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Title:
PLUG-AND-PLAY ENERGY STORAGE DEVICE FOR COMBINATION WITH ELECTRIC DRIVE SYSTEMS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/238860
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an energy storage device, comprising; - power terminals for connecting to a voltage circuit of power electronics of a drive system, which drive system can be controlled by an external system controller; - at least one electrical storage block; - at least one power converter for connecting the voltage circuit of the power electronics of the drive system to an internal voltage circuit of the storage block; and - a control device for controlling the at least one power converter. Said control device has a controller board having output and/or feed-in control means for controlling the power converter for the outputting of current from/feeding of current into the storage block, and/or voltage closed-loop and/or open-loop control means for the closed-loop and/or open-loop control of the output voltage of the energy storage device. According to the invention, said control device has an adaptation board, which is connected to the controller board. The adaptation board comprises a plurality of connection terminals for differently designed external system controllers, at least one communication interface for communicating with the controller board of the control device, and at least one adaptation circuit for adapting and transferring signals between the connection terminals of the adaptation board and the controller board.

Inventors:
ENGST CHRISTIAN (DE)
WANNER HARALD (DE)
WELSER SVEN (DE)
SCHULER MICHAEL (DE)
GLEINSER JOSEF (DE)
Application Number:
PCT/EP2019/065565
Publication Date:
December 19, 2019
Filing Date:
June 13, 2019
Export Citation:
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Assignee:
LIEBHERR COMPONENTS BIBERACH (DE)
International Classes:
H02M3/158; H02J7/34; H02M5/458
Domestic Patent References:
WO2017139682A12017-08-17
Foreign References:
DE102013009823A12014-12-11
DE102013201221A12014-07-31
US20170106764A12017-04-20
US20110094841A12011-04-28
Attorney, Agent or Firm:
THOMA, MICHAEL (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Energiespeichervorrichtung mit Leistungsanschlüssen (11 , 12) zum An- schließen an einen Spannungskreis einer Leistungselektronik eines An- triebssystems (1 ), das von einer externen Systemsteuerung (PLC) steuerbar ist, sowie zumindest einem elektrischen Speicherblock (7), zumindest einem Stromsteller (8) für die Verbindung des Spannungskreises der Leistungs- elektronik des Antriebssystems (1 ) mit einem internen Spannungskreis (4) des Speicherblocks (7), und einer Steuervorrichtung (9) zum Steuern des zumindest einen Stromstellers (8), wobei die genannte Steuervorrichtung (9) ein Controller-Board (90) mit Abgabe- und/oder Einspeisesteuermitteln zum Ansteuern des Stromstellers (8) für das Abgeben von Strom aus dem Spei- cherblock (7) an das Antriebssystem (1 ) und/oder für das Einspeisen von Strom aus dem Antriebssystem (1 ) in den Speicherblock (7), und mit Span- nungsregel- und/oder -steuermittein zum Regeln und/oder Steuern der Aus- gangsspannung der Energiespeichervorrichtung (6) aufweist, dadurch ge- kennzeichnet, dass die genannte Steuervorrichtung (9) ein mit dem Control- ler-Board (90) verbundenes Adaptions-Board (96), das mehrere Verbin- dungsanschlüsse (98) für verschieden ausgebildete externe Systemsteue- rungen, zumindest eine Kommunikationsschnittstelle (97) zum Kommunizie- ren mit dem Controller-Board (90) der Steuervorrichtung (9) und zumindest einen Adaptions-Schaltkreis (100) zum Anpassen und Übertragen von Sig nalen zwischen den Verbindungsanschlüssen (98) des Adaptions-Boards (96) und dem Controller-Board (90) aufweist.

2. Energiespeichervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Adaptions-Board (96) mehrere verschieden ausgebildete Adaptions- Schaltkreise (100) umfasst, von denen ein jeweils passender Schaltkreis die jeweils benötigten Signale, Daten und/oder Parameter von der/an die jeweili ge externe Systemsteuerung (PLC) adaptiert.

3. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Adaptions-Board (96) weiterhin mehrere Sensoranschlüsse (99) zum Anschließen an verschiedene Sensoren umfasst, die Sensorsignale für die Systemsteuerung (PLC) und/oder für die interne Steuervorrichtung (9) bereitstellen.

4. Energiespeichervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Adaptions-Board (96) mittels der genannten Sensoranschlüsse (99) einer- seits an energiespeichervorrichtungsinterne Sensoren, mittels derer die Energiespeichervorrichtung (6), insbesondere deren Speicherblock (7) und/oder zumindest ein Betriebszustand am Stromrichter (8) und/oder am in- ternen Spannungskreis (4) überwacht wird, angeschlossen ist und an exter- ne Sensoren, die zumindest einen Betriebszustand des anzuschließenden Antriebssystems (1 ) oder dessen Leistungselektronik überwachen, ange- schlossen ist.

5. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Controller-Board (90) zumindest einen Mikrocontroller (91 ), zu- mindest einen FPGA-Baustein (92) und weiterhin Hardware-Schaltkreise aufweist.

6. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (9) weiterhin ein Kommunikations-Board (95) umfasst, welches dazu vorgesehen ist, eine Feldbus-Kommunikation für die Steuervorrichtung (9) mit signalgebenden und/oder mit signalverarbeitenden Bausteinen der Energiespeichervorrichtung (6) und mit signalgebenden und/oder signalverarbeitenden Bausteinen der anzuschließenden Antriebs- vorrichtung (1 ), insbesondere mit der externen Systemsteuerung (PLC) der Antriebvorrichtung (1 ), auszuführen.

7. Energiespeichervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Kommunikations-Board (95) Steckverbinder aufweist und auf dem Controller- Board (90) vorzugsweise lösbar aufgesteckt ist.

8. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kommunikations-Board (95) und/oder das Adaptions-Board (96) einen Feldbus-Kommunikations-Baustein für eine Feldbus-Kommunikation zum externen Steuerungssystem (PLC) aufweisen, wobei der Feldbus- Kommunikations-Baustein dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine Be- triebsart der Antriebsvorrichtung (1 ) vorzugeben und/oder ein Starten bzw. Stoppen der Antriebsvorrichtung (1 ) vorzugeben und/oder einen Sollwert für eine jeweilige Betriebsart der Antriebsvorrichtung (1 ) vorzugeben und/oder veränderbare Limits während eines Betriebs der Antriebsvorrichtung (1 ) vor- zugeben und/oder einen Vorsteuerwert für eine Regelung der Antriebsvor- richtung (1 ) und/oder Betriebsart der Antriebsvorrichtung (1 ) vorzugeben.

9. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Controller-Board (90) Betriebssteuermittel zum Einstellen und Steuern verschiedener Betriebsarten der Energiespeichervorrichtung (6) um- fasst, wobei die genannten Betriebssteuermittel zumindest einen Regler zum Regeln einer Zwischenkreisspannung und/oder einen Regler zum Regeln ei- ner Zwischenkreisspannung mit Sollwertfenster und/oder einen Regler zum Regeln eines Zwischen kreisstroms und/oder einen Regler zum Regeln einer Leistung und/oder einen Regler zum Regeln eines Ladungszustands und/oder Steuermittel zum aktiven Entladen des Speicherblocks umfassen.

10. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Controller-Board (90) einen Selbsttest-Baustein zum Selbsttesten der Leistungselektronik aufweist.

11. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Controller-Board (90) zumindest einen parametrierbar ausgebilde- ten Begrenzer-Baustein umfasst, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, beim Erreichen einer Speicher-Spannungsgrenze, die durch Parametrieren des Begrenzer-Bausteins variabel vorgebbar ist, und/oder bei Erreichen ei- ner Speicher-Stromgrenze, die durch Parametrieren des Begrenzer- Bausteins variabel vorgebbar ist, und/oder beim Erreichen einer Zwischen- kreis-Stromgrenze, die durch Parametrieren des Begrenzer-Bausteins varia- bel vorgebbar ist, und/oder bei Erreichen einer Zwischen-Leistungsgrenze, die durch Parametrieren des Begrenzer-Bausteins variabel vorgebbar ist, und/oder bei Erreichen einer Temperaturgrenze, die durch Parametrieren des Begrenzer-Bausteins variabel vorgebbar ist, zumindest eine charakteris- tische Stellgröße der Energiespeichervorrichtung und/oder der Antriebsvor- richtung zu begrenzen oder zu verändern, insbesondere einen abgegebenen oder eingespeisten Strom und/oder ein Spannungsniveau zu begrenzen o- der zu senken.

12. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Controller-Board (90) zumindest einen Überwachungs-Baustein umfasst, der dazu ausgebildet ist, eine Übertemperatur im Kühlwasser einer Kühlvorrichtung und/oder in dem zumindest einen Speicherblock (7) und/oder in einem Innenraum der Energiespeichervorrichtung (6) und/oder an zumindest einer Drossel, und/oder einen Zustand zumindest eines Kühl vorrichtungs-Relais und/oder einen Kühlmitteldurchfluss und/oder einen Kühlaggregatszustand zu überwachen und in Abhängigkeit der überwachten Größe zumindest eine charakteristische Stellgröße der Energiespeichervor- richtung und/oder der Antriebsvorrichtung zu begrenzen oder zu verändern.

13. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Controller-Board (90) zumindest einen Überwachungs-Baustein umfasst, der dazu ausgebildet ist, eine Symmetrierungsfunktion der Spei- cherblöcke (7) zu überwachen und in Abhängigkeit der überwachten Sym- metrierung zumindest eine charakteristische Stellgröße der Energiespeicher- Vorrichtung zu steuern.

14. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Controller-Board (90) eine Master-/Slave-Steuereinrichtung zum Betreiben mehrerer Speicherblöcke (7) in einem Master-/Slave-Modus um- fasst, wobei die Master-/Slave-Steuereinrichtung Kommunikationsmittel, die eine Kommunikation mehrerer Energiespeichereinheiten untereinander vor- zugsweise über einen CAN-BUS ermöglichen, und Synchronisationsmittel zum Synchronisieren der Spannung der mehreren parallelgeschalteten Energiespeichereinheiten und Aufteil-Steuermittel zum gleichmäßigen Auftei- len des Stroms in den parallelgeschalteten Energierspeichereinheiten um- fasst.

15. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Controller-Board (90) zumindest einen Parametrierungs-Bausteins zum Parametrieren und/oder variablen Einstellen zumindest einer der fol- genden Funktionalitäten aufweist:

- zumindest eines Kommunikationsparameters,

- zumindest eines Parameters der Leistungselektronik (2), insbesondere des maximalen Stroms, einer minimalen und/oder maximalen Spannung, zumindest eines Sensors, zumindest einer Schaltzeit und/oder zumindest ei- ner Schaltfrequenz der Leistungselektronik (2),

zumindest eines Betriebsmodus, insbesondere Steuerungs-Modus über einen Feldbus und/oder Master-/Slave-Modus und/oder Fehlerreaktions- Modus, zumindest einer Überwachungsfunktion, insbesondere Vorgabe eines Grenzwerts für eine Kühlvorrichtung und/oder eine Symmetrierungsfunktion und/oder eine Spannung, und/oder zumindest eines Grenzwerts für Strom und Leistung der Energiespeichervorrichtung (6) und/oder der Antriebsvor- richtung (1 ),

von Nenndaten der Energiespeichervorrichtung (6), insbesondere Nenn- kapazität und/oder Nennstrom und/oder Induktivität,

- einer Einstellung zumindest eines Reglers.

16. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Stromsteller zumindest ein DC/DC-Steller (8) für die Verbindung eines Gleichspannungszwischenkreises (4) mit dem internen Spannungs- kreis des zumindest einenSpeicherblocks (7) vorgesehen ist, wobei der DC/DC-Steller (8) bidirektional ausgebildet ist und die Steuerungsvorrichtung (9) Abgabe- und Einspeisesteuermittel zum Ansteuern des DC/DC-Steller sowohl für das Abgeben von Strom aus dem Speicherblock (7) an den Gleichspannungskreis (4) als auch für das Einspeisen von Strom aus dem Gleichspannungskreis (4) in den Speicherblock (7) aufweist.

17. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speicherblock (7) zumindest einen Kondensator, vorzugsweise Doppelschichtkondensator, zur Energiespeicherung umfasst.

18. Antriebssystem mit zumindest einem Elektromotor (M), der über eine Leis- tungselektronik (2) speisbar ist, die über einen Spannungskreis (4) mit einer Spannungsquelle (5) verbindbar ist, sowie ferner zumindest einer Energie- speichervorrichtung (6) zum Zwischenspeichern von aus dem Elektromotor (M) rückgespeister Energie, wobei die Energiespeichervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und an den Span- nungskreis (4) angeschlossen ist.

19. Antriebssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die maximale Spannung (U2) des zumindest einen Speicherblocks (7) der Energiespei- chervorrichtung (6) niedriger gehalten ist als die minimale Spannung des Gleichspannungszwischenkreises (4).

20. Antriebssystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl das Einspeisen von rückgespeister Energie des Elektromotors (M) in die Energiespeichervorrichtung (6) als auch das Abgeben von zwischenge- speicherter Energie aus der Energiespeichervorrichtung (6) an den Gleich- spannungskreis (4) über den DC/DC-Steller (8) der Energiespeichervorrich- tung (6) erfolgt.

21. Hubvorrichtung, insbesondere Personen- und/oder Lastenaufzug eines Ge- bäudes, mit einem Antriebssystem, das nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 20 ausgebildet ist.

Description:
PLUG'N'PLAY ENERGIESPEICHERVORRICHTUNG FÜR DIE KOMBINATION MIT

ELEKTRISCHEN ANTRIEBSSYSTEMEN

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit Leistungsan- schlüssen zum Anschließen an einen Spannungskreis einer Leistungselektronik eines Antriebssystems, das von einer externen Systemsteuerung steuerbar ist, so- wie zumindest einem elektrischen Speicherblock, zumindest einem Stromrichter für die Verbindung des Spannungskreises der Leistungselektronik des Antriebs- systems mit einem internen Spannungskreis des Speicherblocks, und einer Steuer- vorrichtung zum Steuern des zumindest einen Stromrichters, wobei die genannte Steuervorrichtung ein Controller-Board mit Abgabe- und/oder Einspeisesteuermit- teln zum Ansteuern des Stromrichters für das Abgeben von Strom aus dem Spei- cherblock an das Antriebssystem und/oder für das Einspeisen von Strom aus dem Antriebssystem in den Speicherblock, und mit Spannungsregel- und/oder - steuermittein zum Regeln und/oder Steuern der Ausgangsspannung der Energie- speichervorrichtung aufweist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Antriebssystem mit einer Leistungselektronik, an die eine solche Energiespeichervorrichtung angeschlossen ist, deren Steuervorrichtung mit der übergeordneten Systemsteuerung des Antriebssystems kommuniziert. Sol- che elektrischen Antriebssysteme können bspw. bei Hubvorrichtungen, insbeson- dere Aufzügen wie Personen- und/oder Lastenaufzügen, aber auch Kranen wie Containerbrückenkranen, oder Baumaschinen wie beispielsweise Betonmischer- fahrzeugen, Erdbewegungs- und Bergbaumaschinen wie Oberflächenfräsern, grundsätzlich aber auch anderen mobilen Maschinen oder auch netzgebundenen Maschinen zum Einsatz kommen. Insbesondere können solche Antriebssysteme Personen- und/oder Lastenaufzüge sein, die in oder an Gebäuden wie beispiels- weise Hochhäusern eingesetzt werden, oder auch andere Hubvorrichtungen sein, die Lasten zyklisch heben und senken.

Zur Einsparung von Energie werden immer mehr Antriebe elektrifiziert, die bislang mechanisch oder hydraulisch betrieben wurden, um den besseren Wirkungsgrad von Elektromotoren ausnutzen zu können. Dabei ist es insbesondere bei Anwen- dungen mit zyklisch wiederkehrenden Beschleunigungs- und Bremsphasen bzw. Bergauf- und Bergabfahrten sinnvoll, eine Energiespeichervorrichtung in das An- triebssystem zu integrieren bzw. daran anzuschließen, um bei Beschleunigungs- bzw. Bergaufphasen Energie bereitzustellen und bei Brems- bzw. Bergabphasen freigesetzte Energie rückzuspeisen und in dem zumindest einen Speicherblock zu speichern, wozu sich Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, aber andere Batteriesysteme oder Akkumulatoren eignen. Dabei fallen je nach An- triebssystem zum Teil beträchtliche Energiemengen an, die es bereitzustellen und zwischenzuspeichern gilt, sodass herkömmliche Energiespeicher schnell an ihre Grenzen stoßen bzw. es einer intelligenten Steuerung bedarf, um den Anforderun- gen gerecht zu werden.

Um die von dem zumindest einen Speicherblock bereitgestellte Spannung bzw. den abgegebenen Strom an das jeweilige Antriebssystem und dessen Spannungs- und/oder Strombedarf anzupassen und/oder umgekehrt den vom Antriebssystem rückgespeisten Strom an die Gegebenheiten des internen Spannungskreises des Speicherblocks anzupassen, kann die Energiespeichervorrichtung zumindest einen Stromrichter-Baustein aufweisen, um den bereitgestellten oder eingespeisten Strom hinsichtlich charakteristischer Parameter wie Spannung und/oder Frequenz in der benötigten Weise anzupassen. Werden beispielsweise Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicher verwen- det, werden sog. DC/DC-Steller oder DC/DC-Wandler benötigt, da sich die Span- nung über einem Doppelschichtkondensator abhängig vom Füllzustand ändert. Der genannte DC/DC-Wandler verbindet den Doppelschichtkondensator- Speicherbaustein mit den Antriebselementen bzw. den damit normalerweise ver- bundenen Frequenzumrichter und stellt den Austausch von Energie sicher. Solche DC/DC-Wandler oder DC/DC-Steller bezeichnen eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umsetzen kann und in der Lage ist, Energie vom hohen Spannungspegel in den niedrigen Spannungspegel zu transferieren, beispielsweise um den Energiespeicherblock zu laden, und ebenfalls in der anderen Richtung zu transferieren, d.h. auszuspeichern bzw. vom Speicher- block in den Gleichspannungskreis des Antriebssystems zu transferieren.

Je nach Speicherblock und Antriebssystem können aber auch andere Stromrichter wie beispielsweise Gleichrichter, Wechselrichter, Frequenzumrichter oder allgemein Umrichter Verwendung finden, wobei solche Stromrichter elektronische Bauteile wie etwa Dioden, Transistoren oder Thyristoren, aber auch Mosfets, IGBTs oder IGCTs umfassen können.

Die Anbindung einer solchen Energiespeichervorrichtung insbesondere mit einem Doppelschichtkondensator an das jeweilige Antriebssystem ist jedoch mehr oder minder aufwändig, da üblicherweise die einzelnen Bausteine einer solchen Ener- giespeichervorrichtung mühsam zusammenkonfiguriert und an die Rahmenbedin- gungen des Antriebssystems, beispielsweise dessen Elektromotor und Leistungs- elektronik angepasst werden müssen. Hierbei wird ein Anwender bzw. Applikati- onsingenieur in der Regel gezwungen, sich mit den komplexen internen Abläufen im Energiespeicher und im DC/DC-Steller zu beschäftigen, um die notwendigen Auslegungen bezüglich der Bausteine und der internen Funktionsweise machen zu können. Flinzu kommt eine je nach Antrieb und Einsatzgerät mehr oder minder aufwändige Verkabelung einschließlich Hochstromleitungen, Busverkabelung und SPS-Signalen. Gleichzeitig muss bei den eingangs genannten Einsatzgeräten da- rauf geachtet werden, dass die Energiespeichervorrichtung den rauen Einsatzbe- dingungen wie Staubbelastung und Stoß- und Vibrationsbelastungen standhalten muss.

Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Energiespeichervorrichtung der eingangs genannten Art, sowie ein verbessertes Antriebssystem mit einer solchen Energiespeichervorrichtung zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und Letzteren in vor- teilhafter Weise weiterbilden. Insbesondere soll die Anbindung der Energiespei- chervorrichtung an ein jeweiliges Antriebssystem drastisch vereinfacht werden und dabei dennoch die Zwischenspeicherung und Wiederabgabe der elektrischen Energie in und aus dem Energiespeicher effizient und sicher gestaltet werden.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch eine Energiespeichervorrich- tung gemäß Anspruch 1 und ein Antriebssystem mit einer solchen Energiespei- chervorrichtung gemäß Anspruch 18 gelöst. Erfindungsgegenstand ist weiterhin der Einsatz eines solchen Antriebssystems in einer Hubvorrichtung gemäß Anspruch 21 .

Es wird also vorgeschlagen, die elektrischen Komponenten der Energiespeicher- Vorrichtung zu einem Plug-and-Play-Modul zusammenzufassen, das von einem Anwender nach Art einer Black Box einerseits mit den Leistungsanschlüssen ein- fach an die Leistungselektronik bzw. den Spannungskreis des Antriebssystems an- schließbar ist und andererseits mit seiner integrierten Steuervorrichtung, die den zumindest einen Stromrichter für das Abgeben und/oder Einspeisen und/oder die Ausgangsspannugn der Speichervorrichtung steuert, an die übergeordnete Steuer- vorrichtung verschiedener Antriebssysteme anschließbar ist und die von der jewei- ligen übergeordneten Steuervorrichtung benötigten Parameter und Signale austau- schen kann. Erfindungsgemäß besitzt die genannte Steuervorrichtung ein mit dem Controller-Board verbundenes Adaptions-Board, das mehrere Verbindungsan- schlüsse für verschieden ausgebildete externe Systemsteuerungen, zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Kommunizieren mit dem Controller-Board der Steuervorrichtung und zumindest einen Adaptions-Schaltkreis zum Anpassen und Übertragen von Signalen zwischen den Verbindungsanschlüssen des Adaptions- Boards und dem Controller-Board aufweist. Durch die mehreren, voneinander ver- schieden ausgebildeten Verbindungsanschlüsse des Adaptions-Boards kann die in die Energiespeichervorrichtung integrierte Steuervorrichtung in einfacher Weise an verschieden ausgebildete, externe Systemsteuerungen angeschlossen werden.

Je nachdem, wie die externe Systemsteuerung ausgebildet ist, können über den jeweils passenden Verbindungsanschluss des Adaptions-Boards die von der exter- nen Systemsteuerung benötigten oder bereitgestellten Signale, Datenformate und/oder Parameter empfangen oder übertragen bzw. bereitgestellt werden. Damit die von dem Controller-Board bereitgestellten Signale, Daten und/oder Parameter von der externen Systemsteuerung auch verwendet werden können oder umge- kehrt von der externen Systemsteuerung bereitgestellte Signale, Daten, Befehle oder Parameter vom Controller-Board verwendet werden können, passt der zumin- dest eine Adaptions-Schaltkreis des Adaptions-Boards die genannten Signale, Da- ten, Befehle und/oder Parameter hinsichtlich ihres Formats und/oder Spannungsle- vels und/oder hinsichtlich ihrer Übertragungswege zum jeweiligen Verbindungsan- schluss und/oder zur Kommunikationsschnittstelle des Adaptions-Boards an, so- dass das Controller-Board mit verschieden ausgebildeten, übergeordneten exter- nen Systemsteuerungen kommunizieren kann.

Vorteilhafterweise kann das Adaptions-Board mehrere Adaptions-Schaltkreise um- fassen, von denen ein jeweils passender Schaltkreis die jeweils benötigten Signale, Daten und/oder Parameter von der/an die jeweilige externe Systemsteuerung adap- tieren kann.

In Weiterbildung der Erfindung kann das genannte Adaptions-Board auch mehrere Sensoranschlüsse zum Anschließen an verschiedene Sensoren umfassen, die für die Systemsteuerung und/oder für die interne Steuervorrichtung benötigt werden. Insbesondere kann das Adaptions-Board mittels der genannten Sensoranschlüsse einerseits an energiespeichervorrichtungsinterne Sensoren, mittels derer die Ener- giespeichervorrichtung, insbesondere deren Speicherblock und/oder zumindest ein Betriebszustand am Stromrichter und/oder am internen Spannungskreis überwacht wird, angeschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Adaptions-Board über die genannten Sensoranschlüsse an externe Sensoren angeschlossen wer- den, die zumindest einen Betriebszustand des anzuschließenden Antriebssystems oder dessen Leistungselektronik überwachen.

Beispielsweise können an die Sensoranschlüsse des Adaptions-Boards Kühlvor- richtungs-Sensoren zum Überwachen einer Kühlvorrichtung, beispielsweise ein Kühlmittelflussmengen- und/oder -massensensor und/oder ein Temperatursensor, und/oder ein Strom- und/oder Spannungssensor zum Überwachen eines Strom- flusses und/oder einer Spannung im Spannungskreis des anzuschließenden An- triebssystems und/oder im internen Spannungskreis des Speicherblocks, und/oder ein Symmetriergrad-Sensor zum Überwachen der Symmetrierung mehrerer Spei- cherblöcke angeschlossen werden.

Der genannte zumindest eine Adaptions-Schaltkreis des Adaptions-Boards kann beispielsweise aus einer oder mehrerer Hardware-Komponenten in Form elektroni- scher Bausteine wie Halbleiterbausteinen bestehen, aber auch alternativ oder zu- sätzlich einen oder mehrere Software-Bausteine umfassen, die in einem Speicher- baustein gespeichert und in einem Prozessor verarbeitet werden können.

Das Adaptions-Board kann insbesondere auch mehrere solcher Hardware- Schaltkreise und/oder Software-Bausteine umfassen.

Unter Zuhilfenahme des genannten Adaptions-Boards kann ein an den Speicher- block und dessen Schaltkreis angepasstes Controller-Board Verwendung finden und trotzdem an verschiedene übergeordnete Systemsteuerungen angepasst und damit zusammen verwendet werden. Das genannte Ad aptions- Board kann über eine oder mehrere Steckverbindungen lösbar mit dem genannten Controller-Board verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Adaptions-Board aber auch fest mit dem Controller-Board verdrahtet sein. Das genannte Controller-Board kann vorteilhafter weise zumindest einen Mikrocon- troller, zumindest einen FPGA-Baustein, das heißt ein Field-Programmable Gate Array, weiterhin Flardware-Schaltkreise und Steckverbinder für die Kontaktierung aufweisen und/oder aus den genannten Bausteinen bestehen. Die genannten Flardware-Schaltkreise des Controller-Boards können dabei elektronische Baustei- ne wie beispielsweise Flalbleiterbausteine, Transistoren, Dioden oder andere aktive oder passive Bauelemente umfassen, wobei insbesondere auch integrierte Schalt- kreise am Controller-Board vorgesehen sein können. Alternativ oder zusätzlich zu den genannten Flardware-Schaltkreisen kann das Controller-Board aber auch zu- mindest einen Software- Bau stein umfassen, der in einem Speicherbaustein gespei- chert ist und mit dem Mirkocontroller zusammenwirkt bzw. von diesem abgearbeitet wird.

In Weiterbildung der Erfindung kann die in die Energiespeichervorrichtung integrier- te Steuervorrichtung weiterhin ein Kommunikations-Board umfassen, welches dazu vorgesehen ist, eine Feldbus-Kommunikation für die Steuervorrichtung zu ermögli- chen, insbesondere mit signalgebenden und/oder mit signalverarbeitenden Bau- steinen der Energiespeichervorrichtung wie beispielsweise Sensoren und/oder mit signalgebenden und/oder signalverarbeitenden Bausteinen der anzuschließenden Antriebsvorrichtung und/oder der externen Systemsteuerung wie beispielsweise an der Antriebsvorrichtung verbauten Sensoren.

Das genannte Communication-Board kann in vorteilhafter Weise Steckverbinder aufweisen und auf dem Controller-Board aufgesteckt sein.

In dem genannten Controller-Board kann in vorteilhafter Weise eine Fülle von Steuerungsfunktionen implementiert und/oder vorangelegt sein, die es der Steuer- vorrichtung ermöglichen, die Energiespeichervorrichtung für eine Fülle verschiede- ner Antriebsvorrichtungen und verschiedener externer Steuerungssysteme zu steu- ern und entsprechende Steuerungsfunktionen auszuführen, je nachdem welche Steuerungsfunktion von der Antriebsvorrichtung und/oder dem externen Steue- rungssystem benötigt werden.

Insbesondere kann die Steuervorrichtung der Energiespeichervorrichtung Steuer- mittel zum Steuern des Betriebs des zumindest einen Speicherblocks umfassen, wobei die genannten Zustandssteuermittel für den Betrieb des Energiespeichers vorteilhafter Weise dazu konfiguriert sein können, eine automatische Vorladung eines internen Zwischenkreises und/oder ein automatisches Verbinden und Tren- nen zu einem externen Zwischenkreis des Antriebssystems und/oder ein automati- sches Vorladen auf eine vorzugsweise parametrierbare Initialspannung auszufüh- ren.

Alternativ oder zusätzlich kann die integrierte Steuerung Erfassungsmittel zum Er- fassen verschiedener Sensoren umfassen, beispielsweise zumindest eines Span- nungssensors und/oder zumindest eines Stromsensors und/oder zumindest eines Temperatursensors oder zumindest eines Durchflusssensors, mittels derer ent- sprechende Betriebsgrößen der Energiespeichervorrichtung und/oder des Antriebs- systems gemessen werden können.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung der Energiespeichervorrich- tung Leistungssteuermittel zum Erzeugen von Steuersignalen für die Leistungs- elektronik des Antriebssystems umfassen.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung einen Regler zum Regeln des Stroms im Speicherblock umfassen.

Alternativ oder zusätzlich kann die integrierte Steuervorrichtung Betriebssteuermit- tel zum Einstellen bzw. Steuern verschiedener Betriebsarten der Energiespeicher- Vorrichtung umfassen, wobei die genannten Betriebssteuermittel insbesondere ei- nen Regler zum Regeln einer Zwischenkreisspannung und/oder einen Regler zum Regeln einer Zwischenkreisspannung mit Sollwertfenster und/oder einen Regler zum Regeln eines Zwischen kreisstroms und/oder einen Regler zum Regeln einer Leistung und/oder einen Regler zum Regeln eines Ladungszustands und/oder Steuermittel zum aktiven Entladen des Speicherblocks umfassen können.

Alternativ oder zusätzlich kann die integrierte Steuervorrichtung einen Selbsttest- Baustein zum Selbsttesten der Leistungselektronik aufweisen.

Alternativ oder zusätzlich kann die integrierte Steuervorrichtung zumindest einen Begrenzer-Baustein umfassen, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, beim Er- reichen von Speicher-Spannungsgrenzen und/oder beim Erreichen von Speicher- Stromgrenzen und/oder beim Erreichen von Zwischenkreis-Stromgrenzen und/oder beim Erreichen von Zwischen-Leistungsgrenzen und/oder beim Erreichen von Temperaturgrenzen zumindest eine charakteristische Stellgröße der Energiespei- chervorrichtung und/oder der Antriebsvorrichtung zu begrenzen oder zu verändern, beispielsweise einen abgegebenen oder eingespeisten Strom und/oder ein Span- nungsniveau zu begrenzen oder zu senken.

Ein solcher Begrenzer-Baustein kann vorteilhafter Weise parametrierbar ausgebil- det sein, um die entsprechende Spannungsgrenze und/oder Stromgrenze und/oder Leistungsgrenze und/oder Temperaturgrenze einstellbar vorgeben zu können.

Alternativ oder zusätzlich kann die genannte Steuervorrichtung der Energiespei- chervorrichtung zumindest einen Überwachungs-Baustein umfassen, der dazu ausgebildet ist, einen Überstrom in der Energiespeichervorrichtung und/oder eine Überspannung in einem Zwischenkreis und/oder eine Spannung in der Energie- speichervorrichtung und/oder eine Spannung in dem zumindest einen Speicher- block, und/oder eine Übertemperatur beispielsweise im Kühlwasser einer Kühlvor- richtung und/oder in dem zumindest einen Speicherblock und/oder in einem Innen- raum der Energiespeichervorrichtung und/oder an zumindest einer Drossel, und/oder einem Zustand zumindest eines Relais und/oder eine Kühlvorrichtung beispielsweise hinsichtlich Kühlmitteldurchfluss und/oder eines Kühlaggregatszu- stands, und/oder eine Leistungselektronik und/oder einen Speicherzustand und/oder eine Symmetrierungsfunktion der Speicherblöcke zu überwachen. Alter- nativ oder zusätzlich können auch Überwachungsmittel zum Überwachen der Rest- lebensdauer der Energiespeichervorrichtung und/oder des zumindest einen Spei- cherblocks vorgesehen sein, wobei solche Überwachungsmittel die genannte Rest- lebensdauer berechnen und/oder schätzen können.

Alternativ oder zusätzlich kann das zuvor genannte Kommunikations-Board und/oder das Adaptions-Board einen Feldbus-Kommunikations-Baustein für eine Feldbus-Kommunikation zu externen Steuerungssystem aufweisen, wobei der Feldbus-Kommunikations-Baustein beispielsweise dazu vorgesehen sein kann, ei- ne Betriebsart vorzugeben und/oder ein Starten bzw. Stoppen der Antriebsvorrich- tung vorzugeben und/oder einen Sollwert für eine jeweilige Betriebsart vorzugeben und/oder veränderbare Limits während eines Betriebs vorzugeben und/oder einen Vorsteuerwert für eine Regelung und/oder Betriebsart vorzugeben und/oder einen aktuellen Status des Energiespeichers auszulesen und/oder aktuelle Betriebsdaten auszulesen und bereitzustellen.

Alternativ oder zusätzlich kann die genannte Steuervorrichtung der Energiespei- chervorrichtung einen Statistik-Baustein zum Bestimmen und/oder Speichern von statistischen Daten umfassen, beispielsweise einer Zeitverteilung einer Speicher- temperatur und/oder einer Zeitverteilung einer Leistung und/oder einer Zeitvertei- lung eines Stroms in der Energiespeichervorrichtung und/oder einer Zeitverteilung einer Spannung in der Energiespeichervorrichtung.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung eine Master-/Slave- Steuereinrichtung zum Betreiben mehrerer Speicherblöcke in einem Master-/Slave- Modus umfassen, wobei eine solche Master-/Slave-Steuereinrichtung vorteilhafter Weise Kommunikationsmittel, die eine Kommunikation mehrerer Energiespeicher- einheiten untereinander vorzugsweise über einen CAN-BUS ermöglichen, und/oder Synchronisationsmittel zum Synchronisieren der Spannung der mehreren parallel- geschalteten Energiespeichereinheiten und/oder Aufteil-Steuermittel zum gleich- mäßigen Aufteilen des Stroms in den parallelgeschalteten Energierspeichereinhei- ten umfassen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die genannte Steuervorrichtung Betriebsdaten- Übertragungsmittel zum Übertragen von Betriebsdaten der zumindest einen Ener- giespeichervorrichtung an einen zentralen Server und/oder eine Cloud umfassen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die interne Steuervorrichtung der Energiespeichervorrichtung, insbesondere zumindest eines der vorgenannten Steuermittel, parametrierbar ausgebildet sein, um über entsprechende Vorgabe von Parametern die genannten Funktionalitäten verändern zu können. Ein Parametrie- rungs-Baustein kann vorteilhafter Weise über eine USB-Schnittstelle und/oder eine Profinet-Schnittstelle mit einem externen oder internen Parametrierungs-Gerät, bei spielsweise einem PC-Programm OPAL kommunizieren, um die gewünschte Pa- rametrierung vorzunehmen.

Vorteilhafterweise kann mittels des genannten Parametrierungs-Bausteins zumin- dest eine der folgenden Funktionalitäten parametriert bzw. angepasst werden:

-zumindest ein Kommunikationsparameter,

-zumindest ein Parameter zur Leistungselektronik wie beispielsweise der ma- ximale Strom, eine minimale und/oder maximale Spannung, zumindest ein Sensor, zumindest eine Schaltzeit und/oder zumindest eine Schaltfrequenz, -zumindest ein Betriebsmodus, beispielsweise ein Steuerungs-Modus über ei- nen Feldbus und/oder ein Master-/Slave-Modus und/oder ein Fehlerreaktions- Modus,

-zumindest eine Überwachungsfunktion wie beispielsweise die Vorgabe eines Grenzwerts für eine Kühlvorrichtung und/oder eine Symmetrierungsfunktion und/oder eine Spannung, und/oder zumindest ein Grenzwert für Strom und Leistung der Energiespeichervorrichtung und/oder der Antriebsvorrichtung, -Nenndaten der Energiespeichervorrichtung wie beispielsweise Nennkapazität und/oder Nennstrom und/oder Induktivität,

-eine Einstellung zumindest eines Reglers. Die genannte Energiespeichervorrichtung kann dabei grundsätzlich verschieden beschaffen sein, beispielsweise als Speicherzelle einen Akku und/oder einen Kon- densator umfassen. Insbesondere vorteilhaft kann die zuvor beschriebene Steuer- vorrichtung Verwendung finden bei einer bipolar ausgebildeten Speichereinheit.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Energiespeichervorrichtung einen DC/DC- Steller aufweisen, der bidirektional ausgebildet ist, um den Speicherblock sowohl laden als auch Strom aus dem Speicherblock bereitstellen zu können, wobei die Steuerungseinheit der Energiespeichervorrichtung Abgabe- und Einspeisesteuer- mittel zum Ansteuern des DC/DC-Stellers sowohl beim Abgeben von Strom aus dem Speicherblock an den Gleichspannungskreis als auch beim Einspeisen von Strom aus dem Gleichspannungskreis in den Speicherblock aufweist, und der ge- nannte DC/DC-Steller, der Speicherblock und die Steuerungseinheit zu einer Ener- giespeichereinheit mit einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst sind, in dem der DC/DC-Steller, der Speicherblock und die Steuerungseinheit aufgenom- men sind und an dessen Außenseite zwei Anschlüsse zum Anschließen an den Gleichspannungskreis vorgesehen sind. Es erfolgt also sowohl die Einspeisung als auch die Abgabe von Strom in den bzw. aus dem Speicherblock über den DC/DC- Steller, der sowohl die Stromabgabe als auch die Einspeisung steuert, so dass eine einfache Anbindung an den Gleichspannungskreis des Antriebssystems möglich ist. Dabei bildet die Energiespeichervorrichtung ein integrales Gesamtsystem, welches die beteiligten und benötigten Komponenten in einem einzigen Gehäuse zusam- menführt, in das auch die Steuerung für das Energiemanagement eingebaut ist. Im Wesentlichen müssen lediglich die beiden an der Gehäuseaußenseite vorhandenen Anschlüsse mit dem Gleichspannungskreis des Antriebssystems verbunden wer- den, wobei die Steuerungseinheit im Inneren des Gehäuses der Energiespeicher- Vorrichtung die notwendigen Steuerungs- und Regelgrößen an das Antriebssystem anpasst.

Der Speicherblock der Energiespeichervorrichtung kann insbesondere zumindest einen Kondensator, vorzugsweise in Form eines Doppelschichtkondensators, zur Energiespeicherung umfassen, wobei prinzipiell aber auch zumindest eine Batterie oder ein Akkumulator zusätzlich oder alternativ zu einem solchen oder mehreren Kondensatoren vorgesehen sein kann.

Um thermische Probleme der Energiespeichervorrichtung zu vermeiden, kann der zumindest eine Speicherblock und/oder der DC/DC-Steller und/oder die Steue- rungseinheit im Inneren des gemeinsamen Gehäuses an einen Kühlkreis angebun- den werden, der vorzugsweise am Gehäuse Kühlmittelanschlüsse zum Anschlie- ßen an einen externen Kühlkreis aufweisen kann, um die in das Kühlmittel gelan- gende Wärme aus dem Speicherblock und/oder dem DC/DC-Steller und/oder der Steuerungseinheit aus dem Gehäuse herausführen und extern abgeben zu können. Um eine einfache Montage zu ermöglichen, können die genannten Kühlmittelan- schlüsse steckbar ausgebildet sein, so dass lediglich die Kühlmittelleitungen des externen Kühlkreises an das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeschlos- sen werden müssen.

Vorteilhafterweise kann der interne und/oder externe Kühlkreis und dessen Bauteile wie Kühlmittelumwälzer, Kühlluftgebläse, Schaltventile, Durchflussregler und der- gleichen temperaturabhängig von der Steuereinheit im Inneren der Energiespei- chervorrichtung angesteuert werden, insbesondere in Abhängigkeit der Temperatur einer Komponente im Inneren des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung und/oder einer Umgebungstemperatur. Hierzu kann zumindest ein Temperatur- sensor vorgesehen und mit der Steuereinheit verbindbar sein, welcher die genann- te Bauteil- und/oder Umgebungstemperatur und/oder Gehäuseinnenraumtempera- tur misst. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit mit einem Durchfluss- messer verbindbar sein, um die Durchflussmenge des Kühlmediums regeln zu kön- nen.

Um nicht nur die Kühlmittelleitungen einfach an das Gehäuse anstecken zu kön- nen, können auch die elektrischen Anschlüsse und/oder die Signalanschlüsse der Energiespeichervorrichtung an der Gehäuseaußenseite steckbar bzw. als Stecker ausgebildet sein, so dass die entsprechenden Strom- bzw. Signalleitungen lediglich angesteckt werden brauchen. Um eine einfache Handhabung und einen einfachen Transport der Energiespei- chervorrichtung zu ermöglichen, kann das Gehäuse, in das die Komponenten des Moduls integriert sind, teilbar ausgebildet sein und mehrere Gehäuseteile umfas- sen, die zu dem gemeinsamen Gehäuse zusammensetzbar sind, in das zumindest der DC/DC-Steller, der Speicherblock und die Steuereinheit integriert sind. In die verschiedenen Gehäuseteile können verschiedene elektrische Komponenten un- tergebracht sein, die beim Zusammensetzen der Gehäuseteile durch lösbare Ver- bindungsmittel, insbesondere Steckkontakte, miteinander verbunden werden kön- nen. Beispielsweise können Steckverbindungsteile an den Schnittstellen der Ge- häuseteile oder anderswo so angebracht sein, dass beim Zusammensetzen bzw. Aneinanderfügen zweier Gehäuseteile automatisch auch die Steckverbindungen geschlossen werden bzw. in Eingriff geraten, um die elektronischen Komponenten, die in den beiden Gehäuseteilen untergebracht sind, miteinander zu verbinden.

Um einen sicheren, gefahrlosen Gebrauch der Energiespeichereinheit sicherzustel- len, kann in Weiterbildung der Erfindung eine Warnsignaleinrichtung zum Abgeben eines Warnsignals vorgesehen sein, wenn die Energiespeichereinheit noch mit Energie geladen ist und insofern an den äußeren Anschlusskontakten noch Span- nung anliegen kann und damit ein mögliches Gefahrenpotential vorhanden ist. Die Warnsignaleinrichtung kann beispielsweise visuell ausgebildet sein und ein von außen sichtbares Warnsignal bereitstellen, ggf. aber auch akustisch oder in anderer Weise arbeiten.

Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Warnsignaleinrichtung kann vorteilhaf- terweise auch ein elektrischer Trennschalter zum Abtrennen des Speicherblocks und/oder zum Energielosschalten der Anschlüsse am Gehäuse vorgesehen sein, wobei der genannte Trennschalter intern bzw. im Inneren des Gehäuses der Ener- giespeichereinheit als Trennschaltung ausgebildet sein kann. Mit Hilfe eines sol- chen elektrischen Trennschalters können die aus dem Energiespeichersystem her- ausführenden Anschlüsse elektrisch spannungslos gemacht werden, wodurch das Gefahrenpotential beträchtlich reduziert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Energiespeichervorrichtung auch eine vorzugs- weise integrierte Entladeschaltung umfassen, die vorteilhafterweise von außen her betätigbar bzw. auf ein Kommando von außen her die im Speicherblock noch ent- haltene Energie in Wärme umwandeln kann. Dementsprechend kann durch ein von außen her an die Energiespeichereinheit gebbares Steuersignal der Speicherblock entladen werden, beispielsweise wenn die Energiespeichervorrichtung vom An- triebssystem abgekoppelt werden soll.

Vorteilhafterweise kann das Gehäuse in einer ausreichend hohen IP-Schutzklasse ausgebildet sein, die den Eisnatz des Speichersystems im Freien ermöglicht. Vor- teil hafterweise ist die Energiespeichervorrichtung mechanisch derart ausgebildet, daß sie auch bei höheren Vibrationsbelastungen, wie sie bei mobilen Arbeitsma- schinen wie Bausmaschinen und Kranen Vorkommen, einsetzbar ist, bspw. durch entsprechend starke Ausbildung des Gehäuses und/oder dämpfende Einbettung der elektrischen Komponenten im Gehäuse und/oder geeignete Ausbildung der elektrischen Komponenten selbst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und zu- gehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung mit ei- ner variabel konfigurierbaren Steuervorrichtung nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung,

Fig. 2: eine schematische Darstellung der Steuerungsvorrichtung der Energie- speichervorrichtung aus Fig. 1 , wobei das Controller-Board, das auf das Controller-Board aufgesteckte Kommunikations-Board und das mit dem Controller-Board verbundene Adaptions-Board der Steuervorrichtung dargestellt sind, Fig. 3: eine schematische Darstellung mehrerer parallel geschalteter Energie- speichereinheiten, die von der zuvor gezeigten Steuervorrichtung der Fig. 2 in einem Master-/Slave-Betriebsmodus steuerbar sind,

Fig. 4: eine schematische Darstellung zweier Energiespeichereinheiten, die je- weils in ein gemeinsames Gehäuse integriert einen Speicherblock, eine Steuerungsvorrichtung und einen DC/DC-Steller umfassen, zueinander parallel geschaltet angeordnet sind und gleichberechtigt miteinander so- wie mit einer übergeordneten Steuerung kommunizierende Steuerungs- Vorrichtungen umfassen,

Fig. 5: eine schematische Darstellung zweier Energiespeichereinheiten, die zu- einander parallel geschaltet angeordnet sind, im Gegensatz zur Ausfüh- rung nach Fig. 4 jedoch durch die Steuerungsvorrichtung als Master- und Slave-Einheiten fungieren,

Fig. 6: eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit Netzspeisung und ein über einen Frequenzumrichter gesteuerten Elektromotor, wobei der Frequenzumrichter aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis ver- sorgt wird, an welchen die Energiespeichervorrichtung aus den Figuren 1 bis 5 anbindbar ist, und

Fig. 7: eine schematische Darstellung der Anbindung des Speicherblocks aus den Figuren 4 und 5 an den Gleichspannungs-Zwischenkreis aus Fig. 6 über einen DC/DC-Steller.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines Antriebssystems 1 , an das die in den Figuren 1 bis 5 beispielhaft gezeigten Energiespeichervorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung angebunden werden können. Das Antriebssystem 1 kann einen Elektromotor M umfassen, der über eine Leistungselektronik 2 von einer Stromquel- le bzw. Spannungsquelle 5 her versorgt werden kann, wobei die genannte Strom- quelle 5 ein Netzanschluss, oder auch ein Generator sein kann, der beispielsweise von einem Dieselmotor angetrieben werden kann, wie dies häufig bei Baumaschi- nen der Fall ist. Der genannte Elektromotor M kann verschiedene Stellaggregate antreiben. Beispielsweise kann dies, wie eingangs erwähnt, ein Hubwerk und/oder ein Verfahrantrieb einer Hubvorrichtung beispielsweise in Form eines Personen- und/oder Lastenaufzugs eines Gebäudes, oder aber auch in Form eines Krans, insbesondere eines Containerbrückenkrans sein, oder ein Stellantrieb oder ein An- triebsaggregat einer mobilen Baumaschine wie beispielsweise eines Fahrmischers.

Wie Fig. 6 zeigt, kann die Leistungselektronik 2 einen Frequenzumrichter 3 umfas- sen, der den Elektromotor M ansteuert und versorgt. Der genannte Frequenzum- richter 3 kann wiederum aus einem Gleichspannungskreis bzw. Gleichspannungs- Zwischenkreis 4 versorgt werden, der an die Stromquelle 5 angebunden ist und als Gleichrichter arbeiten kann. Insbesondere kann der genannte Gleichspannungs- Zwischenkreis 4 einen Zwischenkreiskondensator C1 umfassen, an dessen beiden Spannungsanschlüssen eine Energiespeichervorrichtung 6 angeschlossen werden kann, wie dies in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist. Insbesondere kann die Anbin- dung des zumindest einen Speicherblocks 7 der Energiespeichervorrichtung 6 über einen DC/DC-Steller 8 erfolgen, der die Ausgangsspannung U2 des Speicherblocks 7 an die Spannung U1 des Gleichspannungs-Zwischenkreises 4 anbindet, vgl. Fig. 7.

Wenn der Elektromotor M des Antriebssystems 1 antreibt, wird Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 4 entnommen und dem Elektromotor M zugeführt, wobei die Nachlieferung der Energie aus der Stromquelle 5 über den Netzgleich- richter erfolgt, der in Fig. 6 den linken Schaltungsteil der Leistungselektronik 2 bil- det. Wenn der Elektromotor M jedoch bremst, wird Energie vom Elektromotor M in das Gleichspannungssystem eingespeist. In herkömmlichen Systemen ohne Ener- giezwischenspeicherung wird diese rückgespeiste Energie üblicherweise, die in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen R1 gekennzeichnet sind, zu Wärme vernichtet, wo- bei solche Hochlastwiderstände mittels elektronischen Schaltern T5 über das Gleichspannungssystem geschaltet werden können, um eine Zerstörung der Leis- tungselektronik durch die rückgespeiste Energie zu vermeiden. Das beispielsweise an die Anschlüsse des Zwischenkreiskondensators C1 ange- schlossene Energiespeichersystem dient nun dazu, die rückgespeiste Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 4 nicht zu vernichten, sondern sie aufzuneh- men und zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung zu stellen. Der Ener- giespeicher selber kann hierbei aus verschiedenen elektrischen Komponenten ge- bildet sein, welche hierzu in Frage kommen. Dies können insbesondere Doppel- schichtkondensatoren sein, oder auch Batteriezellen oder Akkumulatoren, wie sie in Notstromanlagen in Gebrauch sind. Beispielsweise kann aus mehreren solcher Zel- len - beispielsweise mehreren Doppelschichtkondensatoren - durch Reihen- und/oder Parallelschaltung ein Speicherblock 7 gebildet sein, der je nach Zellentyp und Ladungszustand eine veränderliche Summenspannung abgibt.

Die Schaltung wird nun vorteilhafterweise so ausgelegt, dass die maximale Span- nung des Speicherblocks 7 niedriger ist als die minimale Spannung des Gleich- spannungs-Zwischenkreises 4. Wie Fig. 7 zeigt, kann die Ausgangsspannung U2 des Speicherblocks 7 beispielsweise im Bereich von 250 bis 500 V liegen, während die Spannung U1 über den Anschlüssen des Gleichspannungs-Zwischenkreises 4 beispielsweise 650 V betragen kann.

Der DC/DC-Steller 8 verbindet nun die beiden Spannungssysteme miteinander, wobei die Schaltung des DC/DC-Stellers in der Lage ist, Energie vom hohen Span- nungspegel in den niedrigen Spannungspegel zu transferieren, was dem Laden des Speicherblocks 7 entspricht, und auch in die andere Richtung zu transferieren, was dem Ausspeichern bzw. einem Energietransfer vom Speicherblock 7 in den Zwi- schenkreis 4 entspricht, vgl. Fig. 7.

Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, zeichnet sich die Energiespeichervorrichtung 6 vorteilhafterweise durch eine Plug- and-Play-Konfiguration aus, so dass die Ener- giespeichervorrichtung 6 nach Art einer Blackbox einfach an den Zwischenkreis 4 anschließbar ist. Dabei sind jeweils ein Speicherblock 7, der wie erwähnt aus meh- reren Speicherzellen beispielsweise in Form von Doppelschichtkondensatoren be- stehen kann, zusammen mit einem DC/DC-Steller 8 und einer Steuerungsvorrich- tung 9, die das Energiemanagement der Energiespeichervorrichtung bewerkstelligt, zu einer Energiespeichereinheit zusammengefasst und in ein gemeinsames Ge- häuse 10 integriert, welches, wie erwähnt, aus verschiedenen Gehäuseteilen zu- sammengesetzt sein kann. An der Außenseite des Gehäuses 10 einer Energie- speichereinheit sind lediglich zwei Leistungsanschlüsse 11 und 12, die vorteilhaf- terweise als Stecker ausgeführt sein können, sowie Signalleitungsanschlüsse 13 vorgesehen, über die die Steuerungsvorrichtung 9 mit einer übergeordneten Steue- rung PLC bzw. der Steuerungsvorrichtung 9 einer anderen Energiespeichereinheit kommunizieren kann, beispielsweise über ein Bussystem. Ferner können an dem Gehäuse 10 einer Energiespeichereinheit jeweils Kühlmittelanschlüsse 14 vorge- sehen sein, um einen in das Gehäuse 10 integrierten Kühlkreis zur Kühlung des Speicherblocks 7 und/oder des DC/DC-Stellers 8 und/oder der Steuerungsvorrich- tung 9 an einen externen Kühlkreis der Arbeitsmaschine anschließen zu können.

Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, kann die genannte interne Steuervorrichtung 9 der Energiespeichervorrichtung 6 ein Controller-Board 90 umfassen, welches verschie- dene Steuerungsfunktionen der Energiespeichervorrichtung 6 steuert und/oder re- gelt, insbesondere den zuvor genannten DC/DC-Steller 8 kontrolliert und weitere Steuerungsfunktionen ausführt, die noch erläutert werden.

Das genannte Controller-Board 90 kann dabei einen Mikrocontroller 91 umfassen, der beispielsweise einen oder mehrere Software-Bausteine abarbeiten kann, die in einem nicht näher gezeigten Speicherbaustein abgelegt sein können. Ferner kann das genannte Controller-Board 90 einen sogenannte FPGA-Baustein, also ein Field-Programmable Gate Array umfassen, vgl. Bezugsziffer 92 in Fig. 2.

Weiterhin umfasst das Controller-Board 90 vorteilhafter Weise mehrere Hardware- Schaltkreise, um verschiedene Steuerungsfunktionen zu implementieren. Die Steuervorrichtung 9 umfasst weiterhin vorteilhafter Weise ein Communication- Board 95, welches auf das genannte Controller-Board 90 aufgesteckt werden kann und eine Feldbus-Kommunikation umsetzen kann.

Wie Fig. 2 zeigt, umfasst das genannte Controller-Board 90 ferner eine Vielzahl von Signal- und/oder Versorgungsanschlüssen, die beispielsweise in Form von lösba- ren Steckverbindungen 93 ausgebildet sein können, um mit dem noch zu beschrei- benden Adaptions-Board 96 lösbar verbunden werden zu können.

Ferner kann das Controller-Board 90 mehrere Eingänge 94 beispielsweise in Form von Steckkontakten zum Anschließen verschiedener Sensoren aufweisen.

Das schon erwähnte Adaptions-Board 96 der Steuervorrichtung 9 umfasst vorteil hafter Weise mehrere Adaptions-Schaltkreise 100 beispielsweise in Form von Flardware-Schaltkreisen, mittels derer empfangene Signale angepasst und/oder transformiert und/oder kanalisiert und/oder verteilt werden können, beispielsweise um Eingangssignale der übergeordneten bzw. externen Systemsteuerung der An- triebsvorrichtung auf die Bedürfnisse der integrierten Steuervorrichtung 9 anpassen und dorthin übertragen zu können und/oder umgekehrt Steuerungssignale, Be- triebsdaten und/oder erfasste Parameter von der internen Steuervorrichtung 9 an- passen und/oder transformieren und/oder an die Bedürfnisse der externen System- steuerung anpassen zu können und an diese passend bereitstellen zu können.

Das genannte Adaptions-Board 96 umfasst dabei vorteilhafter Weise eine Vielzahl von Schnittstellen 97 beispielsweise in Form von Steckern, um mit dem Controller- Board 90, insbesondere dessen Steckkontakten 93 verbunden werden zu können, um zwischen dem Controller-Board 90 und dem Adaptions-Board 96 entsprechen- de Signale und/oder Befehle und/oder Daten austauschen zu können.

Zusätzlich zu den genannten Schnittstellensteckern für das Controller-Board 90 kann das Adaptions-Board 96 ferner auch Sensoranschlüsse 99 zum Anschließen verschiedener Sensoren umfassen, die in der Energiespeichervorrichtung 6 oder auch als externe Sensoren an der Antriebsvorrichtung vorgesehen sein können.

Die genannte Steuervorrichtung 9 umfassend das Controller-Board 90, das Adapti- ons-Board 96 und das Kommunikations-Board 95 kann insbesondere dazu konfigu- riert sein, folgende Steuerungsfunktionen und Überwachungsfunktionen auszufüh ren:

• Zustandsmaschine für den Betrieb des Energiespeichers

o Automatische Vorladung des internen Zwischenkreises

o Automatisches Verbinden und Trennen zum externen Zwischenkreis o Automatisches Vorladen auf die initiale Spannung (parametrierbar)

• Erfassen der verschiedenen Sensoren:

o Spannung

o Strom

o Temperatur

o Durchfluss

• Erzeugung der Steuersignale für die Leistungselektronik

• Regelung des Stroms im Speicher

• Verschiedene vordefinierte Betriebsarten des Energiespeichers

o Regelung der Zwischenkreisspannung

o Regelung der Zwischenkreisspannung mit Sollwertfenster

o Regelung des Zwischenkreisstroms

o Regelung der Leistung

o Regelung des Ladezustands

o Aktives Entladen des Speichers

• Selbsttest der Leistungselektronik • Limitierungen: (parametrierbar)

o beim Erreichen von Speicher Spannungsgrenzen

o Beim Erreichen von Speicher Stromgrenzen

o Beim Erreichen von Zwischenkreis Stromgrenzen

o Beim Erreichen von Zwischenkreis Leistungsgrenzen

o Beim Erreichen von Temperaturgrenzen

• Überwachungen:

o Überstrom im Energiespeicher

o Überspannung

(Zwischenkreis, Spannung im Energiespeicher und den einzelnen Speicherblöcken)

o Übertemperatur (Kühlwasser, Speicherblöcke, Innenraum, Drosseln) o Zustand der Relais

o Kühlung (Durchfluss, Kühlaggregat)

o der Leistungselektronik

o Berechnung der zu erwartenden Rest-Lebensdauer des Speichers o Speicherzustand durch Automatisches Ausmessen der Speicher- nenndaten Kapazität und Innenwiderstand

o der Symmetrierfunktion der Speicherzellen

• Feldbuskommunikation zu externen Systemen.

o Vorgabe der Betriebsart, Starten Stoppen

o Vorgabe von Sollwert für die jeweilige Betriebsart

o Vorgabe von veränderbaren Limits während des Betriebs

o Vorsteuerwert für die jeweilige Reglung bzw. Betriebsart o Auslesen des aktuellen Status des Energiespeichers

o Auslesen von aktuellen Betriebsdaten • Speichern von Statistischen Daten in der Steuerung

o Zeitverteilung Speichertemperatur

o Zeitverteilung Leistung

o Zeitverteilung Strom im Speicher

o Zeitverteilung Spannung im Speicher

• Master/Slave Betrieb für die Parallelschaltung von bis zu 10 Energiespeichern o Kommunikation der Energiespeicher untereinander über den CAN- Bus CAN intern

o Synchronisation der Spannung der verschiedenen parallel geschalte- ten Speicher

o Gleichmäßiges Aufteilen des Stroms in den parallelgeschalteten Speichern

• Übertragung der Energiespeicher Betriebsdaten an einen zentralen Server (Cloud)

• In der Steuerung kann über Parameter die Funktionalität verändert werden.

Die Parametrierung kann über die USB Schnittstelle oder die Profinet Schnitt- steile und dem PC-Programm Opal vorgenommen werden.

Folgende Funktionalitäten können über Parameter angepasst werden:

o Kommunikationsparameter

o Parameter zur Leistungselektronik (Max Strom, MinMax Spannung, Sen- soren, Schaltzeiten, Schaltfrequenz)

o Betriebs-Modus (Steuerung über Feldbus oder Connect&Use), Master- Slave Modus, Fehlerreaktion)

o Überwachungsfunktionen

- Grenzwert für Kühlung, Symmetrierungsfunktion, Spannung

- Grenzwerte für Strom und Leistung

o Nenndaten zum Speicher (Nennkapazität, Nennstrom, Induktivität, ..) o Einstellung der Regler der verschiedenen Betriebsarten Wie Fig. 1 zeigt, können mehrere solcher Energiespeichereinheiten parallel ge- schaltet und in dieser Konfiguration an den Gleichspannungs-Zwischenkreis 4 an- gebunden werden, wobei die nach außen führenden Leistungsanschlüsse 11 und 12 direkt parallel geschaltet werden können, d.h. + auf + und - auf -. Die miteinan- der verbundenen Steuerungsvorrichtungen 9 der Energiespeichereinheiten kom- munizieren miteinander über den Steuerungsbus und unterstützen die genannte Parallelschaltung insbesondere derart, dass automatisch alle Speicherblöcke der parallel geschalteten Einheiten auf einen einheitlichen Energiebetrag eingeregelt werden. Die Speicherblöcke 7 können dabei jeweils über eine Symmetrierschaltung verfügen, welche die Einzelspannungen der Speicherzellen zu einem möglichst einheitlichen Wert führt.

Wie Fig. 2 zeigt, können die Steuerungsvorrichtungen 9 der parallel geschalteten Energiespeichereinheiten auch hierarchisch miteinander kommunizieren, wobei eine Steuerungsvorrichtung 9 als Mastereinheit fungiert, die die anderen, als Slave- Einheiten fungierenden Steuerungsvorrichtungen 9 ansteuert, mit Steuerungsvor- gaben und/oder direkten Steuerbefehlen versorgt, sowie mit der übergeordneten Systemsteuerung PLC kommuniziert.

Die Steuerungsvorrichtungen 9 der Speichereinheiten können dabei die eingangs bereits näher erläuterten Steuer- und/oder Regelmittel umfassen und mit entspre- chenden Sensoren, Erfassungsschaltungen oder Sensorschaltungen versehen sein bzw. verbunden sein, so dass die Energiespeichervorrichtung 6 bzw. deren Ener- giespeichereinheiten, die in Parallelschaltung zusammengefasst sein können, die ebenfalls bereits eingangs erläuterten Funktionen ausführen können.