能源储存系统的制作方法

本发明涉及一种用于重复吸收/吸取、储存和释放电能的能量储存系统。能量储存系统包括控制单元和能量储存器，所述能量储存器具有被组织成储存模块的多个电储存单元。控制单元配置成单独确定至少一部分储存单元的荷电状态。

背景技术：

这种能量储存系统通常是已知的，并且例如用于由光伏系统产生的电能的中间存储，并且以后根据需要进行释放。在这一点上，特别是在不存在与常规电网的连接(岛系统)的情况下，可使用该能量储存系统。

在存在常规电网的情况下，能量储存系统还可用于吸收电网的过剩电能，并在需要大功率时再次释放。

在属于用于存储电能的类别的能量储存系统中设置有例如可以是锂离子电池的电储存单元。储存单元可以分别被组织成储存模块，例如，所述储存模块包括并联或串联连接并机械耦合的10或15个储存单元。然而，储存单元也可以通过线圈(例如通过电导体)被电感耦合。

由于用旧，会发生须将能量储存器的各个储存单元替换的情况。

技术实现要素：

因此，本发明的基本目的是提供一种能量储存系统，其允许在能量储存系统的持续操作中简单地替换储存单元。

根据本发明，根据权利要求1的能量储存系统满足该目的，并且特别是控制单元配置成：

-识别是否需要移除至少一个储存单元；

-在识别出需要移除至少一个储存单元之后，使要移除的储存单元与剩余储存单元电气断开；

-识别所断开的储存单元是否已被新储存单元替换；以及

-将所述新储存单元电连接到所述剩余储存单元。

特别地，通过识别出需要移除至少一个储存单元，并且随后通过关闭储存单元，可以在正在进行的操作中移除储存单元，因为优选地仅关闭要移除的储存单元(或例如其储存模块)。

由于当已经识别出所断开的储存单元(或所断开的多个储存单元)已经被新储存单元替换时，新插入的储存单元刚好连接到剩余储存单元，所以新储存单元可以无缝地集成到能量储存系统的运行中。所断开的储存单元可以是在电气上断开之后要移除的储存单元。

可以识别所断开的储存单元是否已经被新储存单元替代，例如，因为新储存单元的荷电状态、温度和/或内部电阻与移除的储存单元不同。新储存单元可以是先前未被电气上集成在能量储存器中的储存单元。因此，新储存单元也可以是已用过(在别处)的储存单元或新生产的储存单元。在这一点上，控制单元具体可以配置成确定能量储存器的每个独立储存单元自身的荷电状态(即单独确定)。或者也可以单独确定每个储存模块的荷电状态。荷电状态(soc)可以例如以百分比或安培小时(ah)值计算。附加地或替代地，还可以确定至少一部分独立的储存单元或储存模块的健康状态(soh)。soh描述储存单元或储存模块达到所需性能参数的能力。因此，soh表示储存单元或储存模块的年龄状态。

例如可通过能量储存系统处的用户输入来识别为需要移除储存单元，或者可以通过识别储存单元(例如相对于soc或soh)是否提供不佳表现甚至缺陷来自动识别为需要移除储存单元。在这一点上，用户可以指出想要移除或替换哪一个储存单元或哪几个储存单元。替代或附加地，还可以通过容纳能量储存器的壳体开口处的开关或借助于互锁，来识别储存单元或储存模块是否要移除。

例如当储存单元有故障或其储存容量大大降低时，储存单元的更换可以是必要的。在这种情况下，控制单元可以将用户的注意力吸引到有缺陷或低储存单元上，由此用户可以指示需要移除该储存单元。能量储存系统和用户之间的通信可以例如通过触敏显示器进行。或者，控制单元还可以自动断开有缺陷或低储存单元。

随后，使储存单元(或例如整个储存模块)与剩余储存单元(即不要移除的储存单元)电气断开。由于断开，要移除的储存单元不再是能量储存器的组件，因此要移除的储存单元可以基本上不再释放或吸收任何电力。可以在要移除的储存单元被断开之后，可以减少能量储存器的电力和/或电压。

在要移除的储存单元被断开之后不久以及在断开期间，能量储存系统的操作优选地还继续。因此，能量储存系统还能够在断开连接之后以及在断开期间吸收、存储和释放能量。

可以在断开连接之后移除和/或更换储存单元。控制单元或能量储存系统可以特别地配置成允许移除当前被电气断开的储存单元。这可以例如通过机械措施和通过借助信号灯的释放等来进行。

通常将储存单元的移除理解为从能量储存系统中取出所述储存单元。然而，例如，在本公开的意义上，仅储存单元的断开(但是储存单元在机械上被保持在能量储存系统中)也可以被认为是移除。

然后可以从能量储存器机械地移除要更换的储存单元，并且可以由新储存单元替换。新储存单元可以特别地连接到允许控制单元确定新储存单元的荷电状态的线路上。可以通过线路，例如通过电力线传输(plt)或电力线通信(plc)，与储存单元进行数据通信，例如将其荷电状态传达给控制单元。为此，至少一部分储存单元可以具有用于检测荷电状态和/或soh的传感器。因此，控制单元可以确定所断开的储存单元已经被新储存单元替换并且可以将新储存单元电连接到剩余储存单元。

连接到新储存单元的线路可以是平衡线，其也可用于对新储存单元进行充电和放电。

所有储存单元(以及新储存单元)通常可以是整体上相同的储存单元。因此，储存单元可以在尺寸、容量、额定电压和/或内部电阻方面具有相同的规格。

电连接通常被认为是传输电力的连接。因此，电连接可以是导电连接、电感连接和/或电容连接，以及dc/dc转换器等。

除了荷电状态的改变之外，控制单元还可以配置成确定储存单元的电压、温度和/或内部电阻，因此也确定新储存单元电压、温度和/或内部电阻。根据电压、温度和/或内部电阻的变化，同样可以确定新储存单元是否已插入能量储存器中。

能量储存系统可以具有模块化设计，并且可以例如包括将能量储存系统连接到电网线路(特别是ac电网线路)的转换器单元。转换器单元可以用于从电网线路的电能对能量储存器充电，并将能量储存器的电能馈送到电网线路中。替代或附加地，能量储存系统还可以连接到具有电压(例如12v、24v、48v或400v)的dc电网。

能量储存器本身可以具有模块化设计，并且可以例如包括多个能量储存模块，每个能量储存模块都连接到转换器单元。在这一点上，每个能量储存模块可以具有其自己的具有多个储存单元的能量储存器。

应当理解，所描述的用于移除和替换储存单元的步骤可以相应地应用于整个储存模块或整个能量储存模块的替换(即移除和交换)。例如，在替换储存模块(即同时替换多个储存单元)时，同样可以识别出储存模块需要被移除。在识别出储存模块应被移除之后，可以使要移除的储存模块与剩余储存模块在电气上断开。随后可以识别所断开的储存模块是否被新储存模块替换，然后将新储存模块电连接到剩余储存单元。

下面描述的实施方式也分别适用于单个储存单元、具有多个储存单元的储存模块或具有多个储存模块的整个能量储存模块。

从附图和从属权利要求的描述可以看出本发明的有利的进一步发展。

根据第一有利实施方式，控制单元配置成在新储存单元与剩余储存单元的电连接时或之前，将新储存单元的荷电状态适配到剩余储存单元的荷电状态。

替代或附加地，控制单元可以配置成在新储存单元与剩余储存单元的电连接时或之前，将剩余储存单元的荷电状态适配到新储存单元的荷电状态。

荷电状态的彼此适配用于避免新储存单元与剩余储存单元的电连接上的补偿电流过高，以防损坏储存单元。可以例如使用储存单元的参数来确定最大允许补偿电流。

如果与剩余储存单元相比存在不同的荷电状态，则新储存单元的荷电状态可以适配到剩余储存单元的荷电状态。或者，剩余储存单元的荷电状态也可以达到新储存单元的荷电状态的水平。同样可以进行新储存单元的荷电状态和剩余储存单元的荷电状态的彼此适配，即荷电状态朝向彼此移动。优选地进行适配，使得新储存单元的荷电状态和剩余储存单元的荷电状态在适配之后相同或相差小于预定极限值。极限值可以例如相当于荷电状态的三或五个百分点。

荷电状态的适配可以例如通过各个储存单元的放电来进行。特别是当新储存单元的荷电状态具有略大于剩余储存单元的荷电状态时，可以使用该步骤。在这一点上，可以使新储存单元放电，直到新储存单元的荷电状态对应于剩余储存单元的荷电状态。

同样可以通过对新储存单元或剩余储存单元进行充电来进行适配。在这一点上，例如持续进行充电，直到新储存单元的荷电状态和剩余储存单元的荷电状态相同。

如果同时对新储存单元的荷电状态和剩余储存单元的荷电状态进行适配，则例如可以使新储存单元放电的同时对剩余储存单元进行充电以实现尽可能快的适配。或者，也可以进行新储存单元的充电的同时进行剩余储存单元的放电。

荷电状态之外或作为其替代，另外的参数也可以彼此适配，例如储存单元的温度和/或电压。

能量储存系统可以例如包括放电电阻器以减少用于放电的电能。放电电阻器可以例如通过交换矩阵连接到新储存单元。

为了适配荷电状态，还可以通过适配开关元件将独立储存单元至少部分地分别电连接到剩余储存单元。同样地，例如还可以通过适配开关元件仅将新储存单元电连接到剩余储存单元。因此，仅一个适配开关元件必须被提供，即例如分别通过开关矩阵电连接到新储存单元。

适配开关元件可以例如包括晶体管(mosfet)、dc/dc转换器和电阻器等。为了适配荷电状态，例如可以通过高内阻或由dc/dc转换器所限制的电流流动来控制适配开关元件，使得其可以限制新储存单元和剩余储存单元之间的补偿电流，。可以以这种方式防止储存单元的损坏或过载。适配新储存单元和剩余储存单元的荷电状态可以通过补偿电流进行。新储存单元可以通过适配开关元件向能量储存器释放电能或者从能量储存器吸收能量。

适配开关元件可以配置成例如产生6瓦的最大耗散损耗。可以限制补偿电流，使得适配开关元件不会过载。附加地或替代地，可以设置补偿电流，使得新储存单元以最大2c(即在30分钟内对储存单元进行完全充电或放电的电流)充电或放电。

根据另一个有利实施方式，控制单元配置成根据在适配期间产生的耗散损耗来设定荷电状态的适配速度。为此，可以例如相应地控制适配开关元件，特别是通过mosfet的栅极电压的适当选择来设置适配开关元件的合适的内部电阻。在储存单元(或整个能量储存器)的充电和放电期间，在储存单元和相关布线中均产生热量。此外，例如在放电期间，放电电阻器可能产生热量。为了避免能量储存系统的任何过热，荷电状态的适配速度可以是可变的，例如通过可变的放电电阻。

控制单元特别地配置成确定能量储存系统当前产生(ledoff)的瞬时耗散损耗并且选择荷电状态的适配速度，以免超过能量储存系统所能够产生的最大耗散损耗。

例如，可以通过能量储存系统的冷却表面处的温度传感器来确定当前产生的瞬时耗散损耗。除了冷却表面上的温度传感器之外，还可以设置测量能量储存系统的环境温度的温度传感器。可以使用冷却表面的温度和环境温度之间的差异来确定能够产生的最大耗散损耗。此外，储存单元可以具有用于温度检测的传感器系统和用于将温度传送到控制单元的装置。同样可以固定温度界限，例如在冷却表面或储存单元中可能不会超过该温度界限。

或者，能够产生的最大耗散损耗也可以是预定义的值，其配置成避免能量储存系统的过热。耗散损耗和/或能够产生的最大耗散损耗也可以根据新储存单元的位置来在本地被确定。这意味着耗散损耗和/或能够产生的最大耗散损耗在布置有新储存单元的能量储存器区域中被确定。这种步骤可以特别优选地用于模块化能量储存系统或具有大空间范围的能量储存系统。

在这方面，荷电状态的适配速度应被理解为每单位时间的荷电状态的变化(△soc/△t)。或者，充电/放电电流的水平也可以定义适配速度。

根据另一个有利的实施方式，控制单元被确定为在要移除的储存单元被断开之前减小能量储存系统电气上所释放或吸收的电力，特别是降低至预定阈值以下。从能量储存系统释放或吸收的电力(即系统功率)是在各时间从能量储存系统吸收或释放的电力。一方面，可以通过减少电释放或吸收的电力来避免在移除储存单元之后发生剩余储存单元的过载。另一方面，可以产生减少能量储存系统的耗散损耗的优点，由此可以实现对新储存单元的更快适配。

根据另一个有利的实施方式，能量储存系统仅以被动方式被冷却。这意味着不会耗费电能来冷却能量储存系统。因此，能量储存系统特别地不包括风扇或不包括冷却单元等。能量储存系统所产生的噪声可以通过仅以被动方式被冷却的能量储存系统而有利地大大降低，由此也可以将其安装在例如起居室。

能量储存系统可以优选地配置成连接到230伏特或110伏特的电网，并且特别地具有可调的最大系统功率。

根据另一个有利的实施方式，控制单元配置成确定能量储存系统的时域操作模式，其中特别地，针对该时域操作模式，随时间确定储存单元的输入功率、输出功率和/或荷电状态。该操作模式可以包括关于进行能量储存器的充电或放电的时间和概率的统计信息。

操作模式的统计信息可以优选地指示能量储存器的各荷电状态在将来出现的时间和概率，以及在这些时间是否进行能量储存器的放电或充电。

可以基于时域操作模式和/或基于统计信息来优化新储存单元或剩余储存单元的适配，因为当可预见剩余储存单元将在预定时间范围内以高概率达到新储存单元的荷电状态时，例如新储存单元的适配(例如放电)可以被省略。

更精确地说，当根据操作模式可预测能量储存器将进一步放电并因此将“自行”适配至新储存单元的荷电状态时，可以例如省略新储存单元的适配(特别是放电)。例如，当能量储存系统与光伏系统一起使用并且能量储存系统每天在天黑后进行放电时，可能会发生这种情况。

控制单元通常可以配置成定义最大适配时间段和/或最小适配概率，其中，当能够基于时域操作模式来预测新储存单元和剩余储存单元的荷电状态在最大适配时间段内基本相同的概率在最小适配概率以上时，最初对新储存单元或剩余储存单元不进行适配。

五小时的最大适配时间段和50％的最小适配概率可以特别地由用户预定义。如果从插入新储存单元后的统计数据可以看出，在未来五个小时内，能量储存器的荷电状态将对应于新储存单元的荷电状态的概率在50％以上，首先不进行适配。例如，如果在三小时之后发生荷电状态相同的情况，则新储存单元将电连接到剩余储存单元而不进行适配(即不需要)。如果出现在五小时内荷电状态不同的情况，则适配将在五小时结束时开始。这意味着，只要新储存单元还没有电连接到剩余储存单元，在最大适配时间段结束之后开始适配，例如通过适配开关元件的对应控制，。

操作模式也可用于断开要替换的储存单元，以能够在要替换的储存单元的预定义的荷电状态下断开连接，而不必进行荷电状态的直接适配。

根据另一个有利的实施方式，控制单元配置成当要移除的储存单元具有预定的荷电状态时和/或当能量储存系统释放或吸收少于预定义的电力时，使要移除的储存单元与剩余储存单元电气断开。因此，可以在预定的荷电状态下移除要移除的储存单元，以便例如在用于存储的理想荷电状态下进行要移除的储存单元的存储。替代或附加地，当能量储存系统释放电力低于预定义的限制功率值时，可以进行移除，以便在移除要移除的储存单元之后也不会使剩余储存单元过载。

可以优选地在比预定的断开时间更短的时间段内进行断开。或者可以独立于操作状态和/或独立于储存单元的荷电状态进行断开。

根据另一个有利的实施方式，在能量储存系统中设置至少一个备用储存单元，用于替代所断开的储存单元。由于备用储存单元保持在存储器中，可以省略新储存单元的机械插入，从而简化了储存单元的替换。此外，移除所断开的储存单元可以是多余的，从而可以完全自动地进行对有缺陷的储存单元的替换。

根据另一个有利的实施方式，至少一部分储存单元串联连接，其中，在要移除的储存单元被断开之后，要移除的储存单元通过旁路线被桥接，旁路线优选地具有与要移除的储存单元相同的电阻。

储存模块的功能可以通过旁路线来维持，通过旁路线的电阻尽可能地保持储存模块的电特性。旁路线可以包括半导体开关，例如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，控制半导体开关使得半导体开关采用所移除的储存单元的电阻。移除的储存单元的电阻也可以由旁路线动态地映射。为此，电阻根据各操作状态(即根据温度、负载等)而设定。

或者，旁路线还可以具有基本为零欧姆的电阻，或者可以通过旁路线(例如通过改变电阻)来模拟储存单元的行为。

根据替代实施方式，储存单元并联连接。在移除并联电路的储存单元时，不需要旁路线。使用并联电路，可降低要从储存模块或能量储存器移除的最大电力，以便在移除储存单元之前优选地减小系统功率。

根据另一个有利的实施方式，可以通过电开关元件将要移除的储存单元和/或新储存单元与剩余储存单元断开和连接。电开关元件可以由控制单元控制。开关元件可以特别地是适配开关元件。此外，所有或至少一部分储存单元可以分别包括它们自己的开关元件。或者，相应的储存模块可以具有其自己的开关元件，用于使整个储存模块与剩余储存单元电气断开。

电开关元件优选地包括半导体开关(特别是mosfet)和/或欧姆电阻器和/或dc/dc转换器和/或两个感应耦合线圈，其中每个储存单元优选地与单独的电开关元件相关联。

半导体开关可以配置成使得它可以双向导电切换。例如，可以设置两个晶体管用于此目的。dc/dc转换器可以是双向或单向dc/dc转换器。如果设置了通过两个电感耦合线圈的感应电连接，则各个储存单元例如可以与单独的初级线圈和单独的次级线圈相关联。或者，可以为多个储存单元或所有储存单元设置单个初级线圈，其中初级线圈感应耦合到相应的分开的次级线圈。单独的次级线圈可以分别与单个储存单元相关联。

本发明的另一个主题是替代能量储存系统的储存单元的方法，其中能量储存系统包括具有被组织成储存模块的多个电储存单元的能量储存器，其中

-识别是否需要移除至少一个储存单元；

-在识别出需要移除至少一个储存单元之后，使要移除的储存单元与剩余储存单元电气断开；

-识别所断开的储存单元是否已被新储存单元替换；以及

-将新储存单元电连接到剩余储存单元。

关于根据本发明的能量储存系统的陈述，特别是关于优点和优选实施方式的陈述适用于根据本发明的方法。

本发明还涉及一种用于重复吸取/吸收、储存和释放电能的具有控制单元和能量储存器的能量储存系统，该能量储存系统包括被组织成储存模块的多个电储存单元，其中控制单元配置成分别确定至少一部分储存单元的荷电状态。能量储存系统的特征在于控制单元配置成：

-识别是否需要将新储存单元添加到能量储存器中；

-将新储存单元电连接到剩余储存单元；以及

-在将新储存单元电连接到剩余储存单元时或之前，将新储存单元的荷电状态与剩余储存单元的荷电状态适配和/或将剩余储存单元的荷电状态与新储存单元的荷电状态适配。

因此，根据本发明的另外的能量储存系统可以将另外的储存单元集成到能量储存器中或者在正在进行的操作中将它们添加到能量储存器中。能量储存系统的运行性能可以以这种方式增加。

关于新储存单元的适配和集成以及关于用于新储存单元的适配和集成的操作策略的陈述适用于另外的能量储存系统。

附图说明

下面将仅通过参考附图的方式来描述本发明。显示了：

图1示出能量储存系统；以及

图2示出用于替换能量储存系统的储存单元的流程图。

具体实施方式

图1示出了能量储存系统10。能量储存系统10包括布置在转换器单元12中的控制单元11和三个储存模块14。

转换器单元12包括转换器16以及冷却表面18，所述冷却表面18被动地引起能量储存系统10的废热。转换器单元12电连接到储存模块14。

能量储存系统10，特别是转换器单元12耦合到电网20，用电设备22和光伏系统24另外连接到电网20(通过逆变器，未示出)。电网20提供交流电压。

能量储存系统10可以与光伏系统24一起形成所谓的岛式系统，其不会从外部接收任何另外的电能。

转换器单元12和储存模块14各自具有多个相同的储存单元26。储存单元26各自包括形成为适配开关元件的mosfet形式的电开关元件27。两个储存模块14中的储存单元26各自并联连接。一个储存模块14中的储存单元26串联连接。

在能量储存系统10的操作中，由光伏系统24产生的电能通过转换器单元12转换成直流电流，使得电能可以存储在储存模块14中。

例如，当天黑时，存储在储存单元26中的电能由转换器16转换，使得电能可馈送到电网20中，并且可以由用电设备22使用。为此，转换器16可以例如产生具有50hz的频率和230伏的电压的交流电流。

图1中示出了新储存单元28，旨在替换来自储存模块14之一的串联连接的一个储存单元26。要替换的储存单元用附图标记26a标记。在替换要替换的储存单元26a期间，储存单元26a由旁路线29使用旁路晶体管31桥接。

在图2中示意性地示出了用新储存单元28替换储存单元26a的过程。

在框30中假定能量储存系统10的常规操作。在框32中确定要替换的储存单元26a是有缺陷的。这被传达给用户。

因此，在框34中，用户通过触摸显示器(未示出)向能量储存系统10通知他想要用新储存单元28替换有缺陷的储存单元26a。然后，在框36中，能量储存系统10的控制单元11使有缺陷的储存系统26a与剩余储存单元26电气上断开，并提醒用户。

在框38中，通过服务机会移除有缺陷的储存单元26a，并且在框40中，将新储存单元28插入能量储存系统10中。

在框42中，检测新储存单元28的荷电状态以及剩余储存单元26的荷电状态。在框44中，根据荷电状态作出决定是否需要新储存单元28或剩余储存单元26的充电或放电。因此，如果新储存单元28的荷电状态高于剩余储存单元26的荷电状态(即如果新储存单元28具有比剩余储存单元26更高的荷电)，则继续框46的操作。在这种情况下，使新储存单元28放电，并且同时使剩余储存单元26充电，直到新储存单元28和剩余储存单元26的荷电状态相同。

如果新储存单元28的荷电状态小于剩余储存单元26的荷电状态，则继续框48的操作。在框48中，使新储存单元28充电，并且同时使剩余储存单元26放电直到存储单元26、28的荷电状态相同。

框46和48中的充电和放电分别通过由新储存单元28的电开关元件27设置的补偿电流(例如(u充电或i充电))进行。

在两种情况下都会发生放电，从而通过仅以被动方式被冷却的冷却表面18可以引起放电所产生的热量。

如果新储存单元28和剩余储存单元26的荷电状态在新储存单元28的插入时已经相同，则立即继续框50的操作，其中建立新储存单元28的电连接。随后，在框30中，继续进行能量储存系统10的正常操作。

应当理解，在框44中，也可以选择用于适配荷电状态的不同操作策略(如上所述)。

附图标记表

10能量储存系统

11控制单元

12转换器单元

14储存模块

16转换器

18冷却表面

20电网

22用电设备

24光伏系统

26储存单元

26a要移除的储存单元

27电开关元件

28新储存单元

29旁路线

30正常操作

31旁路晶体管

32有缺陷的储存单元

34初始替换

36断开储存单元

38移除储存单元

40插入储存单元

42检查荷电状态

44决策框

46适配荷电状态

48适配荷电状态

50将储存单元电连接