Überlegungen und Untersuchungen zum Betrieb von Multizellen-Batteriespeichern in Serienschaltungs-Topologie

Abstract

Elektrische Energiespeichersysteme haben sich bereits in kleinen Leistungsklassen, z. B. bei Notstromversorgungen (USV Systeme) oder zur Speicherung der von Photovoltaik erzeugten elektrischen Energie, etabliert. Dabei wird üblicherweise elektrische Energie in Form von Gleichstrom in einem Batteriepaket gespeichert und bei Bedarf von einem Umrichter in üblicherweise netztypische, (z. B. 230 V, 50 Hz) Wechselspannung umgewandelt. Betrachtet man jedoch höhere Leistungsklassen, wird diese Form von Energiespeicherung zunehmend schwieriger zu realisieren. Bei hohen Spannungsniveaus müssen viele Batteriezellen in Serie geschaltet werden, was hohe Schaltspannungen im Umrichter hervorruft. Wird niedrige Spannung (z. B. 12 V) umgerichtet und mit einem Transformator umgespannt, treten niederspannungsseitig dementsprechend höhere Schaltströme auf. Um diese Probleme zu umgehen, gibt es das Konzept der Multizelle. Dabei werden kleine Batteriepakete jeweils mit einem eigenen Frequenzumrichter ausgestattet und wechselspannungsseitig verschalten. Dies liefert die Möglichkeit den Strom (bei Parallelschaltung) oder die Spannung (bei Reihenschaltung) auf mehrere Batterie-Umrichter-Einheiten zu verteilen und somit den leistungselektronischen Aufwand zur Entwicklung leistungsstarker Umrichter zu verringern. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit den Grundlagen der Serienschaltung von Umrichtern. Dabei wird die einfache Berechnung eines Batterie-Umrichter Systems gezeigt und versucht damit die Grundlage für ein spannungsgeregeltes Multizellensystem zu schaffen. Dies beinhaltet die Bestimmung und Simulation des Leistungsflusses in einem Wechselspannungssystem und das zugehörige Verhalten der Batteriespannungen. Folgend darauf wird die Simulation eines Multizellen-Systems mit drei Batterie-Umrichter-Einheiten, sowie einer Vorabschätzung des möglichen Betriebes durchgeführt. Besonderes Augenmerk liegt hierbei in der Lastaufteilung der jeweiligen Batterien und den möglichen Leistungsflüssen. Es wird gezeigt, dass ein Balancing (Ladungsaufteilung zwischen den Batterien) auch ohne den sonst üblichen Balanciernetzwerken möglich wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit können verwendet werden, um in Zukunft Regelungsstrategien für größere Multizellen Systeme zu entwerfen.

Electrical storage systems for PV or for emergency power applications are used for quite a while now. Usually the energy is stored in batteries and for usage converted to AC, if needed. As the needs for storing energy tend to grow, bigger and more powerful storage systems are required. But conventional battery storage systems are increasingly harder to implement. With rising voltage of the systems on one hand, more switching losses of the inverters are the result. But on the other hand, low voltage inverters need to handle high current which results in more expensive systems. A remedy for this problem is for example the multi-cell concept which consists of smaller battery packs, each with its own inverter. Connected on the AC side this results in building a network of "AC Batteries". This offers the possibility to distribute the power in form of current (with parallel connection) or voltage (with serial connection) more evenly and thus, more effectively and less costly. On the downside the connection of AC systems requires higher control efforts to work properly. This work therefore takes a look on the basics of serial connection of inverters. The simple calculation of a battery-converter system is shown and adapted to a multi-cell system. This includes the calculation and simulation of the power flow in an AC voltage system and the associated behavior of the batteries. After that, the model will be expanded to a storage system with three batteries and inverters. With the calculation of a so called balancing an estimation of the possible working duration and a load distribution between the cells for best possible operation can be given. Some interesting operation cases, such as the power flow from two full batteries to one empty battery, while grid operating will be calculated and demonstrated. The results of this work can be used to design control strategies for larger multi-cell systems in the future.