DE102012222235A1

DE102012222235A1 - Vergrößerung des Wirkungsgrades einer Redox-Flow-Batterie mittels Einzelzellenüberwachung

Info

Publication number: DE102012222235A1
Application number: DE201210222235
Authority: DE
Inventors: Byron Konstantinos Antonopoulos; Matthias Simon Lepiorz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-05

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergrößerung des Wirkungsgrades eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Redox-Flow-Batterie-Stacks (1) einer Redox-Flow-Batterie vorgeschlagen, wobei ein Batterie-Management-System (BMS) eine Betriebsspannung an der ersten Einzelzelle und eine Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle erfasst und daraus den Betrag eines Spannungsgradienten (|ΔUB|) berechnet, der von einer Stellgröße der Redox-Flow-Batterie in einer bekannten Weise abhängt, wobei das Batterie-Management-System die Stellgröße (S) derart einstellt, dass der Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Stellgröße (S) maximal wird. Mittels des erfassten Spannungsgradienten (ΔU) und der erfassten Einzelzellenbetriebsspannungen kann eine Optimierung anhand einer die Redox-Flow-Batterie beschreibenden Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve einfach ausgeführt werden. Die Erfindung verbessert den Wirkungsgrad von Redox-Flow-Batterie-Stacks (1) einer Redox-Flow-Batterie beim Entladen oder Laden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergrößerung des Wirkungsgrades von Redox-Flow-Batterien.
Redox-Flow-Batterien, die beispielsweise eine Elektrolyt-Kombination von V/V, Fe/Cr oder Zn/Br verwenden, werden in zunehmendem Maße als stationäre Energiespeicher verwendet. Integriert in ein großes System aus Energieerzeugern und – verbrauchern dienen diese zur Netzstabilisierung oder können Erzeuger- oder Lastspitzen abfangen. Diese Art von Batterien besteht aus einem Redox-Flow-Stack, zwei oder mehr Tanks mit Elektrolyten sowie Peripherie-Geräten wie zum Beispiel Pumpen, einem Batterie-Management-System oder Elektrolytkreisläufen. Der Redox-Flow-Stack ist aus einer größeren Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen zusammengesetzt. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Batterie-Stacks. Die Einzelzellen werden von mindestens zwei parallelen Elektrolytkreisläufen mit jeweils einem Elektrolyten in einer festen Richtung seriell durchflossen, wobei der Elektrolyt als die Trägerflüssigkeit der elektroaktiven Spezies verwendet wird. Beide Elektrolytkreisläufe sind durch eine Ionenaustauschmembran voneinander getrennt. Beim Durchfluss jeder Einzelzelle wird abhängig vom aktuell fließenden Batteriestrom ein bestimmter Anteil elektroaktiver Spezies umgewandelt, sodass lokal von Zelle zu Zelle unterschiedliche Ladungszustände, sogenannte State Of Charges beziehungsweise SOC, entstehen. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Batterie-Stacks im Betriebszustand des Entladens. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel des Redox-Flow-Batterie-Stacks gemäß 1, allerdings nun im Betriebszustand des Ladens. Der Redox-Flow-Batterie-Stack weist mehrere Einzelzellen n = 1, 2, ... k auf und kann deshalb ebenso als Redox-Flow-Batterie-Stapel bezeichnet werden. In 1 und 2 sind die beiden Elektrolytkreisläufe als parallele Strecken dargestellt. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Redox-Flow-Batterie, wobei die beiden Elektrolytkreisläufe vollständig dargestellt sind. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Batterie-Stacks, unter Verwendung von V/V (Vanadium/(Vanadium) als Elektrolyten-Kombination. Aufgrund des variierenden SOC im Stack entstehen unterschiedliche Spannungen an den Einzelzellen. Da diese elektrisch seriell geschaltet sind, berechnet sich die resultierende Stack-Spannung aus der Summe der Spannungen an den Einzelzellen. Während der Ladung der Batterie steigt der SOC von Zelle zu Zelle an. Die resultierende Stack-Spannung wird erhöht und somit muss mehr Ladeleistung aufgebracht werden. Beim Entladen sinkt der SOC von Zelle zu Zelle. Die resultierende Stack-Spannung wird gesenkt und somit die Entladeleistung der Batterie verringert. Die Differenz zwischen Lade- und Entladeleistung bildet eine der Hauptursachen für einen verminderten Wirkungsgrad von Redox-Flow-Batterien. Dieser Effekt wird in Randbereichen von Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurven infolge des exponentiellen Anstiegs der Spannung im oberen SOC-Bereich, beziehungsweise exponentiellen Abfalls der Spannung im unteren SOC-Bereich deutlich verstärkt. 5 zeigt eine Betriebsspannnungs-Ladezustands-Kurve einer Redox-Flow-Batterie, deren Stack aus mehreren Einzelzellen n zusammengesetzt ist, im Betriebszustand des Entladens. 5 zeigt die Verteilung der Betriebsspannnungen U_B von Einzelzellen in Abhängigkeit vom SOC, wobei ein Betrieb in dem linken SOC-Randbereich der Kurve zu stark variierenden Einzelzellspannungen führt. 6 zeigt die Betriebsspannungen U_B in Abhängigkeit vom SOC von Einzelzellen einer Redox-Flow-Batterie im Betriebszustand des Ladens, wobei der Betrieb in dem rechten SOC-Randbereich zu stark variierenden Einzelzellspannungen im Stack führt.
Aufgrund des seriellen Flusses entsteht während des Betriebs einer Redox-Flow-Batterie ein Konzentrationsgradient elektroaktiver Spezies zwischen den Einzelzellen. Beim Durchfluss jeder Einzelzelle wird dabei abhängig vom aktuell fließenden Batteriestrom ein bestimmter Anteil elektroaktiver Spezies umgewandelt, sodass lokal von Zelle zu Zelle unterschiedliche Ladungszustände entstehen. Je größer der elektrische Strom, desto mehr Speziez werden umgesetzt. Der Gradient wird mit zunehmendem Strom größer sowie mit zunehmender Elektrolyt-Flussrate kleiner.
Resultierend aus dem SOC-Gradienten entsteht auch eine unterschiedliche Betriebsspannung zwischen den einzelnen Zellen. Da die Betriebsspannung in den SOC-Randbereichen der Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve massiv abfällt beziehungsweise ansteigt, kann sich der Spannungsunterschied zwischen der ersten und der letzten Zelle unter nicht optimierten Betriebsbedingungen stark vergrößern. Dies zeigen ebenso 5 und 6, wobei im Betrieb beim Entladen in 5 beziehungsweise Laden in 6 der zusätzlich auftretende Spannungshub infolge des Stromflusses Gleichgewichtsspannungen an den Einzelzellen nach 5 abgesenkt beziehungsweise nach 6 angehoben hat.
Um den Elektrolytfluss zu erzeugen, werden Pumpen eingesetzt. Die zum Pumpenbetrieb notwendige Leistung wird aus der Batterie beziehungsweise aus dem elektrischen Netz bezogen. Die Pumpleistung wird durch ein Batterie-Management-System (BMS) geregelt, das anhand der Spannung, des Stroms sowie der Ladungszustände (SOCs) der Tanks die notwendige Flussrate des Elektrolyten bestimmt. In herkömmlichen, kommerziell erhältlichen Redox-Flow-Batterien ist zur Ermittlung des Ladungszustands eine Referenzzelle eingebaut, die parallel zum Stack mit Elektrolyt durchflutet wird und durch die kein elektrischer Strom fließt. An dieser Zelle wird deren Gleichgewichtsspannung (OCV) ermittelt und aufgrund einer eindeutigen Korrelation zwischen Gleichgewichtsspannung und Ladungszustand der aktuelle Ladungszustand SOC der Tanks und somit des Gesamtsystems festgestellt. Aus der vorstehend beschriebenen Funktionsweise einer Redox-Flow-Batterie ergeben sich zwei wesentliche Faktoren, die den Wirkungsgrad des gesamten Systems senken. Erstens benötigen die Pumpen für den parallelen Fluss durch die Referenzzelle höhere Leistungen, die aus dem Netz beziehungsweise aus der Batterie entnommen werden und somit nicht mehr zur Verfügung stehen. Zweitens entsteht durch lokal unterschiedliche Ladungszustände der Einzelzellen entsprechend 1 und 2 ein Spannungsgradient im Stack, der die gesamte Spannung beim Entladen senkt beziehungsweise beim Laden anhebt, und zwar entsprechend 5 und 6. Wird die Flussrate zu gering gewählt, muss zur Ladung der Batterie deutlich mehr Energie beziehungsweise Leistung aufgewendet werden. Analog dazu sinkt die verfügbare Energie beziehungsweise Leistung bei der Entladung. Herkömmlicherweise wird also der verringerte Wirkungsgrad beispielsweise infolge der zusätzlich notwendigen Pumpenleistung für den Fluss des Elektrolyts durch die Referenzzelle in Kauf genommen, um den aktuellen Ladungszustand (SOC) der Tanks zeitnah bestimmen zu können. Herkömmlicherweise wird die Flussrate des Elektrolyts in herkömmlichen Systemen in groben Zügen nach dem fließenden Strom, sowie dem berechneten SOC der Tanks geregelt. Die Einstellungen hierfür sind im Betriebsmanagementsystem BMS hinterlegt und beruhen auf Erfahrungswerten. Aus Messungen ist bekannt, dass die Flussrate häufig überdimensioniert ist. Dies ist zwar hilfreich, um den Spannungsgradienten zu senken, jedoch reduziert die dafür zusätzlich notwendige Energie den Wirkungsgrad der Batterie in großem Ausmaß.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den elektrischen Wirkungsgrad von herkömmlichen Redox-Flow-Batterien wirksam zu vergrößern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Vergrößerung des Wirkungsgrades eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Redox-Flow-Batterie-Stacks einer Redox-Flow-Batterie aufweisend mindestens zwei Elektrolytkreisläufe vorgeschlagen, mittels denen die Einzelzellen ausgehend von jeweils mindestens einem Tank beginnend von einer ersten Einzelzelle bis zu einer letzten Einzelzelle von jeweils einem Elektrolyt mittels mindestens einer Pumpe in einer gemeinsamen festen Richtung mit jeweils einer zueinander gleichen Flussrate seriell durchflossen werden und die Einzelzellen zueinander verschiedene chemische Ladungszustände SOC sowie dazugehörige Betriebsspannungen aufweisen, wobei ein Batterie-Management-System BMS mittels den Betriebsspannungen an zwei Einzelzellen einen Spannungsgradienten erfasst und mittels des Betrages des Spannungsgradienten aufgrund einer bekannten Abhängigkeit den aktuellen Wert einer Stellgröße des Redox-Flow-Batterie-Stacks beziehungsweise der Redox-Flow-Batterie berechnet und das Batterie-Management-System ausgehend von dem aktuellen Wert die Stellgröße des Redox-Flow-Batterie-Stacks beziehungsweise der Redox-Flow-Batterie derart einstellt, dass der Wirkungsgrad maximal wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Vergrößerung des Wirkungsgrades eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Redox-Flow-Batterie-Stacks einer Redox-Flow-Batterie mit mindestens zwei Elektrolytkreisläufen beansprucht, mittels denen die Einzelzellen ausgehend von jeweils mindestens einem Tank beginnend von einer ersten Einzelzelle bis zu einer letzten Einzelzelle von jeweils einem Elektrolyt mittels mindestens einer Pumpe in einer gemeinsamen festen Richtung mit jeweils einer zueinander gleichen Flussrate seriell durchflossen werden und die Einzelzellen zueinander verschiedene chemische Ladungszustände SOC sowie dazugehörige Betriebsspannungen aufweisen, wobei ein Batterie-Management-System BMS mittels den Betriebsspannungen an zwei Einzelzellen einen Spannungsgradienten erfasst und mittels des Betrages des Spannungsgradienten aufgrund einer bekannten Abhängigkeit den aktuellen Wert einer Stellgröße des Redox-Flow-Batterie-Stacks beziehungsweise der Redox-Flow-Batterie berechnet und das Batterie-Management-System ausgehend von dem aktuellen Wert die Stellgröße des Redox-Flow-Batterie-Stacks beziehungsweise der Redox-Flow-Batterie derart einstellt, dass der Wirkungsgrad maximal wird.
Mittels einer Einzelzellspannungsüberwachung können limitierende Faktoren des Wirkungsgrades vermieden beziehungsweise stark reduziert werden. Die Erfassung der Einzelspannungswerte sowie des daraus berechneten Spannungsgradienten im Stack erfolgt im Batterie-Management-System der Redox-Flow-Batterie. Der Spannungsgradient beeinflusst den Wirkungsgrad. Grundsätzlich kann der Wirkungsgrad mittels Verkleinerung des Spannungsgradienten verbessert werden. In herkömmlichen Systemen erfolgt keine Einzelzellüberwachung.
Die an die Redox-Flow-Batterie angeschlossenen Stromrichter werden herkömmlicherweise mit einer vorgegebenen Bandbreite ausgelegt, die ein mögliches Spannungsminimum sowie -maximum in Betracht ziehen. Aufgrund der Spannungsstabilisierung infolge eines verringernden Spannungsgradienten verläuft eine durchschnittliche Spannung am Stack stabiler. Somit müssen die Umrichter lediglich im Verleich zum Stand der Technik für eine geringere Spannungsbandbreite ausgelegt werden, was zu Kostenersparnissen bei der Konstruktion des Gesamtsystems führt.
Grundsätzlich wird der Spannungsgradient mit zunehmender Elektrolyt-Flussrate kleiner sowie mit zunehmendem Batteriestrom größer.
Grundsätzlich kann eine Vielzahl von Spannungsgradienten mittels mehreren Einzelzellpaaren erfasst werden. Mittels zusätzlicher Spannungssensoren an weiteren, insbesondere an den mittleren, Einzelzellen, besteht die Möglichkeit, die Regelung dynamischer zu gestalten. Mittels Messungen an herkömmlichen Redox-Flow-Batterien wurde bei der erfindungsgemäßen Regelung eine Trägheit bei der Reaktion der Pumpensteuerung festgestellt. Mittels einer SOC-Erkennung, die durch eine Korrelation zwischen SOC und Betriebsspannung wie oben beschrieben wurde, insbesondere an drei oder mehr Zellen, besteht die Möglichkeit, die Regulierung der Flussrate auch bei sich häufig ändernden Stromflüssen der Redox-Flow-Batterie dynamisch zu halten und hinsichtlich einer Effizienz weiter zu optimieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die zwei Einzelzellen, an denen die jeweilige Betriebsspannung erfasst wird die erste und die letzte Einzelzelle. Es wird eine Einzelzellenspannungsüberwachung der ersten und der letzten Zelle in einem Stack vorgeschlagen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einem konstanten elektrischen Lade- oder Entlade- Strom aus oder in die Redox-Flow-Batterie das Batterie-Management-System den aktuellen Wert der elektrischen Leistung an der Pumpe als die Stellgröße zur Einstellung der beiden Flussraten der Elektrolyte erfassen und davon ausgehend derart einstellen, dass die Differenz zwischen einer Veränderung der elektrischen Leistung am Redox-Flow-Batterie-Stack infolge einer Veränderung der elektrischen Leistung an der Pumpe und der Veränderung der elektrischen Leistung an der Pumpe maximal wird. Beispielsweise kann eine Vergrößerung der Flussraten der Elektrolyte den Spannungsgradienten verkleinern und auf diese Weise den Wirkungsgrad vergrößern. Eine Vergrößerung der Flussrate führt nicht automatisch zu einer Vergrößerung des Wirkungsgrades aufgrund der Tatsache, dass die Differenz zwischen der Vergrößerung der elektrischen Leistung am Redox-Flow-Batterie-Stack und der Veränderung der elektrischen Leistung an der Pumpe nach Überschreiten eines optimalen Arbeitspunktes sich wieder verkleinert. Da in den meisten herkömmlichen Systemen bislang zu große Elektrolytmengen durch den Stack gepumpt worden sind, eignet sich diese Vorgehensweise ebenso, um die Pumpleistung auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren und somit auch den Wirkungsgrad der Redox-Flow-Batterie zu erhöhen. Mittels einer derartigen Regelung mittels des erfindungsgemäßen Batterie-Management-Systems insbesondere in Echtzeit, entfallen Wartungskosten des Batterie-Management-Systems sowie möglicherweise notwendige Wartungskosten an den Pumpen. Da eine derartige Vorgehensweise zu einer intelligenten und situationsangepassten Regelung der Flussrate in Abhängigkeit des Stroms führt, kann ein derartiges System ebenso auf geänderte Voraussetzungen der Batterie reagieren, die bei einer manuellen Eingabe von Erfahrungswerten zur Regelung der Pumpen möglicherweise nicht berücksichtigt worden sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei konstanten Flussraten durch den Redox-Flow-Batterie-Stack das Batterie-Management-System den aktuellen Wert des Betrages des elektrischen Stroms des Redox-Flow-Batterie-Stacks erfassen und davon ausgehend derart einstellen, dass der Wirkungsgrad in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom maximal wird. Der elektrische Strom ist hier entweder ein Ladestrom für den Betriebszustand des Ladens oder ein Entladestrom für den Betriebszustand des Entladens der Redox-Flow-Batterie.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an einer jeweiligen Einzelzelle aus der jeweiligen Differenz zwischen dem mittels eines Spannungssensors erfassten Wert der Betriebsspannung an der Einzelzelle und der Überspannung berechnen, die das Batterie-Management-System aus einem Produkt des erfassten elektrischen Stroms des Redox-Flow-Batterie-Stacks und dessen von dessen Temperatur abhängigen elektrischen Gesamtwiderstands berechnen kann.
Definition Gleichgewichtsspannung: Bei der Gleichgewichtsspannung handelt es sich um die Leerlaufspannung an den Einzelzellen. Diese liegt vor, falls die Batterie nicht betrieben, das heisst weder geladen noch entladen wird.
Definition Überspannung: Die Überspannung definiert einen Spannungshub infolge des Stromflusses durch den Stack multipliziert mit einem temperaturabhängigen Widerstand. Der Spannungshub beziehungsweise die Überspannung ist negativ (bei Entladung) und positiv (bei Ladung).
Definition Betriebsspannung: Die Betriebsspannung ist gleich die Summe aus Gleichgewichtsspannung und Überspannung. Im Betrieb kommt es zu einer parallelen Verschiebung einer Gleichgewichtsspannung-Ladezustands-Kurve nach oben (Ladung) beziehungsweise unten (Entladung). Auf dieser neuen parallel zu einer Gleichgewichtsspannungs-Ladezustandskurve verlaufen die Zellbetriebsspannungen dann. Die Stärke der Verschiebung ist direkt proportional zur angelegten Stromstärke, das heisst die Stromstärke ist direkt proportional zur Überspannung.
Infolge turbulenter Strömung des Elektrolyten beziehungsweise der Elektrolyten im Stack sind bei Redox-Flow-Batterien durch die Fusionsprozesse limitierte Phänomene vernachlässigbar. Durch Messungen wurde festgestellt, dass der Strom im gesamten SOC-Bereich direkt proportional zur gemessenen Überspannung der Batterie ist. Die gemessene Überspannung ergibt sich aus der Differenz aus anliegender Betriebsspannung und Gleichgewichtsspannung. Somit konnte festgestellt werden, dass die elektrischen sowie elektrochemischen Widerstände der Redox-Flow-Batterie nicht vom Ladezustand der Batterie abhängig sind. Dagegen besteht, wie bei fast allen elektrischen Systemen eine Temperaturabhängigkeit des Widerstands. Aufgrund dieser direkten Proportionalität lässt sich zu jedem Zeitpunkt an den überwachten Einzelzellen die Gleichgewichtsspannung berechnen. Aufgrund des eindeutigen Zusammenhangs zwischen Betriebsspannung beziehungsweise Gleichgewichtsspannung und Ladezustand kann der lokal vorliegende SOC bestimmt beziehungsweise berechnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an der ersten Einzelzelle als einen Näherungswert für die Gleichgewichtsspannung der Tanks zur Bestimmung von Betriebsparametern, insbesondere der von der Redox-Flow-Batterie bereitgestellten Kapazität, verwendet werden. Für die Überwachung der Einzelzellspannungen müssen nicht die Gleichgewichtsspannungen berechnet werden. Für die Überwachung ist die aktuelle Zellspannung (zusammengesetzt aus Gleichgewichtsspannung und Spannungshub) relevant. Die Gleichgewichtsspannung ist lediglich für die Ladezustandserkennung wichtig, zum Beispiel an der ersten Zelle um den SOC der Tanks zu ermitteln oder zu schätzen. Mittels der Möglichkeit, die Gleichgewichtsspannung aus der gemessenen Betriebsspannung der ersten Einzelzelle zu ermitteln, besteht die Möglichkeit, die Referenzzelle, die herkömmlicherweise verwendet wird, wegzulassen. Näherungsweise, und zwar insbesondere bei größeren Stacks mit mehr als 40 Zellen, kann davon ausgegangen werden, dass der SOC der Elektrolyte der beiden Elektrolytkreisläufe innerhalb der ersten Zelle gleich des SOCs der beiden Tanks ist. Mit Kenntnis des elektrischen Gesamtwiderstands der Batterie sowie der Abhängigkeit dieses Widerstands von der Temperatur lässt sich auf einfache Weise der hierfür notwendige Algorithmus in das Batterie-Management-System der Batterie implementieren. Dies spart Investitionskosten und trägt zur Performance-Steigerung bei, da eine herkömmliche Referenzzelle nicht mehr durchflossen werden muss und auf diese Weise die Pumpenleistung wirksam gesenkt werden kann. Mittels der direkten Proportionalität zwischen dem elektrischen Strom des Redox-Flow-Batterie-Stacks und der Überspannung kann auf diese Weise auf den SOC der beiden Tanks geschlossen werden. Tanks sind beispielsweise beliebige Behälter zur Aufnahme jeweiliger Elektrolyten. Die Pumpen benötigen je nach Betriebszustand über zehn Prozent der Batterieleistung. Bei einem vollem Lade- und Entladezyklus verliert die Redox-Flow-Batterie somit über 20 % ihres Wirkungsgrades. Ein nicht vernachlässigbarer Teil des Flusses wurde herkömmlicherweise durch die Referenzzelle geleitet. Dieser Anteil und der äquivalente Anteil der Pumpenleistung kann nun eingespart werden. Infolge der Spannungsüberwachung an der ersten Einzelzelle im Stack, wird eine herkömmliche Referenzzelle überflüssig, sodass zusätzlich zur elektrischen Leistung Investitionskosten eingespart werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System von der Temperatur des Redox-Flow-Batterie-Stacks abhängige gespeicherte Werte des Gesamtwiderstands des Redox-Flow-Batterie-Stacks verwenden. Es ist erkannt worden, dass der Gesamtwiderstand, der sich aus elektrischen sowie elektrochemischen Teilwiderständen der Batterie zusammensetzt, temperaturabhängig ist. Zur Berechnung der Gleichgewichtsspannungen und somit zur Ermittlung des jeweiligen SOC kann der Gesamtwiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur in einem Speicher des Batterie-Management-Systems hinterlegt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System mittels der Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle den Moment des Erreichens der maximalen Betriebsspannung einer Einzelzelle des Redox-Flow-Batterie-Stacks erfassen. Auf diese Weise kann mittels der Überwachung der letzten Zellspannung der Moment einer Stromdeckelung genauer bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System beim Batteriezustand des Ladens der Redox-Flow-Batterie die Flussraten vergrößern. Auf diese Weise kann mittels der erhöhten Flussraten der Ladevorgang wirksam unterstützt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Spannungsgradient von der Stellgröße des Redox-Flow-Batterie-Stacks in Abhängigkeit von einem sich ändernden Parameter des Redox-Flow-Batterie-Stacks veränderlich, aber bekannt abhängen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein sich ändernder Parameter des Redox-Flow-Batterie-Stacks im Falle der Flussrate als Stellgröße der elektrische Strom des Redox-Flow-Batterie-Stacks sein. Das heißt bei verschiedenen Lade- oder Entladeströmen des Stacks ergeben sich Änderungen der Abhängigkeit des Spannungsgradienten von der Flussrate. Derartige Änderungen können aber experimentell und mathematisch hergeleitet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Redox-Flow-Batterie zusätzlich zu einer herkömmlichen Verwendung lediglich in dem linearen Bereich zusätzlich in den beiden Randbereichen deren Gleichgewicht-Ladezustand-Kurve verwendet werden. Derartige Kurven sind beispielsweise in Verbindung mit 5 und 6 dargestellt. Auf diese Weise kann ein vergrößerter Kapazitätsbereich einer Redox-Flow-Batterie verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Batterie-Stacks;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Batterie-Stacks;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Redox-Flow-Batterie;
4 zwei weitere Ausführungsbeispiele eines Stacks;
5 die Betriebsspannungen von Einzelzellen in Abhängigkeit von dem Ladungszustand der Einzelzelle und einem ersten Betriebszustand des Stacks;
6 die Betriebsspannungen von Einzelzellen in Abhängigkeit von dem Ladungszustand der jeweiligen Einzelzelle und einem zweiten Betriebszustand des Stacks;
7 bis 9 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 und 11 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
12 bis 17 Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurven zum ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
18 ein allgemeines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
19 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Batterie-Stacks 1 mit zwei Elektrolytkreisläufen 3 und 5, mittels denen eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen Z ausgehend von jeweils einem Tank beginnend von einer ersten Zelle Z1 bis zu einer letzten Einzelzelle Zk von jeweils einem Elektrolyt E in einer gemeinsamen festen Richtung seriell durchflossen werden. 1 zeigt den Betriebszustand des Entladens einer Batterie mit dem Redox-Flow-Batterie-Stack 1, wobei die erste Einzelzelle Z1 einen Ladungszustand SOC(Z) von 25 % aufweist. Die letzte Einzelzelle Zk weist hier einen Ladungszustand SOC in Höhe von 5 % auf.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Batterie-Stacks 1, der dem Aufbau der 1 entspricht. Der Unterschied ist der Betriebszustand, der gemäß 2 dem des Ladens einer Batterie entspricht. Die erste Einzelzelle Z1 gemäß der 2 weist einen Ladungszustand von 75 % auf, und die letzte Einzelzelle Zk weist einen Ladungszustand von 95 % auf. Die parallel zueinander verlaufenden Elektrolytkreisläufe 3 und 5 sind als parallele Streckenabschnitte dargestellt. E/E bezeichnet eine allgemeine Elektrolyten-Kombination.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems. Analog zu 1 und 2 ist ein Redox-Flow-Batterie-Stack 1 dargstellt, wobei eine Membran M zwei sogenannte Halbstacks voneinander trennt. Mittels dieser Membrane sind in dem Redox-Flow-Batterie-Stack 1 die beiden Elektrolyte E1/E2 der beiden Elektrolytkreisläufe 3 und 5 miteinander im Austausch. 3 zeigt die beiden Elektrolytkreisläufe 3 und 5 in denen jeweils ein Elektrolyt E1 und E2 mittels zweier Pumpen 11 und 12 in einer gemeinsamen festen Richtung mit einer Flussrate F zirkulieren. Jede Einzelzelle Z des Stacks 1 weist chemische Ladungszustände SOC(Z) sowie dazugehörige Gleichgewichtsspannungen U(Z) auf. 3 zeigt, dass beide Elektrolyte E1 und E2 jeweils einen Ladungszustand SOC in Höhe von 50 % am Einlass und am Auslass in Höhe von jeweils 95 % aufweisen. Entsprechend befindet sich der Stack 1 gemäß 3 in dem Betriebszustand des Ladens. Zusätzlich stellt 3 für jeden Elektrolytkreislauf 3 und 5 jeweils einen Tank 7 und 9 dar, der den jeweiligen Elektrolyt zwischenspeichert. Eine Redox-Flow-Batterie weist mindestens zwei Tanks, einen Redox-Flow-Batterie-Stack 1 sowie Pheripherie-Geräten (Pumpen etc.) auf. Ein Redox-Flow-Batterie-Stack 1 weist die Einzelzellen auf, die seriell durchflossen werden. Wenn es um Leistung geht, spricht man vom Redox-Flow-Batterie-Stack – dort wird die aktuelle Leistung umgesetzt. Wenn es um die Kapazität geht, spricht man von Redox-Flow-Batterien – dort (in den Tanks) wird die Kapazität umgesetzt. Die Leistungseinheit und die Kapazitätseinheit sind physikalisch voneinander getrennt.
4 zeigt zwei alternative Darstellungen von Redox-Flow-Batterie-Stacks 1, und zwar zuerst oben im Betriebszustand des Entladens und zweitens unten im Betriebszustand des Ladens. Zusätzlich sind am Beispiel von V/V Elektrolytkombinationen E1/E2 dargestellt, wobei diese Elektrolyten jeweils von links nach rechts und von einer Membran M zueinander abgegrenzt jeweils einen Halbstack des Stacks 1 durchlaufen.
5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele von Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurven, welche ausgehend von Gleichgewichtsspannungen durch den betriebsbedingten Spannungshub in 5 nach unten beziehungsweise in 6 nach oben verschoben sind. Für jede Einzelzelle Z stellt sich in Abhängigkeit von deren SOC(Z) eine jeweilige Betriebsspannung U_B(Z) ein, welche sich aus ihrer Gleichgewichtsspannung U(Z) sowie dem betriebsbedingten Spannungshub zusammensetzt. 5 zeigt den Betriebszustand des Entladens einer Redox-Flow-Batterie beziehungsweise eines Redox-Flow-Batterie-Stapels oder Redox-Flow-Batterie-Stacks 1, der aus mehreren Einzelzellen Z zusammengesetzt ist. 5 zeigt die Verteilung der Betriebsspannung U_B (Z) der Zellen in der Betriebssituation des Entladens. 5 zeigt, dass eine durchschnittliche Zellspannung U ⌀ niedrig ist, sodass sich ein Verlust an Entladeleistung ergibt. Der Betrieb in dem linken SOC-Randbereich führt zu stark variierenden Einzelzellspannungen.
5 und 6 zeigen Betriebsspannungs-Ladungszustands-Kurven, die sich ergeben, wenn infolge eines betriebsbedingten Spannungshubes nach unten beim Entladen beziehungsweise nach oben beim Laden eine Gleichgewichtsspannung verändert wird. Gemäß 5 und 6 muss hierzu lediglich jeweils ein konstanter Spannungshub, welche das Produkt aus Batteriestrom und Widerstand ist, auf Gleichgewichtsspannung aufaddiert beziehungsweise von diesen subtrahiert werden. Im Betrieb wandern die Betriebsspannungen auf diesen Kurven entlang.
6 zeigt die Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve beziehungsweise die Verteilung der Betriebsspannungen im Betriebszustand des Ladens. Da eine durchschnittliche Zellspannung U⌀ hoch ist, ist eine hohe Ladeleistung erforderlich. Ebenso führt der Betrieb in dem rechten SOC-Randbereich zu stark variierenden Einzelzellspannungen. Eine Redox-Flow-Batterie kann mittels Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurven, beispielsweise gemäß 5 oder 6, einfach beschrieben werden.
7 bis 9 veranschaulichen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Erfindungsgemäß wird eine Einzelzellenspannungsüberwachung der ersten Einzelzelle Z1 und der letzten Zelle Zk im Redox-Flow-Batterie-Stack 1 ausgeführt. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der Wirkungsgrad eines Redox-Flow-Batterie-Stacks 1 vergrößert werden kann, wenn ein aus den beiden gemessenen Betriebsspannungen berechneter Betrag des Spannungsgradienten verkleinert wird. Das Messen von Spannungen an den jeweiligen Einzelzellen im Betrieb bedarf grundsätzlich keiner zeitlich hohen Auflösung, da eine Redox-Flow-Batterie keine hohe Dynamik besitzt, die eine schnelle Regulierung der Flussrate erforderlich machen würde. Sie muss aber lediglich hoch genug sein, um das Reaktionsvermögen an oder in den Randbereichen der Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurven aufrechtzuerhalten. Vorteilhaft sind aber die erfindungsgemäßen Regelungen besonders wirksam, wenn diese in Echtzeit ausgeführt werden. 7 bis 9 zeigen eine derartige optimierte Echtzeit-Regulierung der Pumpenleistung Pp in Abhängigkeit von einem konstanten fließenden Strom I sowie dem aktuellen Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| im Stack 1. 7 zeigt, dass der Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| beziehungsweise entsprechend die Differenz zwischen maximalem und minimalem Ladezustand SOC im Stack mit zunehmender Elektrolyt-Flussrate F sinkt. Da der Redox-Flow-Batterie-Stack von zwei Elektrolytkreisläufen durchströmt wird, existieren zwei Flussraten, die jedoch gleich groß sind, sodass im Folgenden lediglich von einer Flussrate F die Rede ist. 7 bis 9 zeigen, dass sich mit einem geringen Mehraufwand eine effiziente Regulierung der Flussrate erreichen lässt, die den Betrieb von Redox-Flow-Batterien optimieren kann. 7 zeigt, dass um den Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| im Stack 1 zu reduzieren, damit der Wirkungsgrad µ vergrößert werden kann, die Flussrate vergrößert werden kann. 7 zeigt den Zusammenhang bei einem konstanten Lade- oder Entladestrom I des Stacks 1. 8 zeigt, dass mit steigender Flussrate F zwar grundsätzlich der Wirkungsgrad µ vergrößert werden kann. Da aber für die vergrößerte Flussrate F jedoch eine zusätzliche elektrische Leistung ΔPp an der Pumpe beziehungsweise an den Pumpen aufgewendet werden muss, sinkt nach einem lokalen Maximum Max der Wirkungsgrad µ der Batterie wieder ab. Ein Batterie-Management-System BMS weist einen hinterlegten Regelalgorithmus auf, der diesen optimalen Arbeitspunkt Max der Pumpe beziehungsweise Pumpen ermittelt, sowie dies 8 darstellt. 9 zeigt zusätzlich wie eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei einer bekannten Strombelastung mittels der Flussrate F optimiert wird. Hierzu wird die notwendige Leistung Pp der Pumpe beziehungsweise der Pumpen gegen die Differenz aus gewonnener Leistung ΔPs infolge eines gesunkenen Betrags einer Spannungsdifferenz |ΔU_B| im Stack 1 und der zusätzlichen Pumpenleistung ΔPp von links nach rechts aufgetragen. Dies zeigt 9. Für den Fall, dass zu Beginn einer Optimierung ein aktueller tatsächlicher Wert der notwendigen Pumpenleistung Pp links von der des Maximums Max liegt, soll die Pumpenleistung Pp zur Vergrößerung der Flussrate F vergrößert werden. Für den Fall, dass zu Beginn einer Optimierung ein aktueller tatsächlicher Wert der notwendigen Pumpenleistung Pp rechts von der des Maximums Max liegt, soll die Pumpenleistung Pp zur Verkleinerung der Flussrate F, aber zur Vergrößerung der Differenz aus verringerter Leistung ΔPs infolge eines gestiegenen Betrags der Spannungsdifferenz |ΔU_B| im Stack 1 und der verringerten Pumpenleistung ΔPp verringert werden, bis das Maximum erreicht ist. Auf dieser methodischen Herangehensweise aufbauend kann ein effizienter Regelalgorithmus für die Pumpensteuerung leicht umgesetzt werden. Der optimale Arbeitspunkt ist mit Max gekennzeichnet. Auf dieser Grundlage können herkömmlicherweise verwendete Pumpenleistungen auf ein notwendiges Minimum reduziert werden. Mittels der Möglichkeit die Flussrate F dynamisch zu regulieren, können in deutlich größeren Ladezustands- beziehungsweise SOC-Bereichen maximale Lade- beziehungsweise Entladeströme bewirkt werden. Bei herkömmlichen Systemen wird insbesondere der maximale Ladestrom schon bei relativ niedrigem SOC aufgrund der maximal erreichten Gesamtspannung des Stacks gedeckelt. Mit dem hier vorgestellten Verfahren besteht die Möglichkeit, durch eine Überwachung der letzten Zellspannung U_B (k) den Moment der Stromdeckelung genauer zu bestimmen, sowie mit einer erhöhten Flussrate F auf die Herausforderungen bei Ladevorgängen verbessert reagieren zu können.
10 und 11 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 10 und 11 zeigen eine optimierte Echtzeit-Regulierung des Betrages des elektrischen Stroms eines Redox-Flow-Batterie-Stacks, wobei der Strom ein Lade- oder Entladestrom sein kann, in Abhängigkeit von einer konstanten Flussrate F sowie dem aktuellen Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| im Stack. 10 zeigt, dass der Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| und entsprechend die Differenz zwischen maximalen und minimalen SOC im Stack mit abnehmendem Betrag des elektrischen Stroms sinkt. Mit betragsmäßig zunehmendem Strom wird die Differenz größer, wohingegen der Gradient |ΔU_B| mit kleinerem Betrag des elektrischen Stroms |I| auch betragsmäßig kleiner wird. 10 zeigt den Betrag des Spannungsgradienten zwischen der ersten und der letzten Zelle im Stack in Abhängigkeit des Betrages der Stromstärke. 11 zeigt den ermittelten Wirkungsgrad µ der Redox-Flow-Batterie in Abhängigkeit des Betrages des elektrischen Stroms |I|. Einen optimalen Arbeitspunkt Max zeigt 11. Eine aktive Stromregelung seitens der Batterie zur Wirkungsgradvergrößerung ist allerdings im Vergleich zur Regelung der Flussrate F weniger vorteilhaft, da dies eine zusätzliche Kommunikation mit den Stromrichtern erfordert und das gesamte System aus Energieverbrauchern und -erzeugern aufwendiger wäre. Aus diesem Grund ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei bekannter Strombelastung die Flussrate F zu optimieren vorzuziehen. 7 zeigt, dass der Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| umgekehrt proportional zur Flussrate F ist. 10 zeigt, dass der Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| beispielsweise dem Quadrat oder der dritten Potenz des Betrages des elektrischen Stroms der Batterie entspricht.
12 bis 17 zeigen jeweils paarweise, wie mittels der Erfindung der Wirkungsgrad von Redox-Flow-Batterien maximiert werden kann. Mittels einer Echtzeitüberwachung der Spannungsdifferenz |ΔU_B| im Stack kann die Flussrate F und somit die notwendige Pumpenenergie Pp angepasst werden. Die 12 bis 15 zeigen eine jeweilige Verkleinerung des Betrages des Spannungsgradienten |ΔU_B| zur Vergrößerung des Wirkungsgrades. 12 bis 15 zeigen Optimierungen in den Randbereichen von Betriebsspannungs-Ladungszustands-Kurven der zu optimierenden Batterie. Die 12 bis 15 zeigen eine jeweilige Verkleinerung des Betrags des Spannungsgradienten |ΔU_B| zur Vergrößerung des Wirkungsgrades.
16 und 17 zeigen eine Wirkungsgradvergrößerung im linearen Bereich der hinsichtlich des Wirkungsgrades zu optimierenden Batterie. Die 16 und 17 zeigen eine jeweilige Vergrößerung des Betrags des Spannungsgradienten |ΔU_B| zur Vergrößerung des Wirkungsgrades.
12 zeigt einen Entladevorgang bei niedrigem SOC sowie unvorteilhafter zu tief angesetzter Flussrate. Der hohe Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| führt zu einer geringen Stackspannung, welche wiederum zu einer geringen Entladeenergie beziehungsweise Entladeleistung führt. Die zu tiefe mittlere Zellspannung U⌀ führt zu einer geringen Stackspannung. Die Betriebsspannung einer Einzelzelle im Redox-Flow-Stack einer Redox-Flow-Batterie im Betrieb, das heisst beim Laden beziehungsweise Entladen der Batterie, setzt sich aus der Ladezustands-abhängigen Gleichgewichtsspannung der Einzelzelle sowie dem Spannungshub infolge des Stromflusses zusammen. Diese resultierende Spannung von Einzelzellen eines Redox-Flow-Batterie-Stacks im Betrieb wird als Betriebsspannung U_B bezeichnet. Beim Spannungshub handelt es sich um das Produkt aus fließendem Batteriestrom und dem temperaturabhängigen Widerstand der Redox-Flow-Batterie. Beim Entladen werden so die Gleichgewichtsspannungen der Einzelzellen abgesenkt. Diesen Betriebszustand stellen 12 und 13 dar.
13 zeigt wie der Wirkungsgrad gegenüber 12 optimiert werden kann. 13 zeigt den Entladevorgang bei niedrigem SOC nun mit optimierter Flussrate F. Der Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| wurde verkleinert, die Betriebsspannungen an den Einzelzellen haben sich vergrößert und somit wurde die Entladeenergie beziehungsweise die Entladeleistung vergrößert. Durch die Verkleinerung des Betrags des Spannungsgradienten |ΔU_B| ist die durchschnittliche Zellbetriebsspannung U_B⌀ gestiegen und damit die gesamte Stackbetriebsspannung.
14 zeigt einen Ladevorgang einer zu optimierenden Batterie bei hohem SOC sowie zu tief angesetzter Flussrate F. Der hohe Betrag der Spannungsdifferenz beziehungsweise der hohe Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| führt zu einer hohen Stackbetriebsspannung, welche wiederum zu einer hohen notwendigen Ladeenergie beziehungsweise Ladeleistung führt. Eine zu hohe durchschnittliche Zellbetriebsspannung U_B⌀ führt zu einer zu hohen Stackbetriebsspannung. Die Betriebsspannung einer Einzelzelle im Redox-Flow-Stack einer Redox-Flow-Batterie im Betrieb, das heisst hier beim Laden der Batterie, setzt sich aus der Ladezustands-abhängigen Gleichgewichtsspannung der Einzelzelle sowie dem Spannungshub infolge des Stromflusses zusammen. Diese resultierende Spannung von Einzelzellen eines Redox-Flow-Batterie-Stacks im Betrieb wird als Betriebsspannung U_B bezeichnet. Beim Spannungshub handelt es sich um das Produkt aus fließendem Batteriestrom und dem temperaturabhängigen Widerstand der Redox-Flow-Batterie. Beim Laden wird so die Betriebsspannung der Einzelzellen vergrößert. Diesen Betriebszustand stellen 14 und 15 dar.
15 zeigt einen verbesserten Ladevorgang bei hohem SOC sowie mit einer optimierten Flussrate F. Der kleinere Betrag des Spannungsgradient |ΔU_B| führt zu einer kleineren Stackbetriebsspannung, welche wiederum zu einer kleineren notwendigen Ladeenergie beziehungsweise Ladeleistung führt. Die durchschnittliche Zellbetriebsspannung U_B⌀ ist im Vergleich zu der von 14 gestiegen und damit die gesamte Stackbetriebsspannung.
16 und 17 zeigen, dass speziell im mittleren SOC-Bereich die Flussrate F stark reduziert werden kann, ohne dass die letzte Zelle Zk in kritische Spannungsbereiche gerät. So kann die Pumpleistung Pp soweit reduziert und der Betrag des Spannungsgradienten |ΔU_B| vergrößert werden, bis die Wirkungsgradverluste aufgrund eines dann zu großen Betrags des Spannungsgradienten |ΔU_B| zum Tragen kommen. In diesem Punkt Max ist die Flussrate optimal und der Wirkungsgrad µ maximiert. Die Steuerung kann in allen Fällen gemäß den 12 bis 17 mittels einer schnellen Programmierschleife oder mittels Wertetabellen im Batterie-Management-System BMS ausgeführt werden.
16 zeigt einen Entladevorgang bei mittleren SOC, das heißt in dem linearen Bereich der Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve, bei einer zu hohen Flussrate F. Zwar ist hier der Betrag der Spannungsdifferenz |ΔU| klein, jedoch führt die hohe Pumpenleistung Pp zu einer erheblichen Senkung des Wirkungsgrades µ der Redox-Flow-Batterie. Das heißt, die zu hohe Flussrate F führt zu einer zu hohen Pumpenleistung Pp.
17 zeigt den Entladevorgang bei mittleren SOC, das heißt im linearen Bereich der Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve, allerdings nun mit einer optimierten Flussrate F. Zwar ist nun der Betrag der Spannungsdifferenz der Einzelzellen beziehungsweise der Betrag des Spannungsgradienten gestiegen, gleichzeitig konnte jedoch die große Pumpenleistung Pp wirksam verkleinert und somit der Gesamtwirkungsgrad µ der Redox-Flow-Batterie wirksam vergrößert werden. Am optimalen Arbeitspunkt Max ist die Flussrate F im Vergleich zu 16 verkleinert und folglich die Pumpenleistung Pp verkleinert worden.
18 zeigt ein drittes allgemeines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur Vergrößerung des Wirkungsgrades eines Redox-Flow-Batterie-Stacks beziehungsweise einer Redox-Flow-Batterie wird ein Batterie-Management-System verwendet, das jeweils die Betriebsspannung an der ersten und an der letzten Einzelzelle erfasst. Mit einem zweiten Schritt S2 berechnet das Batterie-Management-System den Betrag eines Spannungsgradienten |ΔU_B| aus der Differenz der Betriebsspannungen an der ersten und an der letzten Einzelzelle im Redox-Flow-Batterie-Stack. Mittels des Betrages des Spannungsgradienten |ΔU_B| wird aufgrund einer bekannten Abhängigkeit der aktuelle Wert einer Stellgröße des Redox-Flow-Batterie-Stacks beziehungsweise der Redox-Flow-Batterie berechnet und das Batterie-Management-System stellt ausgehend von dem aktuellen Wert die Stellgröße des Redox-Flow-Batterie-Stacks beziehungsweise der Redox-Flow-Batterie derart ein, dass der Wirkungsgrad μ maximal wird. Dies entspricht dem Schritt S3. In einem nicht dargestellten Schritt S4 können Messungen der Betriebsspannungen an einer Vielzahl von Einzelzellen zur Berechnung von mehreren Spannungsgradienten alternativ oder kumulativ ausgeführt und damit zusätzlich optimierte Regelungen ausgeführt werden.
19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Batterie-Management-System BMS erfasst mittels den gemessenen Betriebsspannungen U an zwei Einzelzellen eines Redox-Flow-Batterie-Stacks 1 einen Spannungsgradienten ΔU_B und berechnet mittels des Betrages des Spannungsgradienten |ΔU_B| aufgrund einer bekannten Abhängigkeit den aktuellen Wert einer Stellgröße S des Redox-Flow-Batterie-Stacks 1 beziehungsweise der Redox-Flow-Batterie. Danach regelt das Batterie-Management-System BMS ausgehend von dem aktuellen Wert der Stellgröße S des Redox-Flow-Batterie-Stacks 1 beziehungsweise der Redox-Flow-Batterie dieses derart, dass der Wirkungsgrad μ maximal wird.

Claims

Verfahren zur Vergrößerung des Wirkungsgrads (μ) eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen (Z) aufweisenden Redox-Flow-Batterie-Stacks (1) einer Redox-Flow-Batterie aufweisend mindestens zwei Elektrolytkreisläufe (3, 5), mittels denen die Einzelzellen ausgehend von jeweils mindestens einem Tank (7, 9) beginnend von einer ersten Einzelzelle (Z1) bis zu einer letzten Einzelzelle (Zk) von jeweils einem Elektrolyt (E1/E2) mittels mindestens einer Pumpe (11, 13) in einer gemeinsamen festen Richtung mit jeweils einer zueinander gleichen Flussrate (F) seriell durchflossen werden und die Einzelzellen zueinander verschiedene Ladungszustände (SOC) sowie dazugehörige Betriebsspannungen (U_B) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batterie-Management-System (BMS) an zwei Einzelzellen die Betriebsspannungen (U_B) erfasst und mittels deren Differenz einen Betrag eines entsprechenden Spannungsgradienten (ΔU_B) und mittels diesen aufgrund einer bekannten Abhängigkeit einen aktuellen Wert einer Stellgröße der Redox-Flow-Batterie berechnet (S2); und das Batterie-Management-System ausgehend von dem aktuellen Wert die Stellgröße derart einstellt, dass der Wirkungsgrad (μ) maximal wird (S3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Einzelzellen die erste und die letzte Einzelzelle (Z1, Zk) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem konstanten elektrischen Strom (I) der Redox-Flow-Batterie das Batterie-Management-System den aktuellen Wert der elektrischen Leistung (Pp) an der Pumpe als die Stellgröße zur Einstellung der Flussraten (F) der Elektrolyte erfasst und davon ausgehend derart einstellt, dass die Differenz zwischen einer Veränderung der elektrischen Leistung (ΔPs) am Redox-Flow-Batterie-Stack infolge einer Veränderung der elektrischen Leistung (ΔPp) an der Pumpe und der Veränderung der elektrischen Leistung (ΔPp) an der Pumpe maximal wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanten Flussraten durch den Redox-Flow-Batterie-Stack das Batterie-Management-System den aktuellen Wert des Betrages des elektrischen Stroms (I) der Redox-Flow-Batterie erfasst und davon ausgehend derart einstellt, dass der Wirkungsgrad in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom maximal wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an einer jeweiligen Einzelzelle aus der jeweiligen Differenz zwischen dem mittels eines Spannungssensors erfassten Wert der Betriebsspannung an der Einzelzelle und der Überspannung berechnet, die das Batterie-Management-System aus einem Produkt des erfassten elektrischen Stroms der Redox-Flow-Batterie und deren von deren Temperatur abhängigen elektrischen Gesamtwiderstands berechnet hat.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an der ersten Einzelzelle als einen Näherungswert für die Gleichgewichtsspannung an den Tanks zur Bestimmung von Betriebsparametern, insbesondere der bereitgestellten Kapazität, verwendet.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System von der Temperatur der Redox-Flow-Batterie abhängige gespeicherte Werte des elektrischen Gesamtwiderstands der Redox-Flow-Batterie verwendet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System mittels der Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle den Moment des Erreichens der maximalen Betriebsspannung einer Einzelzelle des Redox-Flow-Batterie-Stacks erfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System beim Betriebszustand des Ladens der Redox-Flow-Batterie die Flussraten vergrößert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsgradient von der Stellgröße der Redox-Flow-Batterie in Abhängigkeit von einem sich ändernden Parameter der Redox-Flow-Batterie veränderlich, aber bekannt abhängt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter im Falle der Flussrate als Stellgröße der elektrische Strom der Redox-Flow-Batterie ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Redox-Flow-Batterie mittels einer Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve beschrieben und zusätzlich zu einem linearen Bereich in Randbereichen der Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve verwendet wird.
Vorrichtung zur Vergrößerung des Wirkungsgrads eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Redox-Flow-Batterie-Stacks einer Redox-flow-Batterie aufweisend mindestens zwei Elektrolytkreisläufen, mittels denen die Einzelzellen ausgehend von jeweils mindestens einem Tank beginnend von einer ersten Einzelzelle bis zu einer letzten Einzelzelle von jeweils einem Elektrolyt mittels mindestens einer Pumpe in einer gemeinsamen festen Richtung mit jeweils einer zueinander gleichen Flussrate seriell durchflossen werden und die Einzelzellen zueinander verschiedene Ladungszustände (SOC) sowie dazugehörige Betriebsspannungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batterie-Management-System (BMS) an zwei Einzelzellen die Betriebsspannungen (U_B) erfasst und mittels deren Differenz einen Betrag eines entsprechenden Spannungsgradienten (ΔU_B) und mittels diesen aufgrund einer bekannten Abhängigkeit einen aktuellen Wert einer Stellgröße der Redox-Flow-Batterie berechnet (S2); und das Batterie-Management-System ausgehend von dem aktuellen Wert die Stellgröße derart einstellt, dass der Wirkungsgrad (μ) maximal wird (S3).
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Einzelzellen die erste und die letzte Einzelzelle (Z1, Zk) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem konstanten elektrischen Strom (I) zum Laden oder Entladen der Redox-Flow-Batterie das Batterie-Management-System den aktuellen Wert der elektrischen Leistung (Pp) an der Pumpe als die Stellgröße zur Einstellung der Flussraten (F) der Elektrolyte erfasst und davon ausgehend derart einstellt, dass die Differenz zwischen einer Veränderung der elektrischen Leistung (ΔPs) am Redox-Flow-Batterie-Stack infolge einer Veränderung der elektrischen Leistung (ΔPp) an der Pumpe und der Veränderung der elektrischen Leistung (ΔPp) an der Pumpe maximal wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanten Flussraten durch den Redox-Flow-Batterie-Stack das Batterie-Management-System den aktuellen Wert des Betrages des elektrischen Stroms (I) der Redox-Flow-Batterie erfasst und davon ausgehend derart einstellt, dass der Wirkungsgrad in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom maximal wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an einer jeweiligen Einzelzelle aus der jeweiligen Differenz zwischen dem mittels eines Spannungssensors erfassten Wert der Betriebsspannung an der Einzelzelle und der Überspannung berechnet, die das Batterie-Management-System aus einem Produkt des erfassten elektrischen Stroms der Redox-Flow-Batterie und deren von deren Temperatur abhängigen elektrischen Gesamtwiderstands berechnet hat.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an der ersten Einzelzelle als einen Näherungswert für die Gleichgewichtsspannung der Tanks zur Bestimmung von Betriebsparametern, insbesondere der bereitgestellten Kapazität, verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System von der Temperatur der Redox-Flow-Batterie abhängige gespeicherte Werte des elektrischen Gesamtwiderstands der Redox-Flow-Batterie verwendet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System mittels der Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle den Moment des Erreichens der maximalen Betriebsspannung einer Einzelzelle des Redox-Flow-Batterie-Stacks erfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System beim Betriebszustand des Ladens der Redox-Flow-Batterie die Flussraten vergrößert.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsgradient von der Stellgröße der Redox-Flow-Batterie in Abhängigkeit von sich ändernden Parametern der Redox-Flow-Batterie veränderlich, aber bekannt abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter im Falle der Flussrate als Stellgröße der elektrische Strom der Redox-Flow-Batterie ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Redox-Flow-Batterie mittels einer Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve beschrieben und zusätzlich zu einem linearen Bereich in Randbereichen der Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve verwendet wird.