WO2012146463A1 - Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere speichermodule für elektrische energie - Google Patents

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WO2012146463A1
WO2012146463A1 PCT/EP2012/056028 EP2012056028W WO2012146463A1 WO 2012146463 A1 WO2012146463 A1 WO 2012146463A1 EP 2012056028 W EP2012056028 W EP 2012056028W WO 2012146463 A1 WO2012146463 A1 WO 2012146463A1
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energy storage
storage device
memory
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PCT/EP2012/056028
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Alexander Hahn
Wolfgang Weydanz
Dieter Fischer
Uwe Krebs
Holger Leu
Jean-Philippe MACARY
Andreja Rasic
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • An energy storage device comprising a plurality of storage modules for electrical energy
  • the invention relates to an energy storage device comprising a plurality of memory modules for electrical energy, each connected to a capacitor unit of an inverter to ⁇ associated Umrichtersubmoduls for loading or unloading at least one memory module via a controllable DC voltage controller are coupled at least, which DC voltage regulator for converting to the capacitor unit applied capacitor voltage in a charging voltage, which is required for charging the memory module, and is configured for converting a resulting charge in the energy storage discharge voltage in the capacitor voltage.
  • Electrical energy storage devices are becoming increasingly important, especially in non-consumer electronics and consumer electronics sectors. Energy storage devices of larger capacity have already been proposed for use in motor vehicles and also for stationary storage in networks. Thus, an intelligent integration of energy storage in electrical networks, especially as decentralized energy storage devices or storage in isolated networks, is becoming increasingly important.
  • An inverter with Umrichterventilen or Umrichterarmen having a series circuit of submodules for charging or discharging an energy storage is known from nachveröffent ⁇ clear application with the application number PCT / EP / 2009 / 065,491th
  • a process described there submodule for loading or Entla ⁇ an energy storage device comprises a capacitor unit, and a power semiconductor circuit having on and off power semiconductors.
  • the capacitor unit and the power semiconductor circuit are connected to one another such that, depending on the control of the power semiconductors of the power semiconductor circuit, at least Gate unit falling voltage or a zero voltage at Aus ⁇ output terminals of the submodule can be generated.
  • the energy store can be connected to the sub-module via a DC voltage controller, said DC voltage controller is connected to the capacitor unit, and for converting a dropped across the capacitor unit capacitor voltage into a charging voltage necessary to charge the energy store is, and is arranged to convert a discharging voltage dropping at the energy storage in the discharge voltage in the capacitor voltage.
  • a DC voltage controller is connected to the capacitor unit, and for converting a dropped across the capacitor unit capacitor voltage into a charging voltage necessary to charge the energy store is, and is arranged to convert a discharging voltage dropping at the energy storage in the discharge voltage in the capacitor voltage.
  • the scattering of individual cells of the memory modules can be, for example, 5% or more. After aging, ie operation, and thus different heating of individual cells according to position in the module (cooling) and operating conditions may lead to an even more different behavior of the individual memory modules. In the construction of large energy storage devices or systems today very similar cells are often used for a memory module or the entire system, which can lead to ei ⁇ nem greater sorting costs.
  • the invention is therefore based on the object to provide an electrical ⁇ specific energy storage device rungs- in the memory modules of different charge and discharge characteristics, especially different internal resistance, capacitance, aging and health, can be used.
  • a central control device which is designed to control the individual DC voltage controller taking into account operating data of all memory modules and external request data, and / or each capacitor unit and / or each DC voltage controller is assigned a control unit that is module-specific configurable for at least two in ei ⁇ ner their charge and discharge characteristics affecting property different memory modules.
  • PCT / EP / 2009/065491 has already been proposed to provide a modular solution that allows to divide an energy storage device into different memory modules, specifically a Marquardt multi-stage converter was used, but there it was basically necessary to use the same Spei ⁇ chermodule , With the present invention, it is, especially for general Umrichtermatie, only ⁇ times possible to specifically use differing memory modules or counteract the effects of temporal changes after aging of the memory modules.
  • control unit which can also be referred to as a battery management unit is specifically tailored to a specific memory module, but is intended from the outset in the energy storage device to use different memory modules, whether they are completely different ⁇ Liche module types or only different storage modules from the state of aging (especially in the context of so-called second-life scenarios).
  • module types in particular different models of memory modules, differing from home in a property influencing their charge and discharge properties, ie for different module types, in particular in their storage principle and / or their storage capacity and / or its voltage level and / or the Che mie ⁇ their storage process and / or its efficiency or its internal resistance.
  • module types in particular in their storage principle and / or their storage capacity and / or its voltage level and / or the Che mie ⁇ their storage process and / or its efficiency or its internal resistance.
  • Gleichwoodsstel- ler which may be formed for example as a step-up converter and / or deep ⁇ converter.
  • the DC voltage regulators make it possible to cover a considerable voltage spectrum on the output side, which can even be adapted flexibly to slightly different conditions or network environments as required.
  • the manner of operation of the DC voltage controller which is controlled via the control unit to be configured specifically for him to be closed ⁇ memory module type or concrete attached storage module.
  • DC voltage controllers in particular step-up converters, preferably with high efficiency can be achieved, therefore, for example, the voltage level of the memory modules, which may consist ge ⁇ switched single cells in series and / or parallel, must not be necessarily the same. Rather, different Memory modules are used, in particular, un ⁇ different cell chemistries in the memory modules can be used.
  • Another special advantage of the present invention is the use of a central control device which is designed to control the individual DC voltage regulators, if necessary additionally the memory modules themselves, taking into account operating data of all memory modules and external request data, for example a power requirement . It is therefore proposed a holistic control concept for the energy storage ⁇ chervoriques, which is not only able, for example, different current characteristics, such as the current state of charge to consider the individual memory modules, but also to address the characteristics of different memory modules used, which then depending on their characteristics can be used. For example, in the case of a high, quickly-required power requirement, memory modules with suitable properties can be preferably unloaded and the like.
  • the memory modules, a lithium-ion battery and / or a lithium-polymer battery, and / or a lead-battery and / or a nickel-cadmium battery and / or may be provided in the sense Nickel-metal hydride battery and / or a high-temperature battery, in particular a sodium-sulfur battery and / or a ZEBRA battery and / or a metal-air battery, and / or a redox flow battery and / or a supercapacitor, in particular a double-layer capacitor and / or a hybrid capacitor, in particular at least two memory modules from this group.
  • each inverter submodule be assigned a different type of memory module, but it is also conceivable to use memory modules which have a different aging state, which can be expressed, for example, in a changed capacity, voltage or permissible charging or discharging current.
  • second-life scenarios in which, for example, already used (ge ⁇ needed) memory modules that have an altered Powerful ⁇ ness, continue to be used.
  • a memory module can be made up of several individual cells. Then, it is also possible that the existing of a plurality of memory cell memory modules, which memory module operation unit so controls a memory module operating unit umfas ⁇ sen the memory cells and their charging and discharging that the SpeI ⁇ cherzellen be operated in a certain temperature range and / or in a certain voltage range and / or a charge balance between the memory cells takes place. Particularly in the case of series-connected memory cells, an electronic management system, the memory module operating unit, is integrated into the memory module, which enables the safe operation of the memory module or of each individual memory cell of the memory module in a predetermined temperature and voltage window. This management can as well perform a charge equalization between the memory cells of the memory module, so-called "balancing".
  • the shutdown of the memory modules can be constantly monitored, for example, whether the memory module is fully charged or fully discharged, that means , the maximum or minimum tension ⁇ voltage of the memory module is reached. Then the energy exchange ⁇ between the memory module and the capacitor unit via a correspondingly clever control of Um ⁇ richtersubmoduls, specifically in particular the Gleichwoods- stellers be prevented and the corresponding Umrichter ⁇ submodule acts ultimately as a "conventional" Umres ⁇ tersubmodul, for example as conventional Marquardt Mehrmenumrichtersubmodul, so as a Umrichtersubmodul to which no memory module is connected.
  • the memory module operating unit can be integrated in a control unit ⁇ there, where it should be ⁇ noted at this point that the concepts for the control of such existing from single cells memory modules can also be applied to larger measure ⁇ bars.
  • the control unit so controls the memory modules and their loading and unloading ⁇ charging mode that the memory modules in a be ⁇ certain temperature range and / or in a certain voltage range are operated and / or a charge balance between the memory modules takes place.
  • the inverter is a multi-stage converter and / or a converter without intermediate circuit, in particular with a decentralized intermediate circuit, and / or a multi-point converter.
  • the corresponding converter is composed of a plurality of converter submodules which, for example, can be arranged with their memory modules connected to the phases connecting or individual phases associated converter arms.
  • the inverter is a multi-point converter, in particular a three-point converter, with at least three different, in particular the phases ver ⁇ binding arms, wherein at least one Umrichtersubmodul is provided on each arm. It is possible, therefore, for ⁇ play as to realize a Dreiecksumrichter, the memory modules are arranged between the phases. Ana ⁇ loges applies, for example, multipoint.
  • an electrical energy storage device can be rea ⁇ lformat, the learning at least a three-point inverter with Umrichtersubmodulen with corresponding Gleichwoodsstel- (which ultimately DC-DC converters, respectively), comprising.
  • Umrichtersubmodulen with corresponding Gleichwoodsstel- (which ultimately DC-DC converters, respectively)
  • two memory modules can be connected to the two DC voltage controller so that a total of two memory modules per phase result.
  • the construction of each phase is ideally but not necessarily symmetrical chosen be ⁇ liz the utilization and energy storage modules for each phase are ideally equal availablestal ⁇ tet.
  • this symmetrical structure does not have to apply to the different phases or arms.
  • the inverters may well have decentralized intermediate circuits, which are then implemented in the Umrichtersubmodulen.
  • each converter valve extends between an AC voltage connection for connecting the converter to an AC voltage network and a DC voltage connection.
  • Each valve has a series arrangement of bipolar submodules, each having a capacitor unit connected in parallel with a power semiconductor circuit. The two connection terminals of each submodule are connected once to the capacitor unit and once to the potential point between the two power semiconductor switches, to each of which a freewheeling diode is connected in parallel in opposite directions. In this way, either a zero voltage or the capacitor unit on the abfal ⁇ loin capacitor voltage can be generated at the two terminals of each submodule.
  • a so-called multistage DC voltage impressing converter or Marquardt multi-stage converter is provided.
  • the DC voltage positioner can electrically isolate the capacitor unit and the memory module or be designed for the galvanic separation of the capacitor unit and the memory module and / or have a fixed or adjustable transmission ratio. It is therefore conceivable an energy storage device, in which the DC voltage controller galvanic isolation between the Inverter, specifically the Umrichtersubmodul, and the Speichermo ⁇ module, such as a battery, can allow. It can be provided with particular advantage that when operating the energy storage device on the memory module side side, the applied voltage does not exceed a threshold voltage, insbesonde ⁇ re 120 V. In such Energyspei ⁇ chervoroplasty is specifically selected the voltage level so that the memory module is below a DC threshold voltage, for example below 120 V or 60 V.
  • the energy storage device can be lowered to low voltages over a transmission ratio of the DC voltage controller so that the threshold voltage falls below a statutory threshold or not as strong the effect on the people in unachtsa ⁇ mem touch.
  • a Berzterrorismthematik can be avoided, since the memory modules are in the maintenance below a critical Berschreibstoffproofstoff critical voltage, in Germany, for example, below 120 V.
  • the voltage actually used of the memory modules can of course by selecting a suitable number of memory cells of the memory module to others border tensions, for example, are tuned to the ört ⁇ union conditions of the network / application / legislation be adapted.
  • the capacitor unit comprises ei ⁇ nen module capacitor, in particular a built-in as part of the DC voltage controller module capacitor. It is therefore conceivable that the module Capacitor in DC is integrated manufacturers provided after anyway DC voltage are known manufacturers that already have input side ei ⁇ nen condenser. If this is provided on the input side provided capacitor used as the capacitor module of the capacitor unit, is advantageously a component incorporated ⁇ saved.
  • the energy storage device can furthermore be characterized in that no memory module is connected to at least one DC voltage controller.
  • no memory module is fitted to individual converter submodules of the modular converter, but, for example, only one module capacitor for stabilizing the converter submodule.
  • Such Umrichtersubmodule in which no Speicherermo ⁇ module is equipped, are then operated as a "conventional" Umrichter ⁇ submodule.This may be the case for availability and maintenance ⁇ reasons, with a flexibility is given, the retrofitting or omission of memory modules allowed.
  • control device and / or the control units for controlling the DC voltage regulator taking into account the voltage of the memory module and / or the current state of charge of the memory module and / or the remaining capacity of the memory module and / or the performance of the memory module and / or the internal resistance of the SpeI ⁇ chermoduls and / or the aging state of the memory module is formed as an operating parameter.
  • operating parameters can be taken into account, for example the charging and / or discharging current and the like.
  • the Umrichtersubmodul at which the memory module is coupled can provide the power Sanforde ⁇ approximations to the memory, according to a control logic which is adapted to the mode of operation. This can, for. For example, it may prefer to load more heavily on memory modules to maximize the overall performance of the system. Similarly, it may be a partial or total discharge or activation individual memory modules to relieve them, to save or possibly to switch maintenance or replacement of the entire system.
  • control units and / or the control device and / or provided on each memory module measuring device for automatically determining at least one operating parameter of Speichermo ⁇ duls are formed.
  • control device is designed for operating a group of memory modules having at least one memory module in a maintenance mode, and / or measurement mode, in particular for determining a capacity of Speichermodu ⁇ le the group and / or a self-discharge of the memory modules of the group as operating parameters.
  • the state of charge can be determined in some chemistries simply by measuring the voltage of the memory module.
  • a measurement of the inner ⁇ resistance which may be a useful parameter for determining the aging state of a memory module, for example, can be made possible by the application of a voltage pulse to the memory module, so determine taking into account a measured current of the DC internal resistance leaves. Characterized in that a central Steuerein ⁇ direction is provided, however, it is also possible, the capacity of a memory module and the self-discharge filters festzu ⁇ .
  • a group of memory modules for example, all provided on one arm of the inverter memory modules are separated from the rest of operating for a certain time ⁇ period in which these memory modules are fully ⁇ continuously discharged and / or be fully charged, so that the corresponding Operating parameters and thus in particular the real available capacity of Spei ⁇ chermodule can determine.
  • any charging and / or discharging current from a memory module in the measuring mode for a defined time can be avoided and the course of the state of charge, in particular determined on the basis of the voltage of the memory module, can be considered.
  • ⁇ It benefits in control be it should be done at the level of the control device or at the level of the control units, not only on the voltage of the memory module, but other operating parameters considered who should ⁇ . These may, for example, the state of charge of the storage modulus and the remaining capacity, the power ⁇ ability and / or the internal resistance of the memory module, which from ⁇ depend strongly on the memory technology, the aging state of the module, from which in particular ⁇ sondere an adjustment of the operating parameters remaining Capacity, performance and internal resistance results, and the like.
  • the control device for determining and / or consideration of a preferred operating window for each memory module of the voltage is bezüg ⁇ Lich least formed and / or the control units for determining and / or consideration of a preferred operating window for each of its assigned memory module with respect to at least the voltage are formed.
  • Such operating window so for example, a ma ⁇ ximum and minimum allowed or recommended voltage have already been mentioned.
  • Such operating windows can ensure that excessive aging of memory modules is avoided and / or the memory modules can always be used optimally with regard to their performance. It is al However, it should be borne in mind that these preferred, in particular optimum, operating windows can change with the aging status of the respective memory modules.
  • control device and / or the control units for determining the current operating window of a memory module taking into account at least one of the aging state of the memory module ⁇ writing operating parameter, in particular the êtwider ⁇ states and / or the Capacity, is formed, in particular on the basis of an operating window in the new state of Spei ⁇ chermoduls under consideration of a database and / or a particular memory module-specific look-up table.
  • the "starting values" for different memory modules can already be set as part of the configuration for the memory modules, whereby in particular also certain look-up tables can be preselected.However, it is also possible to enter such starting values for the operating windows manually or otherwise in To bring experience.
  • a control unit on a memory module to be controlled by them in a Spei ⁇ cher the control unit several different anschlie ⁇ ren memory modules and / or memory module types associated parameter sets of a control algorithm are stored selectable. It is therefore a configurable control algorithm used for the present pre-registered selectable Parame ⁇ ter algorithms which only have ultimately still be adjusted, for example by hand, if an appropriate Memory module is connected.
  • a device for automatically detecting a memory module connected to a DC voltage controller is provided, wherein the selection of a parameter set takes place automatically as a function of a memory module detected by the device.
  • High-voltage networks with integrated energy storage here in the form of memory modules,
  • - buffers for sensitive networks / processes that means, in particular, a supply of a subnetwork whose primary supply has failed, for example to safely transfer critical processes or processes into a defined state
  • Electric or hybrid vehicle wherein when charging the change ⁇ voltage connection of the inverter of Energy Appendvor ⁇ direction is connected to a power grid, in the locomotion of the AC terminal of the inverter is connected to the drive motor and a network buffering can be realized, that means it can, if necessary to be fed back into the AC voltage network (power grid), central charging station for batteries, with an appropriate structure, in particular with a switchable galvanic isolation by the DC voltage controller, a replacement of individual memory modules during operation of the Um ⁇ judge is possible.
  • AC voltage network power grid
  • central charging station for batteries with an appropriate structure, in particular with a switchable galvanic isolation by the DC voltage controller, a replacement of individual memory modules during operation of the Um ⁇ judge is possible.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an energy storage device according to the invention
  • FIG. 2 shows a possible first, concrete realization of an energy storage device according to the invention
  • FIG. 3 shows an implementation of the energy storage device according to the invention in the form of a direct converter
  • FIG. 4 shows a topology on an arm of a three-point converter.
  • FIG 1 shows a schematic diagram of an energy storage device according to the invention 1. Specific embodiments with respect to the inverter will be shown with reference to Figures 2 to 4 in the further course.
  • the energy storage device 1 comprises an inverter 2 which in the present case has a three-phase input 3.
  • the judge 2 can be a multi-stage converter, a converter without intermediate circuit and / or a multi-point converter.
  • the inverter 2 is composed of several Umrichtersubmodulen 4, comprising a condenser unit 5 and are currentlybil ⁇ det for loading and unloading at least one memory module. 6
  • a memory module 6 is coupled to the capacitor unit 5 via a controllable DC voltage controller 7, in particular a step-up converter, which can also be referred to as a DC / DC converter.
  • the purpose of the DC voltage controller 7 is, on the one hand, to convert a capacitor voltage applied to the capacitor unit 5 into a charging voltage which is required for charging the memory module.
  • the DC ⁇ actuator 7 is designed to convert a produced during unloading at the SpeI ⁇ submodule 6 discharge voltage in the capacitor voltage.
  • a decentralized energy store in the form of the individual memory modules 6 is provided in the energy storage device 1, which are each angekop ⁇ pelt to a Umrichtersubmodul 4.
  • At least two of the memory modules 6 are different ⁇ Lich. While it is always possible that the Spei ⁇ chermodule 6 are of the same memory module type, but differ in their state of health, however, it is presently also conceivable to use different types of modules for memory modules 6, it means specifically different Spei ⁇ chermodule 6 Thus, they differ in their properties related to loading and / or unloading, which has also happened in the exemplary embodiment according to FIG. At least two memory modules 6 may differ in their memory principle and / or their storage capacity and / or their voltage level and / or the chemistry of their storage process and / or their performance.
  • At least one memory module a ⁇ Li thium-ion battery, a lithium polymer battery, a lead battery, a nickel-cadmium battery, a nickel Metal hydride battery, a high-temperature battery, a redox flow battery and / or a storage capacitor.
  • a wide variety of memory modules 6 are conceivable. It should be noted at this point that may consist of several memory cells memory modules ⁇ 6, as is customary, but these are not shown in detail here.
  • a memory module operating unit which regulates the memory cells and their charging and discharging operation in such a way that the memory cells are operated in a specific temperature range and / or voltage range and / or charge compensation between the memory cells Memory cells takes place (balancing).
  • This memory module operating unit can be integrated in the control unit 8, which is described in more detail below, which is assigned to each DC voltage regulator 7, but at least can preferably communicate with it if, as is known, it is already installed in the memory module 6.
  • the control units 8 are now the first important
  • control units 8 a schematically indicated, configurable control algorithm in conjunction with the present ⁇ various module types associated is stored 9, parameter sets 10, which may be for example, stored in a database.
  • the associated control unit 8 is by selection of the correct parameter set 10 and using configured dessel ⁇ ben in the control algorithm 9, wherein said A ⁇ position by hand, in particular via a higher-level central ⁇ rale controller 11 can take place, preferably
  • a device for automated detection of a rule ⁇ connected to a DC voltage controller 7 memory module 6 not shown in detail is used.
  • the data in a memory device within the Memory module 6 to be stored and retrieved via a corresponding communication connection by the control unit 8, which then automatically selects a parameter set 10 in dependence on the data from the memory module.
  • the parameters in the parameter set includes a preferred operating window for the memory module 6, and in particular we ⁇ ilias respect to the voltage, but optionally also with respect to temperature, when new, and a rule how to be described in consideration of the aging state of the memory module 6 operating parameters of the Memory module 6 can determine therefrom an operating window corresponding to the aging state, for example a look-up table.
  • operating windows are limits, therefore, to understand examples play as voltage limits, temperature limits, which met during operation of the memory module 6 who should ⁇ to realize optimum performance and minimal From ⁇ use of the memory module. 6
  • the operation window determination can also take place via the central control device 11.
  • the control units 8 are integrated in the central control device 11.
  • the central control device 11 which activates the individual DC voltage controllers 7 -under the intermediary of the control units 8-taking into account the operating data of all the memory modules 6 and external request data 12, for example a power requirement. So this means that a ganzheitli ⁇ ches control concept is provided which is particularly well able to make optimum use of the different properties of the memory modules 6 with regard to the An Brasssda- th. So it is conceivable that at ho ⁇ hen performance requirements, some memory modules 6 are more suitable, so this should be preferred then discharged, for example, to damage and / or Aging of other memory modules 6 to avoid.
  • a central control device 11 can be advantageously used, for example, to realize maintenance cycles and measuring cycles for groups of memory modules 6 by being brought into a maintenance mode or a measuring mode, for example.
  • Maintenance cycles may mean, for example, that the memory modules 6 are completely discharged once, in order then to be completely recharged.
  • the operating parameter of the current capacity of a memory module 6 can also be determined in this way. In this sense, there is also a measurement mode. Conceivable, however, it is also possible to provide in a measurement mode no La ⁇ de- and discharging at a memory module 6 so that its self-discharge can be measured as operating parameters.
  • Control unit 8 and / or control means 11 are also adapted, moreover, from certain Be ⁇ operating parameters, in particular the internal resistance and / or the capacity to derive the state of aging.
  • the controller 11 and / or the control units 8 the voltage of the respective memory module 6, the current state of charge take into account the Speichermo ⁇ duls 6, the remaining capacity of the storage module 6, the performance of the storage module 6, the internal resistance of the memory module 6 and the aging state of the Speichermo ⁇ duls 6 as an operating parameter.
  • FIG. 2 now shows a first, concrete exemplary embodiment, in which the converter 2 is realized as a Marquardt multi-stage converter 13.
  • the inverter 13 consists of a Brü ⁇ bridge circuit of Umrichterventilen or power semiconductor valves 14, 15, 16, 17, 18 and 19, wherein each of said power semiconductor valves which can be referred to as Umrichterarme, between an AC voltage terminal 20 and a positive DC voltage terminal 21 and a negative DC voltage terminal 22 extends.
  • each power semiconductor valve 14, 15, 16, 17, 18 and 19 has a current flow limiting inductor 23.
  • each AC voltage terminal 20 is connected to the connection means 3 for connecting an AC voltage network.
  • each of the cultivraumlei ⁇ terventile 14, 15, 16, 17, 18 and 19 has a series circuit of bipolar Umrichtersubmodulen 4, all of which are identically constructed. Therefore, in the right half of Figure 2, only a sub-module 4 is shown in more detail. It can be seen that each submodule 4 has a capacitor unit 5 and a power semiconductor circuit 24 which extends parallel to the capacitor unit 5.
  • the counselschlei ⁇ terscrien 24 has two power semiconductors 25 and 26, which can both be switched on and off.
  • Such power semiconductors 25, 26 are, for example, so-called IGBTs, GTOs, X-FETs, IGCTs or the like. In principle, any switchable power semiconductor can be used in the context of this exemplary embodiment.
  • Each of these controllable power semiconductors 25, 26, a freewheeling diode 27 is connected in parallel opposite directions. Further, a first on ⁇ connecting terminal 28 electrically connected to the capacitor unit 5 ver ⁇ prevented. A second connection terminal 29 is connected to the potential point between the power semiconductors 25 and 26. To the richter ⁇ 13 a capacitor voltage drops in the operation of the condenser unit. 5
  • each of the power semiconductors 25 or 26 can be transferred from a breaker position, in which a current flow through the respective power semiconductor is interrupted, into its open position, in which a current flow through the power semiconductor 25, 26 in a forward direction allows is and vice versa.
  • the power semi-conductors 25 and 26 for example, so angesteu ⁇ ert that the power semiconductor, however, 26 is in its breaker position of the power semiconductor 25 in its passage position, the capacitor voltage drops at the output terminals 28 and 29th
  • the power semiconductor 26 is in its open position, the power semiconductor 25 is in its breaker position, the voltage zero drops at the output terminals 28 and 29.
  • the capacitor voltage or a zero voltage may be applied to the output terminals 28 and 29.
  • the capacitor unit 5 is connected in parallel to a DC voltage controller 7.
  • the DC voltage controller 7 is connected on the output side to a memory module 6, as already illustrated in FIG.
  • Corresponding measuring means as part of the control unit 8 or externally realized are not shown nä forth for clarity.
  • Figure 3 shows another embodiment: a Umrich ter without central DC circuit.
  • the converter submodules 4 are located on the converter arms 31, 32 and 33 directly between the phases associated AC voltage terminals 20, similar to a cycloconverter. These can be interconnected in chains or individually, care must be taken that the converter submodules are able to work with the alternating current or voltage from their internal topology or through skillful interconnection. Another interconnection z. B. in the star is also conceivable.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment in which a three-phase converter is used as converter 2.
  • a three-phase converter is used as converter 2.
  • corresponding components with appropriate ⁇ speaking reference numerals and it is only a Pha shown se.
  • the three-point converter also has AC voltage connections 20, on which different phases can be applied.
  • the AC voltage connections are connected via the inverter arms.
  • There are four Leis ⁇ tung semiconductor 34 are visible per arm - 37 are provided, which, in turn, a freewheeling diode is in each case connected in the opposite direction 38 parallel.
  • the pairs of power semiconductors 34, 35 and 36, 37 are coupled via a further two diodes 39, which make it possible to apply the capacitor voltage or a zero voltage via a corresponding circuit of the power semiconductors 34 - 37 to two modulator capacitors 40 here.
  • a memory module 6 is connected via a DC voltage controller 7 in turn coupled, that is, in the present case ⁇ the two memory modules 6 are coupled to a Umrichtersubmodul. 4 Nevertheless, in the present case for driving tion of the two DC voltage controller 7 is a single control unit 8 used. By way of example, this can be done by "balancing" between the two memory modules 6.

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Abstract

Energiespeichervorrichtung (1), umfassend mehrere Speichermodule (6) für elektrische Energie, die jeweils an eine Kondensatoreinheit (5) eines einem Umrichter (2) zugehörigen Umrichtersubmoduls (4) zum Laden oder Entladen wenigstens eines Speichermoduls (6) über wenigstens einen ansteuerbaren Gleichspannungssteller (7) angekoppelt sind, welcher Gleichspannungssteller (7) zum Umwandeln einer an der Kondensatoreinheit (5) anliegenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Speichermoduls (6) erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Entladen an dem Speichermodul (6) anfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung ausgebildet ist, wobei eine zentrale Steuereinrichtung (11) vorgesehen ist, die zur Ansteuerung der einzelnen Gleichspannungssteller (7) unter Berücksichtigung von Betriebsdaten aller Speichermodule (6) und externer Anforderungsdaten (12) ausgebildet ist, und/oder jeder Kondensatoreinheit (5) und/oder jedem Gleichspannungssteller (7) eine Steuereinheit (8) zugeordnet ist, die für wenigstens zwei in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterschiedliche Speichermodule (6) modulspezifisch konfigurierbar ist.

Description

Beschreibung
Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere Speichermodule für elektrische Energie
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere Speichermodule für elektrische Energie, die jeweils an eine Kondensatoreinheit eines einem Umrichter zu¬ gehörigen Umrichtersubmoduls zum Laden oder Entladen wenigstens eines Speichermoduls über wenigstens einen ansteuerbaren Gleichspannungssteller angekoppelt sind, welcher Gleichspan- nungssteller zum Umwandeln einer an der Kondensatoreinheit anliegenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Speichermoduls erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Laden an dem Energiespeicher anfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung ausgebildet ist.
Elektrische Energiespeichervorrichtungen werden zunehmend wichtiger, speziell in Bereichen außerhalb der Konsumentenelektronik bzw. Unterhaltungselektronik. Energiespeichervorrichtungen größerer Kapazität sind bereits zum Einsatz in Kraftfahrzeugen und auch für stationäre Speicher in Netzen vorgeschlagen worden. Damit wird auch eine intelligente Einbindung von Energiespeichern in elektrische Netze, speziell als dezentrale Energiespeichervorrichtungen oder Speicher in Inselnetzen, immer wichtiger.
Ein Umrichter mit Umrichterventilen bzw. Umrichterarmen, die eine Reihenschaltung aus Submodulen zum Laden oder Entladen eines Energiespeichers aufweisen, ist aus der nachveröffent¬ lichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/EP/2009/065491 bekannt. Ein dort beschriebenes Submodul zum Laden oder Entla¬ den eines Energiespeichers weist eine Kondensatoreinheit und eine Leistungshalbleiterschaltung auf, die an- und abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist. Die Kondensatoreinheit und die Leistungshalbleiterschaltung sind so miteinander verbunden, dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Leistungshalbleiterschaltung wenigstens die an der Kondensa- toreinheit abfallende Spannung oder eine Nullspannung an Aus¬ gangsklemmen des Submoduls erzeugbar ist. Die dort beschrie¬ bene Grundidee ist es nun, dass der Energiespeicher über einen Gleichspannungssteller an das Submodul angeschlossen werden kann, wobei der Gleichspannungssteller mit der Kondensatoreinheit verbunden ist und zum Umwandeln einer an der Kondensatoreinheit abfallenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Energiespeichers erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Entladen an dem Energiespeicher abfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung eingerichtet ist. Als Energiespeicher kann dabei bei¬ spielsweise ein Akkumulator vorgesehen werden.
Probleme bei solchen Energiespeichereinrichtungen bzw. größeren Speichersystemen, bei denen die Speicherung elektrischer Energie letztlich dezentral in mehreren Speichermodulen stattfindet, treten insbesondere aufgrund der Zahl der Spei¬ chermodule auf.
Selbst wenn die Speichermodule zu Beginn der Lebensdauer einheitlich ausgelegt werden können, ist dies mit zunehmender Alterung nicht mehr der Fall. Die Streuung von Einzelzellen der Speichermodule kann dabei beispielsweise bei 5 % oder mehr liegen. Nach Alterung, das bedeutet Betrieb, und damit unterschiedlicher Erwärmung einzelner Zellen nach Position im Modul (Kühlung) und Betriebsbedingungen kann es zu einem noch stärker unterschiedlichen Verhalten der einzelnen Speichermodule kommen. Beim Aufbau großer Energiespeichervorrichtungen bzw. Systeme werden heute häufig nur sehr ähnliche Zellen für ein Speichermodul bzw. das Gesamtsystem verwendet, was zu ei¬ nem größeren Sortierungsaufwand führen kann. Es wird ferner gewünscht, dass aus Berührschutzgründen (Sicherheit von Be¬ dienpersonen und gesetzliche Anforderungen) Einzelmodule von beispielsweise maximal 60 V oder 120 V Spannung verwendet werden sollen, die ohne deutlich erhöhte Sicherheitsanforde¬ rungen transportiert und gehandhabt werden können. Einzelmo¬ dule mit höheren Spannungen erfordern in Transport und Hand- habung speziell geschultes Personal und technisch teilsweise aufwendige Sieherheits orkehrungen .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektri¬ sche Energiespeichervorrichtung anzugeben, in der Speichermodule unterschiedlicher Lade- und Entladeeigenschaften, speziell unterschiedlichen Innenwiderstands, Kapazität, Alte- rungs- und Gesundheitszustand, eingesetzt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Energiespeichervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgese¬ hen, dass eine zentrale Steuereinrichtung vorgesehen ist, die zur Ansteuerung der einzelnen Gleichspannungssteller unter Berücksichtigung von Betriebsdaten aller Speichermodule und externer Anforderungsdaten ausgebildet ist, und/oder jeder Kondensatoreinheit und/oder jedem Gleichspannungssteller eine Steuereinheit zugeordnet ist, die für wenigstens zwei in ei¬ ner ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterschiedliche Speichermodule modulspezifisch konfigurierbar ist.
Nachdem es im Stand der Technik, insbesondere bezüglich der bereits eingangs zitierten nachveröffentlichten
PCT/EP/2009/065491 bereits vorgeschlagen wurde, eine modulare Lösung zu schaffen, die es erlaubt, eine Energiespeichervorrichtung in unterschiedliche Speichermodule zu unterteilen, wobei konkret ein Marquardt-Mehrstufenumrichter eingesetzt wurde, war es dort jedoch grundsätzlich nötig, gleiche Spei¬ chermodule einzusetzen. Mit der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere auch für allgemeine Umrichterkonzepte, erst¬ mals möglich, gezielt sich unterscheidende Speichermodule einzusetzen oder den Auswirkungen zeitlicher Veränderungen nach Alterung der Speichermodule entgegenzuwirken.
Dazu werden zwei bevorzugt kumulativ eingesetzte Maßnahmen vorgeschlagen, nämlich zunächst, jedem Gleichspannungsstel¬ ler, über den ja ein Speichermodul angeschlossen wird, eine Steuereinheit zuzuordnen, die modulspezifisch und/oder modul- typspezifisch konfigurierbar ist. Das bedeutet konkret, dass die Steuereinheit, die auch als Batteriemanagement-Einheit bezeichnet werden kann, nicht speziell auf ein bestimmtes Speichermodul abgestimmt ist, sondern von vornherein in der Energiespeichervorrichtung vorgesehen ist, unterschiedliche Speichermodule zu benutzen, seien es vollkommen unterschied¬ liche Modultypen oder lediglich vom Alterungszustand her unterschiedliche Speichermodule (insbesondere im Rahmen von so genannten Second-Life-Szenarien) . Es ist also möglich, in der Energiespeichervorrichtung auch gezielt unterschiedliche Modultypen zu verwenden, wobei sich Modultypen, insbesondere unterschiedliche Modelle von Speichermodulen, von Haus aus in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterscheiden, für unterschiedliche Modultypen also insbesondere in ihrem Speicherprinzip und/oder ihrer Speicherkapazität und/oder ihrer Spannungslage und/oder der Che¬ mie ihres Speicherprozesses und/oder ihrer Leistungsfähigkeit bzw. ihrem Innenwiderstand. Letztlich ist es also möglich, einen in der Steuereinheit eingesetzten Regelalgorithmus an die tatsächlich verwendeten Speichermodule anzupassen, was insbesondere aufgrund der Verwendung der Gleichspannungsstel- ler, welche beispielsweise als Hochsetzsteller und/oder Tief¬ setzsteller ausgebildet sein können, möglich ist. Die Gleich- spannungssteller ermöglichen ausgangsseitig ein erhebliches Spannungsspektrum abzudecken, das nach Bedarf sogar flexibel an leicht veränderte Gegebenheiten bzw. Netzumgebungen individuell angepasst werden kann. Insbesondere kann jedoch die Art des Betriebes des Gleichspannungsstellers , der über die Steuereinheit angesteuert wird, konkret für den an ihm ange¬ schlossenen Speichermodultyp bzw. das konkret angeschlossene Speichermodul konfiguriert werden.
Durch Verwendung von Gleichspannungsstellern, insbesondere Hochsetzstellern, bevorzugt mit hoher Effizienz, kann mithin erreicht werden, dass beispielsweise die Spannungslage der Speichermodule, welche aus in Reihe und/oder parallel ge¬ schalteten Einzelzellen bestehen können, nicht mehr notwendigerweise gleich sein muss. Vielmehr können unterschiedliche Speichermodule verwendet werden, wobei insbesondere auch un¬ terschiedliche Zellchemien in den Speichermodulen zum Einsatz kommen können.
Ein weiterer, besondere Vorteile mit sich bringender Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer zentralen Steuereinrichtung, die zur Ansteuerung der einzelnen Gleich- spannungssteller, gegebenenfalls zusätzlich der Speichermodule selbst, unter Berücksichtigung von Betriebsdaten aller Speichermodule und externer Anforderungsdaten, beispielsweise einer Leistungsanforderung, ausgebildet ist. Es wird mithin ein ganzheitliches Ansteuerungskonzept für die Energiespei¬ chervorrichtung vorgeschlagen, welches nicht nur in der Lage ist, beispielsweise unterschiedliche aktuelle Eigenschaften, wie beispielsweise den aktuellen Ladezustand, der einzelnen Speichermodule zu berücksichtigen, sondern auch auf die Eigenschaften unterschiedlicher verwendeter Speichermodule einzugehen, welche dann je nach ihren Eigenschaften genutzt werden können. Bei einer hohen, schnell benötigten Leistungsanforderung können beispielsweise Speichermodule mit passenden Eigenschaften bevorzugt entladen werden und dergleichen. Doch auch darüber hinaus bietet die Verwendung einer zentralen Steuereinrichtung Vorteile, so dass beispielsweise für einen Teil der Speichermodule Wartungs- und/oder Messzyklen vorge¬ sehen sein können, wobei die Leistungsanforderungen bzw. eine eingehende Leistung zunächst von anderen Speichermodulen gestellt bzw. genutzt werden können. Durch eine derartige Ge¬ samtregelung unter Berücksichtigung einer insbesondere heterogenen Gesamtausbildung der Energiespeichervorrichtung durch Verwendung unterschiedlicher Speichermodule ergibt sich eine hohe Flexibilität und eine Vielzahl von Möglichkeiten, bei¬ spielsweise die Lebensdauern von Speichermodulen zu verlängern, Reaktionszeiten der Energiespeichervorrichtung auf geänderte Leistungsanforderungen zu optimieren und dergleichen. Hierauf wird im Folgenden noch näher eingegangen werden.
Allgemein bleibt jedoch nochmals festzuhalten, dass es bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung also erst- mals möglich ist, gezielt unterschiedliche Speichermodule, insbesondere unterschiedliche Speichermodultypen, zu verwen¬ den. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass sich wenigstens zwei Speichermodule in einer ihre Lade- und Entladeeigen¬ schaften beeinflussenden Eigenschaft unterscheiden, insbesondere in ihrem Speicherprinzip und/oder ihrer Speicherkapazität und/oder ihrer Spannungslage und/oder der Chemie ihres Speicherprozesses und/oder ihrem Alterungszustand und/oder ihrer Leistungsfähigkeit.
Insbesondere können in dem Sinne unterschiedliche Speichermo¬ dultypen vorgesehen werden, dass die Speichermodule eine Lithium-Ionen-Batterie und/oder eine Lithium-Polymer-Batterie und/oder eine Blei-Batterie und/oder eine Nickel-Kadmium- Batterie und/oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie und/oder eine Hochtemperaturbatterie, insbesondere eine Natrium- Schwefel-Batterie und/oder eine ZEBRA-Batterie und/oder eine Metall-Luft-Batterie, und/oder eine Redox-Flow-Batterie und/oder einen Superkondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator und/oder einen Hybridkondensator, umfassen, insbesondere wenigstens zwei Speichermodule aus dieser Gruppe. Es ist also denkbar, die verschiedensten Arten von Batterien und sonstigen Speichermodulen in einer einzigen dezentralen elektrischen Energiespeichervorrichtung einzusetzen, wobei an dieser Stelle noch angemerkt sei, dass die Spannungslage der einzelnen Speichermodule dabei jeweils so gewählt werden kann, dass sie über den Gleichspannungssteller in ein vorher festgelegtes Spannungsfenster fixiert wird. Das bedeutet also, es kann bereits grundlegend ein Spannungsfens¬ ter definiert werden, innerhalb dessen sich die Spannungslage der Speichermodule bewegt. Auf diese Weise ist es möglich, die Spannungslage lokal so zu beschränken, dass global für die gesamte elektrische Energiespeichervorrichtung vorgesehe¬ ne Spannungsgrenzen eingehalten werden können.
Durch den gegebenen modularen Aufbau der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung kann dabei nicht nur jedem Umrichtersubmodul ein anderer Speichermodultyp zugeordnet werden, sondern es ist auch denkbar, Speichermodule zu verwenden, die einen unterschiedlichen Alterungszustand aufweisen, welcher sich beispielsweise in einer geänderten Kapazität, Spannung bzw. zulässigem Lade- bzw. Entladestrom äußern kann. Dies öffnet die Möglichkeit, so genannte „Second-Life-Szenarien" zu realisieren, in denen beispielsweise bereits benutzte (ge¬ brauchte) Speichermodule, die eine veränderte Leistungsfähig¬ keit aufweisen, weiterhin eingesetzt werden. Zusätzlich kann so eine gewisse Redundanz geboten werden oder es können Spe- zialaufgaben erfüllt werden. So ist es beispielsweise denk¬ bar, insbesondere in Form eines bestimmten Umrichterarms, re¬ gelrechte „Opferstränge", das bedeutet, einzelne Gruppen von bereits genutzten Speichermodulen in einem älteren Zustand, einzusetzen, die bei besonders hohen Belastungen, die neuere Speichermodule schädigen würden, insbesondere durch die zent¬ rale Steuereinrichtung gesteuert bevorzugt eingesetzt werden, um Schaden von den neueren (und damit wertvolleren) Speichermodulen abzuwenden. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, bei extremen Leistungsanforderungen oder dergleichen über die zentrale Steuereinrichtung sozusagen eine „verteilte Schädigung bzw. Alterung" zu realisieren.
Wie bereits erwähnt, ist es möglich, dass ein Speichermodul aus mehreren Einzelzellen aufgebaut sein kann. Dann ist es auch möglich, dass die aus mehreren Speicherzellen bestehenden Speichermodule eine Speichermodulbetriebseinheit umfas¬ sen, welche Speichermodulbetriebseinheit die Speicherzellen und ihren Lade- und Entladebetrieb so regelt, dass die Spei¬ cherzellen in einem bestimmten Temperaturbereich und/oder in einem bestimmten Spannungsbereich betrieben werden und/oder ein Ladungsausgleich zwischen den Speicherzellen stattfindet. Insbesondere bei in Reihe geschalteten Speicherzellen ist in das Speichermodul noch ein elektronisches Managementsystem, die Speichermodulbetriebseinheit, integriert, das den siche- ren Betrieb des Speichermoduls bzw. jeder Einzelspeicherzelle des Speichermoduls in einem vorgegebenen Temperatur- und Spannungsfenster ermöglicht. Dieses Management kann ebenso einen ladungsmäßigen Ausgleich zwischen den Speicherzellen des Speichermoduls durchführen, so genanntes „balancing".
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass - realisier¬ bar über die Speichermodulbetriebseinheit , die Steuereinheit und/oder die Steuereinrichtung selbst, auch die Abschaltbedingungen der Speichermodule ständig überwacht werden können, beispielsweise ob das Speichermodul voll geladen bzw. voll entladen ist, das bedeutet, die maximale oder minimale Span¬ nung des Speichermoduls erreicht ist. Dann kann der Energie¬ austausch zwischen dem Speichermodul und der Kondensatoreinheit über eine entsprechend geschickte Ansteuerung des Um¬ richtersubmoduls, konkret insbesondere des Gleichspannungs- stellers, unterbunden werden und das entsprechende Umrichter¬ submodul agiert dabei letztlich als „herkömmliches" Umrich¬ tersubmodul, beispielsweise als herkömmliches Marquardt- Mehrstufenumrichtersubmodul , also als ein Umrichtersubmodul, an dem kein Speichermodul angeschlossen ist.
Die Speichermodulbetriebseinheit kann dabei in einer Steuer¬ einheit integriert sein, wobei an dieser Stelle noch ange¬ merkt sei, dass sich die Konzepte zur Steuerung solcher aus Einzelzellen bestehender Speichermodule auch auf größere Ma߬ stäbe übertragen lassen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass dann, wenn mehrere Speichermodule an einer Kondensatoreinheit oder einem Umrichtersubmodul angeschlossen sind, die Steuereinheit die Speichermodule und ihren Lade- und Ent¬ ladebetrieb so regelt, dass die Speichermodule in einem be¬ stimmten Temperaturbereich und/oder in einem bestimmten Spannungsbereich betrieben werden und/oder ein Ladungsausgleich zwischen den Speichermodulen stattfindet. Auf diese Weise kann also beispielsweise das „balancing" auch auf mehrere an einer Kondensatoreinheit angeschlossene Speichermodule über¬ tragen werden, wobei es selbstverständlich auch denkbar ist, die beschriebenen Konzepte auf die Steuereinrichtung selbst anzuwenden, so dass beispielsweise ein „balancing" auch über alle Speichermodule der Energiespeichervorrichtung realisiert werden kann. In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Umrichter ein Mehrstufenumrichter und/oder ein Umrichter ohne Zwischenkreis, insbesondere mit einem dezentralen Zwischenkreis, und/oder ein Mehrpunktumrichter ist. Der entsprechende Umrichter setzt sich dabei, wie bereits beschrieben, aus mehreren Umrichtersubmodulen zusammen, die beispielsweise mit ihren Speichermodulen auf die Phasen verbindenden oder einzelnen Phasen zugeordneten Umrichterarmen angeordnet sein können.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Umrichter ein Mehrpunktumrichter, insbesondere ein Dreipunktumrichter, mit wenigstens drei verschiedenen, insbesondere die Phasen ver¬ bindenden Armen ist, wobei auf jedem Arm mindestens ein Umrichtersubmodul vorgesehen ist. Möglich ist es also bei¬ spielsweise, einen Dreiecksumrichter zu realisieren, wobei die Speichermodule zwischen den Phasen arrangiert sind. Ana¬ loges gilt beispielsweise für Mehrpunktumrichter.
In spezieller, vorteilhafter Ausgestaltung kann dabei beispielsweise eine elektrische Energiespeichervorrichtung rea¬ lisiert werden, die wenigstens einen Dreipunkt-Umrichter mit Umrichtersubmodulen mit entsprechenden Gleichspannungsstel- lern (die letztlich DC-DC-Wandlern entsprechen), umfasst. Dabei kann beispielsweise auf jedem verschiedene Phasen verbin¬ denden Arm des Dreipunktumrichters eine gleiche Topologie vorgesehen werden, die beispielsweise jeweils ein Umrichtersubmodul umfasst, an das über zwei Gleichspannungssteller zwei Speichermodule angeschlossen werden können, so dass sich insgesamt zwei Speichermodule pro Phase ergeben. Der Aufbau pro Phase ist idealerweise, aber nicht notwendigerweise be¬ züglich der Auslastung symmetrisch gewählt und die Energiespeichermodule pro Phase sind idealerweise gleich ausgestal¬ tet. Dieser symmetrische Aufbau muss jedoch nicht für die verschiedenen Phasen bzw. Arme gelten. Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Umrichter durchaus dezentrale Zwischenkreise aufweisen können, die dann in den Umrichtersubmodulen realisiert sind.
Wie bereits erwähnt wurde, kann auch in einer konkreten, be¬ vorzugten Aus führungs form vorgesehen sein, dass der Umrichter ein Marquardt-Mehrstufenumrichter ist. Mögliche Realisierungen eines Marquardt-Mehrstufenumrichters, an den mehrere Speichermodule angeschlossen werden können, sind beispiels¬ weise in der bereits erwähnten nachveröffentlichten
PCT/EP/2009/065491 offenbart. Erstmals beschrieben wurde der Marquardt-Mehrstufenumrichter in der DE 101 030 31 Bl, wobei der dort beschriebene Umrichter über Umrichterventile (Um¬ richterarme) verfügt, die eine Brückenschaltung ausbilden. Dabei erstreckt sich jedes Umrichterventil zwischen einem Wechselspannungsanschluss zur Verbindung des Umrichters mit einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungsan- schluss. Jedes Ventil verfügt über eine Reihenschaltung aus bipolaren Submodulen, die jeweils eine Kondensatoreinheit aufweisen, die parallel zu einer Leistungshalbleiterschaltung geschaltet ist. Die beiden Anschlussklemmen eines jeden Sub- moduls sind einmal mit der Kondensatoreinheit und einmal mit dem Potentialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern verbunden, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Auf diese Weise kann an den beiden Anschlussklemmen eines jeden Submoduls entweder eine Nullspannung oder aber die an der Kondensatoreinheit abfal¬ lende Kondensatorspannung erzeugt werden. So ist ein so genannter mehrstufiger Gleichspannung einprägender Umrichter bzw. Marquardt-Mehrstufenumrichter bereitgestellt.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Gleichspannungsstel- ler die Kondensatoreinheit und das Speichermodul galvanisch trennen oder zur galvanischen Trennung der Kondensatoreinheit und des Speichermoduls ausgebildet sein und/oder ein festes oder einstellbares Übersetzungsverhältnis aufweisen. Es ist also eine Energiespeichervorrichtung denkbar, bei der der Gleichspannungssteller eine galvanische Trennung zwischen dem Umrichter, konkret dem Umrichtersubmodul, und dem Speichermo¬ dul, beispielsweise einer Batterie, ermöglichen kann. Dabei kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass bei Betrieb der Energiespeichervorrichtung an der speichermodulseitigen Seite die anliegende Spannung eine Grenzspannung, insbesonde¬ re 120 V, nicht übersteigt. Bei einer derartigen Energiespei¬ chervorrichtung wird speziell die Spannungslage so gewählt, dass das Speichermodul unter einer DC-Grenzspannung, beispielsweise unterhalb von 120 V oder 60 V, liegt. Über ein Übersetzungsverhältnis des Gleichspannungsstellers können Hochspannungen im Umrichter der Energiespeichervorrichtung auf niedrige Spannungen heruntergesetzt werden, so dass die Grenzspannung einen gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwert unterschreitet bzw. die Wirkung auf den Menschen bei unachtsa¬ mem Berühren weniger stark ausfällt. Auf diese Weise kann eine Berührschutzthematik vermieden werden, da die Speichermodule im Wartungsfall unterhalb einer vom Berührschutz her kritischen Grenzspannung liegen, in Deutschland beispielsweise unterhalb von 120 V. Die tatsächlich verwendete Spannung der Speichermodule kann selbstverständlich durch Auswahl einer geeigneten Anzahl von Speicherzellen des Speichermoduls an sonstige Grenzspannungen, die beispielsweise auf die ört¬ lichen Gegebenheiten des Netzes/der Anwendung/der Gesetzgebung abgestimmt sind, angepasst werden. Denkbar ist es bei¬ spielsweise, dass seitens der Kondensatoreinheit von bis zu 850 V vorliegen können, was beispielsweise bei der Verwendung von 1200 V-IGBTs als Leistungshalbleiter vorteilhaft sein kann, wohingegen auf der Seite des Speichermoduls, insbesondere einer Batterie, 117,6 V vorliegen können, die beispielsweise durch 26 Zellen ä 4,2 V realisiert werden können.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kondensatoreinheit ei¬ nen Modulkondensator umfasst, insbesondere einen als Teil des Gleichspannungsstellers verbauten Modulkondensator. Es ist also denkbar, dass der Modulkondensator im Gleichspannungs- steller integriert vorgesehen ist, nachdem ohnehin Gleich- spannungssteller bekannt sind, die eingangsseitig bereits ei¬ nen Kondensator aufweisen. Wird dieser eingangsseitig vorge- sehene Kondensator auch als Modulkondensator der Kondensatoreinheit verwendet, wird vorteilhafterweise ein Bauteil einge¬ spart .
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung kann sich ferner dadurch auszeichnen, dass an wenigstens einen Gleichspannungssteller kein Speichermodul angeschlossen ist. Es sind also auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen an einzelnen Umrichtersubmodulen des modular aufgebauten Umrichters kein Speichermodul bestückt ist, sondern beispielsweise nur ein Modulkondensator zur Stabilisierung des Umrichtersubmoduls. Derartige Umrichtersubmodule, an denen kein Speichermo¬ dul bestückt ist, werden dann als „herkömmliche" Umrichter¬ submodule betrieben. Dies kann aus Verfügbarkeits- und War¬ tungsgründen der Fall sein, wobei eine Flexibilität gegeben ist, die das Nachrüsten bzw. Weglassen von Speichermodulen erlaubt .
Was die Steuerung im Allgemeinen betrifft, kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung und/oder die Steuereinheiten zur Ansteuerung der Gleichspannungssteller unter Berücksichtigung der Spannung des Speichermoduls und/oder des aktuellen Ladezustands des Speichermoduls und/oder der verbleibenden Kapazität des Speichermoduls und/oder der Leistungsfähigkeit des Speichermoduls und/oder des Innenwiderstands des Spei¬ chermoduls und/oder des Alterungszustands des Speichermoduls als Betriebsparameter ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch weitere bzw. andere Betriebsparameter berücksichtigt werden, beispielsweise der Lade- und/oder Entladestrom und dergleichen.
Hierbei kann das Umrichtersubmodul, an dem das Speichermodul angekoppelt ist, verwendet werden, um die Leistungsanforde¬ rungen an den Speicher vorzulegen, entsprechend einer Steuerlogik, die der Betriebsweise angepasst ist. Diese kann z. B. eine stärkere Belastung stärkerer Speichermodule bevorzugen, um die Gesamtleistung des Systems zu maximieren. Ebenso kann sie eine ganz oder teilweise Entlastung oder Freischaltung einzelner Speichermodule bewirken, um diese zu entlasten, zu schonen oder evtl. zu Wartung oder Austausch aus dem Gesamtsystem zu schalten.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheiten und/oder die Steuereinrichtung und/oder eine an jedem Speichermodul vorgesehene Messeinrichtung zur automatischen Ermittlung wenigstens eines Betriebsparameters des Speichermo¬ duls ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zum Betrieb einer Gruppe von Speichermodulen mit wenigstens einem Speichermodul in einem Wartungsmodus und/oder Messmodus ausgebildet ist, insbesondere zur Ermittlung einer Kapazität der Speichermodu¬ le der Gruppe und/oder einer Selbstentladung der Speichermodule der Gruppe als Betriebsparameter.
Denkbar ist es im Allgemeinen also, übliche Messverfahren einzusetzen, um Betriebsparameter, die bei der Steuerung berücksichtigt werden, zu ermitteln. Der Ladezustand kann dabei bei manchem Chemien einfach durch eine Messung der Spannung des Speichermoduls ermittelt werden. Eine Messung des Innen¬ widerstandes, der im Übrigen ein nützlicher Parameter zur Bestimmung des Alterungszustands eines Speichermoduls sein kann, kann beispielsweise über die Gabe eines Spannungspulses auf das Speichermodul ermöglicht werden, so dass sich unter Berücksichtigung eines gemessenen Stroms der DC-Innenwider- stand ermitteln lässt. Dadurch, dass eine zentrale Steuerein¬ richtung vorgesehen ist, ist es jedoch auch möglich, die Kapazität eines Speichermoduls und die Selbstentladung festzu¬ stellen. Beispielsweise kann eine Gruppe von Speichermodulen, beispielsweise alle an einem Arm des Umrichters vorgesehenen Speichermodule, vom übrigen Betrieb für eine bestimmte Zeit¬ dauer abgesondert werden, in der diese Speichermodule voll¬ ständig entladen werden und/oder vollständig aufgeladen werden, so dass sich die entsprechenden Betriebsparameter und damit insbesondere die real verfügbare Kapazität der Spei¬ chermodule ermitteln lässt. Um eine Selbstentladung eines Speichermoduls als Betriebsparmeter feststellen zu können, kann beispielsweise jeglicher Lade- und/oder Entladeström aus einem Speichermodul im Messmodus für eine definierte Zeit vermieden werden und der Verlauf des Ladezustands, insbesondere bestimmt anhand der Spannung des Speichermoduls, kann betrachtet werden. Ersichtlich sind verschiedenste Möglich¬ keiten denkbar, Betriebsparameter, insbesondere veränderliche Betriebsparameter, sei es aufgrund des Ladezustands oder auch des Alterungszustands, zu ermitteln und im Rahmen der Steue¬ rung durch die Steuereinrichtung oder eine Steuereinheit einzusetzen .
Insbesondere sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass beson¬ ders vorteilhaft die Steuerung, sei es auf der Ebene der Steuereinrichtung oder auf der Ebene der Steuereinheiten, nicht allein über die Spannung des Speichermoduls erfolgen sollte, sondern weitere Betriebsparameter berücksichtigt wer¬ den sollten. Diese können beispielsweise der Ladezustand des Speichermoduls und die verbleibende Kapazität, die Leistungs¬ fähigkeit und/oder der Innenwiderstand des Speichermoduls, wobei diese stark von der verwendeten Speichertechnologie ab¬ hängen, der Alterungszustand des Moduls, woraus sich insbe¬ sondere eine Anpassung der Betriebsparameter verbleibende Kapazität, Leistungsfähigkeit und Innenwiderstand ergibt, und dergleichen sein.
Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zur Ermittlung und/oder Berücksichtigung eines bevorzugten Betriebsfensters für jedes Speichermodul bezüg¬ lich wenigstens der Spannung ausgebildet ist und/oder die Steuereinheiten zur Ermittlung und/oder Berücksichtigung eines bevorzugten Betriebsfensters für jedes ihr zugeordnete Speichermodul bezüglich wenigstens der Spannung ausgebildet sind. Derartige Betriebsfenster, also beispielsweise eine ma¬ ximale und minimale erlaubte bzw. empfohlene Spannung, wurden bereits erwähnt. Derartige Betriebsfenster können dafür sorgen, dass eine zu starke Alterung von Speichermodulen vermieden wird und/oder die Speichermodule immer optimal bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit genutzt werden können. Dabei ist al- lerdings zu berücksichtigen, dass sich diese bevorzugten, insbesondere optimalen Betriebsfenster mit dem Alterungszu¬ stand der jeweiligen Speichermodule verändern können. Hierzu kann in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung und/oder die Steuereinheiten zur Ermittlung des aktuellen Betriebsfensters eines Speichermoduls unter Berücksichtigung wenigstens eines den Alterungszustand des Speichermoduls be¬ schreibenden Betriebsparameters, insbesondere des Innenwider¬ stands und/oder der Kapazität, ausgebildet ist, insbesondere ausgehend von einem Betriebsfenster im Neuzustand des Spei¬ chermoduls unter Berücksichtung einer Datenbank und/oder einer insbesondere speichermodultypspezifischen Look-Up-Tabelle. Beschreiben also bestimmte Betriebsparameter, insbesondere der Innenwiderstand und/oder die Kapazität, die Alterung des Speichermoduls, können die optimalen Betriebsfenster für verschiedene Alterungszustände in Abhängigkeit dieser Parame¬ ter, insbesondere speichermodultypspezifisch, vorliegen, und mithin entsprechend abgefragt werden, um das Betriebsfenster möglichst angepasst an den aktuellen Alterungszustand des Speichermoduls zu halten. Die „Startwerte" für verschiedene Speichermodule können als Teil der Konfiguration für die Speichermodule bereits eingestellt werden, wobei dann auch insbesondere bestimmte Look-Up-Tabellen vorgewählt werden können. Es ist jedoch auch möglich, derartige Startwerte für die Betriebsfenster von Hand einzugeben oder anderweitig in Erfahrung zu bringen.
In konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Konfiguration einer Steuereinheit auf ein durch sie zu steuerndes Speichermodul in einem Spei¬ cher der Steuereinheit mehrere unterschiedlichen anschließba¬ ren Speichermodulen und/oder Speichermodultypen zugeordnete Parametersätze eines Regelungsalgorithmus auswählbar abgelegt sind. Es wird also ein parametrierbarer Regelungsalgorithmus verwendet, für den bereits vorgespeichert auswählbare Parame¬ tersätze vorliegen, die letztlich nur noch eingestellt werden müssen, beispielsweise von Hand, wenn ein entsprechendes Speichermodul angeschlossen wird. Mit besonderem Vorteil ist es jedoch denkbar, dass eine Einrichtung zur automatischen Erkennung eines an einen Gleichspannungssteller angeschlossenen Speichermoduls vorgesehen ist, wobei die Auswahl eines Parametersatzes in Abhängigkeit eines durch die Einrichtung erkannten Speichermoduls automatisch erfolgt. Hierzu sind im Stand der Technik bereits verschiedene Ausgestaltungen be¬ kannt, beispielsweise auf einem Speichermedium, beispielswei¬ se einem Mikrochip, gespeicherte Daten, die bei Anschluss des Speichermoduls über eine Kommunikationsverbindung durch die Steuereinheit ausgelesen werden können, um das Speichermodul bezüglich der relevanten Parameter zu identifizieren. Denkbar ist auch beispielsweise die Verwendung einer RFID-Technolo- gie, um insbesondere berührungslos, also über Funk, ein Aus- lesen des Speichermodultyps oder sonstiger Parameter zu ermöglichen. In einem weiteren Beispiel ist es denkbar, Informationen über insbesondere einmalig aufgeprägte Oberwellen beim Anschließen des Speichermoduls zu transportieren. Derartige elektrische Energiespeichervorrichtungen, wie sie die vorliegende Erfindung beschreibt, können in verschiedensten Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind:
- inspeisewechselrichter in Nieder-, Mittel-, Hoch- und
Höchstspannungsnetzen mit integriertem Energiespeicher, hier in Form von Speichermodulen,
- Netz ( -kurz- ) kupplungen mit integriertem elektrischem
Energiespeieher,
- Puffer für sensible Netze/Prozesse, das bedeutet, insbeson- dere eine Versorgung eines Teilnetzes, dessen primäre Ein- speisung ausgefallen ist, beispielsweise kritische Vorgänge oder Prozesse sicher in einen definierten Zustand zu überführen,
- Landanschlüsse mit optionaler Pufferung,
- Solarumrichter mit integriertem elektrischen Energiespeicher (hierzu kann beispielsweise eine variable Gesamt- Gleichspannung zur Suche des „maximum power point" (MPP) zur Verfügung gestellt werden) , Energiespeichervorrichtung/Energiekupplung in einem
Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei beim Laden der Wechsel¬ spannungsanschluss des Umrichters der Energiespeichervor¬ richtung mit einem Stromnetz verbunden ist, bei der Fortbewegung der Wechselspannungsanschluss des Umrichters mit dem Antriebsmotor verbunden wird und eine Netzpufferung realisiert werden kann, das bedeutet, es kann, falls nötig, in das Wechselspannungsnetz (Stromnetz) zurückgespeist werden, zentrale Ladestation für Akkumulatoren, wobei bei entsprechendem Aufbau, insbesondere mit einer schaltbaren galvanischen Trennung durch die Gleichspannungssteller, ein Austausch einzelner Speichermodule während dem Betrieb des Um¬ richters möglich ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung,
Figur 2 eine mögliche erste, konkrete Realisierung einer erfindungsgemäßen EnergieSpeichervorrichtung,
Figur 3 eine Realisierung der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung in der Art eines Direktumrichters, und
Figur 4 eine Topologie an einem Arm eines Dreipunktumrichters .
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1. Konkrete Ausführungsbeispiele bezüglich des Umrichters werden mit Bezug auf die Figuren 2 bis 4 im weiteren Verlauf dargestellt.
Die Energiespeichervorrichtung 1 umfasst einen Umrichter 2 der vorliegend einen dreiphasigen Eingang 3 aufweist. Der richter 2 kann dabei ein Mehrstufenumrichter, ein Umrichte ohne Zwischenkreis und/oder ein Mehrpunktumrichter sein. Der Umrichter 2 ist aus mehreren Umrichtersubmodulen 4 aufgebaut, die eine Kondensatoreinheit 5 umfassen und zum Laden und zum Entladen wenigstens eines Speichermoduls 6 ausgebil¬ det sind. In der in Figur 1 dargestellten Prinzipskizze ist dabei jeweils ein Speichermodul 6 über einen ansteuerbaren Gleichspannungssteller 7, insbesondere einen Hochsetzsteller, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet werden kann, an die Kondensatoreinheit 5 angekoppelt.
Zweck des Gleichspannungsstellers 7 ist es, zum einen eine an der Kondensatoreinheit 5 anliegende Kondensatorspannung in eine Ladespannung umzuwandeln, die zum Laden des Speichermoduls erforderlich ist. Gleichzeitig ist der Gleichspannungs¬ steller 7 dazu ausgebildet, eine beim Entladen an dem Spei¬ chermodul 6 anfallende Entladespannung in die Kondensatorspannung umzuwandeln.
Mithin ist in der Energiespeichervorrichtung 1 ein dezentraler Energiespeicher in Form der einzelnen Speichermodule 6 vorgesehen, die jeweils an ein Umrichtersubmodul 4 angekop¬ pelt sind.
Dabei sind wenigstens zwei der Speichermodule 6 unterschied¬ lich. Während es grundsätzlich möglich ist, dass die Spei¬ chermodule 6 vom selben Speichermodultyp sind, aber sich im Alterungszustand unterscheiden, ist es vorliegend jedoch auch denkbar, unterschiedliche Modultypen für die Speichermodule 6 zu verwenden, das bedeutet, gezielt unterschiedliche Spei¬ chermodule 6, die sich also in ihrem auf das Laden und/oder Entladen bezogenen Eigenschaften unterscheiden, zu verwenden, was im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 auch geschehen ist. Dabei können sich wenigstens zwei Speichermodule 6 in ihrem Speicherprinzip und/oder ihrer Speicherkapazität und/oder ihrer Spannungslage und/oder der Chemie ihres Speicherprozesses und/oder ihrer Leistungsfähigkeit unterscheiden. Konkret kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Speichermodul eine Li¬ thium-Ionen-Batterie, eine Lithium-Polymer-Batterie, eine Blei-Batterie, eine Nickel-Kadmium-Batterie, eine Nickel- Metallhydrid-Batterie, eine Hochtemperaturbatterie, eine Re- dox-Flussbatterie und/oder ein Speicherkondensator ist. Ersichtlich sind verschiedenste Speichermodule 6 denkbar. Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Speicher¬ module 6 aus mehreren Speicherzellen bestehen können, wie dies üblich ist, die hier jedoch nicht näher dargestellt sind. Denkbar ist es zudem, dass eine Speichermodulbetriebs- einheit vorgesehen ist, die die Speicherzellen und ihren La- de- und Entladebetrieb so regelt, dass die Speicherzellen in einem bestimmten Temperaturbereich und/oder in einem bestimmten Spannungsbereich betrieben werden und/oder ein Ladungsausgleich zwischen den Speicherzellen stattfindet (balan- cing) . Diese Speichermodulbetriebseinheit kann in die im Fol- genden näher beschriebene Steuereinheit 8, die jedem Gleich- spannungssteller 7 zugeordnet ist, integriert sein, zumindest aber mit dieser vorzugsweise kommunizieren, wenn sie, wie bekannt, bereits in dem Speichermodul 6 verbaut ist. Die Steuereinheiten 8 sind es nun, die eine erste wichtige
Grundlage für die Möglichkeit, verschiedene Speichermodule 6 zu verwenden, schafft, denn sie sind auf verschiedene Spei¬ chermodule 6 bzw. Speichermodultypen konfigurierbar, das bedeutet, speichermodulspezifisch oder speichermodultypspezi- fisch einstellbar. Hierzu ist in den Steuereinheiten 8 ein schematisch angedeuteter, parametrierbarer Regelungsalgorithmus 9 abgelegt, gemeinsam mit vorliegend verschiedenen Modul¬ typen zugeordneten Parametersätzen 10, die beispielsweise in einer Datenbank abgelegt sein können. Wird ein Speichermodul 6 angeschlossen, so wird die zugehörige Steuereinheit 8 durch Wahl des korrekten Parametersatzes 10 und Verwendung dessel¬ ben im Regelungsalgorithmus 9 konfiguriert, wobei diese Ein¬ stellung von Hand, insbesondere über eine übergeordnete zent¬ rale Steuereinrichtung 11, erfolgen kann, bevorzugt jedoch eine hier nicht näher dargestellte Einrichtung zur automati¬ schen Erkennung eines an einen Gleichspannungssteller 7 angeschlossenen Speichermoduls 6 verwendet wird. Beispielsweise können die Daten in einem Speicherbaustein innerhalb des Speichermoduls 6 abgelegt sein und über eine entsprechende Kommunikationsverbindung durch die Steuereinheit 8 abgerufen werden, welche dann automatisch einen Parametersatz 10 in Abhängigkeit der Daten aus dem Speichermodul auswählt.
Zu den Parametern im Parametersatz gehört auch ein bevorzugtes Betriebsfenster für das Speichermodul 6, insbesondere we¬ nigstens bezüglich der Spannung, gegebenenfalls aber auch bezüglich der Temperatur, im Neuzustand, sowie eine Vorschrift, wie man unter Berücksichtigung von den Alterungszustand des Speichermoduls 6 beschreibenden Betriebsparametern des Speichermoduls 6 hieraus ein dem Alterungszustand entsprechendes Betriebsfenster ermitteln kann, beispielsweise eine Look-Up- Tabelle. Unter Betriebsfenstern sind dabei Grenzen, also bei- spielsweise Spannungsgrenzen oder Temperaturgrenzen, zu verstehen, die bei Betrieb des Speichermoduls 6 eingehalten wer¬ den sollten, um eine optimale Leistung und eine minimale Ab¬ nutzung des Speichermoduls 6 zu realisieren. Es sei angemerkt, dass die Betriebsfensterermittlung auch über die zentrale Steuereinrichtung 11 erfolgen kann. In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist es sogar denkbar, dass die Steuereinheiten 8 in die zentrale Steuereinrichtung 11 integriert sind.
Ferner ist, wie bereits erwähnt, die zentrale Steuereinrich¬ tung 11 vorgesehen, die die einzelnen Gleichspannungssteller 7 - unter Vermittlung der Steuereinheiten 8 - ansteuert, wobei die Betriebsdaten aller Speichermodule 6 und externe An- forderungsdaten 12, beispielsweise ein Leistungsbedarf, berücksichtigt werden. Das bedeutet also, dass ein ganzheitli¬ ches Ansteuerungskonzept vorgesehen ist, welches insbesondere auch in der Lage ist, die unterschiedlichen Eigenschaften der Speichermodule 6 optimal im Hinblick auf die Anforderungsda- ten zu nutzen. So ist es beispielsweise denkbar, dass bei ho¬ hen Leistungsanforderungen manche Speichermodule 6 eher geeignet sind, so dass diese dann bevorzugt entladen werden sollten, beispielsweise auch, um Schädigungen und/oder eine Alterung anderer Speichermodule 6 zu vermeiden. Derartiges ist insbesondere auch im Hinblick auf so genannte Second- Life-Szenarien sinnvoll, bei denen für Notfälle alte Batte¬ rien als Speichermodule 6 in der Energiespeichervorrichtung 1 genutzt werden, welche dann gezielt über die zentrale Steuer¬ vorrichtung 11 eingesetzt werden. Ersichtlich sind verschiedenste Ansatzpunkte denkbar, um das Wissen um die unter¬ schiedlichen Speichermodule 6 vorteilhaft zu nutzen.
Doch auch unabhängig von der Verwendung unterschiedlicher Speichermodule 6 kann eine zentrale Steuereinrichtung 11 vorteilhaft genutzt werden, beispielsweise, um Wartungszyklen und Messzyklen für Gruppen von Speichermodulen 6 zu realisieren, indem diese beispielsweise in einen Wartungsmodus oder einen Messmodus verbracht werden. Wartungszyklen können beispielsweise bedeuten, dass die Speichermodule 6 einmal völlig entladen werden, um dann wieder vollständig aufgeladen zu werden. Auf diesem Wege lässt sich im Übrigen auch der Betriebsparameter der aktuellen Kapazität eines Speichermoduls 6 bestimmen. In diesem Sinne liegt auch ein Messmodus vor. Denkbar ist es jedoch auch, in einem Messmodus keinerlei La¬ de- und Entladeströme an einem Speichermodul 6 vorzusehen, so dass dessen Selbstentladung als Betriebsparameter gemessen werden kann.
Allgemein können weitere Messungen von Betriebsparametern der Speichermodule 6 auf grundsätzlich bekannte Art und Weise vorgenommen werden, so dass beispielsweise der aktuelle Lade¬ zustand eines Speichermoduls 6 an der Spannung an dem Spei¬ chermodul 6 abgelesen werden kann, der AC- oder DC-Innen- widerstand eines Speichermoduls 6 über einen kurzen Span¬ nungspuls und den resultierenden Strom gemessen werden kann und dergleichen. Steuereinheit 8 und/oder Steuereinrichtung 11 sind im Übrigen auch dazu ausgebildet, aus bestimmten Be¬ triebsparametern, insbesondere dem Innenwiderstand und/oder der Kapazität, den Alterungszustand herzuleiten. Insgesamt erfolgt, vorliegend verteilt auf die Steuereinhei¬ ten 8 und die Steuereinrichtung 11, mithin eine Gesamtsteuerung der Leistungsmodule 6 anhand der Anforderungsdaten 12 und der Betriebsparameter, wobei die Steuereinrichtung 11 und/oder die Steuereinheiten 8 die Spannung des jeweiligen Speichermoduls 6, den aktuellen Ladezustand des Speichermo¬ duls 6, die verbliebene Kapazität des Speichermoduls 6, die Leistungsfähigkeit des Speichermoduls 6, den Innenwiderstand des Speichermoduls 6 und den Alterungszustand des Speichermo¬ duls 6 als Betriebsparameter berücksichtigen.
Es können also nicht nur unterschiedliche Speichermodule 6 verwendet werden, sondern die Gesamtsteuerung der Energiespeichervorrichtung 1 wird auf diese vorteilhaft angepasst.
Es sei an dieser Stelle noch allgemeine angemerkt, dass es selbstverständlich auch möglich ist, dass an wenigstens einen Gleichspannungssteller 7 kein Speichermodul angeschlossen ist. Dies kann sinnvoll sein, wenn gerade weniger gespeicherte Energie benötigt wird oder ein Speichermodul 6 gewartet wird. Ebenso kann dies sinnvoll sein, wenn temporär nicht ge¬ nug Module als Rückläufer in „Second-Life Szenarien" verfüg¬ bar sind. Hierzu sei im Übrigen auch noch angemerkt, dass der Gleichspannungssteller 7 in den vorliegenden Ausführungsbeispielen die Kondensatoreinheit 5 und das Speichermodul 6 ent¬ weder bereits grundsätzlich galvanisch trennt oder zumindest zur galvanischen Trennung der Kondensatoreinheit 5 und des Speichermoduls 6 ausgebildet ist. Zudem weist er ein festes oder einstellbares Übersetzungsverhältnis auf. Auf diese Wei¬ se kann nämlich realisiert werden, dass bei Betrieb der Ener¬ giespeichervorrichtung 1 an der speichermodulseitigen Seite des Gleichspannungsstellers 7 die anliegende Spannung eine Grenzspannung, hier 120 V, nicht übersteigt. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Handhabbarkeit der Energiespei¬ chervorrichtung 1 gegeben, nachdem sich die Speichermodule 6 letztlich problemlos ohne Beachtung komplexerer Berührschutzvorschriften austauschen lassen. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass Speichermodule 6 mit Speicherzellen derart verwendet werden, dass sich eine maximale Gesamtspan¬ nung des Speichermoduls 6 nahe an der Grenzspannung ergibt, beispielsweise 117,6 V bei 120 V Grenzspannung. Ein Modulkondensator der Kondensatoreinheit 5 kann im Übrigen hier als Teil des Gleichspannungsstellers 7 vorgesehen wer¬ den, so dass ein dort ohnehin vorhandener Kondensator auch als Modulkondensator der Kondensatoreinheit 5 eingesetzt wer¬ den kann.
Figur 2 zeigt nun ein erstes, konkretes Ausführungsbeispiel, in dem der Umrichter 2 als ein Marquardt-Mehrstufenumrichter 13 realisiert ist. Der Umrichter 13 besteht aus einer Brü¬ ckenschaltung von Umrichterventilen bzw. Leistungshalbleiter- ventilen 14, 15, 16, 17, 18 und 19, wobei sich jedes der besagten Leistungshalbleiterventile, die auch als Umrichterarme bezeichnet werden können, zwischen einem Wechselspannungsanschluss 20 und einem positiven Gleichspannungsanschluss 21 bzw. einem negativen Gleichspannungsanschluss 22 erstreckt. Darüber hinaus verfügt jedes Leistungshalbleiterventil 14, 15, 16, 17, 18 und 19 über eine den Stromfluss begrenzende Drossel 23. In Figur 2 ist nur schematisch angedeutet, dass jeder Wechselspannungsanschluss 20 mit den Anschlussmitteln 3 zum Anschluss eines Wechselspannungsnetzes verbunden ist. Dies erfolgt üblicherweise über einen Transformator oder aber auch galvanisch mit Hilfe von Drosseln oder Spulen, die zwischen die Wechselspannungsanschlüsse 20 und das in Figur 2 nicht dargestellte Wechselspannungsnetz geschaltet sind. Es ist weiterhin erkennbar, dass jedes der Leistungshalblei¬ terventile 14, 15, 16, 17, 18 und 19 eine Reihenschaltung von bipolaren Umrichtersubmodulen 4 aufweist, die alle identisch aufgebaut sind. Daher ist in der rechten Hälfte von Figur 2 lediglich ein Submodul 4 genauer dargestellt. Es ist erkenn- bar, dass jedes Submodul 4 über eine Kondensatoreinheit 5 und eine Leistungshalbleiterschaltung 24 verfügt, die sich parallel zur Kondensatoreinheit 5 erstreckt. Die Leistungshalblei¬ terschaltung 24 weist zwei Leistungshalbleiter 25 und 26 auf, die sowohl ein- als auch ausgeschaltet werden können. Solche Leistungshalbleiter 25, 26 sind beispielsweise so genannte IGBTs, GTOs, X-FETs, IGCTs oder dergleichen. Grundsätzlich ist jeder schaltbare Leistungshalbleiter im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels einsetzbar. Jedem dieser ansteuerbaren Leistungshalbleiter 25, 26 ist eine Freilaufdiode 27 gegensinnig parallel geschaltet. Weiterhin ist eine erste An¬ schlussklemme 28 galvanisch mit der Kondensatoreinheit 5 ver¬ bunden. Eine zweite Anschlussklemme 29 ist an dem Potential- punkt zwischen den Leistungshalbleitern 25 und 26 angeschlossen. An der Kondensatoreinheit 5 fällt beim Betrieb des Um¬ richters 13 eine Kondensatorspannung ab.
Wie bereits oben ausgeführt wurde, kann jeder der Leistungs- halbleiter 25 oder 26 von einer Unterbrecherstellung, in der ein Stromfluss über den jeweiligen Leistungshalbleiter unterbrochen ist, in seine Durchgangsstellung überführt werden, in der ein Stromfluss über den Leistungshalbleiter 25, 26 in einer Durchlassrichtung ermöglicht ist und umgekehrt. Werden die Leistungshalbleiter 25 und 26 beispielsweise so angesteu¬ ert, dass sich der Leitungshalbleiter 26 in seiner Unterbrecherstellung, der Leistungshalbleiter 25 jedoch in seiner Durchgangsstellung befindet, fällt an den Ausgangsklemmen 28 und 29 die Kondensatorspannung ab. Ist jedoch der Leistungs- halbleiter 26 in seiner Durchgangsstellung, der Leistungshalbleiter 25 ist in seiner Unterbrecherstellung, fällt an den Ausgangsklemmen 28 und 29 die Spannung Null ab. Somit kann entweder die Kondensatorspannung oder eine Null-Spannung an die Ausgangsklemmen 28 und 29 gelegt werden.
Darüber hinaus ist erkennbar, dass die Kondensatoreinheit 5 parallel zu einem Gleichspannungssteller 7 geschaltet ist. Der Gleichspannungssteller 7 ist ausgangsseitig mit einem Speichermodul 6 verbunden, wie dies bereits in Figur 1 darge- stellt war. Entsprechende Messmittel als Teil der Steuereinheit 8 oder extern realisiert sind der Übersichtlichkeit halber nicht nä her dargestellt.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel: einen Umrich ter ohne zentralen DC-Kreis. Hier befinden sich die Umrich- tersubmodule 4 auf den Umrichterarmen 31, 32 und 33 direkt zwischen den Phasen zugeordneten Wechselspannungsanschlüssen 20, ähnlich einem Direktumrichter. Diese können in Ketten oder auch einzeln verschaltet sein, es muss darauf geachtet werden, dass die Umrichtersubmodule von ihrer internen Topo- logie oder durch geschickte Verschaltung fähig sind, mit dem Wechselstrom bzw. der -Spannung zu funktionieren. Eine ander Verschaltung z. B. im Stern ist ebenso denkbar.
Figur 4 zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem als Umrichter 2 ein Dreipunktumrichter verwendet wird. Der Einfachheit halber sind entsprechende Bestandteile mit ent¬ sprechenden Bezugszeichen bezeichnet und es ist nur eine Pha se dargestellt.
Ersichtlich weist auch der Dreipunktumrichter Wechselspannungsanschlüsse 20 auf, an denen verschiedene Phasen anliege können. Verbunden sind die Wechselspannungsanschlüsse über die Umrichterarme. Dort sind pro Arm ersichtlich vier Leis¬ tungshalbleiter 34 - 37 vorgesehen, denen jeweils wiederum eine Freilaufdiode 38 gegensinnig parallel geschaltet ist. Gekoppelt sind die Paare von Leistungshalbleitern 34, 35 und 36, 37 über weitere zwei Dioden 39, die es ermöglichen, über eine entsprechende Schaltung der Leistungshalbleiter 34 - 37 an hier zwei Modulkondensatoren 40 die Kondensatorspannung oder eine Null-Spannung anzulegen. An jeden der Modulkondensatoren 40 ist über einen Gleichspannungssteller 7 wiederum ein Speichermodul 6 angekoppelt, das bedeutet, im vorliegen¬ den Fall sind an ein Umrichtersubmodul 4 zwei Speichermodule 6 angekoppelt. Dennoch wird im vorliegenden Fall zur Ansteue rung der beiden Gleichspannungssteller 7 eine einzige Steuer einheit 8 verwendet. Hierüber kann beispielsweise ein „balan- cing" zwischen den beiden Speichermodulen 6 erfolgen.
Es sei noch angemerkt, dass selbstverständlich auch andere Ausgestaltungen der Umrichter und andere Steuerstrukturen möglich sind.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeichervorrichtung (1), umfassend mehrere Spei¬ chermodule (6) für elektrische Energie, die jeweils an eine Kondensatoreinheit (5) eines einem Umrichter (2) zugehörigen Umrichtersubmoduls (4) zum Laden oder Entladen wenigstens ei¬ nes Speichermoduls (6) über wenigstens einen ansteuerbaren Gleichspannungssteller (7) angekoppelt sind, welcher Gleich- spannungssteller (7) zum Umwandeln einer an der Kondensator- einheit (5) anliegenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Speichermoduls (6) erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Entladen an dem Speichermodul (6) anfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinrichtung (11) vorgesehen ist, die zur Ansteuerung der einzelnen Gleichspannungssteller (7) unter Berücksichtigung von Betriebsdaten aller Speichermodule (6) und externer Anforderungsdaten (12) ausgebildet ist, und/oder jeder Kondensatoreinheit (5) und/oder jedem Gleichspannungssteller (7) eine Steuereinheit (8) zugeordnet ist, die für wenigstens zwei in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterschiedliche Speichermodule (6) modul¬ spezifisch konfigurierbar ist.
2. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens zwei Speichermodule (6) in einer ihre Lade- und Entladeeigenschaften beeinflussenden Eigenschaft unterscheiden, insbesondere in ihrem Speicherprinzip und/oder ihrer Speicherkapazität und/oder ihrer Span- nungslage und/oder der Chemie ihres Speicherprozesses
und/oder ihrem Alterungszustand und/oder ihrer Leistungsfä¬ higkeit .
3. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermodule (6) eine Lithium- Ionen-Batterie und/oder eine Lithium-Polymer-Batterie und/ oder eine Blei-Batterie und/oder eine Nickel-Kadmium-Batterie und/oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie und/oder eine Hochtemperaturbatterie, insbesondere eine Natrium-Schwefel- Batterie und/oder eine ZEBRA-Batterie und/oder eine Metall- Luft-Batterie, und/oder eine Redox-Flow-Batterie und/oder ei¬ nen Superkondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator und/oder einen Hybridkondensator, umfassen, insbesondere wenigstens zwei Speichermodule aus dieser Gruppe.
4. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (2) ein Mehrstufenumrichter und/oder ein Umrichter ohne Zwischenkreis und/oder ein Mehrpunktumrichter ist.
5. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (2) ein Mehrpunktumrichter, insbesondere ein Dreipunktumrichter (30), mit wenigstens drei verschiedenen, insbesondere die Phasen verbindenden Armen (31, 32, 33) ist, wobei auf jedem Arm (31, 32, 33) wenigstens ein Umrichtersubmodul (4) vorgesehen ist.
6. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (2) ein Marquardt-Mehrstufenumrichter (13) ist.
7. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungs- steller (7) die Kondensatoreinheit (5) und das Speichermodul (6) galvanisch trennt oder zur galvanischen Trennung ausgebildet ist und/oder ein festes oder einstellbares Überset¬ zungsverhältnis aufweist.
8. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb der Energiespeichervorrichtung (1) an der speichermodulseitigen Seite des Gleichspannungs- stellers (7) die anliegende Spannung eine Grenzspannung, ins¬ besondere 120V, nicht übersteigt.
9. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorein- heit (5) einen Modulkondensator (40) umfasst, insbesondere einen als Teil des Gleichspannungsstellers (7) verbauten Mo¬ dulkondensator .
10. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten
(8) und/oder die Steuereinrichtung (11) und/oder eine an jedem Speichermodul (6) vorgesehene Messeinrichtung zur automa¬ tischen Ermittlung wenigstens eines Betriebsparameters des Speichermoduls (6) ausgebildet sind.
11. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung
(11) zum Betrieb einer Gruppe mit wenigstens einem Speicher¬ modul (6) in einem Wartungsmodus und/oder Messmodus ausgebil¬ det ist, insbesondere zur Ermittlung einer Kapazität der Speichermodule (6) und/oder einer Selbstentladung der Speichermodule (6) als Betriebsparameter.
12. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung
(11) zur Ermittlung und/oder Berücksichtigung eines bevorzugten Betriebsfensters für jedes Speichermodul (6) bezüglich wenigstens der Spannung ausgebildet ist und/oder die Steuer¬ einheiten (8) zur Ermittlung und/oder Berücksichtigung eines bevorzugten Betriebsfensters für jedes ihr zugeordnete Spei¬ chermodul (6) ausgebildet sind.
13. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konfiguration ei¬ ner Steuereinheit (8) auf ein durch sie zu steuerndes Spei¬ chermodul (6) in einem Speicher der Steuereinheit (8) mehrere unterschiedlichen anschließbaren Speichermodulen (6) und/oder Speichermodultypen zugeordnete Parametersätze (10) eines Re¬ gelungsalgorithmus (9) auswählbar abgelegt sind.
14. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur automatischen Erken- nung eines an einen Gleichspannungssteller (7) angeschlossenen Speichermoduls (6) vorgesehen ist, wobei die Auswahl ei¬ nes Parametersatzes (10) in Abhängigkeit eines durch die Ein¬ richtung erkannten Speichermoduls (6) automatisch erfolgt.
15. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) und/oder die Steuereinheiten (8) zur Ansteuerung der Gleichspannungssteller (7) unter Berücksichtigung der Spannung des Speichermoduls (6) und/oder des aktuellen Ladezu¬ stands des Speichermoduls (6) und/oder der verbleibenden Kapazität des Speichermoduls (6) und/oder der Leistungsfähigkeit des Speichermoduls (6) und/oder des Innenwiderstands des Speichermoduls (6) und/oder des Alterungszustands des Spei¬ chermoduls (6) als Betriebsparameter ausgebildet ist.
PCT/EP2012/056028 2011-04-27 2012-04-03 Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere speichermodule für elektrische energie WO2012146463A1 (de)

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