinrichtung auf oder den n Energiespeichermodulen (110) ist keine oder lediglich eine passive Kühleinrichtung zugeordnet.Modular battery storage system according to one of the preceding claims with at least one of the following additional features: a. The switches (120) assigned to the n energy storage modules (110) are not set up for pulse width modulation. b. The n energy storage modules (110) have no or only one passive cooling device, or no or only one passive cooling device is assigned to the n energy storage modules (110). Modulares Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Zur Ansteuerung der den n Energiespeichermodulen (110) zugeordneten Schalter (120) sind 0/1-Signalleitungen (140) vorgesehen.Modular battery storage system according to one of the preceding claims with the following additional feature: a. To control the switches (120) assigned to the n energy storage modules (110), 0/1 signal lines (140) are provided. Modulares Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Die Steuereinrichtung (130) ist derart eingerichtet, dass sich mindestens zwei der Energiespeichermodule (110) über die jeweils zugeordneten Schalter (120) zeitlich überlappend, aber über unterschiedlich lange Aktivierungszeiträume aktivieren lassen, um eine sich zeitlich ändernde Gesamtspannung UGesamt(t) zu erzeugen.Modular battery storage system according to one of the preceding claims with the following additional feature: a. The control device (130) is set up in such a way that at least two of the energy storage modules (110) can be activated over the respective assigned switches (120) overlapping in time, but over activation periods of different length, in order to generate a total voltage U total (t) that changes over time . Modulares Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Die Steuereinrichtung (130) ist zur Regelung des Pulsweitenmodulationsschalters (210) in der Modulationseinheit (200) eingerichtet.Modular battery storage system according to one of the preceding claims with the following additional feature: a. The control device (130) is set up to regulate the pulse width modulation switch (210) in the modulation unit (200). Modulares Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die Steuereinrichtung (130) ist ein Signalprozessor. b. Die Steuereinrichtung (130) ist ein Mikrocontroller.Modular battery storage system according to one of the preceding claims with one of the following additional features: a. The control device (130) is a signal processor. b. The control device (130) is a microcontroller.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022233647A1 (en) * 2021-05-06 2022-11-10 instagrid GmbH Mobile power supply system comprising cascaded multi-level inverter

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