DE102012222236A1

DE102012222236A1 - Schutz von Redox-Flow-Batterien mittels Einzelzellenüberwachung

Info

Publication number: DE102012222236A1
Application number: DE201210222236
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 zum elektrischen Schutz eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Stacks (1) einer Redox-Flow-Batterie vorgeschlagen, wobei ein Batterie-Management-System (BMS) jeweils die Betriebsspannung an mindestens einer Einzelzelle erfasst und mittels des erfassten Wertes oder der erfassten Werte die Redox-Flow-Batterie elektrisch innerhalb eines zulässigen Spannungsbereiches regelt oder vollständig leistungslos schaltet. Die Erfindung verbessert den elektrischen Schutz von Redox-Flow-Batterien beim Entladen oder Laden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines wirksamen elektrischen Schutzes 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.
Ausgehend von wechselnden Umwelteinflüssen auf ein Redox-Flow-Batterie-System beziehungsweise sich ändernden Rahmenbedingungen im System wirken unterschiedliche Belastungen auf die verwendeten Batterien. Eine für alle Szenarien ausreichende Dimensionierung der Energiespeicher ist aufgrund dieser nicht definierbaren Anforderungen aus Kostengründen unmöglich. Aus diesem Grund sind Schutzmechanismen unumgänglich, die die Batterie vor Überlastungen und letztendlich vor Schäden schützen. Hierzu müssen Sensoren an die Redox-Flow-Batterie angebracht werden, die sicherheitsrelevante Parameter, wie es beispielsweise die Temperatur, die Spannung und der Strom sind, überwachen.
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 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 Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve einer Redox-Flow-Batterie, deren Stack aus mehreren Einzelzellen n zusammengesetzt ist, im Betriebszustand des Entladens. 5 zeigt die Verteilung der Betriebsspannungen 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 Spannung 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.
In geringen SOC-Bereichen mit großen Entladeströmen besteht die Gefahr, dass in der letzten Zelle die technisch und elektrochemisch festgelegte Minimalspannung unterschritten wird. Analog dazu kann im Ladeprozess bei hohen SOC in der letzten Zelle die Maximalspannung überschritten werden. Bei Nicht-Einhaltung der Spannungsgrenzwerte können durch elektrochemische Nebenreaktionen irreversible Reaktionen hervorgerufen werden, welche zu Schäden an Elektrolyten sowie an den einzelnen Zell-Komponenten führen, wie dies beispielsweise Elektroden oder Membranen sind. Daneben kann eine Spannung weit außerhalb des spezifizierten Spannungsfensters zur Gasung, und zwar beispielsweise durch Elektrolyse, führen. Dies stellt ein zusätzliches Sicherheitsrisiko des Gesamtsystems dar.
Herkömmlicherweise wird, um die oben beschriebenen Randbereiche zu vermeiden, der Betrieb nur im linearen Bereich der Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve gemäß 5 und 6 erlaubt. Dadurch steht jedoch ein großer Teil der Energiekapazität, und zwar im Bereich von ca. 30 % bis 40 %, für den Betrieb nicht zur Verfügung. Hierzu wird bei konventionellen, kommerziell erhältlichen Redox-Flow-Batterien parallel zum elektrisch aktiven Stack, wobei als Stack die seriell elektrisch verschalteten Einzelzellen bezeichnet werden, eine Referenzzelle mit Elektrolyt durchflossen, durch die kein elektrischer Strom fließt. Die anliegende Gleichgewichtsspannung (OCV) dient als Indikator für den Ladungszustand SOC der Tanks und somit des Gesamtsystems. Die zusätzlich erforderliche Pumpenenergie für den Durchfluss der Referenzzelle senkt jedoch den Gesamtwirkungsgrad der Batterie signifikant. Des Weiteren überwacht ein intelligentes Batterie-Management-System (BMS) die Spannung sowie den Strom des Stacks. Aus Erfahrungswerten sowie unter Berücksichtigung der SOC-Randbereiche der entsprechenden Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve kann das BMS die Flussrate des Elektrolyten mithilfe der aktuellen Werte der Gleichgewichtsspannung der Referenzzelle und des Stroms regulieren. Eine Einhaltung der Grenzwerte in allen Einzelzellen ist herkömmlicherweise nicht überprüfbar. Diesem Problem begegnen herkömmliche Systeme durch das Pumpen von überflüssig viel Elektrolyten durch den Stack, wodurch abermals der Wirkungsgrad der Redox-Flow-Batterie sinkt. Eine harte, das heißt eine sofortige, Abschaltung findet anhand grober Erfahrungswerte nur anhand der Referenzspannung statt. Herkömmlicherweise werden, um die Sicherheit des Systems zu gewährleisten, Kapazitäts- und Leistungseinbußen in Kauf genommen. Herkömmliche Systeme verfügen weder über einen verlässlichen Weich- noch einen wirksamen Hartanlagenschutz.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den elektrischen Schutz von herkömmlichen Redox-Flow-Batterien wirksam zu verbessern.
Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Hauptanspruch und einer Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum elektrischen Schutz eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Redox-Flow-Batterie-Stacks einer Redox-Flow-Batterie aufweisend mindestens zwei Elektrolytkreisläufe 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 Ladungszustände sowie dazugehörige Betriebsspannungen aufweisen, wobei ein Batterie-Management-System jeweils die Betriebsspannung an mindestens einer Einzelzelle erfasst und mittels des erfassten Wertes oder der erfassten Werte die Redox-Flow-Batterie elektrisch schützt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zum elektrischen Schutz eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Redox-Flow-Batterie-Stacks einer Redox-Flow-Batterie aufweisend mindestens zwei Elektrolytkreisläufe 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 Ladungszustände sowie dazugehörige Betriebsspannungen aufweisen, wobei ein Batterie-Management-System die Betriebsspannung an mindestens einer Einzelzelle erfasst und mittels des erfassten Wertes oder der erfassten Werte die Redox-Flow-Batterie elektrisch schützt.
Zur Lösung der Aufgabe zur Verbesserung von Redox-Flow-Batterie-Systemen wird eine Einzelzellenspannungsüberwachung vorgeschlagen. Diese kann grundsätzlich an jeder beliebigen Einzelzelle ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist die Einzelzellenspannungsüberwachung an der letzten Einzelzelle sowie an der letzten und ersten Einzelzelle. Die an den Einzelzellen während des Betriebs gemessenen Spannungen sollten zeitlich möglichst hoch aufgelöst sein, um besonders vorteilhaft eine Echtzeitüberwachung präzise und sicher durchführen zu können. Die Auswertung der gemessenen Spannungswerte und gegebenenfalls deren zeitlicher Differentiale werden im Batterie-Management-System BMS ausgeführt, das bei Bedarf entsprechende Anlagenschutz-Maßnahmen auslöst.
Infolge stark turbulenter Strömungen des Elektrolyten im Batterie-Stack sind bei Redox-Flow-Batterien durch Diffusionsprozesse limitierte Phänomene vernachlässigbar. Durch Messungen wurde festgestellt, dass der Strom im gesamten SOC-Bereich direkt proportional zur gemessenen Überspannung der Batterie ist. 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 Widerstandes. Dieser Zusammenhang wird formal im Batterie-Management-System hinterlegt.
Aufgrund einer direkten Proportionalität zwischen aktuellem Ladezustand sowie der aktuellen Betriebsspannung in einem mittleren linearen Bereich einer Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve kann auch bei unbekannter Betriebsspannung oder unbekanntem Ladezustand der Einzelzellen eine Redox-Flow-Batterie wirksam geschützt werden. Die Erkenntnis über einen konstanten Widerstand sowie die Spannungsmessungen, insbesondere an der ersten und der letzten Zelle des Stacks einer Redox-Flow-Batterie, ermöglichen neue Verfahren zum elektrischen Schutz von Redox-Flow-Batterien.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System die Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle erfassen und mittels einer Stellgröße der Redox-Flow-Batterie größer einer unteren und kleiner einer oberen Grenzspannung regeln. Mittels einer Echtzeit-Messung der Betriebsspannung der letzten Zelle im Stack wird eine sicherheitsbedenkliche Situation vermieden, in der es beispielsweise zu einer Gasentstehung kommen kann. Dadurch wird das Gesamtsystem deutlich sicherer, wobei Sicherheitsmaßnahmen bei der Aufstellung des Energiespeichers wirksam vereinfacht werden können. Auf diese Weise können notwendige Investitionskosten wirksam verringert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einem konstanten elektrischen Lade- oder Entlade-Strom in oder aus der Redox-Flow-Batterie das Batterie-Management-System als die Stellgröße, die elektrische Leistung an der Pumpe zur Einstellung der Flussraten der Elektrolyte derart einstellen, dass mittels Vergrößerung der elektrischen Leistung an der Pumpe ein Abstand der Betriebsspannung der letzten Einzelzelle zu der jeweiligen Grenzspannung vergrößert wird. Ein derartiger Schutz, der ebenso als Weichanlagenschutz bezeichnet werden kann, überwacht den Absolutwert der Spannung an der letzten Einzelzelle. Dieser Absolutwert muss innerhalb der erlaubten Spannungsgrenzen liegen, und zwar zwischen einem Spannungsminimalwert und einem Spannungsmaximalwert. Falls die Spannung einen dieser Grenzwerte erreicht, wird die Pumpenleistung vergrößert, was zu einer vergrößerten Flussrate führt. Dadurch sinkt der SOC-Gradient innerhalb des Stacks. Bei gleichbleibendem Strom und somit gleichbleibender Überspannung verbleibt die Spannung so innerhalb der erlaubten Grenzen. Mittels der Echtzeitüberwachung sinkt die Notwendigkeit, die Pumpleistung überzudimensionieren. Herkömmlicherweise laufen die Pumpen in herkömmlichen Systemen häufig auf Volllast. Die erforderlichen Pumpenleistungen können optimiert werden, wodurch der Wirkungsgrad wirksam vergrößert werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei konstanten Flussraten durch den Redox-Flow-Batterie-Stack das Batterie-Management-System als die Stellgröße den elektrischen Strom in die oder aus der Redox-Flow-Batterie derart einstellen, dass mittels einer Verkleinerung des Betrags des elektrischen Stroms ein Abstand der Betriebsspannung der letzten Einzelzelle von der jeweiligen Grenzspannung vergrößert wird. Das heißt, alternativ zur Erhöhung der Pumpenleistung besteht die Möglichkeit den elektrischen Strom zu verkleinern. Da bei verkleinertem Strom die umgewandelte Menge aktiver Spezies pro Zelle sinkt und somit die Differenz der Ladezustände zwischen erster und letzter Zelle abnimmt, kommt die Spannung der letzten Einzelzelle wieder in die zulässigen Grenzbereiche. Hierbei handelt es sich jedoch um einen aktiven Eingriff in die Stromregelung seitens der Batterie. Dies ist aufgrund der damit zunehmenden Komplexität des Systems schwierig und erfordert zusätzlich eine Kommunikation mit den zusätzlich angeschlossenen Stromrichtern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System die Betriebsspannungen an der ersten und der letzten Einzelzelle erfassen und beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Betrags des zeitlichen Differenzials der Differenz der Betriebsspannungen an der ersten und an der letzten Einzelzelle den Redox-Flow-Batterie-Stack elektrisch leistungslos schalten. Auf diese Weise kann ein sogenannter Hartanlagenschutz verwirklicht werden. Mittels der zeitlichen Entwicklung der Differenz der Betriebsspannungen zwischen der ersten und der letzten Zelle kann eine Notwendigkeit einer harten Abschaltung in Echtzeit überprüft werden. Wenn das zeitliche Differenzial dieser Differenz einen definierten Wert überschreitet, kann das Batterie-Management-System die Flussrate beziehungsweise den elektrischen Strom nicht mehr schnell genug nachregeln. Physikalisch bedeutet das, dass der SOC der letzten Einzelzelle unkontrollierbar divergiert, was zu einer divergierenden Spannung an der Zelle führt. Da hierbei schnell Grenzwerte für die Spannung über- beziehungsweise unterschritten werden könnten, ist in derartigen Fällen eine komplette Abschaltung notwendig. Eine derartige Schutzfunktion garantiert eine nachhaltige Nutzung der Batterie, schützt sie vor irreversiblen Zerstörungen und wirkt sich sehr positiv auf die Sicherheit des Gesamtsystems aus.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Redox-Flow-Batterie zusätzlich zum linearen Bereich in den beiden Randbereichen der die Batterie beschreibenden Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve betrieben werden. Mittels einer Echtzeitüberwachung kann eine deutlich höhere Bandbreite der von der Redox-Flow-Batterie bereitgestellten Kapazität verwendet werden. Da bislang in konventionellen Systemen lediglich der lineare Bereich genutzt wird, kann erfindungsgemäß auf einfache Weise eine Steigerung der genutzten Kapazität um bis zu 30 % bewirkt werden. Da neben der Leistung die Kapazität einer der wesentlichen Kennwerte eines stationären Energiespeichers ist, bedeutet dies einen enormen Zugewinn an Effizienz bei gleichbleibenden Kosten. Die Kapazität wird in den Tanks der Redox-Flow-Batterie umgesetzt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System eine 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 in und aus den Redox-Flow-Batterie-Stack und dessen von dessen Temperatur abhängigen elektrischen Gesamtwiderstand berechnen kann. Der elektrische Strom des Redox-Flow-Batterie-Stacks kann entweder ein Ladestrom oder ein Entladestrom sein. 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 der Gleichgewichtsspannung-Ladezustands-Kurve nach oben (Ladung) beziehungsweise unten (Entladung). Auf dieser neuen parallel zur Gleichgewichtsspannungs-Ladezustandskurve verlaufen die Zellspannungen dann (siehe 7). Die Stärke der Verschiebung ist direkt proportional zur angelegten Stromstärke, das heisst die Stromstärke ist direkt proportional zur Überspannung.
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 bereitgestellten Kapazität, verwenden. 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. Durch die Einzelzellenspannungsüberwachung kann auf eine herkömmliche Referenzzelle verzichtet werden. Stattdessen kann die Gleichgewichtsspannung der ersten Einzelzelle berechnet und somit ein aktueller SOC der Redox-Flow-Batterie bestimmt werden. 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.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Batterie-Management-System von der Temperatur des Redox-Flow-Batterie-Stacks abhängige gespeicherte Werte des elektrischen 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 Betriebszustand des Ladens der Redox-Flow-Batterie die Flussraten vergrößern. Auf diese Weise kann mittels der erhöhten Flussraten der Ladevorgang wirksam unterstützt 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 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 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
9 ein allgemeines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 ein 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 Betriebsspannungen U_B(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, Batterie-Management-System, Elektrolytkreisläufe 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 Betriebsspannungen 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 musste hierzu lediglich jeweils ein konstanter Spannungshub, welcher das Produkt aus Batteriestrom und elektrischer Widerstand ist, auf eine Gleichgewichtsspannungs-Ladezustands-Kurve für 6 aufaddiert beziehungsweise für 5 von dieser subtrahiert werden. Im Betrieb wandern die Betriebsspannungen auf diesen Kurven entlang. Grenzspannungen sind bei UMin beziehungsweise UMax. Je größer ein Entladestrom ist, desto schneller wird die untere Grenzspannung UMin erreicht. Analog dazu kann bei einem großen Ladestrom die Grenzspannung UMax schnell erreicht werden.
6 zeigt die Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve 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 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Mittels der Idee einer Einzelzellspannungsüberwachung kann ein sogenannter Weichanlagen-Schutzmechanismus verwirklicht werden. Hierbei wird überwacht, ob die Werte der gemessenen Betriebsspannung an mindestens einer Einzelzelle im Betrieb innerhalb der erlaubten Grenzen sind.
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 Laden werden so die Gleichgewichtsspannungen der Einzelzellen vergrößert, beim Entladen verkleinert, wie 7 zeigt. Die resultierende aktuelle Spannung an der erfassten Einzelzelle muss jedoch innerhalb eines definierten Spannungsfensters verbleiben, wie 7 mit der gestrichelten Minimal- beziehungsweise Maximalspannung zeigt. 7 zeigt die Gleichgewichtsspannungs-Ladezustands-Kurve OCV, welche beim Entladen infolge des Spannungshubs nach unten abgesenkt, beziehungsweise beim Laden angehoben wird.
Über- beziehungsweise unterschreitet die Betriebsspannung, wobei besonders vorteilhaft die Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle erfasst und verwendet wird, die Grenzen im Betrieb, so wie dies 7 darstellt, kann das Batterie-Management-System BMS beispielsweise die Pumpenleistung erhöhen, wodurch eine Flussrate F vergrößert wird, oder den Strom durch die Redox-Flow-Batterie verkleinern, wodurch der SOC-Gradient zwischen der ersten und der letzten Einzelzelle sinkt und somit die Spannung der letzten Einzelzelle wieder innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs geregelt werden kann. 7 zeigt mit der unteren gestrichelten Linie eine untere Grenzspannung Umin sowie eine obere Grenzspannung Umax. 7 zeigt eine Gleichgewichtsspannungs-Ladezustands-Kurve OCV einer erfindungsgemäß elektrisch geschützten Redox-Flow-Batterie. Im mittleren linearen Bereich kennzeichnet U_L eine Ladespannung und eine Spannung U_E eine Entladespannung. Die Gleichgewichtsspannungs-Ladezustands-Kurve wird infolge des negativen Spannungshubes beim Entladen abgesenkt und infolge eines positiven Spannungshubs beim Laden angehoben. 7 zeigt eine sogenannte Weichanlagenschutz-Regelung. Das Batterie-Management-System der Batterie überwacht, ob sich die Spannung an der letzten Einzelzelle, die hier die ganz linke beziehungsweise die ganz rechte dargestellte Betriebsspannung im Koordinatensystem ist, innerhalb der durch Umax und Umin festgelegten Spannungsgrenzen bewegt. Eine Überwachung erfolgt sowohl beim Entladen, wobei dieser Betriebszustand mittels dreier Punkte auf der linken Seite des Koordinatensystems dargestellt ist, als auch beim Laden, das mittels dreier Punkte auf der rechten Seite des Koordinatensystems dargestellt ist. Aufgrund einer direkten Proportionalität im mittleren linearen Bereich zwischen aktuellem Ladezustand sowie der aktuellen Betriebsspannung gemäß 7 kann ebenso bei unbekannter Betriebsspannung oder unbekanntem Ladezustand der Einzelzellen eine Redox-Flow-Batterie wirksam geschützt werden.
8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung ist ebenso ein Hartanlagenschutz möglich. Hierbei wird fortlaufend der Betrag der Differenz der Betriebsspannungen zwischen der ersten sowie der letzten Einzelzelle gemessen und überwacht. Überschreitet der Betrag des Differenzials dieser Differenz einen zuvor definierten Wert, besteht für das Batterie-Management-System des Batteriesystems keine Möglichkeit mehr schnell genug zu regeln. Da in derartigen Betriebspunkten leicht Spannungsgrenzen über- beziehungsweise unterschritten werden können und die daraus resultierenden Folgen sehr schwerwiegend sein können, ist es vorteilhaft, das System hart, das heißt sofort, abzuschalten. Resultierende Folgen können andernfalls irreversible Schädigungen des Systems sein oder eine Gasentwicklung, infolge der eine Explosionsgefahr gegeben ist. Eine erfindungsgemäße Regelung kann als Echtzeitüberwachung des zeitlichen Differenzials der Differenz der beiden Spannungen einfach in das Batterie-Management-System einer Redox-Flow-Batterie implementiert werden. 8 zeigt ein Betriebspannungs-Ladezustands-Diagramm im Betriebszustand des Ladens. U_L bezeichnet die Ladespannung. 8 zeigt eine Hartanlagenschutz-Regelung während eines Ladevorgangs. Das Batterie-Management-System der Batterie überwacht die Spannungen der ersten Einzelzelle, die die linken drei Spannungen von linken drei Punkten auf der Lade-Spannungs-Kurve sind, und die Spannungen der letzten Einzelzelle, die die Spannungen von rechten drei Punkten der Lade-Spannungs-Kurve sind. Das BMS überwacht, ob sich der Betrag des zeitlichen Differenzials des Betrags der Differenz der Spannungen der ersten Zelle und der letzten Zelle einen definierten Grenzwert überschreitet. Falls dies der Fall ist, wird das Batteriesystem gestoppt beziehungsweise hart abgeschaltet.
9 zeigt ein allgemeines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit einem ersten Schritt S1 erfasst ein Batterie-Management-System einer einen Stack 1 aufweisenden Redox-Flow-Batterie an einer letzten Einzelzelle Zk des Stacks 1 die dort anliegende Betriebsspannung U_B mittels eines Spannungssensors. Mit einem zweiten Schritt S2 erkennt das Batterie-Management-System BMS, dass ein Abstand dieser Betriebsspannung beispielsweise zu einer oberen Grenzspannung beim Laden vergrößert werden muss. Dies bewirkt das BMS, indem dieses bei einem konstanten elektrischen Ladestrom der Batterie die elektrische Leistung an der Pumpe als Stellgröße zur Einstellung der Flussraten F der beiden Elektrolyte vergrößert. Alternativ oder kumulativ kann das BMS das zeitliche Differenzial der Differenz der Betriebsspannungen an der ersten und an der letzten Einzelzelle des Redox-Flow-Batterie-Stacks 1 überwachen.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Batterie-Management-System BMS erfasst an einem Redox-Flow-Batterie-Stack 1 mittels Spannungssensoren an mindestens einer Einzelzelle des Stacks 1 mittels mindestens eines Spannungssensors eine jeweils anliegende Spannung. In Kenntnis der insbesondere an der letzten Einzelzelle Zk erfassten Betriebsspannung kann das BMS feststellen, ob diese Betriebsspannung im erlaubten Bereich liegt. Bei einem konstanten elektrischen Strom eines Ladens oder Entladens der Batterie kann das BMS als die Stellgröße die elektrische Leistung an der Pumpe zur Einstellung der Flussraten F von Elektrolyten derart einstellen, dass die Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle innerhalb des erlaubten Bereichs verbleibt beziehungsweise dass ein Abstand zu einer jeweiligen Grenzspannung ausreichend ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen die Pumpenleistung an einer Pumpe der Elektrolytkreisläufe zu vergrößern um den Abstand der Betriebsspannung der letzten Einzelzelle zu der jeweiligen Grenzspannung zu vergrößern. 10 stellt einen erfindungsgemäßen Regelkreis dar.
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Schutz eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Stacks (1) einer Redox-Flow-Batterie vorgeschlagen, wobei ein Batterie-Management-System (BMS) jeweils die Betriebsspannung an mindestens einer Einzelzelle erfasst und mittels des erfassten Wertes oder der erfassten Werte die Redox-Flow-Batterie elektrisch innerhalb eines zulässigen Spannungsbereiches regelt oder vollständig leistungslos schaltet. Die Erfindung verbessert den elektrischen Schutz von Redox-Flow-Batterien beim Entladen oder Laden.

Claims

Verfahren zum elektrischen Schutz 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) jeweils die Betriebsspannung an mindestens einer Einzelzelle erfasst und mittels des erfassten Wertes oder der erfassten Werte die Redox-Flow-Batterie elektrisch schützt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle (Zk) erfasst und mittels einer Stellgröße der Redox-Flow-Batterie größer einer unteren und kleiner einer oberen Grenzspannung regelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem elektrischen Strom (I) bei einem Laden oder Entladen der Redox-Flow-Batterie das Batterie-Management-System als die Stellgröße die elektrische Leistung (Pp) an der Pumpe zur Einstellung der Flussraten (F) der Elektrolyte derart einstellt, dass mittels Vergrößerung der elektrischen Leistung an der Pumpe ein Abstand der Betriebsspannung der letzten Einzelzelle zu der jeweiligen Grenzspannung vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanten Flussraten (F) durch den Redox-Flow-Batterie-Stack das Batterie-Management-System als die Stellgröße den elektrischen Strom beim Laden oder Entladen der Redox-Flow-Batterie derart einstellt, dass mittels Verkleinerung des Betrags des elektrischen Stroms ein Abstand der Betriebsspannung der letzten Einzelzelle zu der jeweiligen Grenzspannung vergrößert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Betriebsspannungen an der ersten und der letzten Einzelzelle erfasst und beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Betrags des zeitlichen Differentials des Betrages der Differenz der Betriebsspannungen an der ersten und an der letzten Einzelzelle den Redox-Flow-Batterie-Stack elektrisch leistungslos schaltet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Redox-Flow-Batterie zusätzlich zum linearen Bereich in den beiden Randbereichen einer die Redox-Flow-Batterie beschreibenden Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System eine Gleichgewichtsspannung an einer jeweiligen Einzelzelle aus der jeweiligen Differenz zwischen dem mittels eines Spannungssensors erfassten Werts 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 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an der ersten Einzelzelle als einen Näherungswert für die Gleichgewichtsspannung der Tanks zur Bestimmung von Betriebsarametern, insbesondere einer von der Redox-Flow-Batterie bereitgestellten Kapazität, verwendet.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, 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 9, 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 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System beim Betriebszustand des Ladens der Redox-Flow-Batterie die Flussraten vergrößert.
Vorrichtung zum elektrischen Schutz eines eine Anzahl von elektrisch seriell geschalteten Einzelzellen aufweisenden Redox-Flow-Batterie-Stacks einer Redox-Flow-Batterie aufweisend mindestens zwei Elektrolytkreisläufe, 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 die Betriebsspannung an mindestens einer Einzelzelle erfasst und mittels des erfassten Werts oder der erfassten Werte die Redox-Flow-Batterie elektrisch schützt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Betriebsspannung an der letzten Einzelzelle (Zk) erfasst und mittels einer Stellgröße der Redox-Flow-Batterie größer einer unteren und kleiner einer oberen Grenzspannung regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem elektrischen Strom bei einem Laden oder Entladen der Redox-Flow-Batterie das Batterie-Management-System als die Stellgröße die elektrische Leistung an der Pumpe zur Einstellung der Flussraten der Elektrolyte derart einstellt, dass mittels Vergrößerung der elektrischen Leistung an der Pumpe ein Abstand der Betriebsspannung der letzten Einzelzelle zu der jeweiligen Grenzspannung vergrößert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer konstanten Flussrate durch den Redox-Flow-Batterie-Stack das Batterie-Management-System als die Stellgröße den elektrischen Strom beim Laden oder Entladen der Redox-Flow-Batterie derart einstellt, dass mittels Verkleinerung des Betrags des elektrischen Stroms ein Abstand der Betriebsspannung der letzten Einzelzelle zu der jeweiligen Grenzspannung vergrößert wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Betrags des zeitlichen Differentials des Betrags der Differenz der Betriebsspannungen an der ersten und an der letzten Einzelzelle den Redox-Flow-Batterie-Stack elektrisch leistungslos schaltet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Redox-Flow-Batterie zusätzlich zum linearen Bereich in den beiden Randbereichen einer die Redox-Flow-Batterie beschreibenden Betriebsspannungs-Ladezustands-Kurve verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an einer jeweiligen Einzelzelle aus der jeweiligen Differenz zwischen dem mittels eines Spannungssensors erfassten Werts 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 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System die Gleichgewichtsspannung an der ersten Einzelzelle als einen Näherungswert für die Gleichgewichtsspannung der Tanks zur Bestimmung von Betriebsarametern, insbesondere einer von der Redox-Flow-Batterie bereitgestellten Kapazität, verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, 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 12 bis 20, 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 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System beim Betriebszustand des Ladens der Redox-Flow-Batterie die Flussraten vergrößert.