TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum parallelen oder seriellen Anschließen mehrerer Batterieeinheiten an einen zweipoligen Eingang eines Messeinrichtungen aufweisenden bidirektionalen Batteriewandlers, das die Schritte des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen bidirektionalen Batteriewandler zum parallelen oder seriellen Anschließen mehrerer Batterieeinheiten mit einem zweipoligen Eingang, mit Messeinrichtungen für mindestens einen relevanten Parameter der an den Eingang angeschlossenen Batterieeinheiten und mit einer Steuerung, die einen Betriebsmodus zur Durchführung des Verfahrens aufweist. Außerdem bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren noch auf einen Photovoltaikwechselrichter mit einem solchen Batteriewandler.

STAND DER TECHNIK

Aus der WO 02/39563 A1 sind eine Batterieladevorrichtung sowie Verfahren zum Laden von Batterien mittels eines Stromversorgungsmoduls bekannt. Dabei umfasst eine Batterie mehrere in Serie geschaltete Batterieblöcke. Die einzelnen Batterieblöcke der Batterie werden einmal pro Ladezyklus nacheinander für eine bestimmte Zeitdauer geladen, und der Ladezyklus wird so viele Male wiederholt, bis die einzelnen Batterieblöcke einen definierten Ladezustand erreicht haben oder die Stromversorgung unterbrochen wird. Die bekannte Batterieladevorrichtung ist insbesondere zum Laden von Batterien für Elektromobile vorgesehen. In einer Ausführungsvariante des bekannten Verfahrens erfolgt das Umschalten von einem Batterieblock auf den nächsten während eines Ladezyklus automatisch mittels eines Umschalters. Das Umschalten kann dabei elektronisch und/oder elektronisch gesteuert erfolgen. In einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt das Laden eines einzelnen Batterieblocks pro Ladezyklus während einer Zeitdauer von 30 bis 300 Sekunden. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass bei einem vorzeitigen Abbruch des Ladens die Batterieblöcke keine zu großen Ladungsunterschiede aufweisen.

Aus der DE 10 2005 045 107 A1 sind ein Ladeverfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Batterien und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben bekannt. Bei dem Ladeverfahren wird neben einem Hauptladevorgang einer Batterie mit mindestens zwei in Serie geschalteten Batteriezellen ein H ilfsladevorgang durchgeführt. Dieser weist die Schritte selektives Laden zumindest einer ausgewählten Batteriezelle über den normalen Ladezustand der Batterie hinaus und Ausgleichen des Ladezustands der ausgewählten Batterie auf den normalen Ladezustand der Batterie auf. Es ist also zur Verlängerung der Lebensdauer von Batterien vorgesehen, eine Batteriezelle innerhalb einer Serienschaltung von Batteriezellen auszuwählen und danach voll zu laden und dann nach dem Vollladen den Ladezustand dieser ausgewäh lten Batteriezellen wieder den Ladezuständen der anderen Batteriezellen anzugleichen. Das selektive Laden erfolgt unter Verwendung eines Hilfsladereglers. Das Ausgleichen des Ladezustands erfolgt dissipativ. Um jederzeit einen Ü berblick über die Zustände der Batteriezellen u nd der Gesamtbatterie zu erhalten , wird zumindest ein Batterieparameter ständig überwacht. Aus der DE 20 2006 003 587 U1 ist eine Batterieladeausgleichsschaltung mit einer elektrischen Ladequelle bekannt. Wenigstens zwei Batterien sind in einer Parallelschaltung mit der elektrischen Ladequelle verbunden. Ein Kaltleiter ist als definierter Strombegrenzer vorgesehen, über den die Verbindung zweier Pluspole aufeinanderfolgender Batterien hergestellt ist. Mittels des Kaltleiters wird auf einfache Weise ein automatischer Batterieladeausgleich mit sich selbst anpassender Strombegrenzung erreicht. Zugleich wird eine Überlastung der elektrischen Ladequelle verhindert.

Aus der DE 1 0 201 0 01 1 279 A1 sind ein Verfah ren zum Lad ungsausgleich in einem Batteriesystem und ein Batteriesystem mit einer Ladungsausgleichsschaltung bekannt. Der Ladungsausgleich erfolgt zwischen zwei Zellen eines Zellverbunds des Batteriesystems, die eine Ruhespannung haben. Die Ladungsausgleichsschaltung lädt in einem ersten Zustand einen Energiezwischenspeicher auf. I n einem zweiten Zustand der Ladungsausgleichs- Schaltung lädt der Energiezwischenspeicher eine der beiden Zellen mit einer Aufladespannung auf. Diese Aufladespannung ist höher als jede der beiden Ruhespannungen der Zellen. I nsbesondere kann der Ladu ngsausgleich zwischen zwei Zellen eines Zellverbundes durchgeführt werden. Das heißt eine erste Zelle liefert die Energie, welche auf die zweite Zelle übertragen wird. Insbesondere kann der Ladungsausgleich im Zusammenhang mit einem Spannungsausgleich auftreten.

Aus der DE 10 2009 027 685 A1 ist eine solargestützte Batterieladevorrichtung, insbesondere für ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug, bekannt. Die Batterieladevorrichtung weist eine Ansteuervorrichtung mit einer Anschlusseinrichtung zur Aufnahme einer von einem Solarmodul gelieferten Ladespannung auf. Die Ansteuerungseinrichtung schaltet die von dem Solarmodul gelieferte Ladespannung selektiv an einen oder mehrere der Zellenblöcke eines Hochvoltspeichers durch, der in mehrere Zellenblöcke aufgeteilt ist, die über eine geringere Nennspannung als der gesamte Hochvoltspeicher verfügen. Eine Messeinrichtung misst einen oder mehrere Parameter der mehreren Zellenblöcke des Hochvoltspeichers. Eine Steuereinrichtung schaltet basierend auf dem einen oder mehreren gemessenen Parameter(n) entsprechend einer d u rch die Steuereinrichtung implementierte Steuerungslogik die vom Solarmodul gelieferte Ladespannung selektiv an den einen oder die mehreren der Zellenblöcke durch, um dadurch den einen oder die mehreren Zellenblöcke, an die die Ladespannung durchgeschaltet wird, selektiv aufzuladen. So wird die Spannung des Solarmoduls zumindest größenordnungsmäßig an die Ladespannung des zu ladenden Hochvoltspeichers angepasst.

Aus der DE 197 36 414 A1 ist ein Elektromotorfahrzeug bekannt, bei dem ein bidirektionaler Aufwärtssteiler Teil einer Batterieschaltung ist. Ein Haupt-Schaltschütz wird zum Trennen eines Batterieblocks von einem anderen ausgeschaltet, wobei Schaltschütze zur Verbindung eines ersten Batterieblocks mit einem Anschlusspaar des bidirektionalen Aufwärtsstellers und zur Verbindung eines zweiten Batterieblocks mit einem anderen Anschlusspaar des bidirektionalen Aufwärtsstellers eingeschaltet werden. Eine Wiederauffrischungsentladung des ersten Batterieblocks oder eine Angleichsaufladung des zweiten Batterieblocks wird durch Anhebung der Ausgangsleistung des ersten Batterieblocks und Verwendung dieser Ausgangsleistung zur Aufladung des zweiten Batterieblocks ausgeführt. Die Anhebungsrichtung des bidirektionalen Aufwärtsstellers wird zur Ausführung einer Angleichsaufladung des ersten Batterieblocks oder einer Wiederauffrischungsentladung des zweiten Batterieblocks verändert. Die Anhebungsrichtung wird erneut zum Ausgleich der Batterieblockladezustände verändert. Dadurch wird der Bedarf einer Aufladeeinrichtung zur Angleichsaufladung oder einer Entladeeinrichtung zur Wiederauffrischungsentladung beseitigt.

Aus der DE 10 201 1 089 312 A1 sind ein System und ein Verfahren zum Laden der Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung bekannt. Die Energiespeichereinrichtung umfasst mehrere parallel geschaltete Energieversorgungszweige, die jeweils eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichermodulen aufweisen. Neben mindestens einer Energiespeicherzelle umfasst jedes Energiespeichermodul eine Koppeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken. Eine Steuereinrichtung, steuert die Koppeleinrichtung so an, dass zum Laden der Energiespeicherzellen immer nur so viele Energiespeichermodule in dem jeweiligen Energieversorgungszwei g g e ko p pe l t s i n d , d a s s e i n e m ax i m a l m ög l i ch e Ladespannung für die Energiespeichereinrichtung nicht überschritten wird. Dabei können unterschiedliche Ladezustände von Energiespeicherzellen, welche beispielsweise betriebsbedingt oder alterungsbedingt auftreten kön nen , bereits wäh rend des Ladevorgangs ausgeglichen werden, ohne dass dafür ein Cell-Balancing-Verfahren notwendig ist.

Die US 201 1 /0140649 A1 offenbart ein Energiespeichersystem zum Laden und Entladen mehrerer Batterieeinheiten. Die Batterieeinheiten sind über eine gleich große Za h l bidirektionaler Batteriewandler an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, an den auch eine Energiequelle variabler Leistung, wie beispielsweise ein Photovoltaikgenerator, über einen DC/DC-Wandler angeschlossen ist. Aus dem Gleichspannungszwischenkreis speist sich ein Wechselrichter, der an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Die Batterieeinheiten sind über eine Schalteinrichtung mit den bidirektionalen Batteriewandlern verbunden. Die Schalteinrichtung erlaubt es, die Batterieeinheiten insgesamt oder teilweise parallel zu schalten und diese Parallelschaltung mit allen oder nur mit einem Teil der Batterieinverter zu verbinden. Ebenso kann eine Batterieeinheit, beispielsweise im Falle eines Defekts, abgeschaltet und ausgetauscht werden , oh ne die Funktion des Systems unter Verwendung der anderen Batterieeinheiten zu beeinträchtigten.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum parallelen oder seriellen Anschließen mehrerer Batterieeinheiten an einen zweipoligen Eingang eines Messeinrichtun- gen aufweisenden bidirektionalen Batteriewandlers aufzuzeigen, mit dem Batterieeinheiten, die zunächst unbekannte Zustände aufweisen, ohne großen apparativen Aufwand parallel oder seriell gemeinsam an den Eingang des Batteriewandlers angeschlossen werden können, um sie in sinnvoller Weise als geschlossene Batteriebank zu betreiben. Darüber hinaus sollen ein entsprechender Batteriewandler und ein damit ausgestatteter Photovoltaikwechselrichter aufgezeigt werden.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch einen Batteriewandler mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 13 gelöst. Der weitere nebengeordnete Patentanspruch 15 ist auf einen Photovoltaikwechselrichter mit einem solchen Batteriewandler gerichtet. Die abhängigen Patentansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum parallelen oder seriellen Anschließen mehrerer Batterieeinheiten an einen zweipoligen Anschluss eines Messeinrichtungen aufweisenden bidirektionalen Batteriewandlers werden die Batterieeinheiten zunächst einzeln an den Eingang des Batteriewandlers angeschlossen. Dies dient dazu, mindestens einen relevanten variablen Parameter jeder einzelnen Batterieeinheit mit den Messeinrichtungen des Batteriewandlers zu erfassen und diesen relevanten Parameter der einzelnen Batterieeinheiten mit dem Batterie- wandler anzugleichen. Erst nachdem auf diese Weise der relevante Parameter der einzelnen Batterieeinheiten mit dem Batteriewandler angeglichen wurde, werden die Batterieeinheiten gemeinsam an den Eingang angeschlossen , um sie mit dem Batteriewand ler al s ei ne geschlossene Batteriebank zu betreiben.

Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt der Batteriewandler keine getrennten Eingänge für die einzelnen Batterieeinheiten , sondern er kommt mit einem zweipoligen Eingang aus. Entsprechend müssen auch nur an diesem einen zweipoligen Eingang Messeinrichtungen zum Erfassen des relevanten Parameters der Batterieeinheiten vorgesehen sein. Solange bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Batterieeinheiten einzeln an den zweipoligen Eingang des Batteriewandlers angeschlossen werden, messen die Messeinrichtungen jeweils den releva nten P ara m eter d er gerad e a n d em Eingang angeschlossenen Batterieeinheit. Aus diesen Messungen wird darauf geschlossen, inwieweit eine Veränderung des relevanten Parameters erforderlich ist, um ihn bei allen Batterieeinheiten anzugleichen. Auch dieses Angleichen erfolgt, während jeweils nur eine Batterieeinheit an dem zweipoligen Eingang des Batteriewandlers angeschlossen ist. Erst dann, wenn das Angleichen abgeschlossen ist, werden die Batterieeinheiten parallel oder seriell zusammengeschaltet, um sie gemeinsam mit dem zweipoligen Eingang des Batteriewandlers zu verbinden. Anschließend werden sie über den Batteriewandler als eine einzige geschlossene Batteriebank betrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, Unterschiede bei dem relevanten Parameter der einzelnen Batterieeinheiten mit geringem apparativem Aufwand zu beseitigen , bevor die Batterieeinheiten zusammengeschaltet und zum Betrieb als geschlossene Batteriebank mit dem Batteriewandler verbunden werden. Wenn die Batterieeinheiten parallel zusammengeschaltet werden sol len , ist es zur Vermeid ung von Ausgleichströmen zwischen den Batterien erforderlich, ihre Ausgangsspannungen vor dem Zusammenschalten aneinander anzugleichen. Wenn die Batterieeinheiten hingegen seriell verschaltet werden sollen, um eine Batteriebank auszubilden, ist es wichtig, auf gleiche Ladezustände zu achten, damit die insgesamt in der Batteriebank gespeicherte Energie auch tatsächlich verfügbar ist. Das erfindungsgemäße Angleichen der Werte des relevanten Parameters bei den einzelnen Batterieeinheiten erfordert nicht, dass diese Werte nach dem Angleichen exakt identisch sind. Vielmehr reicht es aus, wenn sie mit einer vordefinierten Toleranz von beispielsweise wenigen Prozent übereinstimmen.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, anhand des erfassten relevanten Parameters der einzelnen Batterieeinheiten festzustellen, ob diese überhaupt zum parallelen oder seriellen Zusammenschalten zu einer geschlossenen Batteriebank geeignet, d. h. kompatibel sind. Wenn dies nicht der Fall ist, ist ein entsprechendes Signal auszugeben, um das Zusammenschalten der Batterien zu verhindern. Weiterhin ist es möglich, dass der Batteriewandler den Betrieb der dennoch zusammengeschlossenen Batterieeinheiten als geschlossene Batteriebank verweigert, bis Batterieeinheiten, die zueinander passen, zunächst einzeln an seinen Eingang angeschlossen und erfolgreich auf Kompatibilität geprüft wurden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Parameter der einzelnen Batterieeinheiten mittels Leistungszufuhr oder -abfuhr aus einem bzw. in ein Wechselstromnetz angeglichen werden, das ausgangsseitig d irekt oder auch n u r i nd i rekt an den Batteriewand ler angeschlossen ist. Zumindest wi rd es dabei so sein , dass bei mi ndestens ei ner der Batterieeinheiten, deren mindestens ein relevanter Parameter verändert wird, elektrische Leistung über den Batteriewandler aus dem Wechselstromnetz zugeführt und/oder in das Wechselstromnetz abgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Leistungszufuhr aus einem bzw. in einen Photovoltaikgenerator erfolgen , mit dem gemeinsam der Batteriewandler an einen DC/AC- Wandler angeschlossen ist, we l ch e r d a n n a u sg a n g s se i ti g a n d as Wechselstromnetz angeschlossen sein kann . Das erfindungsgemäße Verfahren macht aber insbesondere von dem Wechselstromnetz als kombinierte Leistungsquelle und -senke quasi unendlicher Kapazität Gebrauch. Eines lokalen Energiespeichers - neben der aktuell an den Batteriewandler angeschlossenen Batterieeinheit - bedarf das erfindungsgemäße Verfahren nicht. Dies schließt aber z. B. nicht aus, dass der Batteriewandler als DC/DC-Wandler ausgebildet ist, der ausgangsseitig direkt an einen eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis eines DC/AC- Wandlers angeschlossen ist, welcher dann erst ausgangsseitig an das Wechselstromnetz angesch lossen ist. Auch in d iesem Fall ist das Angleichen der relevanten Parameter der Batterieeinheiten nicht durch die Speicherkapazität des Gleichspan nu ngszwischenkreises eingeschränkt.

I n ein igen Ausfü hrungsformen des erfindu ngsgemäßen Verfahrens werden die Batterieeinheiten jeweils nur einmal einzeln an den Batteriewandler angeschlossen, um dabei sowohl ihren relevanten Parameter zu erfassen als auch den erfassten relevanten Parameter so anzugleichen, dass bereits anschließend der relevante Parameter aller Batterieeinheiten für das nachfolgende Zusammenschließen der Batterieeinheiten zu der Batteriebank geeignet ist. Dies setzt jedoch voraus, dass der Wert, auf den der relevante Parameter bei allen Batterieeinheiten angeglichen wird, von vornherein feststeht. Häufig erweist es sich jedoch als vorteilhaft, den Wert, an den der relevante Parameter aller Batterieeinheiten angeglichen wird, erst festzulegen, nachdem dieser Parameter bei allen Batterieeinheiten erfasst wurde. Insbesondere kann das anschließende Angleichen des relevanten Parameters an den vorgegebenen Wert sehr viel schneller erfolgen , wenn dieser vorgegebenen Wert bei zu mindest den meisten Batterieeinheiten bereits nahe dem erfassten Wert des Parameters liegt. Dies wird erreicht, indem zunächst alle Batterieeinheiten einmal einzeln an den zweipoligen Eingang des Batteriewandlers angeschlossen werden, um ihren relevanten Parameter zu erfassen. Dann wird unter Berücksichtigung der erfassten Werte des relevanten Parameters der Batterieeinheiten ein Wert vorgegeben , an den der relevante Parameter aller Batterieeinheiten anzugleichen ist. Anschließend werden zumindest alle Batterieeinheiten, deren relevanter Parameter wegen noch vorhandener Differenzen tatsächlich verändert werden muss, noch ein weiteres Mal an den zweipoligen Eingang des Wechselrichters angeschlossen. Es versteht sich, dass bei dieser Vorgehensweise die jeweils fü r das E rfassen des relevanten Parameters zu letzt an den Eingang angeschlossene Batterieeinheit nicht zwischenzeitlich abgehängt werden muss, bevor ihr relevanter Parameter gegebenenfalls angepasst wird.

Beim Festlegen des Werts des relevanten Parameters, an den der relevante Parameter aller Batterieeinheiten angeglichen wird, können verschiedene Kriterien Berücksichtigung finden . Eines dieser Kriterien ist die Minimierung der Dauer des Verfahrens. Das heißt, der Wert des relevanten Parameters wird so festgelegt, dass das Angleichen des Parameters der einzelnen Batterieeinheiten an diesen Wert insgesamt möglichst schnell vonstatten geht. Dieses Kriterium ist jed och n icht u n bed i ngt das ei nzig relevante. Da neben od er stattd essen kan n ei ne Minimierung der einzelnen Anschlussvorgänge an dem Eingang des Batteriewandlers während des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden. Wenn beispielsweise zwei oder mehr Batterieeinheiten nahe beieinander liegende oder innerhalb einer einzuhaltenden Toleranz bereits übereinstimmende Werte des relevanten Parameters aufweisen, kann es sinnvoll sein, alle anderen Batterieeinheiten mit ihrem relevanten Parameter an diese Werte anzupassen, um die Anzahl der Anschlussvorgänge an dem zweipoligen Eingang des Batteriewandlers zu minimieren. Ein weiteres Kriteri u m , das bei der Festlegu ng der Werte fü r den relevanten Parameter berücksichtigt werden kann , ist die Minimierung von Energieverlusten durch das Verfahren. Dabei kann es zum einen um absolute Energieverluste gehen, die sich durch Verlustleistungen beschreiben lassen . Zum anderen kan n es auch darum gehen , das Anfallen von Energiemengen zu vermeiden , die in ein ausgangsseitig an den Batteriewandler angeschlossenes Wechselstromnetz eingespeist werden und die nicht oder nur schlecht vergütet werden und insoweit einen Verlust darstellen.

Noch ein Kriteriu m kan n eine Min i mieru ng des Bezugs von Energie aus dem Wechselstromnetz, an das der Batteriewand ler ausgangsseitig angesch lossen ist, und/oder von elektrischer Energie sein, die von einem Generator bereitgestellt wird, welcher zusammen mit dem Batteriewandler an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Dann werden die Werte de relevanten Parameters zumindest im Wesentlichen durch Entladung einzelner Batterieeinheiten anei nander angepasst. Noch ein weiteres Kriterium kann eine Maximierung eines Eigenverbrauchs von elektrischer Energie sein , die von einem Generator, wie beispielsweise einem Photovoltaikgenerator, bereitgestellt wird, welcher zusammen mit dem Batteriewandler an ein Wechselstromnetz angeschlossen sein kann. Dabei ist unter dem Eigenverbrauch solcher dezentral erzeugter elektrischer Energie zu verstehen , dass sie lokal am Ort ihrer Erzeugung und damit insbesondere ohne Belastung eines übergeordneten Wechselstromnetzes verbraucht wird. Dies geschieht durch lokale, vor einem Netzanschlusspunkt an den Generator und den Batteriewandler angeschlossene Verbraucher.

E s kön n e n a u ch m eh rere d er vora n steh en d gen a n nten Kriteri e n m it g l ei ch er od er unterschiedlicher Wichtung berücksichtigt werden , wenn die Werte des relevanten Parameters festgelegt werden, an die die relevanten Parameter aller Batterieeinheiten angeglichen werden.

Wie bereits angedeutet wurde, können zum parallelen Zusammenschließen der Batterieeinheiten zu einer Batteriebank die Ausgangsspannungen als relevanter Parameter erfasst werden. Optional kann zusätzlich der Alterungszustand der Batterieeinheiten erfasst werden. Anschließend ist dann die Ausgangsspannung aneinander anzugleichen. Bei einigen Batterietypen, w ie bspw. bestimmten Bleiakkumulatoren, kann auch der Alterungszustand der einzelnen Batterieeinheiten durch an sich bekannte spezielle Auflade- und/oder Entladevorgänge verändert und damit aneinander angeglichen werden.

Zum seriellen Zusammenschließen der Batterieeinheiten zu einer Batteriebank kann der Ladezustand und zusätzlich der Alterungszustand der Batterieeinheiten erfasst werden . Anschließend ist dann zumindest der Ladezustand und evtl. auch der Alterungszustand der einzelnen Batterieeinheiten aneinander anzugleichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das einzeln Anschließen der Batterieeinheiten an den zweipoligen Eingang des Batteriewandlers manuell erfolgen. Dabei kann dieses einzeln Anschließen durch eine Steuerung des Batteriewandlers z. B. über ein Display angeleitet werden.

Grundsätzlich kann das einzeln Anschließen der Batterieeinheiten an den Eingang auch über eine separate Multiplexereinrichtung erfolgen, d. h. über eine Multiplexereinrichtung, die speziell für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, aber kein Teil des Batteriewandlers ist, das noch vorhanden ist, wenn die Batterieeinheiten als Batteriebank zusammengeschlossen und an den Eingang des Wechselrichters angeschlossen sind.

Wenn von den Batterieeinheiten, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren an den Batteriewandler angeschlossen wurden, eine ausfällt und durch eine neue Batterieeinheit ersetzt werden muss, kann es ausreichend sein, die neue Batterieeinheit einzeln an den Eingang des Batteriewandlers anzuschließen, den mindestens einen relevanten Parameter der neuen Batterieeinheit zu erfassen u nd an den Wert des mindestens einen relevanten Parameters der anderen alten Batterieeinheiten anzupassen. Danach kann dann unmittelbar die neue Batterieeinheit zusam men m it den alten Batterieei n heiten an den Ei ngang angeschlossen werden, um sie mit dem Batteriewandler als geschlossene Batteriebank zu betreiben. Dieses Vorgehen setzt voraus, dass der Wert des mindestens einen relevanten Parameters der anderen alten Batterieeinheiten aus deren bisherigem Betrieb bekannt ist. Sonst muss er zumindest anhand einer der anderen alten Batterieeinheiten erfasst werden.

Ein erfindungsgemäßer bidirektionaler Batteriewandler, an den eingangsseitig mehrere Batterieeinheiten parallel oder seriell anschließbar sind, umfasst einen zweipoligen Eingang, Messein richtu ngen fü r mi ndestens ei nen relevanten Parameter der an den Eingang angeschlossenen Batterieeinheiten und eine Steuerung, die einen anwählbaren Betriebsmodus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Von einem bekannten bidirektionalen Batteriewandler unterscheidet sich der erfindungsgemäße Batteriewandler damit im Wesentlichen durch den anwählbaren Betriebsmodus seiner Steuerung.

Der Batteriewandler kann ein DC/DC-Wandler sein, der zusammen mit einem Photovoltaikgen erator a n ei n en DC/AC-Wandler angeschlossen ist, wobei der DC/AC-Wandler ausgangsseitig an ein Wechselstromnetz anschließbar sein kann. Der Photovoltaikgenerator kann dabei direkt oder bspw. über einen weiteren DC/DC-Wandler zusammen mit dem Batteriewandler an einen Gleichspannungszwischenkreis des DC/AC-Wandlers angeschlossen sein.

Grundsätzlich kann der Batteriewandler aber auch selbst ein DC/AC-Wandler sein , der ausgangsseitig direkt an ein Wechselstromnetz anschließbar ist. Ein erfindungsgemäßer Photovoltaikwechseinchter weist neben einem erfindungsgemäßen Batteriewandler, der als DC/DC-Wandler ausgebildet ist, einen weiteren Eingang zum Anschließen eines Photovoltaikgenerators und einen DC/AC-Wa n d l er a uf, wobei d er Batteriewandler zusammen mit dem weiteren Eingang an einen Gleichspannungszwischenkreis des DC/AC-Wandlers angeschlossen ist. Bei einem solchen Photovoltaikwechseinchter dient die aus den Batterieeinheiten, die an den Batteriewandler eingangsseitig anschließbar sind, gebildete Batteriebank als Pufferspeicher für elektrische Energie, die mit dem Photovoltaik- generator nur tagsüber und auch dann nicht immer genau dann erzeugt wird, wenn sie vor Ort benötigt wird. Der Batteriewand ler u nd die Batteriebank können so insbesondere zum Maximieren des Eigenverbrauchs der mit dem Photovoltaikgenerator dezentral erzeugten Energie genutzt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht. Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Um- fangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Photovoltaikwechselrichter, der eingangsseitig zum einen an einen

Photovoltaikgenerator und zum anderen an eine Batteriebank aus drei in Reihe geschalteten Batterieeinheiten und ausgangsseitig an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt einen Photovoltaikgenerator, der Fig. 1 entspricht, außer dass die Batteriebank aus drei parallel geschalteten Batterieeinheiten zusammengesetzt ist.

Fig. 3 illustriert, wie bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Batterieeinheiten der

Batteriebank zunächst einzeln an einen zweipoligen Eingang des Photovoltaik- wechselrichters gemäß Fig. 1 oder 2 angeschlossen werden.

Fig. 4 ist ein Flussdiagramm zu ei n er Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Verfahrens; und

Fig. 5 illustriert eine Routine, die in zwei Schritten des Verfahrens gemäß Fig. 4 ablaufen kann.

FIGURENBESCHREIBUNG

Der in Fig. 1 dargestellte Photovoltaikwechselrichter 1 weist einen DC/AC-Wandler 2 auf, der ausgangsseitig an ein Wechselstromnetz 3 angeschlossen ist. Der DC/AC-Wandler 2 speist elektrische Energie in das Wechselstromnetz 3 ein. Diese elektrischen Energie kann von einem Photovoltaikgenerator 4 kommen, der an einen Eingang 1 9 angeschlossen ist. Ersatzweise kommt sie von einer Batteriebank 5, wobei diese beiden Energiequellen sowohl einzeln als auch gemeinsam aktiv sein können. Der Photovoltaikgenerator 4 ist über den Eingang 19 an einen DC/DC-Wandler 6, beispielsweise einen Hochsetzsteller, angeschlossen , der die elektrische Energie des Photovoltaikgenerators 4 in einen Gleichspannungszwischenkreis 7 einspeist und dazu eine Ausgangsspannung L des Photovoltaikgenerators 4 auf eine Zwischenkreisspannung UZWK des Gleichspannungszwischenkreises 7 hochsetzt. Der DC/DC- Wandler ist grundsätzlich optional und kann entfallen, wenn der Photovoltaikgenerator direkt eine als Zwischenkreisspannung UZWK geeignete Ausgangsspannung L bereitstellt. Der Gleichspannungszwischenkreis 7 ist der Eingangszwischenkreis des DC/AC-Wandlers 2; und die Zwischenkreisspannung UZWK ist auf eine Netzspannung UNetz des Wechselstromnetz 3 abgestimmt. Die Batteriebank 5 ist an einen zweipoligen Eingang 8 eines Batteriewandlers 9 angeschlossen. Der Batteriewandler 9 ist ein bidirektionaler DC/DC-Wandler, der ausgangs- seitig ebenfalls an den Gleichspannungszwischenkreis 7 angeschlossen ist und diesen aus der Batteriebank 5 speist oder diesem elektrische Energie entnimmt, um sie in der Batteriebank 5 zu speichern. Der Batteriewandler 9 und die angeschlossene Batteriebank 5 werden dazu eingesetzt, Schwan ku ngen bei der elektrischen Leistu ng des Photovoltaikgenerators 4 u n d i m Verbrauchsprofil lokal angeschlossener Verbraucher auszugleichen. Das heißt, die Batteriebank 5 wird mit dem Batteriewandler 9 als Pufferspeicher für elektrische Energie von dem Photovoltaikgenerator 4 verwendet, um beispielsweise einen Eigenverbrauch dieser Energie nahe dem Ort ihrer Erzeugung zu maximieren. Dam it ist es z. B . auch i n Zeiten oh ne ausreichende Sonneneinstrahlung und somit ohne ausreichende Leistung des Photovoltaikgenerators 4 möglich, über den DC/AC-Wandler 2 elektrische Energie in das Wechselstromnetz 3 zu liefern. Umgekehrt ist bei einem Überangebot an elektrischer Leistung des Photovoltaikgenerators 4, die den aktuellen Verbrauch des Haushalts übersteigt, eine Zwischen- speicherung in der Batteriebank 5 möglich. Die so gespeicherte elektrische Energie steht dann für einen späteren Zeitpunkt zur Verfügung, in dem die Leistung des Photovoltaikgenerators 4 nicht mehr ausreicht. Die Batteriebank 5 kann auch elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz 3 Zwischenspeichern , wen n der DC/AC-Wa n d ler 2 , was bevorzu gt ist, ein bidirektionaler Wandler ist. Die Batteriebank 5 umfasst mehrere Batterieeinheiten 1 1 bis 13, die bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 in Reihe geschaltet sind, so dass die an dem Eingang 8 anliegende Spannung die Summe der Ausgangsspannungen Ußatt der einzelnen Batterieeinheiten 1 1 bis 13 ist. Bis auf die Zusammenschaltung der Batterieeinheiten 1 1 bis 13 zu der Batteriebank 5 entspricht der Photovoltaikwechselrichter 1 gemäß Fig. 2 demjenigen gemäß Fig. 1 . Gemäß Fig. 2 sind die Batterieeinheiten 1 1 bis 13 parallel geschaltet, so dass die Spannung an dem zweipoligen Eingang 8 gleich der Ausgangsspannung Ußatt jeder einzelnen Batterieeinheit ist. Damit es innerhalb der Parallelschaltung der Batterieeinheiten 1 1 bis 13 zu keinen Ausgleichsströmen zwischen den Batterien kommt, die ungedämpft wären, müssen die Ausgangsspannungen Ußatt der einzelnen Batterieeinheiten 1 1 bis 13 bei ihrem Zusammenschließen möglichst gleich sein. Bei der Batteriebank 5 gemäß Fig. 1 ist es hingegen unbedingt sinnvoll, dass die Ladezustände, insbesondere in Form des sogenannten State of Charge (SOC), möglichst gleich sind, um die in der Batteriebank 5 gespeicherte elektrische Energie bzw. deren Speicherkapazität möglichst vollständig nutzen zu können. Für den SOC ist die Batteriespannung Ußatt zwar ein Indiz, aber vielfach kein ausreichendes. Sowohl bei der Reihenschaltung der Batterieeinheiten 1 1 bis 13 gemäß Fig. 1 als auch bei der Parallelschaltung der Batterieeinheiten 1 1 bis 13 gemäß Fig. 2 ist ein gleicher Alterungszustand, vielfach a ls State of H ea lth (SO H ) bezeich net, aller Batterieeinheiten 1 1 bis 13 ebenfalls sinnvoll, um alle Batterieeinheiten 1 1 bis 13 gleichmäßig und vollständig nutzen zu können.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden alle relevanten Parameter jeder einzelnen Batterieeinheit zunächst erfasst, indem jede Batterieeinheit einzelnen an den zweipoligen Eingang 8 des Batteriewandlers 9 angeschlossen wird. Für die Batterieeinheit 13 ist dies in Fig. 3 angedeutet. Entsprechend sind die Batterieeinheiten 1 1 bis 13 hier noch nicht zu einer Batteriebank zusammengeschaltet. Direkt dann, wenn die Batterieeinheiten 1 1 bis 13 erstmalig oder in einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum zweiten Mal einzeln an den Eingang 8 angeschlossen werden, werden die relevanten Parameter der Batterieeinheiten 1 1 bis 13 aneinander angepasst. Dazu kann elektrische Energie mit dem Batteriewandler 9 aus den Batterieeinheiten 1 1 bis 13 entnommen oder den Batterieeinheiten 1 1 bis 13 zugeführt werden . Dabei ist kei nerlei Beschränkung durch die Kapazität des Gleichspannungszwischenkreis 7 gegeben, wen n der DC/AC-Wandler 2 die Zwischenkreisspannung UZWK konstant hält und dazu nötigenfalls auch elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz 3 entnimmt. Beim Angleichen der relevanten Parameter der Batterieeinheiten 1 1 bis 13 kann der jeweiligen Batterieeinheit 1 1 , 12 oder 13 auch elektrische Energie aus dem Photovoltaik- generator 4 zugeführt oder aus der jeweiligen Batterieeinheit 1 1 , 12 oder 13 in das Wechselstromnetz 3 abgeführt werden. Wenn ein Angleichen der relevanten Parameter nicht möglich ist, kann ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben werden. Fig. 4 illustriert den gesamten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 14 werden die Batterieeinheiten 1 1 bis 13 einzeln an den Batteriewandler 9 angeschlossen, und dabei werden ihre relevanten Parameter gemessen. Das einzelne Anschließen der Batterieeinheiten 1 1 bis 13 erfolgt typischerweise durch den Servicetechniker, der letztlich auch die Batterieeinheiten 1 1 bis 13 zu der Batteriebank 5 zusammenschließt und als solche an den Photovoltaikwechselrichter 1 anschließt. Das Messen der relevanten Parameter erfolgt mit Messeinrichtungen, die der Batteriewandler 9 sowieso zur Überwachung der an seinen Eingang 8 normalerweise angeschlossenen Batteriebank 5 aufweist.

I m nächsten Sch ritt 15 werden geeignete Werte für die relevanten Parameter aller Batterieeinheiten 1 1 bis 13 auf Basis der für die relevanten Parameter zuvor erfassten Werte vorgegeben . Dies kann insbesondere durch eine Steuerung, d . h. einen Mikroprozessor, geschehen, der dem Batteriewandler 9 zugeordnet ist. Dabei kann die Steuerung bestimmte vorgegebene Kriterien, wie beispielsweise einen besonders schnellen Verfahrensablauf oder eine Minimierung von elektrischer Energie, die dem Wechselstromnetz 3 entnommen werden muss, berücksichtigen.

Im folgenden Schritt 16 werden die Batterieeinheiten 1 1 bis 13 erneut einzeln an den Eingang 8 angeschlossen, diesmal um ihre relativen Parameter an die im Schritt 15 vorgegebenen Werte anzugleichen. Erst danach werden alle Batterieeinheiten 1 1 bis 1 3 in dem nachfolgenden Schritt 17 an dem Eingang 8 zusammengeschlossen und dann mit dem Batteriewandler 9 als geschlossene Batteriebank 5 betrieben.

Das Flussdiagramm gemäß Fig. 5 illustriert eine Routine, mit der einer der Schritte 14 und 16 gemäß Fig. 4 ausgeführt werden kann. Nach dem Start wird eine Laufvariable i zunächst auf 0 gesetzt und dann zu Beginn einer Schleife 18 um 1 erhöht. Anschließend erfolgt die Anzeige, dass die dem Stand der Laufvariable i entsprechende Batterieeinheit einzeln (an den Eingang 8) anzuschließen und dies (dann) zu bestätigen ist. Sobald die Bestätigung vorliegt, werden im Schritt 14 die relevanten Parameter der jeweiligen Batterieeinheit erfasst bzw. im Schritt 15 die relevanten Parameter der jeweiligen Batterieeinheit an die vorgegebenen Werte angepasst. Anschließend wird überprüft, ob die Laufvariable i bereits die Gesamtzahl n der Batterieeinheiten erreicht hat; wenn ja, endet die Routine, wenn nein , wird die Schleife 18 erneut begonnen. Es versteht sich, dass die Steuerung, die die Routine gemäß Fig. 5 umsetzt, auch ergänzende Kontrollunterroutinen ausführen kann, wie beispielsweise eine Überprüfung, ob die jeweils richtige Batterieeinheit angeschlossen wurde. Dies ist zumindest im Rahmen des Schrittes 16 möglich, nachdem zunächst im Schritt 14 die relevanten Parameter der einzelnen Batterieeinheiten erfasst wurden. Aber auch im Schritt 14 kann überprüft werden, dass nicht beispielsweise versehentlich mehrfach die gleiche Batterieeinheit anstelle aller verschiedener Batterieeinheiten einzeln an den Eingang 8 des Batteriewandlers 9 angeschlossen wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Photovoltaikwechselrichter

2 DC/AC-Wandler

3 Wechselstromnetz

4 Photovoltaikgenerator

5 Batteriebank

6 DC/DC-Wandler

7 Gleichspannungszwischenkreis

8 Eingang

9 Batteriewandler

1 1 Batterieeinheit

12 Batterieeinheit

13 Batterieeinheit

14 Schritt

15 Schritt

16 Schritt

17 Schritt

18 Schleife

19 Eingang

UPV Ausgangsspannung des Photovoltaikgenerators 4

UZWK Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises 7

UNetz Netzspannung des Wechselstromnetzes 3

Ußatt Ausgangsspannung einer Batterieeinheit 1 1 , 12 oder 13

i Laufvariable

n Gesamtzahl der Batterieeinheiten