知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特許6482541電気エネルギを電気化学エネルギ蓄積装置に貯蔵する方法及び装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6482541
(24)【登録日】2019年2月22日
(45)【発行日】2019年3月13日
(54)【発明の名称】電気エネルギを電気化学エネルギ蓄積装置に貯蔵する方法及び装置
(51)【国際特許分類】
H02J 7/00 20060101AFI20190304BHJP
H02J 3/32 20060101ALI20190304BHJP
H02J 13/00 20060101ALI20190304BHJP
H01M 10/48 20060101ALI20190304BHJP
【ＦＩ】
H02J7/00 A
H02J3/32
H02J13/00 311R
H02J13/00 301A
H01M10/48 P
【請求項の数】20
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2016-520536(P2016-520536)
(86)(22)【出願日】2014年6月24日
(65)【公表番号】特表2016-526869(P2016-526869A)
(43)【公表日】2016年9月5日
(86)【国際出願番号】EP2014063281
(87)【国際公開番号】WO2014206983
(87)【国際公開日】20141231
【審査請求日】2017年6月9日
(31)【優先権主張番号】102013211951.8
(32)【優先日】2013年6月24日
(33)【優先権主張国】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】515066380
【氏名又は名称】ユニコス・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
【氏名又は名称原語表記】Ｙｏｕｎｉｃｏｓ ＧｍｂＨ
(74)【代理人】
【識別番号】100101454
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 卓二
(74)【代理人】
【識別番号】100081422
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 光雄
(74)【代理人】
【識別番号】100125874
【弁理士】
【氏名又は名称】川端 純市
(72)【発明者】
【氏名】クレメンス・トリーベル
(72)【発明者】
【氏名】カルステン・ラインケ−コロン
(72)【発明者】
【氏名】ウド・ベルニンガー
【審査官】
高野 誠治
(56)【参考文献】
【文献】
特開平０８−０６５８９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１３／０１５１２２７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開平１０−１１７４４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１２−５２３２１５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０２Ｊ ３／００ − ５／００
Ｈ０２Ｊ ７／００ − ７／１２
Ｈ０２Ｊ ７／３４ − ７／３６
Ｈ０２Ｊ １３／００
Ｈ０１Ｍ １０／４２ −１０／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気エネルギを複数の電気化学エネルギ蓄積装置に貯蔵し、且つ前記複数の電気化学エネルギ蓄積装置を電気エネルギ分配ネットワークと接続する電力工学的システムを介して電気エネルギを前記電気エネルギ分配ネットワークと交換する、方法であって、
同一のバッテリテクノロジを有する複数の電気化学エネルギ蓄積装置（２．１〜２．Ｎ；２１．１〜２１．Ｍ；２１１．Ｍ，２１２．Ｍ）及び同一のトポロジーを有する電力工学的システム（３．１；４．１〜４．Ｎ；３１．１〜３１．Ｍ；３１．Ｎ，３２．Ｎ）を、簡素なＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）として組み合わせて、
充電電流及び放電電流、容量、充電状態、並びに関連する電力工学的システム（３．１；４．１〜４．Ｎ；３１．１〜３１．Ｍ；３１．Ｎ，３２．Ｎ）のトポロジーのうちの少なくとも一つを含んだ、前記複数の電気化学エネルギ蓄積装置（２．１〜２．Ｎ；２１．１〜２１．Ｍ；２１１．Ｍ，２１２．Ｍ）の特定のデータ及び特徴を前記複数の電気化学エネルギ蓄積装置（２．１〜２．Ｎ；２１．１〜２１．Ｍ；２１１．Ｍ，２１２．Ｍ）の、現在利用可能であり且つ最大限に提供可能である電力及び現在吸収可能であり且つ放出可能であるエネルギのうちの少なくとも一方を含んだ、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）に特定のデータ及び特徴に変換し、通信インタフェース（１２）を介してバッテリパワープラント管理システム（６）に送信して、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）を制御する、
ことを特徴とする、方法。
同一のバッテリテクノロジを有する複数の電気化学エネルギ蓄積装置（２．１〜２．Ｎ；２１．１〜２１．Ｍ；２１１．Ｍ，２１２．Ｍ）及び同一のトポロジーを有する電力工学的システム（３．１；４．１〜４．Ｎ；３１．１〜３１．Ｍ；３１．Ｎ，３２．Ｎ）を、簡素なＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）として組み合わせて、
充電電流及び放電電流、容量、充電状態、並びに関連する電力工学的システム（３．１；４．１〜４．Ｎ；３１．１〜３１．Ｍ；３１．Ｎ，３２．Ｎ）のトポロジーのうちの少なくとも一つを含んだ、前記複数の電気化学エネルギ蓄積装置（２．１〜２．Ｎ；２１．１〜２１．Ｍ；２１１．Ｍ，２１２．Ｍ）の特定のデータ及び特徴を前記複数の電気化学エネルギ蓄積装置（２．１〜２．Ｎ；２１．１〜２１．Ｍ；２１１．Ｍ，２１２．Ｍ）の、現在利用可能であり且つ最大限に提供可能である電力及び現在吸収可能であり且つ放出可能であるエネルギのうちの少なくとも一方を含んだ、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）に特定のデータ及び特徴に変換し、通信インタフェース（１２）を介してバッテリパワープラント管理システム（６）に送信して、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）を制御する、
ことを特徴とする、方法。
【請求項2】
前記簡素なＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、ＡＣバッテリ管理部（５．１〜５．Ｎ）の手段によって制御、監視、及び調整される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
幾つかのＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、通信インタフェース（１２）を介して、バッテリパワープラント管理システム（６）と接続され、また１つのパワースイッチ（８．１〜８．Ｎ）をそれぞれ介して且つＰＣＣパワースイッチ（９）を介して、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）の共通結合ポイント（１０）と接続される、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
幾つかの空間的に分離したＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）の共通結合ポイント（１０）に接続され、また通信線（１２）を介して共通のバッテリパワープラント管理システム（６）と接続される、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項5】
電気エネルギを複数の電気化学エネルギ蓄積装置に貯蔵し、且つ前記複数の電気化学エネルギ蓄積装置を電気エネルギ分配ネットワークと接続する電力工学的システムを介して電気エネルギを前記電気エネルギ分配ネットワークと交換する、装置であって、
−同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数の直流電流バッテリ（複数のＤＣバッテリ２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）を有する電気化学エネルギ貯蔵モジュールと、
−前記複数のＤＣバッテリ（２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）を制御及び監視するバッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）と、
−パワー電子モジュール（３．１，４．１〜４．Ｎ，３１．１〜３２．Ｍ）と、
−パワー電子モジュール制御手段（４０．１〜４０．Ｎ）と、
−前記バッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）への通信インタフェース（１５）を有するＡＣバッテリ管理部（５．１〜５．Ｎ）と、
を有する、少なくとも１つのベースモジュール（複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎ）
によって特徴付けられ、
前記複数の電気化学エネルギ蓄積装置（２．１〜２．Ｎ；２１．１〜２１．Ｍ；２１１．Ｍ，２１２．Ｍ）及び前記電力工学的システム（３．１；４．１〜４．Ｎ；３１．１〜３１．Ｍ；３１．Ｎ，３２．Ｎ）のトポロジーの、各電気化学エネルギ蓄積装置に用いられるバッテリテクノロジを特徴付ける複数の量を含んだ特定のデータ及び特徴を、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）に特定のデータ及び特徴に変換し、前記通信インタフェース（１５）を介してバッテリパワープラント管理システム（６）に送信して、電気エネルギを前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）と交換するように制御する、
装置。
−同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数の直流電流バッテリ（複数のＤＣバッテリ２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）を有する電気化学エネルギ貯蔵モジュールと、
−前記複数のＤＣバッテリ（２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）を制御及び監視するバッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）と、
−パワー電子モジュール（３．１，４．１〜４．Ｎ，３１．１〜３２．Ｍ）と、
−パワー電子モジュール制御手段（４０．１〜４０．Ｎ）と、
−前記バッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）への通信インタフェース（１５）を有するＡＣバッテリ管理部（５．１〜５．Ｎ）と、
を有する、少なくとも１つのベースモジュール（複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎ）
によって特徴付けられ、
前記複数の電気化学エネルギ蓄積装置（２．１〜２．Ｎ；２１．１〜２１．Ｍ；２１１．Ｍ，２１２．Ｍ）及び前記電力工学的システム（３．１；４．１〜４．Ｎ；３１．１〜３１．Ｍ；３１．Ｎ，３２．Ｎ）のトポロジーの、各電気化学エネルギ蓄積装置に用いられるバッテリテクノロジを特徴付ける複数の量を含んだ特定のデータ及び特徴を、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）に特定のデータ及び特徴に変換し、前記通信インタフェース（１５）を介してバッテリパワープラント管理システム（６）に送信して、電気エネルギを前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）と交換するように制御する、
装置。
【請求項6】
前記複数のＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、
同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数のＤＣバッテリ（２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）と並列に接続され、且つ各電気化学エネルギ貯蔵モジュールに関連付けられているバッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）と並列に接続された、幾つかの電気化学エネルギ貯蔵モジュールを含み、前記バッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）は、前記電気化学エネルギ貯蔵モジュールを制御及び監視する、
ことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数のＤＣバッテリ（２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）と並列に接続され、且つ各電気化学エネルギ貯蔵モジュールに関連付けられているバッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）と並列に接続された、幾つかの電気化学エネルギ貯蔵モジュールを含み、前記バッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）は、前記電気化学エネルギ貯蔵モジュールを制御及び監視する、
ことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項7】
前記パワー電子モジュール（３．１，４．１〜４．Ｎ，３１．１〜３２．Ｍ）はインバータ（４．１〜４．Ｎ）を含み、当該インバータ（４．１〜４．Ｎ）は、ＤＣ側において、前記複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールに接続され、またＡＣ側において、直接的に又は中間電圧変圧器（７．１〜７．Ｎ）を介して、パワーバスバー又は共通結合ポイント（１０）に接続される、
ことを特徴とする、請求項５又は６に記載の装置。
ことを特徴とする、請求項５又は６に記載の装置。
【請求項8】
前記パワー電子モジュール（３．１，４．１〜４．Ｎ，３１．１〜３２．Ｍ）は、
前記複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールに接続された少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３．１，３１．１〜３２．Ｍ）と、
ＤＣ側において、前記（複数の）ＤＣ／ＤＣコンバータ（３．１，３１．１〜３２．Ｍ）に接続され、且つ、ＡＣ側において、直接的に又は中間電圧変圧器（７．１〜７．Ｎ）を介してパワーバスバー又は共通結合ポイント（１０）に接続されたインバータ（４．１〜４．Ｎ）と、を含む、
ことを特徴とする、請求項５〜７のうちのいずれか一項に記載の装置。
前記複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールに接続された少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３．１，３１．１〜３２．Ｍ）と、
ＤＣ側において、前記（複数の）ＤＣ／ＤＣコンバータ（３．１，３１．１〜３２．Ｍ）に接続され、且つ、ＡＣ側において、直接的に又は中間電圧変圧器（７．１〜７．Ｎ）を介してパワーバスバー又は共通結合ポイント（１０）に接続されたインバータ（４．１〜４．Ｎ）と、を含む、
ことを特徴とする、請求項５〜７のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項9】
前記複数のＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、同一の又は異なる化学的及び／又は物理的な特性を有する複数のＤＣバッテリ（２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）と、且つ、各電気化学エネルギ貯蔵モジュールを制御及び監視する、各電気化学エネルギ貯蔵モジュールに関連付けられたバッテリ管理システム（２０．１〜２０．Ｎ）と、複数のグループをなして並列接続された幾つかの電気化学エネルギ貯蔵モジュールを含み、
複数のグループをなして並列接続された前記複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールは、各グループに関連付けられたＤＣ／ＤＣコンバータ（３．１，３１．１〜３２．Ｍ）を介してインバータ（４．１〜４．Ｎ）と接続される、
ことを特徴とする、請求項７又は８に記載の装置。
複数のグループをなして並列接続された前記複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールは、各グループに関連付けられたＤＣ／ＤＣコンバータ（３．１，３１．１〜３２．Ｍ）を介してインバータ（４．１〜４．Ｎ）と接続される、
ことを特徴とする、請求項７又は８に記載の装置。
【請求項10】
前記複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールは、同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する幾つかの直列接続されたＤＣバッテリ（２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）を含む、
ことを特徴とする、請求項５〜９のうちのいずれか一項に記載の装置。
ことを特徴とする、請求項５〜９のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項11】
前記複数のＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、中間電圧バッテリとして形成され、また前記パワー電子モジュール（４．１〜４．Ｎ）及び中間電圧パワースイッチ（８．１〜８．Ｎ）を介してパワーバスバー又は共通結合ポイント（１０）と接続される、
ことを特徴とする、請求項５〜１０のうちのいずれか一項に記載の装置。
ことを特徴とする、請求項５〜１０のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項12】
前記パワー電子モジュール（４．１〜４．Ｎ）の出力部は、中間電圧変圧器（７．１〜７．Ｎ）を介して、前記中間電圧パワースイッチ（８．１〜８．Ｎ）と接続される、
ことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
ことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項13】
前記複数のＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数のＤＣバッテリ（２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）を有する２つの電気化学エネルギ貯蔵モジュールを含み、前記複数のＤＣバッテリ（２．１〜２．Ｎ，２１．１〜２１．Ｍ）の各々はインバータ（４．１〜４．Ｎ）と接続され、
前記インバータ（４．１〜４．Ｎ）は、二次側においてパワーバスバー又は共通結合ポイント（１０）と接続された三巻線変圧器の一次巻線に接続される、
ことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の装置。
前記インバータ（４．１〜４．Ｎ）は、二次側においてパワーバスバー又は共通結合ポイント（１０）と接続された三巻線変圧器の一次巻線に接続される、
ことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の装置。
【請求項14】
バッテリパワープラント（ＢＫＷ）を形成する少なくとも２つのＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）であって、当該少なくとも２つのＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、直接的に、又は中間電圧パワースイッチ（８．１〜８．Ｎ）を介して、又は中間電圧パワースイッチ（８．１〜８．Ｎ）と中間電圧変圧器（７．１〜７．Ｎ）を介して、１つの共通結合ポイント（１０）に接続され、且つ同一の又は異なる化学的及び／又は物理的な特性を有する複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．１〜２．Ｎ）を含む、少なくとも２つのＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）、
によって特徴付けられる、請求項５〜１３のうちのいずれか一項に記載の装置。
によって特徴付けられる、請求項５〜１３のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項15】
バッテリパワープラント（ＢＫＷ）を形成する少なくとも２つのＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、前記パワー電子モジュール（３．１，４．１〜４．Ｎ，３１．１〜３２．Ｍ）のための異なる複数のトポロジーを有する、
ことを特徴とする、請求項５〜１４のうちのいずれか一項に記載の装置。
ことを特徴とする、請求項５〜１４のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項16】
前記複数のＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）は、
−複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．１）と接続されたインバータ（４．１）、及び／又は、
−並列接続された複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．Ｎ）と接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ（３１．Ｎ）、及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１．Ｎ）と接続されたインバータ（４．Ｎ）、及び／又は、
−複数のグループをなして並列接続された複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．Ｎ）であって、各グループは１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３１．Ｎ，３２．Ｎ）と接続され、各ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１．Ｎ，３２．Ｎ）はインバータ（４．Ｎ）に接続された、複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．Ｎ）、を含む、
ことを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
−複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．１）と接続されたインバータ（４．１）、及び／又は、
−並列接続された複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．Ｎ）と接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ（３１．Ｎ）、及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１．Ｎ）と接続されたインバータ（４．Ｎ）、及び／又は、
−複数のグループをなして並列接続された複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．Ｎ）であって、各グループは１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３１．Ｎ，３２．Ｎ）と接続され、各ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１．Ｎ，３２．Ｎ）はインバータ（４．Ｎ）に接続された、複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュール（２．Ｎ）、を含む、
ことを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
【請求項17】
グリッドを形成するパワープラントとして、幾つかのＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）を含むバッテリパワープラント（ＢＫＷ）は、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）の電圧と周波数を制御し、過電流保護機構をトリガするための短絡回路電流を供給する、
ことを特徴とする、請求項５〜１６のうちのいずれか一項に記載の装置。
ことを特徴とする、請求項５〜１６のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項18】
前記バッテリパワープラント（ＢＫＷ）は電力ソース及び電力ドレインとして動作し、
前記複数のＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）によって前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）に放出されるパワーは、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）のグリッド周波数に依存して制御される、
ことを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
前記複数のＡＣバッテリ（１．１〜１．Ｎ）によって前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）に放出されるパワーは、前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）のグリッド周波数に依存して制御される、
ことを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
【請求項19】
通信インタフェース（１２）を介して、前記ＡＣバッテリ管理部（５．１〜５．Ｎ）はバッテリパワープラント管理システム（６）と接続され、当該バッテリパワープラント管理システム（６）は、共通結合ポイント（１０）を前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）と接続する前記複数の中間電圧パワースイッチ（８．１〜８．Ｎ）とＰＣＣパワースイッチ（９）を作動させる、
ことを特徴とする、請求項５〜１８のうちのいずれか一項に記載の装置。
ことを特徴とする、請求項５〜１８のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項20】
バッテリパワープラント（ＢＫＷ）は、再生可能エネルギ源を併用して、ハイブリッドパワープラントとして動作し、グリッド周波数に依存して前記電気エネルギ分配ネットワーク（１１）の共通結合ポイント（１０）における特定のパワーを制御する、
ことを特徴とする、請求項５〜１９のうちのいずれか一項に記載の装置。
ことを特徴とする、請求項５〜１９のうちのいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、請求項１及び４の一般的部分に係る、電気エネルギを電気化学エネルギ蓄積装置に貯蔵する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
持続可能エネルギ供給を確保するために、風力パワープラント及びソーラーパワープラントの数量の増加によって、再生可能エネルギの量は増加する。一定のグリッド電圧とグリッド周波数を提供するためのエネルギ分配ネットワークの制御は現在、回転型発電機を有する従来のパワープラントによる影響を受け、また従来のパワープラントはまた、風力及び太陽光から提供されるエネルギが、エネルギ分配ネットワークに接続されたコンシューマの供給に十分であり得るとき、エネルギ分配ネットワークと接続された状態を保つ。このため、エネルギ供給において再生可能エネルギにより寄与されるべき分担が制限されるように、風力パワープラント及びソーラーパワープラントはスロットルダウンされる必要がある。この制限を取り除くために、電気エネルギ分配ネットワークにおけるエネルギ貯蔵とグリッド制御のためのシステムが必要とされる。ここで、当該エネルギ貯蔵とグリッド制御の両方は、グリッド制御のタスクを実行することができ、またそのため従来のパワープラントのシャットダウンが可能となる。更に、上記システムは、風力及び太陽光から提供されるエネルギが、エネルギ分配ネットワークに接続されたコンシューマの供給に十分でないとき、十分な量のエネルギをエネルギ分配ネットワークに供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】ＤＥ １００ １８ ９４３ Ａ１
【特許文献2】ＥＰ １ ９８６ ３０６ Ａ１
【特許文献3】ＵＳ ２０１１／０２９ １６ ０６ Ａ１
【特許文献4】ＡＴ ５０９ ８８８ Ａ４
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Ａｔｃｉｔｔｙ，Ｓ．［ｅｔ ａｌ．］：Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−Ａｒｔ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ （ＳＡＮＤＩＡ ＲＥＰＯＲＴ ＳＡＮＤ９８−２０１９，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
エネルギ貯蔵のために、電気化学エネルギ貯蔵システムは好ましくは、電力の安定的利用可能性のために、電気工学的観点のもとで、Ｃレート、すなわち電力（パワー）とエネルギとの比が実質的に異なるようなシステムにおいて用いられる。これらの差異は主として、鉛酸蓄電装置、ナトリウムベースの高温バッテリ、リチウムイオン蓄電装置、レドックスフローバッテリ等の、種々の電極の組み合わせを用いた種々の蓄積装置テクノロジに起因する。しかし、電気化学エネルギ蓄積装置の各製造者による設計及び製造方法の違いによって、たとえ類似のセル化学を用いても無視できない差異が得られる。更に、複数の電気化学エネルギ貯蔵システムは、経時変化する挙動、サイクル安定性、サイクル深度、自己消費、自己放電、及び他の態様等の二次的な特性の点において、異なる。
【0006】
更なる本質的な電気工学的観点は、電気化学エネルギ貯蔵システムの充電条件と放電条件との間の電圧の変動に加えて、ＤＣ電圧側の出力電圧である。電力、電圧、及び電圧変動等の電気工学的特性は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣコンバータ等の複数の電力工学コンポーネントの接続ための多数のトポロジー的な可能性を必要とし、またこれを提供する。
【0007】
システム全体の電気工学的要求を最適に満たすために、異なるＣレートを有する種々の電気化学エネルギ貯蔵システムの組み合わせが望まれる。しかし、これはまた、複数の電力工学的コンポーネントのトポロジーの大きな変形をもたらす。
【0008】
ＤＥ １００ １８ ９４３ Ａ１（特許文献１）より、例えば、光起電力発生装置を有する光起電力オフグリッドシステムは公知である。この光起電力発生装置は、一方では、整合変圧器及び双方向ポジションコントローラを介して、バッテリと接続され、他方では、スタンドアロン型インバータを介して出力側にＡＣ電圧を提供する。エネルギ管理はここでは、制御及び調整手段によって達成される。
【0009】
ＥＰ １ ９８６ ３０６ Ａ１（特許文献２）より、エネルギ供給システムは公知である。このエネルギ供給システムでは、光起電力システムによって生成されたエネルギは幾つかの貯蔵バッテリ（蓄電池）ユニットに貯蔵され、当該エネルギ供給システムの下流において、エネルギ供給システムをＡＣ電圧エネルギ分配ネットワークに結合するインバータが提供される。制御ユニットの手段によって、個々の貯蔵バッテリユニットのエネルギ分配ネットワークへの接続が制御される。
【0010】
ＵＳ ２０１１／０２９ １６ ０６ Ａ１（特許文献３）より、２つのＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータと、制御ユニットと、バッテリ管理システムとを備える管理システムを有するエネルギ貯蔵システムは公知である。
【0011】
ＡＴ ５０９ ８８８ Ａ４（特許文献４）により、電気エネルギ蓄積装置を制御する方法は公知である。当該電気エネルギ蓄積装置は幾つかのバッテリユニット（複数のセルスタック）を有し、各バッテリユニットはスイッチングヒステリシスを有するＤＣ／ＤＣコンバータと接続される。効率を最適化するために、個々の電気エネルギ蓄積装置は選択的にスイッチオン及びスイッチオフされる。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングヒステリシスが種々のスイッチングポイントを用いてパラメータ化されるという点において、種々のスイッチングヒステリシスが達成される。中央制御ユニットによる個々のエネルギ蓄積装置又はシステム全体のＳＯＣ（充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ））とＳＯＨ（健全状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ））に依存して、複数の電気エネルギ蓄積装置の充電曲線及び充電曲線の動的な適合が更に提供される。
【0012】
多数の電気エネルギ蓄積装置を含むシステム全体において、また特に空間的に遠隔の複数の電気エネルギ蓄積装置をも更に含めることによるシステムの拡張の場合、中央制御ユニットが複数の電気エネルギ蓄積装置の各々の特定の特性を知る必要があり且つエネルギ蓄積装置及びシステム全体の充電状態の制御において上記特定の特性を考慮する必要があるという問題点が発生する。この問題点により、中央制御ユニットのプログラミングにおいて無視できない出費がもたらされ、またシステム全体の障害に対して著しく影響を受けてしまう。
【0013】
文献Ａｔｃｉｔｔｙ，Ｓ．［ｅｔ ａｌ．］：Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−Ａｒｔ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＳＡＮＤＩＡ ＲＥＰＯＲＴ ＳＡＮＤ９８−２０１９，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９８）（非特許文献１）より、インバータとＤＣ／ＤＣコンバータとが直列又は並列に接続された複数のパワー電子コンバータシステムの組み合わせ（コンピレーション）は公知である。当該インバータとＤＣ／ＤＣコンバータは制御ユニットに双方向に接続され、一方の側がエネルギ貯蔵ユニットに接続され且つ他方の側がエネルギ供給ネットワーク又はＡＣ電圧負荷に接続される。
【0014】
個々のコンバータシステムからなるシステム全体を構成するとき、又はそのようなシステム全体を更なるコンバータシステムを含めることによって拡張するとき、しかしシステム全体の特定の充電状態及び個々のエネルギ蓄積装置の容量を維持するという問題はまた発生するのであるが、個々のコンバータシステムの制御ユニットは、コンバータシステムの特定の特性を知る必要があり且つエネルギ貯蔵システム及びシステム全体の充電状態の制御における上記特定の特性を考慮する必要がある中央制御ユニットと接続される必要がある。これはプログラミング費用を増加させ、またシステム全体の障害に対する影響の受けやすさを増加させ、更にエネルギ蓄積装置の実用寿命が制限されてしまう。
【0015】
本発明の基礎をなす目的は、一様な通信インタフェースを用いて種々の電気化学エネルギ蓄積装置を確実に使用でき、且つハイブリッドパワープラントにおける複数の電気化学エネルギ蓄積装置のそれぞれ採用されるテクノロジ及び複数の電力工学的コンポーネントのトポロジーから独立した複数の電力工学的コンポーネントの種々のトポロジー及び複数の電気化学エネルギ蓄積装置の使用を提供する、上述のように電気エネルギを電気化学エネルギ蓄積装置に貯蔵して電気エネルギを電気エネルギ分配ネットワークと交換する方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。
【0017】
本発明に係る解決手段は、電気エネルギを複数の電気化学エネルギ蓄積装置に貯蔵し、且つ電気エネルギを電気エネルギ分配ネットワークと交換する、方法を提供する。本方法によれば、一様な通信インタフェースを用いて種々の電気化学エネルギ蓄積装置を確実に使用でき、且つトポロジー特有の特性及び蓄積装置特定の特性の簡素化によって複数の電気化学エネルギ蓄積装置のそれぞれ採用されるテクノロジから独立して複数の電力工学的コンポーネントの異なる複数のトポロジー及び複数の電気化学エネルギ蓄積装置の使用が可能となる。その結果、ハイブリッドパワープラントは、電気エネルギ供給ネットワークの共通結合ポイント（Ｐｏｉｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｍｏｎ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）において且つ通信インタフェースにおいて、異なって構成されるが同様に動作する複数の貯蔵ユニット又は複数の貯蔵モジュールを備えることができ、上位のバッテリパワープラント管理システムを形成できる。
【0018】
複数の電気化学エネルギ蓄積装置及び電力工学的システムのトポロジーの特定のデータ及び特徴を、電気エネルギ供給ネットワークに対して特定のデータ及び特徴に変換することによって、−所望の電気的動作を実現するために、並列に動作され且つ分散して制御されるインバータによって制御の課題は移され、
−ハイブリッドパワープラントの適切な動作コンセプトが提供され、すなわち、ナトリウム硫黄バッテリ、リチウムイオンバッテリ、バナジウム系レドックスフローに基づいた蓄積装置、又は燃料電池等の、複数の異なるバッテリテクノロジの複数のバッテリを備えたパワープラントの適切な動作コンセプトが提供され、また、
−特別な技術的な設計変更から独立した複数のバッテリ及び複数のバッテリパワープラントの動作及び表現を可能とする、一様な又は簡素な通信インタフェースが作り出される。
【0019】
好ましくは、複数の電気化学エネルギ蓄積装置及び電力工学的システムのトポロジーの特定のデータ及び特徴は、簡素なＡＣバッテリに組み合わせられ、電気エネルギ分配ネットワークのデータ及び特徴に変換され、当該ＡＣバッテリは、ＡＣバッテリ管理部の手段によって、制御され、監視され、且つ調整される。
【0020】
ＡＣバッテリは、バッテリテクノロジを特徴付ける数量の変換によって現在利用可能であり且つ最大限に提供可能である電力及び現在吸収可能であり且つ放出可能であるエネルギ等の電気エネルギ分配ネットワークに関連する数量において、充電電流及び放電電流、容量、充電状態、及び同様のもの等のそれぞれ用いられるバッテリテクノロジに対して特徴を有する数量を表現する。
【0021】
ＡＣバッテリとして指定されるベースモジュールの提供を用いて、ＤＣバッテリとは対照的に、制御の観点から一様であるインタフェースはシステム全体に対して提供され、これは、複数の電力工学的コンポーネントの異なる複数のトポロジー及び異なるテクノロジを有する複数の電気化学エネルギ蓄積装置の使用のための必要条件を生成する。
【0022】
ＡＣバッテリ管理部の簡素化機能又はバッテリ特定の機能性への分割は、バッテリパワープラント管理部と連動した、簡素なバッテリモデルに基づいた最適化された動作を生成する。一様なエネルギに関連した挙動を有する複数のＡＣバッテリは、パワープラント管理部の設計を提供し、これは、種々のバッテリテクノロジを用いて、テクノロジ特定の適合のない例えばハイブリッドパワープラントとして、そのタスクを果たすことができる。
【0023】
ＡＣバッテリは、インバータ、コンバータ、及びＤＣ／ＤＣコンバータ、及び燃料電池を含むＤＣバッテリ等の、複数の電力工学的システムの同一の又は異なる複数のトポロジーを含み、且つ、同一の又は異なる化学的及び／又は物理的な特性を有し、且つ、それらの共通結合ポイントにおいて、上位のバッテリパワープラント管理システムを有するそれらの通信インタフェースに関して同一の挙動を示す。そして、当該ＡＣバッテリの定義は、多数のＡＣバッテリを含むシステム全体の簡単な制御と、各ＡＣバッテリの充電状態（ＳＯＣ）と健全状態（ＳＯＨ）の規定された制御と検出によるシステム全体の障害に対する影響の受けやすさの最小化とをもたらす。更に、当該ＡＣバッテリの定義はまた、たとえＡＣバッテリが互いに遠隔して配置されるときであっても、（複数の）共通結合ポイントにおいて変更を生じさせることなく、個々のＡＣバッテリの任意の交換はもちろん、同一のＡＣバッテリを含めることによるシステム全体の簡単な拡張をもたらす。
【0024】
電気エネルギを複数の電気化学エネルギ蓄積装置に貯蔵し、且つ当該複数の電気化学エネルギ蓄積装置を電気エネルギ分配ネットワークと接続する電力工学的システムを介して電気エネルギを電気エネルギ分配ネットワークと交換する、装置は、−同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数の直流電流バッテリ（複数のＤＣバッテリ）を有する電気化学エネルギ貯蔵モジュールと、
−複数のＤＣバッテリを制御及び監視するバッテリ管理システムと、
−パワー電子モジュールと、
−パワー電子モジュール制御手段と、
−バッテリ管理システムへの通信インタフェース（１５）を有するＡＣバッテリ管理部と、を備える
少なくとも１つのベースモジュール（複数のＡＣバッテリ）によって、特徴付けられる。
【0025】
バッテリに典型的な動作限界及び現象の一般的なモデルによって、ＡＣバッテリは従って、エネルギ分配ネットワークの機能的要素として、エネルギアプリケーションに対するＤＣソースの一様な表現を実現し、特に、−動作レジームに対する容量の依存性の表現と、
−較正サイクルを考慮した充電状態の決定の不鮮明さの考慮と、
−ＡＣ電圧挙動の、特に複数の電力工学的コンポーネントの制御の、一様なパラメータ化と、
−バッテリ数量の適切な変換の手段による現在利用可能であり且つ最大限に提供可能である電力及び現在吸収可能であり且つ放出可能であるエネルギ等のエネルギ供給システムに関連する電流、アンペア時、充電状態（ＳＯＣ）の数量等の、複数の数量の間の、バッテリテクノロジに関連する特定の関係の表現と、
を実現する。
【0026】
ＡＣバッテリは、少なくとも１つのＤＣ／ＡＣコンバータと、更なる複数の電力工学的コンポーネントと、ＤＣ電圧側において当該コンポーネントに接続された複数のバッテリユニットとを備える。また当該ＡＣバッテリは概念上、電気エネルギを、電気エネルギ分配ネットワークから吸収及び貯蔵し、且つ当該電気エネルギ分配ネットワークに放出するシステム全体のための管理システムと、複数の電力工学的コンポーネント、複数のＤＣバッテリ、及び設計変更に依存して変圧器のバッテリテクノロジ特定の組み合わせとの間の分離プレーンとして、機能を果たして、電気エネルギテクノロジの観点からＤＣバッテリに相当する等価物を形成する。
【0027】
原理上、ＡＣバッテリは、−バッテリ管理システムに関連付けられたＤＣバッテリと、
−インバータコントローラを有するインバータと、
−ＡＣバッテリ管理システムと、
を含み、更に、
−中間電圧バッテリの場合において、中間電圧側においてパワースイッチを有する中間電圧変圧器を更に含むか、中間電圧インバータの使用において、中間電圧側において単に更なるパワースイッチを含む。
【0028】
ＡＣバッテリの上述の複数のコンポーネントは、設計の観点からより複雑な部分的なコンポーネントのための代用語を表現し、その結果それぞれのバッテリテクノロジに依存して、インバータ及び複数のＤＣバッテリのための種々のトポロジーは、例えば充電状態に依存しているＤＣバッテリの電圧スイング又はインバータの出力電圧のための必要な中間回路電圧等の、種々の限界条件に起因する。
【0029】
種々の限界条件から、例えば、以下の変形例がもたらされる。
【0030】
第１の変形例において、複数のＡＣバッテリは、同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数のＤＣバッテリと並列に接続され且つ各電気化学エネルギ貯蔵モジュールに関連付けられたバッテリ管理システムと接続された、幾つかの電気化学エネルギ貯蔵モジュールを含み、当該バッテリ管理システムは電気化学エネルギ貯蔵モジュールを制御及び監視する。
【0031】
第２の変形例において、複数のＡＣバッテリは、同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数のＤＣバッテリと複数のグループをなして並列接続され且つ各電気化学エネルギ貯蔵モジュールに関連付けられたバッテリ管理システムと接続された、幾つかの電気化学エネルギ貯蔵モジュールを含む。当該バッテリ管理システムは、各電気化学エネルギ貯蔵モジュールを制御及び監視し、複数のグループをなして並列接続された複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールは、各グループに関連付けられたＤＣ／ＤＣコンバータを介してインバータと接続される。
【0032】
代替例として、ＡＣバッテリは、異なる化学的及び／又は物理的な特性を有する複数のＤＣバッテリと並列に接続され且つ各電気化学エネルギ貯蔵モジュールに関連付けられたバッテリ管理システムと接続された、幾つかの電気化学エネルギ貯蔵モジュールを含み、当該バッテリ管理システムは電気化学エネルギ貯蔵モジュールを制御及び監視する。
【0033】
この実施形態では、種々のタイプのＤＣバッテリは、ＡＣバッテリにおいて、複数のグループをなすように組み合わせられることができ、それぞれのＤＣバッテリグループのデータは、バッテリ管理システムによって、ＡＣバッテリ管理部に入力され又はＡＣバッテリ管理部から読み出され、その結果、ＡＣバッテリ管理部はそれに応じて、異なる複数のＤＣバッテリグループを制御及び監視することができる。
【0034】
パワー電子モジュールは、インバータを含むことができ、当該インバータは、ＤＣ側において、複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールに接続され、且つＡＣ側において、中間電圧インバータとして直接的に、又は中間電圧変圧器及び中間電圧パワースイッチを介して、共通結合ポイントに接続されたパワーバスバー若しくはインバータに接続される。あるいは、パワー電子モジュールは、複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールに接続された少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを含むことができ、当該インバータは、ＤＣ側において、（複数の）ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、且つＡＣ側において、直接的に、又は中間電圧変圧器及び中間電圧パワースイッチを介して、パワーバスバーに接続される。
【0035】
特定のＤＣ電圧を提供するために、複数の電気化学エネルギ貯蔵モジュールは、同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する幾つかの直列接続されたＤＣバッテリを含むことができる。
【0036】
ＡＣバッテリは、複数の電力工学的コンポーネントの種々のトポロジーと併用して、複数の低電圧バッテリ及び中間電圧バッテリの両方として使用可能である。
【0037】
インバータが中間電圧インバータとして設計される場合を除き、中間電圧バッテリとして形成されたＡＣバッテリは、パワー電子モジュールの出力部と接続された中間電圧変圧器を含み、これは中間電圧パワースイッチを介してパワーバスバー又は共通結合ポイントと接続される。ＡＣバッテリは、同一の化学的及び／又は物理的な特性を有する複数のＤＣバッテリを有する２つの電気化学エネルギ貯蔵モジュールを含み、これらは各々１つのインバータと接続され、これらは二次側においてパワーバスバー又は共通結合ポイントと接続される三巻線変圧器の一次巻線に接続される。
【0038】
この実施形態において、ＡＣバッテリは低電圧バッテリとして形成され、当該ＡＣバッテリにおいて、複数のＤＣバッテリは、直接的に、又はＤＣ／ＤＣコンバータを介して、インバータに接続され、ＡＣバッテリは、変圧器及びパワースイッチを介して、パワーバスバー又は共通結合ポイントに接続される。
【0039】
代替例として、ＡＣバッテリは中間電圧バッテリとして形成されることができ、当該ＡＣバッテリにおいて、複数のＤＣバッテリは、直接的に、又はＤＣ／ＤＣコンバータを介して、インバータに接続されるが、当該ＡＣバッテリは場合により、実現される中間電圧変圧器と、中間電圧パワースイッチとを含み、その結果それはパワーバスバー又は共通結合ポイントと直接的に接続されることができる。
【0040】
１つの共通結合ポイントを有する幾つかのＡＣバッテリを備えるシステムは、バッテリパワープラントとして見なされ、ここでこのバッテリパワープラントの制御は、バッテリパワープラントの信頼性があり且つ耐久性がある機能性を確保するために、アプリケーション及びタスクの異なる複数のＡＣバッテリへの分配が最適化されるという点において、保証された複数のグリッド側システムサービスが確実となるように、設計される必要がある。
【0041】
グリッドを形成するバッテリパワープラントにおける使用において、すなわちオフグリッド動作において、ＡＣバッテリは例えば、−ＡＣバッテリが動作スタティク（「ドループ」）に従って動作する有効電力に依存した周波数制御と、
−有効電力に依存した電圧制御と、
の特徴の実現を果たす。
【0042】
グリッドをフォローするバッテリパワープラント又は制御パワープラントにおけるＡＣバッテリの使用において、ＡＣバッテリは例えば、−周波数に依存する有効電力寄与と、
−電圧に依存する有効電力寄与と、
を提供する。
【0043】
各アプリケーションに対して、ＡＣバッテリは、−信頼性のある充電状態測定のための複数の直流電流バッテリモジュール又はそれらの一部の較正、又は（部分的な）複数のバッテリのスタートアップ若しくはシャットダウン等の、技術的な利用可能性限界と規則に従った必要な保守作業との両方を考慮する必要な保守要求に加えて、インバータ及び複数のＤＣバッテリの動作限界の考慮と、
−特別な形式のインバータバッテリトポロジー及びバッテリテクノロジから独立している上位のバッテリパワープラント管理システムへの一様なインタフェースの提供と、
−例えば複数の直流電流バッテリモジュールの充電状態較正等の、次回の保守オペレーションのための利用可能性の制約又は電力とエネルギの需要の予測の提供と、
を果たす。
【0044】
グリッドを形成するバッテリパワープラント（オフグリッド動作）における使用において見られるように、並列で動作される複数のＡＣバッテリは、共通結合ポイントにおいて生成される負荷をそれらの間で分割する複数の並列電圧ソースとして動作し、各個々のＡＣバッテリの負荷コンポーネントは、インタフェースを介して有効電力と無効電力に対する動作スタティクスのパラメータ化を介してバッテリパワープラント管理システムによって得られる。数ある中でも特に、これはまた、例えば充電状態測定の較正を実行するために、個々のＡＣバッテリの非対称的な動作を提供する。
【0045】
グリッドを形成するパワープラントとして形成されたバッテリパワープラントは、パワーバスバー電圧及びパワーバスバー周波数を制御して、過電流保護機構をトリガするための短絡回路電流を提供する。
【0046】
グリッドをフォローするバッテリパワープラント（例えば制御パワープラント）としての動作において、並列に動作される複数のＡＣバッテリは、例えば必要とされる制御スタティクスに係るグリッド周波数に依存して、共通結合ポイントにおいて必要とされる電力を一緒に提供する複数の並列電力ソースとして動作する。各個々のＡＣバッテリの負荷コンポーネントは、一様なインタフェースを介して、バッテリパワープラント管理システムによってパラメータ化されることができる。数ある中でも特に、これはまた、例えば電状態測定の較正を実行するために、個々のＡＣバッテリの非対称的な動作を提供する。
【0047】
有効電力の提供の他に、複数の並列ＡＣバッテリはまた、共通結合ポイントにおける電圧維持（パワーバスバーにおける電圧制御に関連する無効電力の提供）のために使用可能である。
【0048】
通信インタフェースを介して、ＡＣバッテリ管理システムは好ましくは、共通結合ポイントをエネルギ分配ネットワークと接続させる複数の中間電圧パワースイッチとパワースイッチを作動させるバッテリパワープラント管理システムと接続される。
【0049】
グリッドシステムサービスの提供に対する代替例として、又はグリッドを形成するパワープラントとして、バッテリパワープラントは、再生可能エネルギ源を併用して、ハイブリッドパワープラントとして動作されることができ、また例えば負荷をフォローする動作において、共通の供給ポイントにおける供給制限の維持（「ピークシェービング」）を確実にして、グリッド周波数、負荷順序、又は同様のものに依存してエネルギ分配ネットワークの共通結合ポイントにおいて特定の電力を制御する。
【図面の簡単な説明】
【0050】
図面に示される幾つかの例示的な実施形態を参照して、本発明の基礎をなすアイデアが詳細に説明される。図面において以下を示す。
【0051】
【図1】異なる複数の一定の放電電流に対する、充電状態に依存するリチウムイオンバッテリのセル電圧の概略図を示す。
【図2】充電状態に依存する、リチウムイオンバッテリのＤＣ電力の概略図を示す。
【図3】一定電流且つ一定電圧の充電サイクルで完全に充電されるリチウムイオンセルの充電電圧と充電電流の経過の概略図を示す。
【図4】リチウムイオンセルの充電電力の経過、及び充電電力の可能性のある簡単化された予測の概略図を示す。
【図5】パワー電子モジュールの種々のトポロジーを有するバッテリパワープラントに組み合わせられたＡＣバッテリと、部分的に異なるバッテリテクノロジを有するＤＣバッテリの例を示す。
【図6】パワー電子モジュールの種々のトポロジーを有するバッテリパワープラントに組み合わせられたＡＣバッテリと、部分的に異なるバッテリテクノロジを有するＤＣバッテリの例を示す。
【図7】パワー電子モジュールの種々のトポロジーを有するバッテリパワープラントに組み合わせられたＡＣバッテリと、部分的に異なるバッテリテクノロジを有するＤＣバッテリの例を示す。
【図8】パワー電子モジュールの種々のトポロジーを有するバッテリパワープラントに組み合わせられたＡＣバッテリと、部分的に異なるバッテリテクノロジを有するＤＣバッテリの例を示す。
【図9】場合によっては互いに空間的に分離して配列された幾つかのＡＣバッテリを有するバッテリパワープラントの概略図を示し、当該幾つかのＡＣバッテリは、データ信号及び制御信号の交換のためにバッテリパワープラント管理システムと接続され、また部分的に異なるバッテリテクノロジを有するパワー電子モジュールと複数のＤＣバッテリの異なる複数のトポロジーを含む。
【発明を実施するための形態】
【0052】
電気化学エネルギ蓄積装置又はバッテリは、複数のＤＣシステムの構成を有し、当該ＤＣシステムは、バッテリテクノロジに依存して、電気的インタフェースにおいて、異なる特有の電気的動作を示す。
【0053】
リチウムイオンバッテリであって、エネルギに対してその非常に高い電力の比率を有する（Ｃレートが１及びそれよりも高い）、リチウムイオンバッテリは、短期的蓄積装置として、また制御電力の提供による大きな短期的変動の補償のために、特に有用である。
【0054】
他方、ナトリウム硫黄バッテリは、１／６のＣレートを有する非常に高い貯蔵容量を有する。従って、これら高温バッテリは、風力エネルギとソーラーエネルギの日々の変動の補償に、特に好適である。
【0055】
バナジウム系レドックスフローに基づいた蓄積装置は、自己放電を略有さず、その結果当該蓄積装置は、例えば季節的な蓄積装置として優れて好適である。バナジウム系レドックスフローバッテリのエネルギ源は経時変化又は消耗しないため、当該バナジウム系レドックスフローバッテリは、保守努力をほとんど要しない略無制限の耐久性を有し、また要求に応じて、電力とエネルギは柔軟に、分離可能且つ拡縮可能である。
【0056】
図１〜４において、リチウムイオンバッテリの特性に関連する、ＡＣバッテリによって観察されるべき典型的な動作限界、及び種々のバッテリテクノロジを有するバッテリの特性の例が示される。
【0058】
図１と図２の両方において、リチウムイオンバッテリの定性的に示された特性曲線は、数ある中でも特に、充電状態に依存している典型的なセル電圧に加えて、放電電流に依存する種々の容量を示す。更に、セル経時変化、及び残存するセル容量は、例えば充電電流及び放電電流の履歴、有効である充電状態、及び温度条件等の、種々の影響因子に依存する。
【0059】
より大きな複数のＤＣバッテリは、個々のセルの複数のモジュールへの適切な相互接続及び幾つかのモジュールの複数のバッテリへの適切な相互接続を備えるが、一般的にエネルギアプリケーションのために準備されていない。なぜならば、−充電方法は通常、電力ベースではなくむしろ電流ベース及び電圧ベースであり、すなわち、理想的な充電サイクルにおいてバッテリは、充電状態に依存する、外部に対する可変の電力要件を有し、且つ
−複数のバッテリと接続された複数のバッテリ管理システムは、動作レジームに依存しないが動作の名目に関連する、残存容量又は貯蔵されたエネルギ量等の、バッテリ情報を提供する
からである。
【0060】
バッテリパワープラントの機能的要素として、ＡＣバッテリは従って、バッテリに典型的な動作限界及び現象の一般的なモデルによって、エネルギアプリケーションのためのＤＣ電圧源の一様な表現（デピクション）を実現するタスクを果たし、数ある中でも特に、−動作レジーム、すなわち電力に依存するエネルギに対する、容量の依存性の表現（デピクション）、
−較正サイクルを考慮することによる、充電状態の決定の不鮮明さの検討、及び
−電力工学的コンポーネントの対応する制御による、ＡＣ電圧挙動の一様なパラメータ化、
を含む。
【0061】
エネルギの観点において一様のＡＣバッテリの要件に加えて、電気化学エネルギ蓄積装置又はＤＣバッテリのバッテリに典型的な特性のこのカプセル化は、パワープラント管理部の設計を提供し、当該パワープラント管理部は、異なるバッテリテクノロジを有するがテクノロジ特定の適合を用しない、例えばハイブリッドパワープラントとして、その機能性を果たすことができる。
【0062】
バッテリシステムの充電状態を決定するとき、バッテリシステムの充電状態測定は一般的に、現在のセル動作に対するモデルを考慮することによってエネルギバランスの形成に基づいている、ということが仮定される。全てのモデルは、動作期間の増加に伴って充電状態測定が多かれ少なかれ明白なドリフトの影響を受けるということを仮定し、その結果バッテリシステムの充電状態測定は時間に伴って大きく増加する不安定性を含む。従って、全てのバッテリシステムは、充電状態の決定を較正するために、規定された充電状態に、例えば完全な充電状態に、定期的にアプローチする必要があり、ここで較正の実行のため、バッテリシステムは固定された動作レジームを用いる。
【0063】
一例として、図３及び４は、一定電流且つ一定電圧の充電サイクルにおいて完全に充電されたリチウムイオンセルの充電曲線を示す。図３は、充電動作期間中における充電電圧Ｖと充電電流Ｉの時間的経過を示し、実際の充電状態に依存して、充電状態の較正が、例えば３．２Ｖ（ボルト）の、印加されたセル電圧Ｕｔ０において開始する。約４．２Ｖの一定のセル電圧ＵＫの設定まで、リチウムイオンセルは、一定の充電電流を要する。この目的のために必要であり且つ図４に示される、一定の充電電圧Ｖ及び一定の充電電流Ｉにおける実際の充電電力Ｐｔ（ｔ）は、セル電圧に比例して増加する。最終的な充電電流を設定するまで一定の電圧を用いた充電への後続の推移において、充電電力は、図４に示すように大きく減少して、その後、充電電流に比例して減少することを継続する。
【0064】
ＡＣバッテリ管理システムに対して上位のバッテリパワープラント管理部が共通結合ポイントに対して充電状態の較正の影響を確実に及ぼすことを可能とするために、ＡＣバッテリは、較正に対する要求を指し示すことによって、較正スケジュール、すなわち経時的な充電電力の経過の構成スケジュールの予測を提供する。これは、曲線Ｐｇ（ｔ）として、図４に示される。これは、充電状態較正と大きく変動する動作レジームとの間のより大きな差異を有し、増加する不定性を含む予測でしかない、ということに注意する必要がある。
【0065】
そこから外れる特性は、ナトリウム硫黄バッテリ及びバナジウム系レドックスフローに基づいた蓄積装置に適用可能である。蓄積装置に対する厳密な要求は、アプリケーションのケースに応じて変化するため、また、多くの特性に関連するがリチウムイオンバッテリとナトリウム硫黄バッテリの両方においてセルの基本構造によって特定される電力とエネルギとの比に特に関連するプロジェクト特定の理由にも部分的に応じて変化するため、異なるテクノロジはハイブリッドバッテリに組み合わせられ、必要であれば、その結果異なるテクノロジの有利な点が利用可能である。
【0066】
図５〜７は、パワー電子モジュール、すなわちインバータ、又は複数のコンバータ、又は複数のＤＣ／ＤＣコンバータ、及び種々のバッテリテクノロジのパワー電子モジュールの、異なる複数のトポロジーを用いてバッテリパワープラントに組み合わせられた複数のＡＣバッテリの種々の例を示し、電気接続線は実線で示され、また通信接続線は破線で示される。
【0067】
図５は、複数の低電圧バッテリとして形成されたＭ個のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍを有するバッテリパワープラントＢＫＷの第１の例示的な実施形態のブロック回路図を示す。当該ＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍは、共通結合ポイント１０に並列に接続され、また各ＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍは、変圧器７．１〜７．Ｍを介して、エネルギ分配ネットワーク１１の共通結合ポイント１０と接続される。各ＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍは、並列に接続されたＤＣバッテリ２．１〜２．Ｍの複数のグループを含み、ＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍの各グループは、複数の直列接続されたＤＣバッテリを備えることができる。ＤＣバッテリグループ２．１〜２．Ｍの各々は、バッテリ管理システム２０．１〜２０．Ｍを含み、当該バッテリ管理システム２０．１〜２０．Ｍはそれぞれ、各ＡＣバッテリ１．１〜１．ＭのためのＡＣバッテリ管理部５．１〜５．Ｍと接続される。
【0068】
バッテリ管理システム２０．１〜２０．Ｍは複数のＤＣバッテリを監視して、通信インタフェースをＡＣバッテリ管理部に提供する。
【0069】
１番目のＡＣバッテリ１．１は、並列に接続された複数のＤＣバッテリグループ２．１と接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ３．１を含み、当該ＤＣ／ＤＣコンバータ３．１は、１番目の変圧器７．１が接続されたインバータ４．１と接続される。
【0070】
更に、複数のＡＣバッテリは、１番目のＡＣバッテリ１．１と類似の電力工学的なトポロジーを有し、又はＭ番目のＡＣバッテリ１．Ｍに対応して構成され、またＭ番目のＡＣバッテリ１．Ｍにおいて、並列接続された複数のＤＣバッテリ２．Ｍは、変圧器７．Ｍに接続されたインバータ４．Ｍと直接的に接続される。個々のＡＣバッテリ１．１又は１．Ｍの異なるトポロジーは例えば、異なるバッテリテクノロジ、及び／又は個々のＤＣバッテリグループ２．１又は２．Ｍの異なる数の直列接続されたＤＣバッテリに基づいている。
【0071】
通信線１６を介して、複数のＡＣバッテリ１．１〜１．ＭのＡＣバッテリ管理部５．１又は５．Ｍは、パワー電子コントローラ４０．１又は４０．Ｍと接続され、当該パワー電子コントローラ４０．１又は４０．Ｍは、１番目のＡＣバッテリ１．１に関して、通信線１７を介してインバータ４．１と接続され、また通信線１８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ３．１と接続され、又はＭ番目のＡＣバッテリ１．１に関して、通信線１７を介してインバータ４．Ｍと接続される。更に、ＡＣバッテリ管理部５．１又は５．Ｍは、通信線１５を介して、ＤＣバッテリ２．１〜２．Ｍのバッテリ管理システム２０．１又は２０．Ｍと接続される。
【0072】
全てのＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍに関連付けられているバッテリパワープラント管理部６は、通信線１２を介して複数のＡＣバッテリ１．１〜１．ＭのＡＣバッテリ管理部５．１〜５．Ｍと接続され、また通信線１３を介して複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍにそれぞれ関連付けられている複数のパワースイッチ８．１〜８．Ｍと接続され、更に通信線１４を介してＰＣＣパワースイッチ９と接続される。
【0073】
ＡＣバッテリ管理部５．１〜５．Ｎは、複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎのうちの一部のコンポーネントの使用を最適化し、従って例えば、動作中において一部のコンポーネントの維持を提供し、その一方でバッテリパワープラント管理部６は、ＡＣ側において複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎの協働を制御して、複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎを較正して、また同種のバッテリシステムが外部に対して可視であるように、バッテリパワープラントに対する要求を個々のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎに分配する。以下に詳細に説明するように、異なる複数の電力工学的なトポロジーを有する複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎと、異なる複数のバッテリテクノロジを有する又は異なるタイプの複数のＤＣバッテリとの両方は組み合わせ可能であり、またそれらの共通の使用は最適化可能である。
【0074】
図６は、中間電圧バッテリとして形成されたＭ個のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍを有するバッテリパワープラントＢＫＷの第２の例示的な実施形態のブロック回路図を示す。当該ＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍは、ＰＣＣパワースイッチ９に並列に接続され、また図５に示す第１の例示的な実施形態におけるものと同一の構成を有し、中間電圧パワースイッチ８．１〜８．Ｍを備え、また、必要に応じて、破線に示される中間電圧変圧器７．１〜７．Ｍを備える。
【0075】
図７において概略ブロック回路図で示されるバッテリパワープラントＢＫＷの第３の実施形態において、並列接続された複数のＤＣバッテリ２１．１〜２１．Ｍは、複数のグループをなして接続され、各グループは２つのＤＣ／ＤＣコンバータ３１．１，３２．１又は３１．Ｍ，３２．Ｍのうちの１つに接続され、当該２つのＤＣ／ＤＣコンバータ３１．１，３２．１又は３１．Ｍ，３２．Ｍはそれぞれ、図５に示す実施形態と同様に、インバータ４．１又は４．Ｍと接続される。
【0076】
この実施形態では、個々の又は全てのＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎは、同一の又は異なるバッテリテクノロジを各々有する複数のＤＣバッテリ２１．１〜２１．Ｍを備えることができる。例えば、ＡＣバッテリ１．１は、同一のバッテリテクノロジを有する複数のＤＣバッテリ２１．１を含むことができ、その一方でＡＣバッテリ１．Ｎは、複数のグループをなして並列接続された複数のＤＣバッテリ２１１．Ｍ，２１２．Ｎを含み、その複数のグループ２１１．Ｍ及び２１２．Ｎの各々は同一のバッテリテクノロジを有するか、同一のバッテリタイプを有するが、これらはグループ毎に異なって形成される。
【0077】
ＡＣバッテリ１．Ｎのこの構成において、ＡＣバッテリ管理部５．Ｍは、対応するデータがＡＣバッテリ管理部５．Ｍに入力された後、又はグループにおいて提供される複数のバッテリ管理システム２２．Ｍが対応する識別データをＡＣバッテリ管理部５．Ｍに出力した後、異なるバッテリテクノロジを有するグループ２１１．Ｍ，２１２．Ｎの制御及び監視を実行する。
【0078】
図８において、第４の実施形態が、ブロック回路図として概略的に示される。バッテリパワープラントＢＫＷの当該実施形態において、ＡＣバッテリ１．１は並列接続された複数のＤＣバッテリ２．１を含み、当該複数のＤＣバッテリ２．１はインバータ４．１に接続され、その一方でＭ番目のＡＣバッテリ１．Ｍは、並列接続された複数のＤＣバッテリ２．Ｍ、又は幾つかのＤＣバッテリの直列接続で形成された複数のＤＣバッテリラック２．Ｍを含み、当該複数のＤＣバッテリ２．Ｍ又は複数のＤＣバッテリラック２．Ｍは、インバータ４．Ｍと接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ３１．Ｍに接続される。
【0079】
図７に係る実施形態に類似して、バッテリ管理システム２０．Ｎを有する複数のＤＣバッテリ２．Ｎを有するＮ番目のＡＣバッテリ５．Ｎは、並列に接続され且つ複数のグループに組み合わせられ、各グループは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１．Ｎ，３２．Ｎを介してインバータ４．Ｎと接続される。図７を参照して上述されているように、Ｎ番目のＡＣバッテリ１．Ｎは、複数のＤＣバッテリ２．Ｎの同一の又は異なるバッテリテクノロジを同一の又は異なるバッテリテクノロジと組み合わせることができ、グループに組み合わせられた複数のＤＣバッテリ２．Ｎは、一方又は他方のＤＣ／ＤＣコンバータ３１．Ｍ，３２．Ｍに接続される。
【0080】
図７及び８に係る実施形態はもちろん、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１．Ｎ，３２．Ｎに各々接続された、同一の又は異なるバッテリテクノロジを有する、並列接続された複数のＤＣバッテリ２．Ｎの２つのグループに限定されず、ＤＣ／ＤＣコンバータに各々接続された、同一の又は異なるバッテリテクノロジを有する幾つかのグループを備えることができる。
【0081】
図５〜８に示される全ての例示的な実施形態において、バッテリパワープラント管理部６はバッテリパワープラントのための中央制御レベルを形成し、当該バッテリパワープラント管理部６において、電力、エネルギ、又はグリッドサービスに関するエネルギ分配ネットワーク１１の一部において満たされるべき要求に依存して個々のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎに対する動作ポイント仕様を最適化するために、バッテリパワープラント管理部６は、例えば充電状態の不定性に関する等の、一般的な複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｍ又は１．Ｎによって提供される情報を組み合わせる。
【0082】
全挙動のパラメータ化の形式は、バッテリパワープラントのアプリケーションのそれぞれのケースに依存する。一方では、オフグリッド動作において、意図する範囲のための予期されるパワーバンドに関するスケジュールは、得られる動作ポイントの周囲の所望の制御挙動と一緒に、エネルギ管理システムの部分で通信されて、従ってバッテリパワープラント管理部６はスケジュールにより最適化を行うことが可能となり、他方、制御パワープラントアプリケーションにおけるシステムサービスのためのバッテリパワープラントの使用における要求は、「グリッドコード」及び現在のグリッド周波数に起因する。
【0083】
個々のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎによる内部要求を考慮することによる予期されるパワーバンドとパワースタティクの仕様等の共通結合ポイント１０における外部要求の確実に実現するための、バッテリパワープラント管理部６の上位の動作タスクのための例は、図８に係るＡＣバッテリ１．Ｎの充電状態ＳＯＣの較正である。当該較正において、バッテリパワープラントは、共通結合ポイント１０における複数の動作ポイントの周囲のバッテリパワープラントの制御挙動の特性として上位のエネルギ管理システムから、共通結合ポイント１０において要求される動作スタティクスに加えて、バッテリパワープラントによってカバーされるべきパワーバンドを受ける。
【0084】
共通結合ポイント１０における仕様Ａによって、バッテリパワープラント管理部６は、共通結合ポイント１０における仕様Ａに適合するために、残存するバッテリ１．１〜１．Ｍのための適合された複数の動作ポイントを決定し、あるいは、バッテリパワープラント管理部６は、スケジュールの継続期間に対するバッテリパワープラントの充電状態の上昇し続ける不定性のアセスメントにより場合によっては、充電状態較正を放棄せざるを得ない。共通結合ポイント１０における仕様Ａは、バッテリパワープラント管理部６によって計算される可能性のある複数の動作ポイント、及びＡＣバッテリ１．Ｎに対する充電状態較正ＳＯＣの計画等のＡＣバッテリ１．Ｎの内部要求と、対応する必要があり、これは、較正の継続時間に対する予測される電力供給スケジュールの形式で、ＡＣバッテリ１．Ｎの動作に対する制約を表現する。
【0085】
更に、バッテリパワープラント管理部６のための要求は、−一般的なＡＣバッテリモデルを用いた種々のバッテリテクノロジのハンドリングと、
−共通結合ポイント１０における固定された精度を達成するための、中央測定量の分配と、
−スケジュール又は導出される参照変数に基づいた、複数のＡＣバッテリ動作ポイントの最適化と、
を含むことができる。
【0086】
バッテリパワープラントＢＫＷは必ずしも一箇所に設置される必要はないが、互いに空間的に遠隔して配置された多数のＡＣバッテリ若しくはユニットを備えるも可能である。この例は図９に示される。
【0087】
図８に概略的に示されるバッテリパワープラントの変更において、図９は、１つの中間電圧変圧器７．１〜７．Ｎを各々介し且つ１つの中間電圧パワースイッチ８．１〜８．Ｎを各々介してエネルギ供給ネットワーク１１の複数の共通結合ポイント１０．１，１０．Ｍ，及び１０．Ｎに接続された、幾つかのＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎを示す。中間電圧パワースイッチ８．１〜８．Ｎは、それらの関連付けられた複数の共通結合ポイント１０．１〜１０．Ｎによって、互いに空間的に離隔されているが、全体としてはバッテリパワープラントＢＫＷを提供する。
【0088】
図８に係るバッテリパワープラントＢＫＷの構成に類似して、ＡＣバッテリ１．１〜１．ＮのＡＣバッテリ管理部５．１〜５．Ｎは、通信線を介して、バッテリパワープラント管理部６と接続され、上記バッテリパワープラント管理部６は、複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎをエネルギ供給ネットワーク１１と接続させ又は上記エネルギ供給ネットワークから上記複数のＡＣバッテリを分離する、複数の中間電圧パワースイッチ８．１〜８．Ｎを作動させる。バッテリパワープラント管理部６は、個々のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎを備えるバッテリパワープラントＢＫＷのための中央制御レベルを表し、また例えば個々のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎ又はそれらのＤＣバッテリ２．１〜２．Ｎの充電状態の不確定性に関連する、複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎによって提供される情報を組み合わせる。エネルギ伝達及び通信インタフェースにおける複数のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎの一貫性のある構成は、バッテリパワープラント管理部６の制御レベルの簡単な構成又はプログラミングを確保するのみならず、一定のグリッド周波数を維持する等の、性能、エネルギ、又はグリッドサービスに関連するエネルギ供給ネットワーク１１の部分で達成されるべき要求に依存して、個々のＡＣバッテリ１．１〜１．Ｎに対する動作ポイント仕様を最適化する。
【符号の説明】
【0089】
１．１〜１．Ｎ ＡＣバッテリ２．１〜２．Ｎ ＤＣバッテリ
３．１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４．１〜４．Ｎ インバータ
５．１〜５．Ｎ ＡＣバッテリ管理部
６ バッテリパワープラント管理部
７．１〜７．Ｎ 変圧器
８．１〜８．Ｎ パワースイッチ
９ ＰＣＣパワースイッチ
１０ 共通結合ポイント、ＰＣＣ
１１ エネルギ分配ネットワーク
１２〜１７ 通信線
２０．１〜２０．Ｎ バッテリ管理システム
２１．１〜２１．Ｍ 並列接続されたＤＣバッテリ
３１．１〜３２．Ｍ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０．１〜４０．Ｎ パワー電子コントローラ
２１１．Ｍ，２１２．Ｍ 異なるバッテリテクノロジのＤＣバッテリ
Ａ 仕様
ＢＫＷ バッテリパワープラント
Ｉ 充電電流
Ｐｇ 予測される充電電力
Ｐｔ 実際の充電電力
ＳＯＣ 充電状態較正
Ｖ 充電電圧