DE102011002673A1

DE102011002673A1 - Anordnung und Verfahren zum Betreiben verschalteter Energiespeichersysteme

Info

Publication number: DE102011002673A1
Application number: DE102011002673A
Authority: DE
Inventors: Harry Döring; Michael Roscher; Robert Kuhn
Original assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Current assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-07-19

Abstract

Bei einem Batteriesystem welches seinerseits aus mehreren, elektrisch parallel verschalteten Energiespeichern besteht, wird eine Einheit zum Ladungstransfer (30) verwendet, um vor dem Zuschalten eines Energiespeichers (10) zu einer Batterie (100) die Spannung dessen an die Batteriespannung anzugleichen. Der Angleich der Spannungen wird herbeigeführt, indem aktiv Ladung von der Batterie (100) in den Energiespeicher (10) bzw. vom Energiespeicher (10) in die Batterie (100) übertragen wird. Damit wird verhindert, dass beim elektrischen Parallelschalten kritische Ausgleichsströme zwischen den Energiespeichern fließen, wie dies der Fall ist, wenn sich die Spannung des Energiespeichers deutlich von der Batteriespannung unterscheidet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energiespeichersystem und auf ein Verfahren zum Hinzuschalten eines Energiespeichers zu einem Energiespeichersystem, welches erlaubt, ein Energiespeichersystem, bestehend aus mehreren, miteinander elektrisch verbundenen Teilsystemen einzelner Energiespeicher sicher zu betreiben. Ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem ermöglicht den Betrieb von mindestens zwei parallel zu einander verschalteten, elektrischen Energiespeichern.
Die Steigerung der Effektivität und die damit einhergehende Verringerung des Ausstoßes klimaschädlicher Abgase sind maßgebliche Gründe für die Entwicklung neuartiger, alternativer Antriebssysteme für eine Vielzahl möglicher Anwendungen, wie Pkw, Lkw, Schiffe, Züge, etc. Bei diesen Anwendungen, bei denen die Antriebsleistung bislang vornehmlich verbrennungsmotorisch erzeugt wird, besteht die Möglichkeit durch Elektrifizierung, d. h. durch ein Ergänzen der Verbrennungskraftmaschine um bzw. dem vollständigen Ersetzen mit einem Elektromotor, zum einen den Wirkungsgrad des gesamthaften Antriebssystems nachhaltig zu verbessern und darüber hinaus bei Traktionsanwendungen eine etwaig anfallende Bremsenergie zu regenerieren, zu konservieren und ggf. für die nachfolgende Beschleunigung des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Dem elektrischen Energiespeicher – insbesondere einer Batterie – kommt bei diesen Applikationen zum Zwischenspeichern bzw. zum Bereitstellen der elektrischen Energie eine Schlüsselrolle zu.
Neben der mobilen Anwendung besteht insbesondere bei stationärer Anwendung der Bedarf an hohen Leistungen und Energiemengen, die sich ggf. nur durch parallele Verschaltung von mehreren Batteriestrings realisieren lassen. Stationäre Anwendungen umfassen insbesondere die Notstromversorgung, unterbrechungsfreie Stromversorgung, Speicherung von Elektroenergie erzeugt aus regenerativen Energiequellen sowohl in Inselsystemen als auch in netzgekoppelten Systemen u. a..
Energiespeichersysteme umfassen vorzugsweise eine Vielzahl einzelner Energiespeicher bspw. in Form von Batterien, Batteriemodulen oder Batteriezellen, die elektrisch in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind. Durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Energiespeicher ergibt sich die Gesamtspannung des Energiespeichersystems, wobei sich die Spannungen der einzelnen in Reihe geschalteten Energiespeicher addieren. Die Zahl der parallel geschalteten Energiespeicher bestimmt die speicherbare Ladungsmenge des Energiespeichersystems, wobei sich die Kapazitäten der parallelen Energiespeicher addieren.
Im Folgenden wird ein Energiespeicher beispielhaft anhand einer Batterie beschrieben, wobei das Energiespeichersystem aus mehreren oder wenigstens zwei in Reihe und/oder parallel geschalteten Energiespeichern bspw. Batterien besteht. Als Energiespeicher kommen jedoch auch Kondensatoren bzw. Brennstoffzellen zum Einsatz, wobei die vorliegende Erfindung auch auf derartige Energiespeicher angewendet werden kann.
Bei Batterien bzw. Batteriemodulen, die ihrerseits aus mehreren einzelnen Batteriezellen bestehen, können aufgrund von Fertigungstoleranzen unterschiedliche Eigenschaften der einzelnen Batteriezellen, die formal gleiche Nenndaten besitzen, auftreten. Durch diese verschiedenen Eigenschaften können sich insbesondere real voneinander abweichende Spannungen gleicher Batteriezellen ergeben. Zudem ist beim Verbau von Batteriezellen in einem Energiespeichersystem nicht zwingend gewährleistet, dass alle Batteriezellen den gleichen Ladezustand, und damit verbunden, die gleiche Zellspannung aufweisen. Dies führt dazu, dass beim Zusammenschalten und insbesondere beim Parallelschalten von mehreren Batteriezellen mit unterschiedlicher Spannung augenblicklich ein Ausgleichsstrom von Zelle zu Zelle fließt.
Moderne Batteriezelltypen weisen häufig eine sehr hohe Leistungsfähigkeit und damit einen sehr geringen Innenwiderstand auf. Aufgrund dessen können die Ausgleichsströme beim Zusammenschalten sehr hohe Werte annehmen, die im Moment des Zusammenbaus des Energiespeichersystems zum einen bereits zu einer Vorschädigung der einzelnen Batteriezellen führen können und andererseits die mechanischen Kontaktstellen zwischen den. einzelnen Batteriezellen (Zellverbinder) thermisch durch Stromverlustwärme bzw. korrosiv durch Lichtbogen angreifen, oder im ungünstigen Fall kann die Kontaktstelle brechen oder sich entlöten.
Die Auslegung der Schaltelemente müsste ebenfalls in der Art und Weise erfolgen, das derartig hohe Ströme mehrmals geschaltet werden können und diese Schaltelemente den hohen Strom für die Dauer des Ausgleichsvorgangs auch tragen können.
Analog zu parallelen Batteriezellen verhält es sich beim Parallelschalten von Batteriemodulen, die aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen bestehen. Wiederum kann ein Differieren der Batteriemodulspannungen Ausgleichsströme hervorrufen, die sowohl die Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule als auch die Kontakte zwischen den verschalteten Batteriemodulen beschädigen können.
Der Fall des aktiven Zusammenschaltens von als Energiespeicher bezeichneten Batterien oder Batteriemodulen zu Energiespeichersystemen beschränkt sich nicht nur auf das einmalige Zusammenbauen und Inbetriebnehmen bei der Herstellung des Energiespeichersystems. Vielmehr kann bei Wartungsarbeiten an diesen ein Freischalten einzelner Batteriemodule vom Rest der Batterie erforderlich sein. Demzufolge werden die Batterien bzw. einzelne Batteriemodule nach den technischen Arbeiten wieder zugeschaltet. Ebenso können einzelne Batterien bzw. einzelne Batteriemodule eines Energiespeichersystems im Bedarfsfall zu- und abgeschaltet werden, insofern damit eine Minderbelastung und damit eine längere Lebensdauer des Energiespeichersystems erreicht werden kann. Im Folgenden werden Batterien bzw. Batteriemodule als Energiespeicher bezeichnet.
Das parallele Verschalten von unterschiedlichen Arten von Energiespeichern zu einem Energiespeichersystem ist aus der DE 10 2007 041 526 A1 bekannt, in der gewährleistet sein muss, dass die Energiespeicher in zumindest ähnlicher Spannungslage operieren.
Für den Fall der Parallelschaltung unterschiedlicher Batterietypen hat sich gezeigt, dass die Energiespeicher bei Stromfluss entsprechend ihrer Kapazität und ihres Innenwiderstands belastet werden. In Ruhephasen fließen zwischen den Energiespeichern Ausgleichsströme um Spannungsunterschiede auszugleichen (siehe dazu: Parallel Strings – Parallel Universes, Jim McDowall, Proceedings in Battcon 2002).
DE 10 2008 002 179 A1 beschreibt eine Vorrichtung, die eine Gleichheit der Spannung parallel geschalteter Energiespeicher, bestehend aus in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen herbeiführen soll, indem die zueinander parallel geschalteten Zellen über aktive oder passive Bauelemente elektrisch parallel verbunden werden können.
Für das Betreiben elektrisch paralleler Energiespeicher gibt es Lösungen, bei denen die Leistung jedes Energiespeichers mit einem „Gleichstrom-Trafo” (DC/DC-Wandler) auf ein gemeinsames Bezugspotential transformiert wird. Dabei muss jeder Gleichstrom-Trafo in der Lage sein, die maximale Leistung eines Energiespeichers zu tragen. Solche Lösungen sind jedoch meist sehr kosten- und gewichtsintensiv.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung und ein korrespondierendes Verfahren zu schaffen, die bzw. das es ermöglicht, wenigstens einen Energiespeicher zu einem Energiespeichersystem aktiv hinzu zuschalten, ohne dass kritische Ausgleichströme zwischen den Energiespeichern fließen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken Energiespeicher elektrisch über Schalter bzw. Schütze parallel zu verschalteten bzw. zu trennen und einen beim Parallelschalten aufgrund von Spannungsunterschieden auftretenden Ausgleichstrom zu kontrollieren und/oder zu reduzieren bzw. vorzugsweise zu unterbinden.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Vorrichtung zum kontrollierten Parallelschalten von Energiespeichern und ein Verfahren zum Hinzuschalten eines Energiespeichers zu einem Energiespeichersystem aus. Bei einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem, welches wenigstens einen Energiespeicher aufweist, wird mittels entsprechenden Schaltvorrichtungen und einer Einheit zum aktiven Ladungstransfer ein hinzu zu schaltender Energiespeicher zu dem Energiespeicher des Energiespeichersystems parallel geschaltet.
Mit einer derartigen Einheit zum aktiven Ladungstransfer erfolgt ein Angleichen der Spannung des wenigstens einen hinzu zu schaltenden Energiespeichers an die Spannung des Energiespeichersystems. Dabei erfolgt das Angleichen der Spannungen zwischen dem hinzu zu schaltenden Energiespeicher und dem Energiespeichersystem mittels der Einheit zum aktiven Ladungstransfer bevor der jeweilige Energiespeicher über die Schaltelemente mit dem Energiespeichersystem verbunden wird.
Für das Angleichen der Spannungen erfolgt ein Umladen zwischen dem Energiespeichersystem und dem hinzu zu schaltenden Energiespeicher. Ist dabei die Spannung des Energiespeichersystems höher als die Spannung des dazu zu schaltenden Energiespeichers wird dem Energiespeicher Ladung aus dem Energiespeichersystem zugeführt, wodurch die Spannung des Energiespeichers steigt und die Spannung des Energiespeichersystems fällt wodurch ein Angleichen der Spannungen erfolgt.
Ist die Spannung des hinzu zu schaltenden Energiespeichers hingegen höher als die Spannung des Energiespeichersystems wird dem Energiespeichersystem Ladung aus dem Energiespeicher zugeführt, wodurch die Spannung des Energiespeichersystems steigt und die Spannung des Energiespeichers fällt.
Das Angleichen der Spannungen aneinander erfolgt dabei vorzugsweise bis auf eine vorbestimmte bzw. parametrierbare Spannungsdifferenz. Dadurch lässt sich die Spannungsdifferenz bis zu einem sinnvollen parametrierbaren Maß verringern. Eine Restspannungsdifferenz, sowohl positiv als auch negativ, darf bestehen bleiben, wobei diese sich dann durch Ausgleichströme nach einer Parallelschaltung weiter reduziert, jedoch mit vertretbaren Stromgrößen.
Vorzugweise werden die Spannungen des ersten und zweiten Energiespeichers aneinander angeglichen, so dass diese vor dem Parallelschalten gleich sind und keine Ausgleichströme fließen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Einheit zum Ladungstransfer als Gleichspannungssteller oder als Gleichspannungswandler ausgeführt. Bei einem Gleichspannungssteller wird eine am Eingang anliegende Spannung in eine Gleichspannung mit einem höherem oder einem niedrigerem Spannungsniveau umgewandelt. Die Umsetzung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und einem oder mehrerer Energiespeicher.
Dieser Gleichspannungssteller weist zwei Anschlussseiten auf, von der die erste Anschlussseite mit den Klemmen des Energiespeichersystems verbunden ist. Mit seiner zweiten Anschlussseite ist der Gleichspannungssteller mit dem Energiespeicher verbunden, der zu dem Energiespeichersystem dazu geschaltet wird. Der Gleichspannungssteller stellt dabei die Spannung am Energiespeicher bzw. am Energiespeichersystem so ein, dass ein definierter Ausgleichsstrom fließt, der dafür sorgt, dass sich die Spannungen des Energiespeichers und die Spannung des Energiespeichersystems aneinander angleichen. Dabei wird der Ausgleichsstrom so eingestellt, dass dieser keine außerordentliche Belastung für die beteiligten Komponenten darstellt. Die Auslegung des Gleichspannungsstellers erfolgt dabei in vorteilhafter Weise so, dass dieser eine verhältnismäßig geringe Maximalleistung von einigen hundert Watt oder wenigen Kilowatt aufweist, da dieser nur einen Bruchteil der maximal abgeforderten Betriebsleistung des Energiespeichersystems tragen können muss. Dies stellt einen beträchtlichen Vorteil im Vergleich zu einem „Gleichstrom-Trafo” dar, der für die Maximalleistung ausgelegt sein muss. Folglich müssen die im Gleichspannungssteller verwendeten Komponenten nicht für hohe Ströme ausgelegt werden, wodurch sowohl der Preis, als auch das Gewicht für einen derartigen Gleichspannungssteller im Vergleich zu einem „Gleichstrom-Trafo” deutlich sinkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Gleichspannungssteller über zusätzliche Schalter, im Folgenden zweite Schaltvorrichtungen, an mehrere Energiespeicher einzeln angeschlossen werden. Im regulären Betrieb des Energiespeichersystems sind diese zweiten Schaltvorrichtungen stets geöffnet, da der Gleichspannungssteller nur während des Zuschaltens benötigt wird. Zum Zuschalten eines nicht mit dem Energiespeichersystem verbundenen Energiespeichers zum Energiespeichersystem wird der zweite Schalter zwischen Energiespeicher und Gleichspannungssteller geschlossen. Der Gleichspannungssteller führt dann den Ladungstransfer zwischen diesem und dem Energiespeichersystem zum Angleichen beider Spannungen durch. Danach wird der Energiespeicher mit dem Energiespeichersystem über die erste Schaltvorrichtung direkt verbunden und der Gleichspannungssteller wird wieder vom Energiespeicher getrennt und kann mittels weiterer zweiter Schalter mit weiteren Energiespeichern verbunden werden, die zu dem Energiespeichersystem hinzu gefügt werden sollen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung endet das Umladen zwischen dem Energiespeichersystem und dem jeweiligen Energiespeicher nicht in dem Moment, in dem die Spannungen beider Komponenten exakt gleich sind. Vorteilhaft ist es die Umladung in gleicher Richtung weiter zu führen, bis sich eine parametrierbare Spannungsdifferenz, mit umgekehrtem Vorzeichen zur Spannungsdifferenz vor der begonnen Umladung einstellt. Sobald diese parametrierbare Spannungsdifferenz erreicht ist, wird die Umladung unterbrochen. Dieses Umladen über den Moment der eigentlichen Spannungsgleichheit hinaus hat den Vorteil, dass dadurch Spannungsabfälle, die ggf. beim Umladen an den Innenwiderständen von Energiespeichersystem und/oder Energiespeicher entstehen, kompensiert werden können. Dadurch lässt sich die Gleichheit der Quellspannungen von Energiespeichersystem und Energiespeicher erreichen, was dafür sorgt, dass beim elektrischen Parallelschalten beider Komponenten überhaupt kein Ausgleichstrom zwischen beiden fließt. Dabei ist die parametrierbare Spannungsdifferenz vorzugsweise unabhängig von der Spannungsdifferenz vorher. Bspw. wird bei einem Innenwiderstand von 0,1 Ohm (für Energiespeicher und Energiespeichersystem angenommen) und einem Umladestrom von 10 A die parametrierbare Spannungsdifferenz auf 2 × 0,1 Ohm × 10 A = 2 V eingestellt.
Vorzugsweise weist die Ladungstransfereinheit das gleiche Bezugspotential wie das Energiespeichersystem und der Energiespeicher auf, der dem Energiespeichersystem hinzugefügt werden soll.
Ausführungsbeispiele von Ausgestaltungen der Erfindung sind im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 100 mit zwei über Schaltelemente 80 zu- und abschaltbaren, parallelen Energiespeichern 10 mit Ladungstransfereinheiten 30,
2 ein Diagramm zum Spannungsverlauf des Energiespeichersystems 100 (U_S) und eines Energiespeichers 10 (U_X),
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems 100 mit nur einer Ladungstransfereinheit 30 für drei Energiespeicher 10,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel zur Nutzung der Ladungstransfereinheit 30 zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators 70 eines Umrichters 90,
5 ein Diagramm zum Spannungsverlauf des Energiespeichersystems 100 (U_S) und der Zwischenkreisspannung (U_ZK)
6 eine Ausführungsform für einen Gleichspannungssteller, der als Ladungstransfereinheit 30 bei einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem 100 verwendet werden kann;
7 ein Flussablaufdiagramm für ein Verfahren zum Spannungsausgleich bei einem Energiespeichersystem 100 vor dem Hinzuschalten eines Energiespeichers.
1 zeigt ein Energiespeichersystem 100, zu dem zwei Energiespeicher 10 dazugeschaltet werden können. Das Energiespeichersystem 100 weist wenigstens einen Energiespeicher 100 auf. Die zwei zusätzlichen Energiespeicher 10 lassen sich dabei aktiv und individuell über erste Schaltvorrichtungen 80 elektrisch parallel zu dem Energiespeichersystem 100 schalten, um die notwendige Kapazität und Leistungsfähigkeit des Energiespeichersystems 100 bereitzustellen. Außerdem sind in 1 die Ladungstransfereinheiten 30 gezeigt, die jeweils vor dem elektrischen Verbinden eines Energiespeichers 10 mit dem Energiespeichersystem 100 dafür sorgen, dass die Gleichheit der Spannungen zwischen Energiespeicher 10 und Energiespeichersystem 100 gegeben ist. Die erste Schaltvorrichtung 80 ist dabei jeweils nur in einem Pfad enthalten, d. h. der hinzu zu schaltende Energiespeicher 10 ist mit einer Anschlussseite bereits mit dem Energiespeichersystem 100 verbunden. Die Ladungstransfereinheit 30 ist dabei sowohl mit dem. Energiespeichersystem 100 als auch mit dem hinzu zu schaltenden Energiespeicher 10 gekoppelt, um den Ladungsausgleich zwischen diesen vorzunehmen. Nach dem Ladungsausgleich wird die Ladungstransfereinheit 30 deaktiviert bzw. vom Energiespeicher 10 bzw. Energiespeichersystem 100 getrennt und der Energiespeicher 10 dem Energiespeichersystem 100 mittels der ersten Schaltvorrichtung 80 parallel geschaltet.
In 2 ist der zeitliche Verlauf der Spannung U_S des Energiespeichersystems 100 und der Spannung U_X eines Energiespeichers 10 gezeigt. Die Spannung U_X des Energiespeichers 10 ist in diesem Beispiel kleiner als die Spannung U_S des Energiespeichersystems 100. Nach dem Beginn des Spannungsangleichs zum Zeitpunkt t = t₁ steigt die Spannung U_X des Energiespeichers 10 und die Spannung U_S des Energiespeichersystems 100 sinkt. Zum Zeitpunkt t = t₂ hat die Spannung U_X des Energiespeichers 10 die Spannung U_S des Energiespeichersystems 100 erreicht bzw. diese bereits um einen parametrierbaren Betrag überschritten, wie in 2 gezeigt; dann kann die erste Schaltvorrichtung 80 am Energiespeicher 10 geschlossen werden, sodass der Energiespeicher 10 nun mit dem Energiespeichersystem 100 verbunden ist, ohne das ein unkontrollierter Ausgleichsstrom aufgrund von verschiedenen Spannungen des Energiespeichers 10 und des Energiespeichersystems 100 geflossen ist.
3 zeigt ein Energiespeichersystem 100 mit drei Energiespeichern 10, die jeweils über einzelne Schaltelemente 80 zum Energiespeichersystem 100 parallel hinzu geschaltet werden können. In diesem Ausführungsbeispiel ist nur eine Ladungstransfereinheit 30 vorgesehen, die mit einer ihrer Anschlussseiten über drei zusätzliche Schalter 50 (zweite Schaltvorrichtungen) mit jedem der drei Energiespeicher 10 verbunden werden kann. Vor dem Zuschalten eines Energiespeichers 10 zum Energiespeichersystem 100 wird dazu der dem jeweiligen Energiespeicher 10 zugeordnete zweite Schalter 50 geschlossen. Vor und während des Spannungsausgleichs ist die jeweilige erste Schaltvorrichtung 80 geöffnet.
Die Ladungstransfereinheit 30 gleicht dann die Spannung des Energiespeichers 10 an die Spannung des Energiespeichersystems 100 an. Anschließend wird die erste Schaltvorrichtung 80 des Energiespeichers 10 geschlossen und damit der Energiespeicher 10 mit dem Energiespeichersystem 100 verbunden und der zweite Schalter 50, der den Kontakt zur Ladungstransfereinheit 30 herstellt, wird wieder geöffnet. Gegebenenfalls wird dieses Vorgehen für den nächsten hinzu zuschaltenden Energiespeicher 10, wie zuvor beschrieben, erneut durchgeführt. Auf diese Art und Weise lässt sich der Schaltungsaufwand für die Ladungstransfereinheit 30 reduzieren, da diese nur während der Spannungsangleichung aktiv ist. Bei mehreren Energiespeichern 10, die hinzuschaltbar sind, kann dann die Ladungstransfereinheit 30 sequentiell mit den mehreren Energiespeichern 10 verbunden werden, um den jeweiligen Spannungsausgleich zwischen Energiespeicher 10 und Energiespeichersystem 100 vorzunehmen, bevor der entsprechende Energiespeicher 10 dem Energiespeichersystem 100 parallel geschaltet wird.
Die Ladungstransfereinheit 30 ist mit ihrer zweiten Anschlussseite mit dem Energiespeichersystem 100 verbunden, um die Spannung des Energiespeichersystems 100 zu erfassen und den Ladungsausgleich durchzuführen. Weiter ist die Ladungstransfereinheit 30 mit einem Potential verbunden, welches sowohl für den Energiespeicher 10 als auch das Energiespeichersystem 100 gleich ist.
4 zeigt ein Energiespeichersystem 100 (gestrichelt) in einem Verbund mit einem mit den Klemmen (+, –) des Energiespeichersystems 100 verbundenen Umrichter 90. Das Energiespeichersystem 100 weist darüber hinaus auch noch einen zuschaltbaren Energiespeicher 10 auf, wobei auch dessen Zuschaltung mit Hilfe der Ladungstransfereinheit 30 vorgenommen werden kann.
Energiespeichersysteme 100 werden häufig zusammen mit Umrichtern 90 eingesetzt, die insbesondere zum Umwandeln einer Gleichspannung eines Energiespeichersystems 100 in eine Wechselspannung, bspw. 3 Phasen Wechselspannung dienen.
Dazu verfügen Umrichter 90 häufig eingangseitig über einen Zwischenkreiskondensator 70, der für eine geringe Welligkeit der Spannung am Eingang des Umrichters 90 bei getaktetem Eingangsstrom sorgt. Der Zwischenkreiskondensator 70 selbst ist ebenfalls als Energiespeicher zu betrachten, sodass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem korrespondierenden Verfahren die Vorladung des Zwischenkreiskondensators 70 durch die Ladungstransfereinheit 30 erfolgen kann, bevor die Hauptschalter 75, 77 zwischen Energiespeichersystem 100 und dem Umrichter 90 geschlossen werden. Um die entsprechende Vorladung vorzunehmen ist ein drittes Schaltelement 55 angeordnet, welches den elektrischen Kontakt zwischen Ladungstransfereinheit 30 und dem Zwischenkreiskondensator 70 herstellt.
Vor dem Angleichen der Spannung vom Energiespeichersystem 100 und dem Zwischenkreiskondensator 70 wird in der dargestellten Applikation der negative Hauptschalter 77 geschlossen. Somit kann in der oben beschriebenen Weise auf eine zusätzliche Vorladeschaltung für den Zwischenkreiskondensator 70 verzichtet werden. Durch den geschlossenen negativen Hauptschalter 77 hat die Ladungstransfereinheit 30 das gleiche Bezugspotential wie der Energiespeicher (nicht explizit dargestellt) des Energiespeichersystems 100.
Für diesen Fall des Vorladens eines Zwischenkreiskondensators 70 mittels der Ladungstransfereinheit 30 sind die dazugehörigen zeitlichen Verläufe der Spannungen qualitativ in 5 gezeigt. Gezeigt ist der Fall, dass die Ladungstransfereinheit 30 bei einer konstanten Leistung arbeitet, sodass zu Beginn (t = 0), wenn der Zwischenkreiskondensator 70 leer ist, ein hoher Strom zum schnellen Laden desselben führt. Die Spannung U_ZK des Zwischenkreiskondensators 70 steigt zunächst sehr schnell an. Steigt die Spannung U_ZK, verringert sich der Strom zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators 70, da die Umladung mit konstanter Leistung erfolgt. Der hohe Strom aus dem Energiespeichersystem 100 sorgt zunächst für einen Einbruch der Spannung des Energiespeichersystems U_S, der sich mit der Zeit verkleinert, sowie sich der Umladestrom verringert. Zum Zeitpunkt t = t₃ sind beide Spannungen gleich oder die Spannung U_ZK des Zwischenkreiskondensators 70 überschreitet die Spannung U_S des Energiespeichersystems 100 um einen parametrierbaren Wert (hier nicht dargestellt), und der positive Hauptschalter 75 kann stromlos geschlossen werden. Somit ist der Umrichter mit dem Zwischenkreiskondensator 75 an das Energiespeichersystem 100 angeschlossen.
Mit dem ersten Schalter 80 und dem zusätzlichen zweiten Schalter 50 lässt sich der zusätzliche Energiespeicher 10 des Energiespeichersystems 100 ab bzw. wieder zum Energiespeichersystem 100 hinzuschalten. Dazu ist dann der dritte Schalter 55 für die Vorladung des Zwischenkreiskondensators 70 geöffnet.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 6 beispielhaft ein Gleichstromsteller beschrieben, der als Ladungstransfereinheit 30 verwendet werden kann.
Ein Gleichstromsteller 30 gehört zu den Gleichspannungswandlern und wird zwischen den Energiespeicher 10 und das Energiespeichersystem 100 geschaltet.
Die Prinzipschaltung umfasst dabei zwei interne Schalter und eine Spule bzw. Drossel zur Strombegrenzung und Energiespeicherung. Es sind jedoch auch andere Schaltungskonfigurationen möglich, bspw. Drossel im senkrechten Pfad, Kondensator statt Spule etc.. Weiter lassen sich auch Dioden verwenden, die bis zu einer gewissen Belastung eine Stromflussrichtung bestimmen.
Für den Einsatz eines Gleichstromstellers 30 bei einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem 100 ist insbesondere erforderlich, dass der Gleichstromsteller 30 die Energie zwischen den zwei unterschiedlichen Spannungsebenen (mit in diesem Fall überlappenden Spannungsbereichen und gleichem Bezugspotential) gezielt in beide Richtungen transferieren kann. Dabei kann es sich sowohl um einen Sperr- als auch einen Flusswandler handeln. Alternativ zum Gleichstromsteller 30 könnte die Ladungstransfereinheit 30 auch als resonanter Umlader realisiert werden. Es ist auch möglich, eine Vorrichtung einzusetzen, bei der die Ladung zum Spannungsausgleich von außen (von einem externen Spannungsnetz) zuführbar ist.
Eine einfache Ausführungsform des Gleichstromstellers stellt ein Synchronwandler dar, der vorzugsweise überlappende Spannungsbereiche aufweist und bei dem ein bidirektionaler Energiefluss möglich ist. Alternativ ist auch ein Boost-Buck-, Cuk- oder SEPIC-Converter einsetzbar. Der Synchronwandler eignet sich insbesondere für kleine Leistungen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Hinzuschalten eines Energiespeichers zu einem Energiespeichersystem anhand von 7 beschrieben.
Das Verfahren wird anhand der Schaltungskonfiguration von 3 beschrieben.
Zuerst wird in Schritt (S100) der Energiespeicher 10 durch Schließen des jeweiligen zweiten Schalters 50 mit der Ladungstransfereinheit 30 verbunden, die die Spannungen des hinzu zu schaltenden Energiespeichers 10 und die Spannung des Energiespeichersystems 100 erfasst und in Schritt (S200) die Spannung des Energiespeichers 10 an die Spannung des Energiespeichersystems 100 angleicht. Wenn die Spannungen entsprechend angeglichen sind (S300), wird der erste Schalter 80 geschlossen (S400), um den zweiten Energiespeichers 10 parallel zum Energiespeichersystem 100 zu schalten. Da die Ladungstransfereinheit 30 dann nicht mehr benötigt wird, kann der zweite Schalter 50 des hinzu geschalteten Energiespeichers 10 geöffnet werden (S500). Wenn weitere Energiespeicher hinzugeschaltet werden sollen (S600), werden die Schritte S100–S400 wiederholt.
Mit dem erfindungsgemäßen Energiespeicher bzw. dem Verfahren zum Hinzuschalten eines Energiespeichers zu einem Energiespeichersystem lässt sich durch den Einsatz einer Ladungstransfereinheit vor dem aktiven Parallelschalten ein Spannungsangleich erzielen, der ein nachteiliges Auftreten von Ausgleichsströmen beim Zusammenschalten verhindert, falls zwischen Energiespeicher und Energiespeichersystem Spannungsunterschiede bestehen.
Bezugszeichenliste

10: Energiespeicher, der Energiespeichersystem hinzugeschaltet werden soll
30: Ladungstransfereinheit, Gleichstromsteller
50: zweite Schaltvorrichtung zum Verbinden eines Energiespeichers 10 mit der Ladungstransfereinheit 30
55: dritte Schaltvorrichtung zum Verbinden der Ladungstransfereinheit 30 mit dem Zwischenkreiskondensator 70
70: Zwischenkreiskondensator
75: Hauptschalter am positiven Pol
77: Hauptschalter am negativen Pol
80: erste Schaltvorrichtung zum Zuschalten eines Energiespeichers zum Energiespeichersystem
90: Umrichter
100: Energiespeichersystem mit wenigstens einem Energiespeicher
U_S: Spannung des Energiespeichersystems 100
U_X: Spannung eines Energiespeichers 10
U_ZK: Spannung des Zwischenkreiskondensators 70

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007041526 A1 [0011]
DE 102008002179 A1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Parallel Strings – Parallel Universes, Jim McDowall, Proceedings in Battcon 2002 [0012]

Claims

Energiespeichersystem umfassend: einen ersten Energiespeicher (100), mindestens einen zum ersten Energiespeicher (100) parallel zuschaltbaren zweiten Energiespeicher (10), wenigstens eine Ladungstransfereinheit (30) zum Angleichen der Spannungen des ersten Energiespeichers (100) und des zweiten Energiespeichers (10) aneinander bis auf eine vorbestimmte Spannungsdifferenz, wobei die Ladungstransfereinheit (30) parallel zum zweiten Energiespeicher (10) geschaltet ist, und wenigstens eine erste Schaltvorrichtung (80), die zwischen den ersten Energiespeicher (100) und den zweiten Energiespeicher (10) geschaltet ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, bei dem die Ladungstransfereinheit (30) als Gleichspannungssteller ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 2, bei dem der Gleichspannungssteller als Synchronwandler mit bidirektionalem Energiefluss ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Ladungstransfereinheit (30) mit einer Anschlussseite mit dem zweiten Energiespeicher (10) und mit einer anderen Anschlussseite mit dem ersten Energiespeicher (100) verbunden ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ladungstransfereinheit (30) mit mehreren zum Energiespeichersystem (100) zuschaltbaren Energiespeichern (10) über jeweils zweite Schaltvorrichtungen (50) verbindbar ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Umrichter (90) mit einem Zwischenkreiskondensator (70) an die Ladungstransfereinheit (30) zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators (70) anschließbar ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Energiespeicher (10, 100) in Form einer Batterie, eines Batteriemoduls oder einer Batteriezelle ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Ladungstransfereinheit (30) das gleiche Bezugspotential wie der erste Energiespeicher (100) und der zweite Energiespeicher (10) aufweist.
Verfahren zum Hinzuschalten eines Energiespeichers zu einem Energiespeichersystem, umfassend die Schritte: – Verbinden (S100) einer Ladungstransfereinheit (30) mit einem zweiten Energiespeicher (10) zum Angleichen der Spannungen des zweiten Energiespeichers (10) und eines ersten Energiespeichers (100) des Energiespeichersystem aneinander bis auf eine vorbestimmte Spannungsdifferenz; – Parallelschalten (S400) des zweiten Energiespeichers (10) zum ersten Energiespeicher (100) des Energiespeichersystems, nachdem die Spannungen des zweiten Energiespeichers (10) und des ersten Energiespeichers durch Ladungstransfer angeglichen wurden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zum Hinzuschalten von mehreren Energiespeichern (10) zum Energiespeichersystem (100), die jeweiligen Spannungen der einzelnen zu zuschaltenden Energiespeicher (10) nacheinander an die Spannung des Energiespeichersystems (100) mittels Ladungstransfer angeglichen werden, sodass nach dem Angleichen der Spannung eines Energiespeichers (10) an die Spannung des Energiespeichersystems (100), dieser Energiespeicher (10) dem Energiespeichersystem (100) zugeschaltet wird, bevor die Spannung des nächsten zu zuschaltenden Energiespeichers (10) angeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zum Hinzuschalten von mehreren Energiespeichern (10) zum Energiespeichersystem (100), die jeweiligen Spannungen der einzelnen zu zuschaltenden Energiespeicher (10) gleichzeitig an die Spannung des Energiespeichersystems (100) mittels Ladungstransfer angeglichen werden, sodass nach dem Angleichen der Spannungen der mehreren Energiespeicher (10) an die Spannung des Energiespeichersystems (100), diese Energiespeicher (10) dem Energiespeichersystem (100) zugeschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem im Falle eines erforderlichen Umladens von Ladung vom zu zuschaltenden Energiespeicher (10) in das Energiespeichersystem (100), die Umladung erfolgt, bis die Spannung des Energiespeichersystems (100) von der Spannung des zu zuschaltenden Energiespeichers (10) nur noch um eine parametrierbare Spannungsdifferenz abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem im Falle eines erforderlichen Umladens vom Energiespeichersystem (100) in den zu zuschaltenden Energiespeicher (10), die Umladung erfolgt, bis die Spannung des zu zuschaltenden Energiespeichers (10) von der Spannung des Energiespeichersystems (100) nur noch um eine parametrierbare Spannungsdifferenz abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem ein zuschaltbarer Energiespeicher als Zwischenkreiskondensator (70) eines Umrichters (90) ausgebildet ist, dessen Spannung mittels der Ladungstransfereinheit (30) zum Spannungsangleichen vor dem Zusammenschalten vom Energiespeichersystem (100) und Umrichter (90) geladen wird.