Stromwandleranordnung und Energiespeichersystem

Die Erfindung betrifft eine Sicherungs-Auslösebeschleunigungsanordnung, ausgelegt zur Anordnung zwischen einem bidirektionalen Spannungswandler einer Stromwandlervorrichtung und einem Energiespeicher und mit zumindest einem elektrochemischen Energiewandler, insbesondere einem als Durchflussbatterie, beispielsweise als Redox- Flow- Batterie ausgestalteten Energiewandler. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Stromwandleranordnung und ein Energiespeichersystem.

Alternativenergien gewinnen immer mehr an Bedeutung. Problematisch an Alternativenergien, wie z.B. Solarenergie oder Windkraft, ist, dass die Zeiten der Energieerzeugung nicht beeinflussbar sind und überschüssige Energie zwischengespeichert werden muss, so dass sie zu Zeiten verfügbar ist, in denen keine Energie erzeugt werden kann. Es ist daher notwendig, Energiespeichersysteme einzusetzen.

Als Energiespeicher eignet sich eine Durchflussbatterie oder ein elektrochemischer Energiewandler für eine Durchflussbatterie, insbesondere eine Redox-Flow-Batterie mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten, Elektrolytleitungen zur Zu- und Abführung eines oder mehrerer Elektrolyten von einem Vorratstank zu dem elektrochemischen Energiewandler und weiter zurück in den jeweiligen Vorratstank in Form eines Kreislaufprozesses, wobei der elektrochemische Energiewandler mindestens eine Reaktionszelle mit zwei Elektroden und einer ionenleitenden Membran, bevorzugt eine Vielzahl von elektrisch zusammengeschalteten Einzelzellen umfasst, wobei diese bevorzugt mit Elektrolyten in Parallelschaltung versorgt werden und die jeweils einen Einlassbereich zur Einleitung des Elektrolyten in die Reaktionszelle und einen Auslassbereich zur Ausleitung des Elektrolyten aus der Reaktionszelle aufweisen.

Eine Stromwandlervorrichtung zum Laden und Entladen eines Energiespeichers ist beispielsweise aus der DE 10 2014 100 989 B4 bekannt geworden. Offenbart ist hier eine Stromwandlervorrichtung zum Laden und Entladen von als Flow- Batterien, insbesondere als Redox-Flow-Batterien, ausgestalteten Energiespeichern. Die Stromwandlervorrichtung weist dabei einen bidirektionalen Spannungswandler auf, der an ein Stromversorgungsnetz und an zumindest einen elektrochemischen Energiewandler angeschlossen ist, wobei die Stromwandlervorrichtung eine Steuerung aufweist, die mit dem Spannungswandler verbunden ist und den Spannungswandler hinsichtlich seiner Leistungsflussrichtung und mehrere Energiespeicherperipherievorrichtungen in Abhängigkeit der von der Steuerung vorgegebenen Leistungsflussrichtung des Spannungswandlers steuern kann. Diese Energiespeicherperipherievorrichtungen können z.B. sein: Pumpen zur Umwälzung des Elektrolyts der Flow-Batterien, Durchflussregler zur Regelung der Elektrolyt-Durchflussmenge, Temperatursteuerung zur Einstellung der Elektrolyttemperatur oder Drucksteuerung zur Einstellung des Elektrolytdrucks.

Wird eine Spannungsquelle, also z.B. ein zuvor erwähnter Energiespeicher, im oder auf dem Weg zum Verbraucher, also z.B. zu einem zuvor erwähnten Strom- und/oder Spannungswandler, kurzgeschlossen, ergibt sich ein Stromfluss, welcher normalerweise in der Lage ist, eine Sicherung auszulösen, die elektrisch zwischen Spannungsquelle und Verbraucher angeordnet und angeschlossen ist. Mit Sicherung' ist hier eine elektrische Überstromschutzeinrichtung gemeint, also eine Schutzeinrichtung, die ausgelegt ist, den Stromfluss bei Überstrom zu reduzieren oder zu unterbrechen. Das nennt man auch , auszulösen'. Solche Sicherungen sind zumeist ausgelegt, nach einer vorgegebenen Zeit-Strom- Kennlinie auszulösen. So führt ein geringer Überstrom oftmals erst nach einer deutlich längeren Zeit zum Auslösen der Sicherung als ein gemessen am geringen Überstrom deutlich höherer Überstrom. Eine solche Sicherung ist beispielsweise in DE 10 2019 131 533 Al beschrieben. Schwierig wird es dann, wenn sich die Kurzschlussimpedanz der Spannungsquelle nicht stark von der normalen Impedanz unterscheidet. Im Fall einer Redox- Flow- Batterie als Spannungsquelle bzw. Energiespeicher, liegt der Innenwiderstand häufig im zweistelligen mOhm-Bereich. Hierdurch liegt der zu erwartende Kurzschlussstrom im ungünstigen Fall , z.B. bei geringer Ladespannung nur wenige Faktoren über dem zu erwartenden Laststrom. Dadurch können Sicherungen nicht oder nur sehr langsam, z.B. erst nach mehreren Sekunden ausgelöst werden. Wird die Sicherung nur knapp über dem Nennstrom dimensioniert, führt das zu hoher Verlustleitung (mittlerer zweistelliger Wattbereich) und reduzierter Lebensdauer für den Normalbetrieb. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Sicherungsmöglichkeit für Energiespeichersysteme bereitzustellen, die einen elektrochemischen Energiespeicher aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Sicherungs- Auslösebeschleunigungsanordnung, ausgelegt zur Anordnung zwischen einem bidirektionalen Spannungswandler einer Stromwandlervorrichtung und einem Energiespeicher mit zumindest einem elektrochemischen Energiewandler, insbesondere einem als Durchflussbatterie, beispielsweise als Redox-Flow- Batterie ausgestalteten Energiewandler, wobei die Sicherungs- Auslösebeschleunigungsanordnung aufweist:

• zwei energiespeicherseitige Anschlüsse

• zwei stromwandlerseitige Anschlüsse,

• zumindest eine Sicherung, die zwischen einem der energiespeicherseitigen Anschlüsse und einem der stromwandlerseitigen Anschlüsse angeschlossen ist und

• eine Energiespeichervorrichtung mit einem vorgegebenen Innenwiderstand, die elektrisch parallel zu den energiespeicherseitigen Anschlüssen angeschlossen ist.

Durch diese Maßnahme wird die Energiespeichervorrichtung parallel zum Energiespeicher geschaltet und reduziert dadurch effektiv den Innenwiderstand des Energiespeichers. Dadurch kann die Sicherung so dimensioniert werden, dass sie im Kurzschlussfall sicher auslöst, aber keine nennenswerten Verluste im Normalbetrieb auftreten. Die Sicherungs-Auslösebeschleunigungsanordnung kann bei bestehenden Energiespeichersystemen einfach nachgerüstet werden.

Als Energiespeichervorrichtung wird hier eine Speichervorrichtung verstanden, die ausgebildet ist, elektrische Energie zu speichern. Diese kann insbesondere als Spannungsquelle ausgestaltet sein.

Die Energiespeichervorrichtung kann von ihren räumlichen Abmessungen um ein Vielfaches kleiner ausgelegt sein als der Energiespeicher mit zumindest einem elektrochemischen Energiewandler, insbesondere dem als Durchflussbatterie, beispielsweise als Redox- Flow- Batterie, ausgestalteten Energiewandler. Sie kann um den Faktor 100 oder mehr kleiner ausgestaltet sein.

Die Energiespeichervorrichtung kann von ihrer elektrischen Kapazität um ein Vielfaches kleiner ausgelegt sein als der Energiespeicher mit zumindest einem elektrochemischen Energiewandler, insbesondere dem als Durchflussbatterie, beispielsweise als Redox- Flow- Batterie, ausgestalteten Energiewandler. Sie kann um den Faktor 100 oder mehr kleiner ausgestaltet sein.

Die Energiespeichervorrichtung kann von ihrem Gewicht um ein Vielfaches kleiner ausgelegt sein als der Energiespeicher mit zumindest einem elektrochemischen Energiewandler, insbesondere dem als Durchflussbatterie, beispielsweise als Redox- Flow- Batterie, ausgestalteten Energiewandler. Sie kann um den Faktor 100 oder mehr kleiner ausgestaltet sein.

Eine besonders zuverlässige Auslösung der Sicherung kann erreicht werden, wenn der Innenwiderstand der Energiespeichervorrichtung kleiner ist als der Innenwiderstand des Energiespeichers, insbesondere um einen Faktor 10, vorzugsweise um einen Faktor 20, kleiner ist als der Innenwiderstand des Energiespeichers.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Innenwiderstand der Energiespeichervorrichtung mindestens so klein ist, dass ein Strom über die Sicherung im Falle eines stromwandlerseitigen Kurzschlusses um den Faktor 2 oder mehr größer ist als der Nenn-Laststrom beim Laden oder Entladen des Energiespeichers. Der Innenwiderstand der Energiespeichervorrichtung kann im Bereich 1 mOhm liegen.

Zur zuverlässigen Auslösung der Sicherung trägt weiterhin bei, wenn der Innenwiderstand der Energiespeichervorrichtung kleiner ist als der Innenwiderstand des Spannungswandlers.

Der Innenwiderstand der Energiespeichervorrichtung kann zumindest etwa dem Leitungswiderstand eines Leiters zwischen dem Energiespeicher und der Stromwandlervorrichtung, insbesondere eines Leiters zwischen einem energiespeicherseitigen Anschluss und einem stromwandlerseitigen Anschluss, entsprechen.

Die Energiespeichervorrichtung kann als Kondensator ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Ausgestaltung der

Energiewandlervorrichtung. Beispielsweise kann der Kondensator als Elektrolytkondensator (Elko) ausgebildet sein.

Es kann eine weitere Sicherung zwischen dem jeweils anderen der energiespeicherseitigen und der stromwandlerseitigen Anschlüsse angeordnet sein. Ein Energiespeichersystem mit einer erfindungsgemäßen Sicherungs- Auslösebeschleunigungsanordnung wird dadurch noch sicherer.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Stromwandleranordnung, die aufweist:

• Eine Stromwandlervorrichtung zum Laden und Entladen von einem Energiespeicher mit zumindest einem elektrochemischen Energiewandler, insbesondere einem als Durchflussbatterie, beispielsweise als Redox- Flow- Batterie, ausgestalteten Energiewandler, mit zumindest einem bidirektionalen Spannungswandler und

• eine erfindungsgemäße Sicherungs-Auslösebeschleunigungsanordnung, die mit ihren stromwandlerseitigen Anschlüssen an den bidirektionalen Spannungswandler angeschlossen ist und mit ihren energiespeicherseitigen Anschlüssen an den elektrochemischen Energiewandler angeschlossen werden kann.

Damit ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energiespeichersystem mit einer Stromwandlervorrichtung, die zumindest einen bidirektionalen Spannungswandler aufweist, und einen an den bidirektionalen

Spannungswandler angeschlossenen mindestens einen elektrochemischen Energiewandler aufweisenden Energiespeicher, wobei zwischen dem bidirektionalen Spannungswandler und dem Energiespeicher eine erfindungsgemäße Sicherungs-Auslösebeschleunigungsanordnung angeordnet ist.

Ein solches Energiespeichersystem kann mit geringen Verlusten betrieben werden und bei Kurzschlüssen schnell in einen sicheren Zustand überführt werden.

Der Energiespeicher kann mehrere elektrisch parallel oder in Serie verschaltete elektrochemische Energiewandler umfassen. Der Energiespeicher kann als Stack ausgebildet sein.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.

In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Energiespeichersystem mit einer Sicherungs-

Auslösebeschleunigungsanordnung;

Fig. 2 eine Sicherungs-Auslösebeschleunigungsanordnung.

Die Fig. 1 zeigt ein Energiespeichersystem 100 mit einer Stromwandlervorrichtung 1, welche einen ersten Spannungswandler 2 aufweist, der an ein ein- oder mehrphasiges Stromversorgungsnetz 3 anschließbar ist. Der erste Spannungswandler 2 kann als insbesondere bidirektionaler AC/DC Wandler ausgebildet sein. Er ist an einen Zwischenkreis 4 angeschlossen, an den wiederum ein zweiter und ein dritter Spannungswandler 5, 6 angeschlossen sind. Die Spannungswandler 5, 6 können beispielsweise als insbesondere bidirektionale DC/DC Wandler ausgebildet sein und jeweils über 5 kW Leistung umwandeln. In der DE 10 2014 100 989 B4 ist beschrieben, wie die Spannungswandler 5, 6 beispielsweise ausgebildet sein können.

Es können mehr als die zwei dargestellten Spannungswandler 5, 6 an den Zwischenkreis 4 angeschlossen sein. Die Spannungswandler 5, 6 sind jeweils an einen Energiespeicher 20, 22 angeschlossen. Die Energiespeicher 20, 22 können einen oder mehrere elektrochemische Energiewandler 7 bis 10 aufweisen, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der Spannungswandler 5 an den elektrochemischen Energiewandler 7 und der Spannungswandler 6 an die elektrochemischen Energiewandler 8 bis 10 angeschlossen ist. Die elektrochemischen Energiewandler 8 bis 10 sind in Serie verschaltet. Sie könnten auch parallel an den Spannungswandler 6 angeschlossen werden.

Die Spannung am Zwischenkreis 4 kann deutlich höher sein als die Spannung an den Energiewandlern 7 bis 10. Das macht die Stromwandlervorrichtung 1 besonders effizient.

Weiterhin weist die Stromwandlervorrichtung 1 eine Steuerung 11 auf, die sowohl mit dem ersten Spannungswandler 2 als auch mit den Spannungswandlern 5, 6 verbunden ist und eingerichtet ist, diese zu steuern. Insbesondere ist die Steuerung 11 eingerichtet, den Leistungsfluss, insbesondere die Richtung des Leistungsflusses, in den Spannungswandlern 5, 6 zu steuern. Dabei kann die Steuerung 11 die Spannungswandler 5, 6 so ansteuern, dass beispielsweise Energie aus dem elektrochemischen Energiewandler 7 über den Spannungswandler 5, den Zwischenkreis 4 und den Spannungswandler 6 in den elektrochemischen Energiewandler 8 transferiert wird oder umgekehrt. Während dieses Transfers kann die Steuerung 11 den Spannungswandler 2 abschalten.

Weiterhin kann die Steuerung 11 die Spannungswandler 2, 5, 6 so ansteuern, dass ein Leistungsfluss von dem Stromversorgungsnetz 3 über den Spannungswandler 2, den Zwischenkreis 4 und die Spannungswandler 5, 6 in die elektrochemischen Energiewandler 7 bis 10 erfolgt. Die Steuerung 11 kann dabei auch nur einen der Spannungswandler 5, 6 ansteuern, so dass beispielsweise nur ein Energietransfer in den Energiewandler 7 erfolgt. Weiterhin kann die Steuerung 11 den Leistungsfluss so steuern, dass beispielsweise Energie, die im Energiewandler 7 gespeichert ist, über den Spannungswandler 5, den Zwischenkreis 4 und den Spannungswandler 2 in das Stromversorgungsnetz 3 eingespeist wird.

Zwischen der Stromwandlervorrichtung 1 und jedem Energiespeicher 20, 22 ist jeweils eine Sicherungs-Auslösebeschleunigungsanordnung 24 angeordnet, die anhand der Fig. 2 beschrieben wird.

Die Figur 2 zeigt eine Sicherungs-Auslösebeschleunigungsanordnung 24 im Detail. Die Sicherungs-Auslösebeschleunigungsanordnung 24 weist zwei energiespeicherseitige Anschlüsse 26, 28 und zwei stromwandlerseitige Anschlüsse 30, 32 auf. Zwischen den Anschlüssen 26, 30 ist eine erste Sicherung 34 angeordnet. Zwischen den Anschlüssen 28, 32 ist eine optionale zweite Sicherung 36 angeordnet. Parallel zu den energiespeicherseitigen Anschlüssen 26, 28 ist eine als Spannungsquelle ausgestaltete Energiespeichervorrichtung 38 angeschlossen.

Die Energiespeichervorrichtung 38 kann insbesondere als Kondensator, beispielsweise als Elektrolytkondensator, ausgebildet sein. Die Energiespeichervorrichtung 38 weist einen Innenwiderstand auf, der deutlich kleiner ist als der Innenwiderstand des Energiespeichers 20. Beispielsweise liegt der Innenwiderstand der Energiespeichervorrichtung bei 1 mOhm und der Innenwiderstand des Energiespeichers 20 bei 20 mOhm.

Die Leitungen 40, 42 können jeweils einen Leitungswiderstand aufweisen, der im Bereich des Innenwiderstands der Energiespeichervorrichtung 38 liegt. Beispielsweise können die Leitungen 40, 42 einen Leitungswiderstand von 1 mOhm aufweisen. Der Innenwiderstand der Energiespeichervorrichtung 38 ist vorzugsweise kleiner als der Innenwiderstand des Spannungswandlers 5. Der Innenwiderstand des Spannungswandlers 5 kann beispielsweise 3 mOhm betragen.

Dadurch, dass die Energiespeichervorrichtung 38 parallel zum Energiespeicher 20 geschaltet ist, wird effektiv der Innenwiderstand des Energiespeichers 20 reduziert. Dies führt dazu, dass die Sicherung 34 (und die Sicherung 36) im Kurzschlussfall sicher und schnell auslöst. Der Innenwiderstand der Energiespeichervorrichtung 38 kann im Bereich 1/100-1/10 des Innenwiderstands des Energiespeichers 20 liegen. Die Energiespeichervorrichtung 38 weist vorzugsweise eine ausreichende Kapazität auf, um die Sicherung 34, 36 im Kurzschlussfall sicher auslösen zu können.