用于在供电网络中缓存电能的固定蓄能器以及用于固定蓄能器的运行方法和加装模块与流程
本发明涉及一种用于在供电网络中缓存电能的固定蓄能器。本发明也包括一种用于运行这样的固定蓄能器的运行方法以及一种能够安装在常规的固定蓄能器中的加装模块。
背景技术：
固定蓄能器例如可以安装在供电网络中或者连接在用电器或发电器附近，以便由此例如能够避免在功率峰值的情况下电能必须通过供电网络经过很长的路径来输送。替代地，电能在固定蓄能器中能够就地缓冲。供电网络的另一个名称也是三相电网或传输网络。
一种示例性的应用场合是用于能电动运行的机动车(电动车辆或混合动力车辆)的充电站或者充电桩的运行，所述能电动运行的机动车具有外部的充电接口(所谓的插电式变型方案)。对于电动移动出行
为了能够在时间上提前在供电网络中进行按地区地分配电功率并且因此避免网络拥塞，普遍地可以将电气的固定蓄能器在电功率可能作为功率峰值或顶峰出现的区域中连接到供电网络，以便由此能提供所谓的调峰。这能够避免由于网络拥塞的充电功率的劣化。
因此，在存在多个充电站的情况下，在上述地理学的区域内不仅将至少一个电气的固定蓄能器、而且将至少一个充电站连接到供电网络，以便使电动车能以预定的电功率充电。这示例性地在图1中示出。所示出的是三相供电网络10，充电站11和电气固定蓄能器12可以连接到所述三相供电网络上。通过充电站11可以对电动车辆13以电能充电。为此，电动车辆13连接到充电站11的连接装置14上。为了将电能从供电网络10向连接装置15传输，可以配设有变压器16、ac-dc变换器17(ac——交流电，dc——直流电)、dc-dc变换器18(直流电压变换器)。示例性地在图1中给出了关于传输功率(100kw)和电平(600v、400v)的说明。充电控制器15可以通过与机动车的通信以已知的方式从机动车请求或者查明例如必需的充电电压和/或可传输的充电功率。但是用于传输充电能量的功率路径仅经过以下组件延伸：变压器、ac-dc变换器，dc-dc变换器和连接装置。
固定蓄能器12可以包括蓄能器单元19，所述蓄能器单元分别例如可以是电化学蓄电池(电池)。为了将蓄能器单元19与供电网络10相连接，可以配设有变压器20和ac-dc变换器21。ac-dc变换器21可以在dc总线22上在预定的电压水平(在图1中例如为800v)上提供所产生的直流电压，蓄能器单元19可以连接到所述dc总线上。dc总线22例如可以以汇流条或电缆为基础来形成。在图1中未示出的是，各蓄能器单元19可以通过相应的dc-dc变换器与dc总线22相连接，以便可以在dc总线22与相应的蓄能器单元19之间调整功率流。
因此，电能可以在本地从固定蓄能器12经由供电网络10提供在充电桩11中或者传输到该充电桩。但是由图1得知，为了对电动车辆13供应所希望的电功率并且在固定蓄能器12中在此必需地按地区地缓冲电能，大量的电气设备是必需的，这使得充电过程相应地不经济。
由us2011/0204720a1已知一种充电站，固定的电池集成到所述充电站中，由所述固定的电池可以直接对车辆电池充电，从而对于充电过程不需要来自供电网络的电流。充电站的电池也可以放电到供电网络中，以便支持所述供电网络。然而，一方面对机动车充电和另一方面支持供电网络交替地进行。因此，这样的充电站目前仅能提供所述这些功能之一。
由de102010015758a1描述了一种用于对电动运行的机动车充电的充电站，其借助于双层电容器可以将大的电功率放出到机动车，其中，所放出的电功率比可由供电网络能提供的电功率更大。
由de102012210284a1已知一种用于电动车辆的充电站，其可以连接到家庭的交流电供电网络上。在电动车辆充电期间，充电站与供电网络断开。因此，充电过程也阻止了对供电网络的访问。
技术实现要素：
本发明的目的在于，即使在电动运行的机动车的充电过程或放电过程期间也保障网络服务(例如频率调节、如主要调节功率供应
所述目的通过各独立权利要求的技术方案实现。通过各从属权利要求、以下的说明以及各附图来描述本发明有利的进一步扩展方案。
通过本发明提供了一种用于在供电网络中缓存电能的固定蓄能器。这样的固定蓄能器例如可以作为缓冲蓄能器提供在发电厂处或在用电器(例如工业设施或感应熔炼炉)处或者提供在具有车辆充电站的场地中。固定蓄能器可以设置为用于所描述的调峰或者用于在供电网络中提供所谓的调节功率(regelleistung)或者同时用于这二者。为了缓存能量，固定蓄能器具有至少一个电气的蓄能器单元。每个蓄能器单元借助于相应的dc-dc变换器连接到共同的dc总线上。此外，所述固定蓄能器具有一个能双向运行的ac-dc变换器，所述ac-dc变换器设置为用于将dc总线耦联到供电网络上。特别是dc总线仅通过ac-dc变换器与供电网络相耦联。可选地，变压器可以以所描述的方式在电网侧连接在ac-dc变换器的上游。借助于所述能双向运行的ac-dc变换器可以按照对电功率预定的需求而控制地交替地从供电网络中吸收电能并且将其提供到供电网络中。为此，固定蓄能器可以设计为能远程控制，以便使其可以从中央调度中心控制。所描述的包括至少一个电气蓄能器、dc总线和ac-dc变换器的布置结构特别是确保总是或持久地使至少一个电气蓄能器单元与供电网络相耦联。由此，固定蓄能器的功能对于供电网络总是或持久地可供使用。因此，持续地保证固定蓄能器对于供电网络的可用性。
现在，为了能以较小的构件花费借助于供电网络对能电动运行的机动车也以电能充电和/或从该机动车中取出电能(例如用于能量出售)，在固定蓄能器中规定，所述固定蓄能器为了对能电动运行的机动车充电和/或放电而具有充电设备。现在决定性的是，所述充电设备如何电路连接在固定蓄能器中。所述充电设备具有用于连接机动车以用于充电过程或者放电过程的连接装置。此外，所述充电设备具有用于控制充电过程或放电过程的充电控制器。此外，提供耦联装置，所述耦联装置设置为用于至少对于充电过程和/或放电过程的持续时间使连接装置经由一个或多于一个dc-dc变换器与dc总线电连接。以下将充电过程和放电过程统一地称为能量交换。因此，通过dc总线、耦联装置并且通过在其上连接机动车的连接装置来传输用于对机动车充电或放电的电能。如果现在应该在供电网络与机动车之间交换能量，则为此可以使用已经存在的ac-dc变换器。因此无须为连接装置设置自身的ac-dc变换器。此外，电能也可以由至少一个电气的蓄能器单元直接从其dc-dc变换器、经由dc总线和耦联装置传输到连接装置。这无需经过ac-dc变换器的变换步骤。
在此，充电设备的充电控制器(通信控制器)自身可以以本身已知的方式来设计。所述充电控制器例如可以是标准dc快速充电桩的控制装置并且承担与机动车的数据通信，以便例如查明所必需的充电电压和/或可传输的充电功率。要注意的是，充电功能特别是dc充电。用于ac充电的壁盒(wallbox)优选不设置有dc-ac-变换器或仅设置有自身的dc-ac-变换器。
通过本发明得出以下优点：在固定蓄能器的基础上以较小的构件成本对充电桩的功能进行补充或者添加。通过将充电站与固定蓄能器结合成一个技术单元能够协同地使用各组件，其方式为，用于机动车的连接装置与所述至少一个电气蓄能器单元在dc侧通过dc总线形成一个单元，并且因此充电电流在绕开ac-dc变换的情况下可以直接从蓄能器单元传输至机动车。特别是因此在能量由至少一个蓄能器单元传输到机动车的充电过程中，不规定一个或多个ac-dc变换器的ac-dc变换(ac到dc和/或dc到ac)的变换步骤。因此，充电过程可以完全在dc侧地在固定蓄能器中进行。
为了使连接装置与dc总线相连接或者相耦联，例如可以规定，所述耦联装置包括附加的、自身的dc-dc变换器，经由所述dc-dc变换器使连接装置(例如蓄能器单元)与dc总线电路连接。由此能以有利的方式实现，持久地使每个蓄能器单元与供电网络保持耦联。对此，特别是也可以使用固定蓄能器用于能量交换，所述固定蓄能器仅具有唯一的一个蓄能器单元，所述蓄能器单元经由dc-dc变换器与dc总线电路连接。
但是为了在各构件的共同作用下获得附加的协同作用，特别优选地规定，所述固定蓄能器具有两个或者多于两个蓄能器单元，并且所述耦联装置配设有开关装置，所述开关装置设置为用于根据开关信号使所述蓄能器单元中的一个蓄能器单元的dc-dc变换器与连接装置相连接以用于机动车的能量交换。因此，可以在没有自身的或者附加的dc-dc变换器的情况下提供充电设备。代替地，蓄能器单元通过耦联装置与其dc-dc变换器解耦并且因此释放的dc-dc变换器用于使连接装置与dc总线相耦联。因为至少一个另外的蓄能器单元可用，固定蓄能器对于供电网络持久地保持可供使用，并且固定蓄能器附加地也可以从所述至少一个另外的蓄能器单元将电能经由dc总线传输到连接装置。
所述开关装置可以这样设计，使用单个的dc-dc变换器用于使连接装置与dc总线相连接。但是于是不可避免地，来自所属的蓄能器单元的能量一直未用于能量交换。优选因此规定，所述开关装置设置为用于在能量交换期间根据开关信号从所述一个蓄能器单元的dc-dc变换器转接到所述各蓄能器单元中的另一个蓄能器单元的dc-dc变换器。由此使所有的蓄能器单元能够用于能量交换，即使仅在两个dc-dc变换器之间转接。
用于将dc-dc变换器从一个蓄能器单元转接到连接装置的合适的开关装置特别是可以以基于至少一个可控制的开关元件来提供，其中，每个开关元件包括接触器和/或功率晶体管。功率晶体管例如可以是igbt(绝缘栅双极型晶体管)。开关元件是可控制的，如果其借助于所提到的开关信号可以如下地控制，即，改变开关元件的开关状态的话。因此，所述至少一个可控制的开关元件例如可以通过充电控制器或固定蓄能器的另一个控制装置来切换或控制。开关元件可以是换接开关，其可以在两个dc-dc变换器之间转接，或者是提供开关状态打开和闭合的简单的开关(例如接触器)。
为了特别有效地设计能量交换而规定，所述连接装置包括用于与机动车电流连接的充电电缆。备选地可以为此规定，所述连接装置例如具有用于感应的能量交换的电气初级线圈。为此，又将需要dc-ac变换装置或者(例如通过切换电流)可以直接地以dc运行的初级线圈。在第一种情况下，dc-ac变换装置是初级线圈的部分(例如在所谓的接地板中)。
为了能够在蓄能器单元中存储充足的电能，优选地规定，每个蓄能器单元分别包括一个或多个电化学蓄电池，即一个或多个电池。附加地或备选地，一个蓄能器单元可以具有至少一个电容器、特别是双层电容器。
通过本发明也提供了一种用于运行所描述的固定蓄能器的方法，以便借助于固定蓄能器对能电气运行的机动车以电能充电。在此，固定蓄能器的至少一个蓄能器单元经由蓄能器单元的dc-dc变换器、与所述dc-dc变换器相连接的dc总线和连接到dc总线上的ac-dc变换器与供电网络暂时地或持续地耦联。因此，固定蓄能器的至少一个蓄能器单元与供电网络持续地保持耦联。因此，从供电网络的视角看，固定蓄能器关于其作为能量缓冲器的功能方面是持久或者持续可供使用的。在能量交换期间，所述连接装置与dc总线保持电气连接。所述连接装置可以借助于所描述的耦联装置(借助于自身的dc-dc变换器)与dc总线持久地耦联或者(借助于所描述的用于使dc-dc变换器从蓄能器单元转接到连接装置的开关装置)按照需求地耦联。所述连接装置将电能从dc总线传输至连接装置，机动车与连接装置经由所述连接装置相连接。连接装置例如可以是所描述的充电电缆。
特别优选地，为了使连接装置与dc总线相连接以用于能量交换，将固定蓄能器的多个蓄能器单元中的一个蓄能器单元与其dc-dc变换器解耦并且将所述dc-dc变换器与连接装置相耦联。这可以借助于所描述的开关装置来实施。
为了使固定蓄能器的每个蓄能器单元能够用于能量交换，优选在能量交换期间，将所述解耦的蓄能器单元又与其dc-dc变换器相耦联，并且所述各蓄能器单元中的另一个蓄能器单元与其dc-dc变换器解耦，并且将该dc-dc变换器与连接装置相耦联。这可以借助于所描述的按照本发明的开关装置的进一步扩展方案来实施。于是在能量交换之后，每个蓄能器单元可以重新与其dc-dc变换器相耦联，由此将连接装置与dc总线解耦。
本发明也提供了一种加装模块，以便在固定蓄能器中能实现或者提供机动车充电站的附加功能。用于这样的固定蓄能器的加装模块具有用于对能电动运行的机动车充电的充电设备，其中，充电设备包括所描述的用于连接机动车以用于能量交换的连接装置以及用于控制能量交换的充电控制器。按照本发明现在规定，提供耦联装置，所述耦联装置设置为用于将连接装置至少为了能量交换而与固定蓄能器的dc总线电气连接。为此，所述耦联装置可以以所描述的方式例如配设有dc-dc变换器用于使连接装置与dc总线相连接。
然而优选规定，所述耦联装置包括开关装置，其中，所述开关装置根据开关信号使固定蓄能器的蓄能器单元的dc-dc变换器与该蓄能器单元解耦并且与连接装置电气连接。
为了使每个蓄能器单元都用于能量交换，特别是规定，所述开关根据开关信号使两个dc-dc变换器交替地与其蓄能器单元解耦，并且在蓄能器单元解耦的情况下使dc-dc变换器与连接装置电气连接。
优选地，通过充电控制器来控制能量交换。为此，所述充电控制器特别是设置为用于实施所描述的按照本发明的方法的实施方式，即，特别是根据能量交换的过程来产生用于开关装置的开关信号。为此，充电控制器可以具有微处理器或者微控制器，其中，可以在数据存储器中提供程序代码，所述程序代码设置为用于在通过所述微处理器或微控制器执行时实施按照本发明的方法的实施方式。充电控制器与机动车和固定蓄能器的控制装置通信。于是所述控制器调整电路连接，并且也与充电控制器相协调地调节dc侧的电压额定值和/或电流额定值。
本发明其它的特征由各权利要求、各附图和附图说明得出。上述在说明书中提到的特征和特征组合以及以下在附图说明中提到的和/或在各附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以以分别给出的组合而且可以以其它组合的方式或单独地使用。
附图说明
现在借助于优选的实施例以及参考各附图更详细地阐述本发明。
图中：
图1示出按照现有技术的充电站和固定蓄能器的示意图；
图2示出按照本发明的固定蓄能器的实施方式的示意图；
图3示出按照本发明的固定蓄能器的另一种实施方式的示意图；以及
图4示出图3的固定蓄能器在充电运行期间的示意图。
具体实施方式
在各附图中，功能相同的元件配设有相同的附图标记，以便说明这些元件功能上的对应关系。
图2示出固定蓄能器23，其可以连接到供电网络10，所述供电网络例如在所示类型中可以包括有效电压例如为400v的三个相。为了缓冲或者缓存电能，固定蓄能器23可以具有一个或优选多于一个蓄能器单元19。蓄能器单元19例如可以基于一个电池或多个电池和/或一个双层电容器或多个双层电容器来形成。每个蓄能器单元19可以经由dc-dc变换器18'与dc总线22相耦联。dc总线22例如可以基于汇流条和/或电缆来形成。在所述dc总线22中可以提供具有恒定表现(vorzeige)的电压。dc总线22可以经由ac-dc变换器17'以及可选地经由变压器16'与供电网络10以已知的方式电路连接。
附加地，在固定蓄能器23处也可以对能电动运行的机动车13以电能充电。为此，机动车13可以借助于连接装置14与固定蓄能器23的充电设备24相耦联。连接装置14例如可以包括电缆。可以借助于通过充电设备24的充电控制器15实施的通信以由现有技术中已知的方式来控制到机动车13的电能传输。
充电设备24可以作为加装模块25装配到固定蓄能器23中。为了能够使连接装置14与dc总线22相耦联，连接装置14例如可以借助于自身的dc-dc变换器18与dc总线22电路连接。
优选地规定，代替所述dc-dc变换器18设有开关装置27，所述开关装置具有至少一个可控制的开关元件28，其中，每个开关元件28设置为用于，使各dc-dc变换器18'中的一个dc-dc变换器分别要么与所述各蓄能器单元19中的一个蓄能器单元要么与连接装置14交替地电气连接。备选地，连接装置14也可以通过开关元件28电气地连接或者断开。换接电路不是强制需要的。在图2中示出了以下开关状态，在所述开关状态中在上面示出的蓄能器单元19与其dc-dc变换器18'相耦联并且连接装置14与该dc-dc变换器18'解耦，而在下面示出的蓄能器单元19与其dc-dc变换器18'解耦并且该dc-dc变换器18'与连接装置14相耦联。通过例如可以由充电控制器15产生的开关信号29可以在各dc-dc变换器18'之间的切换过程30中这样变化，使得在下面示出的蓄能器单元19与其dc-dc变换器18'相耦联并且在上面示出的另外的dc-dc变换器18'与连接装置14相耦联并且相应地与其蓄能器单元19解耦。每个开关元件28例如可以为一个或每个极配设有相应的接触器和/或相应的功率晶体管、例如mosfet(金属氧化物半导体场效应管)或igbt。例如可以通过充电控制器15借助于开关信号29引起所述切换过程30。
dc-dc变换器18或者备选地开关装置27分别构成用于使连接装置14与dc总线22相耦联的耦联装置k。
由图2通过所传输的电功率的示例性的说明得知，变压器16'和ac-dc变换器17'与dc-dc变换器18'相比可以具有更小的传输功率。其原因在于，在以比ac-dc变换器的传输功率更大的电功率对机动车13的充电过程中，可以由至少一个蓄能器单元19借助于其dc-dc变换器18'在dc总线22上提供所必需的电功率。
由于用于对机动车13提供充电站的功能的固定蓄能器23仅需要技术上的小的更新并且为此需要较少的附加组件、特别是开关装置27以及充电控制器15和连接装置14的安装设备，所以可以将充电设备24设置作为用于商业上常见的固定蓄能器的加装模块25。附加地，这样的充电设备24可以包括至少一个电气保险装置(例如保险丝)和/或用于操作充电控制器15的操作屏幕。
充电设备24特别是设置用于dc快速充电，即用于充电功率大于10kw、特别是大于20kw的dc快速充电。
充电站的附加组件、如自身的逆变器(ac-dc变换器)、直流电压变换器(dc-dc变换器)和变压器被取消或一开始就包括在已经提供的固定蓄能器中。
因此，固定蓄能器23借助于加装模块25附加地对充电站或充电桩的功能进行补充或升级。
图3描述了具有已装入的加装模块25的固定蓄能器23的一种备选的构造方式。与图2中的固定蓄能器23功能相同的元件在图3中相应地以与图2中对应的元件相同的附图标记来标识。
在图3中附加地示出，能够如何基于通信接口com使充电控制器15经由通信路径或者通信连接31来控制各蓄能器单元19以及各dc-dc变换器18、18'以用于充电过程。为了明了性，仅一个单个的通信连接31配设有附图标记。通信连接31通过虚线标记的线来表示。通信连接31例如可以有线地、例如借助于通信总线来实现。
充电控制器15也可以经由通信连接31从机动车13中查明上述的充电数据、例如必需的充电电压和/或允许的充电功率。通信连接31可以通过连接装置14以本身已知的方式引导或实现。
在图3中示出的实施方式中，开关装置27的开关元件28可以设计为用于在导通与非导通的状态之间转换的简单开关，即例如作为接触器。为了用于充电过程，可以使蓄能器单元19的dc-dc变换器18'与连接装置14通过闭合开关元件28之一来连接，所属的蓄能器单元19可以与其dc-dc变换器18'通过打开开关单元19自身的开关28'或(未示出的)上游的开关来电气断开。这可以通过充电控制器15经由通信连接31来控制。于是，由dc-dc变换器18'提供的电压同样可以通过充电控制器15来预先设定。
在机动车13之内，可以通过开关28"来提供在连接装置14与机动车13的牵引电池32之间的电气连接。
图4示出了(如在图1中所描述的)在传统的充电桩11处的机动车13的充电过程与在具有加装模块25的固定蓄能器23处的另外的机动车13的充电过程之间的比较。
一方面示出了在充电桩11处从蓄能器单元19直至机动车13的能量流33。在此得出六个变换步骤。
与此相比能量流34示出了，其如何在机动车13的充电过程中在固定蓄能器23的充电设备24处产生。在这个充电过程中仅存在两个变换步骤，因此这与常规的充电桩11的使用相比节约了四个转换步骤。这减少了在充电过程中的功率损耗。
通过各例子示出，通过本发明能如何提供具有dc快速充电功能的固定的电池蓄能器。
附图标记
10供电网络
11充电站
12固定蓄能器
13能电动运行的机动车
14连接装置
15充电控制器
16变压器
16'变压器
17ac-dc变换器
17'ac-dc变换器
18dc-dc变换器
18'dc-dc变换器
19蓄能器单元
20变压器
21ac-dc变换器
22dc总线
23固定蓄能器
24充电设备
25加装模块
26输入导线
27开关装置
28开关元件
28'开关
28"开关
29开关信号
30转接过程
31通信连接
32牵引电池
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