DE102020108053A1

DE102020108053A1 - Redox-Flow-Batterie-System und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102020108053A1
Application number: DE102020108053.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lüth
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-09-30
Also published as: WO2021191065A1

Abstract

Redox-Flow-Batterie-System und Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen auftretenden Ungleichgewichten, wobei das Batterie-System wenigstens zwei Batteriemodule (1), einen bidirektionalen Umrichter (7) und eine Steuereinrichtung (8) umfasst, und wobei die Batteriemodule in Serie geschaltet und mit dem Umrichter verbunden sind, und wobei jedes Batteriemodul eine Zellanordnung (2) mit einer Vielzahl von Redox-Flow-Zellen und eine Tankeinrichtung (3) zum Speichern von Elektrolyt und zur Versorgung der Zellanordnung mit Elektrolyt umfasst, und wobei das Batterie-System für jedes Batteriemodul einen ersten Schalter (9) und einen zweiten Schalter (10) umfasst, wobei der erste Schalter jeweils in Serie zu dem zugehörigen Batteriemodul angeordnet ist, und der zweite Schalter jeweils in einer Umgehungsleitung um das zugehörige Batteriemodul und den zugehörigen ersten Schalter angeordnet ist, und wobei die Steuereinrichtung mit jedem der Schalter so verbunden ist, dass dieselbe die jeweilige Schalterstellung bestimmen kann, um die Batteriemodule in die Serien-Schaltung hinein- oder aus der Serien-Schaltung herauszuschalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Redox-Flow-Batterie-System und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems. Die Erfindung betrifft insbesondere Redox-Flow-Batterie-Systeme mit einer hohen Ausgangsspannung. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Verfahren zur Verringerung bzw. Eliminierung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten zwischen in Serie geschalteten Batteriemodulen.
Um eine hohe Ausgangsspannung bei Redox-Flow-Batterie-Systemen zu erhalten, werden gewöhnlich mehrere Zellen elektrisch in Serie geschaltet. Diese Anordnung wird Stack genannt. Dies lässt sich jedoch nicht beliebig fortsetzen, da sonst der durch den Elektrolyt verursachte Nebenschlussstrom intolerabel hoch werden würde. Die Ausgangsspannung kann jedoch weiter erhöht werden, wenn mehrere Stacks in Serie geschaltet werden, wobei jeder Stack über eine separate Tankeinheit verfügt. Eine solche Einheit aus Stack und zugehöriger separater Tankeinheit wird Batteriemodul genannt. Aufgrund von Inhomogenität der verwendeten Rohmaterialien und Fertigungsschwankungen sind die einzelnen produzierten Batteriemodule jedoch nicht identisch, und daher leiden solche Batterie-Systeme darunter, dass es zu einen Ungleichgewicht unter den Batteriemodulen kommen kann, welches die Leistungsfähigkeit eines solchen Batterie-Systems nachteilig beeinflusst.
Aus dem Stand der Technik sind Batterie-Systeme und zugehörige Betriebsverfahren bekannt, welche ein solches schädliches Ungleichgewicht reduzieren können. Man spricht dabei gewöhnlich von einem Balancing.
Die WO 2020/030762 A1 beschäftigt sich mit dem Ungleichgewicht des Ladezustands der Batteriemodule (state of charge - SoC). Dabei werden die Ladezustände der einzelnen Elektrolyttanks gemessen und verglichen. Wenn der Unterschied der Ladezustände einen Schwellwert überschreitet, dann wird die Anzahl der in Serie geschalteten Zellen in den Stacks so angepasst, dass die weniger geladenen Elektrolyten durch weniger Zellen entladen werden, als die mehr geladenen Elektrolyten, bzw. dass die weniger geladenen Elektrolyten durch mehr Zellen geladen werden als die mehr geladenen Elektrolyten.
Auch die WO 2018/107097 A1 beschäftigt sich mit dem Ungleichgewicht des Ladezustands der Batteriemodule. Die Reduktion des Ungleichgewichts wird dadurch erreicht, dass nachdem die SoC-Werte gemessen wurden, der SoC-Wert eines Batteriemoduls dadurch an einen Ziel-SoC-Wert angeglichen wird, dass in wenigstens einem Modul ein Teil der gespeicherten Energie einer elektrischen Last zugeführt wird.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein Redox-Flow-Batterie-System und ein Betriebsverfahren anzugeben, wobei Ungleichgewichte in alternativer Weise reduziert werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Batterie-System und ein Betriebsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Die vorliegende Anmeldung offenbart dabei zwei unterschiedliche Lösungsansätze, die unabhängig voneinander oder besonders vorteilhaft in Kombination ausgeführt werden können.
Die erfindungsgemäßen Lösungen werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Batteriemodul
2 Batterie-System
3 Erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batterie-Systems (Detail)
4 Erfindungsgemäßes Batteriesystem in einer weiteren Ausführungsform
5 Erfindungsgemäßes Batteriesystem in einer weiteren Ausführungsform
6 Erfindungsgemäßes Batteriesystem in einer weiteren Ausführungsform
7 Erfindungsgemäßes Batteriesystem in einer weiteren Ausführungsform

1 zeigt auf der linken Seite in schematischer Darstellung ein Batteriemodul. Das Batteriemodul ist mit 1 bezeichnet. Das Batteriemodul umfasst eine Zellanordnung, welche mit 2 bezeichnet ist, eine Tankeinrichtung, welche mit 3 bezeichnet ist, und eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Regelgröße. Bei der Zellanordnung 2 handelt es sich um eine Anordnung von einer Vielzahl von Redox-Flow-Zellen, welche beliebig angeordnet sein können. Beispielsweise könnte es sich um einen einzelnen Zell-Stack, eine Serienschaltung von mehreren Stacks, eine Parallelschaltung von mehreren Stacks, oder um eine Kombination von Serien- und Parallelschaltung von mehreren Stacks handeln. In jeden Fall tragen alle Zellen der Zellanordnung 2 dazu bei, elektrische Energie beim Laden im Batteriemodul 1 zu speichern, bzw. elektrische Energie beim Entladen des Batteriemoduls 1 zu liefern. Die Tankeinrichtung 3 dient zum Speichern des Elektrolyten und zur Versorgung der Zellanordnung 2 mit Elektrolyt. Dazu umfasst die Tankeinrichtung 3 bis auf wenige Ausnahmen wenigstens zwei Tanks, ein Rohrsystem zur Verbindung der Tanks mit der Zellanordnung 2 und Pumpen zum Fördern des Elektrolyten. 1 zeigt dabei zwei separate Pumpen. Genauso gut könnte der Elektrolyt mit einer Doppelkopfpumpe gefördert werden, d.h. mit zwei Pumpen, welche über einen gemeinsamen Motor angetrieben werden. Die Tankeinrichtung 3 ist dabei so ausgebildet, dass sie alle Zellen der Zellanordnung 2 mit Elektrolyt versorgen kann. Fördern die Pumpen also den Elektrolyten, so werden alle Zellen der Zellanordnung 2 von demselben durchströmt. Es tragen daher immer alle Zellen der Zellanordnung 2 zum Laden des Elektrolyten der Tankeinrichtung 3, bzw. immer alle Zellen der Zellanordnung 3 zum Entladen des Elektrolyten der Tankeinrichtung 3 bei, wenn das Batteriemodul 1 geladen bzw. entladen wird.
Das in 1 dargestellt Batteriemodul 1 umfasst zwei Messeinrichtungen zur Bereitstellung einer Regelgröße. Dabei handelt es sich bei der Messeinrichtung, welche mit 4 bezeichnet ist, um eine Messeinrichtung zur Bereitstellung der sogenannte Leerlaufspannung (open circuit voltage - OCV). Der OCV-Wert ist ein Maß für den Ladezustand des Batteriemoduls (SoC). Die Messeinrichtung, welche mit 5 bezeichnet ist, ist eine Messeinrichtung zur Bereitstellung der Klemmenspannung der Zellanordnung 2 und damit auch des Batteriemoduls 1. Beim Laden bzw. Entladen des Batteriemoduls 1 unterscheidet sich die Klemmenspannung von der Leerlaufspannung um die Spannung, die über dem Innenwiderstand der Zellanordnung 3 abfällt. Alternativ zur OCV-Wert-Bestimmung ist das sogenannte Coulomb Counting, welches ebenfalls ein Maß für den Ladezustand des Batteriemoduls darstellt. Hierzu wird eine Messeinrichtung zur Bereitstellung des Stroms benötigt, welcher durch die in Serie geschalteten Module fließt. Eine solche Messeinrichtung für das Coulomb Counting könnte daher auch außerhalb der Batteriemodule 1 realisiert sein, so dass ein Batteriemodul 1 also optional eine Messeinrichtung zur Bereitstellung einer Regelgröße umfasst. In jedem Fall umfasst ein Batterie-System (s.u.) wenigstens eine Messeinrichtung zur Bereitstellung einer Regelgröße für jedes Batteriemodul 1 des Batterie-Systems.
Das Batteriemodul 1 umfasst ferner Hilfssysteme, welche durch das Rechteck mit der Bezeichnung 6 angedeutet werden. Die Hilfssysteme 6 werden über die beiden Klemmen von außerhalb des Batteriemoduls 1 mit Strom versorgt. Die Hilfssysteme 6 dienen u.a. zur Speisung der Pumpen, von eventuell vorhandenen Lüftungseinrichtung und dergleichen.
Auf der rechten Seite von 1 sind symbolhafte Darstellungsweisen des Batteriemoduls 1 gezeigt. Dabei zeigt die obere Darstellungsweise neben den Klemmen der Zellanordnung auch noch die Klemmen der Hilfssysteme. Letztere fehlen in der unteren Darstellungsweise. Die symbolhaften Darstellungsweisen werden im Folgenden verwendet. Wenn dabei die untere Darstellungsweise verwendet wird, bedeutet das nicht, dass die dargestellten Batteriemodule keine Hilfssysteme umfassen würden, sondern nur, dass in dem jeweiligen Zusammenhang die Hilfssysteme keine Rolle spielen.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein Batterie-System in einer ersten Ausführungsform. Das Batterie-System umfasst wenigstens zwei Batteriemodule, von denen eines mit 1 bezeichnet ist, einen bidirektionalen Umrichter (engl. bidirectional power conversion system - PCS), welche mit 7 bezeichnet ist, und eine Steuereinrichtung, welche mit 8 bezeichnet ist. Die Batteriemodule 1 sind in Serie geschaltet und mit dem Umrichter 7 verbunden. In 2 sind vier Batteriemodule dargestellt, wobei die gestrichelten Linien in der Serien-Schaltung eine beliebige Anzahl von weiteren Modulen andeuten sollen. Der Umrichter 7 übernimmt die Anbindung des Batterie-Systems an das Netz oder an ein übergeordnetes elektrisches System. Das Batterie-System umfasst ferner für jedes Batteriemodul 1 einen ersten Schalter, von denen einer mit 9 bezeichnet ist, und einen zweiten Schalter, von denen einer mit 10 bezeichnet ist. Die ersten Schalter 9 sind jeweils in Serie zu den Batteriemodulen 1 angeordnet, wobei es natürlich unerheblich ist auf welcher Seite des jeweiligen Batteriemoduls der zugehörige Schalter 9 angeordnet ist. Die zweiten Schalter 10 sind jeweils in einer Umgehungsleitung (Bypass) um jeweils ein Batteriemodul 1 und den zugehörigen ersten Schalter 9 angeordnet. In 2 sind alle Schalter 9 und 10 in geöffnetem Zustand dargestellt. In Realität werden die Schalter in fast allen erfindungsgemäßen Betriebsverfahren, welche in den folgenden Abschnitten im Detail beschrieben werden, durch die Steuereinrichtung 8 so angesteuert, dass von jedem Schalterpaar eines ersten und zweiten Schalters genau ein Schalter geschlossen und ein Schalter geöffnet ist (wechselweise geöffnet und geschlossen). D.h. ein Schalterpaar hat dabei genau zwei Schaltstellungen, wobei in der ersten Schaltstellung (erster Schalter 9 geschlossen und zweiter Schalter 10 geöffnet) das zugehörige Batteriemodul 1 sich in der Serienschaltung des Batterie-Systems befindet, und in der zweiten Schalterstellung (erster Schalter 9 geöffnet und zweiter Schalter 10 geschlossen) das zugehörige Batteriemodul 1 durch die Umgehungsleitung von der Serienschaltung des Batterie-Systems getrennt ist. Das Öffnen vom ersten Schalter 9 bei geschlossenen Schalter 10 verhindert dabei die Entladung des Moduls über die Umgehungsleitung. Die Steuereinrichtung 8 ist mit jedem Batteriemodul so verbunden, dass sie die Messwerte der Messeinrichtungen 4 bzw. 5 erfassen kann. Falls das Batterie-System eine oder mehrere Messeinrichtungen umfasst, welche nicht Teil der Batteriemodule 1 sind, dann ist die Steuereinrichtung natürlich auch mit diesen verbunden, um die Messwerte derselben erfassen zu können. Eine Messeinrichtung für das Coulomb Counting könnte beispielsweise auch ein Teil der Steuereinrichtung 8 sein. Außerdem ist die Steuereinrichtung 8 mit jedem der Schalter 9 und 10 so verbunden, dass dieselbe die jeweilige Schalterstellung bestimmen kann, um die Batteriemodule 1 in die Serien-Schaltung hinein- oder aus der Serien-Schaltung herauszuschalten. Diese Verbindungen können auch drahtlos erfolgen.
In einem Batterie-System gemäß 2 mit vollkommen identischen Batteriemodulen 1 könnte sich kein schädliches Ungleichgewicht einstellen. Reale Batteriemodule 1 unterscheiden sich jedoch aufgrund von Fertigungsschwankungen und von Alterungsprozessen. Außerdem können unterschiedliche Betriebsbedingungen, z.B. Temperaturunterschiede, der einzelnen Module ein unterschiedliches Verhalten derselben verursachen. Aus diesen Gründen haben reale Batteriemodule unterschiedliche Effizienzwerte und unterschiedliche Innenwiderstände. Eine höhere Effizienz führt bei gegebenen Lade- bzw. Entladestrom zu einem schnelleren Erreichen des Endzustands des betreffenden Batteriemoduls. Da in der Serienschaltung gemäß 2 alle Batteriemodule 1 vom selben Strom durchflossen werden, erreichen die Module mit hoher Effizienz den Endzustand schneller als die Module mit niedriger Effizienz. Zur Vermeidung von Schäden muss der Lade- bzw. Entladevorgang bereits jeweils dann abgebrochen werden, wenn ein Modul den jeweiligen Endzustand erreicht. Auf diese Weise verringert sich ohne ein Ausgleichen dieses Effekts die nutzbare Speicherkapazität eines solchen Batteriesystems mit jedem durchlaufenen Zyklus („capacity fading“). Etwas Ähnliches bewirkt der unterschiedliche Innenwiderstand der Module. Für die Klemmenspannung existieren obere und untere Grenzwerte, welche nicht über bzw. unterschritten werden dürfen. Selbst bei identischer Effizienz erreicht ein Modul mit höherem Innenwiderstand beim Laden oder Entladen schneller den jeweiligen Grenzwert der Klemmenspannung als ein Modul mit geringerem Innenwiderstand. Wenn das erste Modul einen Grenzwert erreicht muss der jeweilige Vorgang abgebrochen werden, was so ebenfalls zu einer Verringerung der nutzbaren Kapazität des Batterie-Systems führt. Alternativ könnte auch die Leistung des Systems reduziert werden. In jedem Fall führen diese Effekte zu einer Beeinträchtigung des Systems. Balancing soll die beschriebenen Effekte verringern bzw. komplett beseitigen, um so die nutzbare Kapazität des Batterie-Systems dauerhaft auf hohem Niveau zu halten bzw. die beschriebene Beeinträchtigung zu beseitigen. Andererseits ermöglicht ein erfolgreiches Balancing die Verwendung von Zellen mit einer vergleichsweise hohen Streuung bzgl. Effizienz und/oder Innenwiderstand, was sich natürlich in reduzierten Gestehungskosten niederschlägt.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten des in 2 dargestellten Batterie-Systems angegeben, wobei alle genannten Schritte selbstverständlich während dem Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems durchgeführt werden, d.h. das Laden bzw. Entladen wird dadurch nicht unterbrochen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten in einer ersten Ausführungsform umfasst dabei folgende Schritte:

• Erfassen der Messwerte der Messeinrichtung zur Bereitstellung einer Regelgröße für jedes Batteriemodul 1 durch die Steuereinrichtung 8;
• Falls sich in einem ersten Zeitpunkt wenigstens ein Messwert eines ersten Batteriemoduls 1 von einem Messwert eines zweiten Batteriemoduls 1 unterscheidet:
- o Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule 1, welche sich in der Serienschaltung befinden, um den Unterschied der Messwerte des ersten und zweiten Batteriemoduls 1 zu einem späteren zweiten Zeitpunkt zu verringern, wobei sich über den Zeitraum zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt während dem Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems eines der beiden Batteriemodule 1 weniger lange Zeit in der Serienschaltung befindet als das andere Batteriemodul 1.

Wenn ein Batterie-System mit einer Vielzahl von Batteriemodulen über einen ausreichend langen Zeitraum ohne Balancing betrieben wird, d.h. geladen oder entladen wird, dann stellt sich im Allgemeinen ein Zustand ein, bei dem die Messwerte der Regelgröße für jedes Batteriemodul eine statistische Verteilung darstellen. In jedem Fall ist dann die Bedingung erfüllt, dass sich wenigstens ein Messwert eines ersten Batteriemoduls 1 von einem Messwert eines zweiten Batteriemoduls 1 unterscheidet. Natürlich ist es Ziel des Balancings bei einem solchen System mit vielen Batteriemodulen die Bandbreite der Verteilung der Messwerte zu einem späteren Zeitpunkt möglichst zu verringern bzw. im Idealfall alle Messwerte vollständig aneinander anzugleichen. Das führt natürlich automatisch dazu, dass sich auch die Messwerte des ersten und zweiten Batteriemoduls zu dem späteren Zeitpunkt einander annähern. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass wenigstens ein Teil der Batteriemodule zeitweise aus der Serienschaltung des Batterie-Systems herausgeschaltet werden, wobei die herausgeschalteten Module in dieser Zeit nicht am Laden bzw. Entladen des Systems teilnehmen, wohingegen die in Serie verbleibenden Module daran teilnehmen.
Dabei ist darauf zu achten, dass nicht zu viele Batteriemodule zum gleichen Zeitpunkt aus der Serienschaltung herausgenommen werden, was beispielsweise zu einer Verringerung der an der PCS 7 anliegenden Spannung unter einen kritischen Grenzwert führen könnte, da sich diese Spannung aus der Summe der Klemmenspannungen aller in der Serien-Schaltung befindlichen Batteriemodule ergibt. Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule 1, welche sich in der Serienschaltung befinden, daher auch in dieser Beziehung, d.h. um einen störungsfreien Betrieb des Batterie-Systems zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten. Neben der unteren Grenzspannung des Umrichters 7 können hierbei natürlich auch noch weitere Parameter und Randbedingungen berücksichtigt werden, wie z.B. die obere Grenzspannung des Umrichters 7.
Dazu kann die Steuereinheit 8 beispielsweise die an der PCS 7 anliegende Spannung überwachen und ein entsprechendes Schaltverhalten sicherstellen. Alternativ könnte auch direkt eine maximale Anzahl von Modulen definiert werden, welche gleichzeitig aus der Serienschaltung herausgenommen werden dürfen. Es ist auch denkbar, dass eine solche maximale Anzahl noch von weiteren Parametern abhängen kann, z.B. dem Ladezustand des Systems oder eines beliebigen Moduls. So könnte beispielsweise bei einem ersten Ladezustand das gleichzeitige Herausschalten von maximal n Modulen erlaubt sein, und bei einem zweiten Ladezustand das gleichzeitige Herausschalten von maximal m Modulen erlaubt sein, wobei n ungleich m ist. Weitere denkbare Parameter sind der Lade- oder Entladestrom oder die Leistung der PCS 7.
Man kann sich das erfindungsgemäße Verfahren weiter verdeutlichen, wenn man bedenkt, dass beim Laden oder Entladen eines Batterie-Systems die Messwerte und damit die Werte der entsprechenden Regelgröße der Batteriemodule monoton einem Endwert zustreben. Die „Geschwindigkeit“ dieses Strebens ist aber für die Batteriemodule unterschiedlich, so dass manche Module „vorauseilen“ und andere „hinterherhinken“. Ziel des Balancings ist es also, die „Wandergruppe“ der Module zusammenzuhalten, obwohl jedes Modul mit einer anderen Geschwindigkeit voranschreitet. Die Steuereinrichtung erreicht dieses Ziel dadurch, dass die schnelleren Module von Zeit zu Zeit „Zwangspausen“ einlegen müssen (zeitweise Herausnahme aus der Serienschaltung), während das langsamste Modul permanent voranschreitet. Dabei achtet die Steuereinrichtung darauf, dass zu keinem Zeitpunkt zu viele Module pausieren. Dabei hat die Steuereinrichtung zwei Stellgrößen: die Länge der Pausen und die Pausenhäufigkeit.
Es kann sinnvoll sein, dass für das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren Schwellwerte für die Abweichung der Messwerte verwendet werden. Ein erster Schwellwert könnte für das Einsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens definiert werden, d.h. ein Schwellwert, welchen der Unterschied zwischen dem Messwert des ersten Batteriemoduls und dem Messwert des zweiten Batteriemoduls zu einem ersten Zeitpunkt überschreiten muss, damit der Balancing-Mechanismus ausgelöst wird. Ein zweiter Schwellwert könnte für das Aussetzen Balancing-Mechanismus definiert werden, d.h. ein Schwellwert, welchen der Unterschied zwischen dem Messwert des ersten Batteriemoduls und dem Messwert des zweiten Batteriemoduls zu einen späteren zweiten Zeitpunkt unterschreiten muss, damit der Balancing-Mechanismus zu diesem zweiten Zeitpunkt ausgesetzt wird. Es ist klar, dass der zweite Schwellwert kleiner als der erste Schwellwert gewählt werden muss. Insbesondere ist der zweite Schwellwert nützlich, um den negativen Einfluss von Messungenauigkeiten auszuschließen. Alternativ könnten die Messwerte natürlich auch mit einem geeigneten Filter von Rauschen befreit werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber genauso gut ohne Schwellwerte ausgeführt werden. Zum Beispiel indem man sich zunutze macht, dass man Erfahrungswerte für die Zeitdauer bestimmen kann, nachdem ein gegebenes Batterie-System bei einem gegeben Lade- bzw. Entladeprozess aus dem Gleichgewicht läuft, so dass ein ausgleichender Eingriff notwendig wird. Dasselbe gilt für die Zeitdauer, über welchen der erfindungsgemäße Balancing-Mechanismus ausgeführt werden muss, um ein gegebenes Batterie-System bei einem gegeben Lade- bzw. Entladeprozess wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Vorteilhaft kann die Steuereinheit eines gegebenen Batterie-Systems mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus diese Erfahrungswerte selbstlernend beim Durchlaufen von einigen wenigen Lade/Entlade-Zyklen gewinnen. Genauso können die Erfahrungswerte angepasst werden, falls sich das Batterie-System beispielsweise aufgrund von Alterungseffekten über einen längeren Betriebszeitraum in dieser Beziehung ändern sollte. Genauso können die Eigenheiten der einzelnen Batteriemodule 1 bestimmt werden, d.h. welche Batteriemodule mit hoher Effizienz arbeiten bzw. mit einem hohen Innenwiderstand behaftet sind, um so festzulegen, welche Batteriemodule erfahrungsgemäß häufiger und/oder länger pausieren müssen, um die „Wandergruppe“ beieinander zu halten (siehe auch unten). Bei der Verwendung von solchen Erfahrungswerten besteht daher keine Notwendigkeit für die permanente Erfassung bzw. Auswertung der Messwerte der Regelgrößen. Analoges gilt für eine modellbasierte Herangehensweise, bei der das Verhalten der Batteriemodule mit Hilfe eines Modells vorhergesagt werden können. Dabei kann das Modell mit Hilfe von Messgrößen und geeigneten Parametern an das jeweilige Batterie-System angepasst werden.
Es ist auch denkbar, dass der erfindungsgemäße Balancing-Mechanismus zumindest über einen gewissen Zeitraum ohne die weitere Erfassung bzw. Auswertung von Messwerten durchgeführt wird, indem die schnelleren Module fortwährend entsprechend lange bzw. häufige Pausen einlegen. Damit werden sozusagen fortwährend entstehende Ungleichheiten umgehend korrigiert, ohne dass die Unterschiede der Regelgröße permanent erfasst bzw. ausgewertet werden. Natürlich spricht auch nichts dagegen, dieses fortwährende Balancing unter einer fortwährenden Erfassung und Auswertung der Messwerte durchzuführen.
Die jeweilig notwendige Pausenlänge und Pausenhäufigkeit wird bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche ohne die permanente Erfassung bzw. Auswertung der Messwerte der Regelgrößen auskommt, für jedes Batteriemodul einmal oder zu späteren Zeitpunkten erneut festgelegt. Auch dazu kann ein selbstlernender Algorithmus oder oder ein modellgestütztes Verfahren verwendet werden. Man könnte diesen Vorgang und auch die Bestimmung der oben beschriebenen Erfahrungswerte für die genannten Zeitdauern als Kalibrierung des Balancing-Mechanismus bezeichnen. Eine solche Kalibrierung könnte bereits im Werk, d.h. noch vor Auslieferung an den Kunden erfolgen, oder auch bei der ersten Initialisierung. Zumindest während dieser Kalibrierung ist es notwendig, dass das erfindungsgemäße Verfahren in der oben angegeben Form ausgeführt wird (d.h. mit Erfassung und Auswertung der Messwerte). In den Fällen, wo der Balancing-Mechanismus ohne Erfassung bzw. Auswertung der Messwerte ausgeführt wird, empfiehlt es sich, wenn wenigstens von Zeit zu Zeit der Erfolg des Balancings anhand der Messwerte überprüft wird. In Falle eines ungenügenden Balancings kann dann erneut kalibriert werden.
Die allgemeinste Form des erfindungsgemäßen Verfahrens (d.h. die Durchführung des Balancing-Mechanismus - BM) kann also folgendermaßen definiert werden:

Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten umfassend den Schritt (BM):
- • Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule 1, welche sich in der Serienschaltung befinden, um den Unterschied eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße zu verringern, wobei sich über einen Zeitraum während dem Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems eines der beiden Batteriemodule 1 weniger lange Zeit in der Serienschaltung befindet als das andere Batteriemodul 1.

Eine Überwachung der Messwerte der Regelgrößen ist jedoch zumindest zeitweise notwendig, um ein Abbruchkriterium für den Lade- bzw. Entladevorgang des Batterie-Systems zu gewinnen. Bei erfolgreichem Balancing genügt dafür jedoch die Überwachung der Messwerte von einem einzigen belieben Modul.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die WO 2020/030762 A1 in Figure 4 eine Anordnung analog zur der Anordnung von 2 der vorliegenden Anmeldung offenbart, wobei die Schalter 1221 und 1222, welche als äußere Stromkreis-Schalter („outer circuit switches“) bezeichnet werden, dem ersten und zweiten Schalter (9, 10) der vorliegenden Anmeldung entsprechen. Allerdings gibt die WO 2020/030762 A1 als Verwendungszweck der äußeren Stromkreis-Schalter 1221 und 1222 an, dass dieselben für seltene Eventualitäten verwendet werden, wie z.B. beim Lecken der Elektrolyt-Tanks oder beim Austausch des Elektrolyten (,The latter switching is likely to be infrequent and for eventualities such as elecrolyt leakage or replacement“ - siehe letzter Satz der Beschreibung). Die WO 2020/030762 A1 offenbart daher weder das oben beschriebene Verfahren der vorliegenden Erfindung noch legt es dasselbe nahe.
Der Erfinder hat erkannt, dass sich das oben dargestellte erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhalft ausführen lässt, wenn der erste und der zweite Schalter des oben im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Batterie-Systems mit Hilfe von Halbleitertransistoren ausgeführt werden. 3 zeigt die erfindungsgemäße Schalterausführung mit Halbleitertransistoren in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, wobei die 3 lediglich ein Batterie-Modul und die zugehörigen Schalter zeigt. Alle anderen Batterie-Module samt zugehörigen Schaltern des erfindungsgemäßen Batterie-Systems sind in dieser Ausführungsform entsprechend ausgeführt.
Der erste Schalter 9 umfasst zwei normal sperrende MOSFETs, deren Kanäle so in Serie geschaltet sind, dass in beiden Stromrichtungen immer eine der Reversdioden sperrt, wobei die Reversdioden in 3 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet sind. Der zweite Schalter 10 umfasst ein normal sperrendes MOSFET. Das Batterie-System umfasst wenigstens eine Schalteinheit, welche in 3 mit 11 bezeichnet ist. Die Gate-Anschlüsse der MOSFETs sind mit der Schalteinheit 11 verbunden, wobei die Gate-Anschlüsse der beiden MOSFETs vom ersten Schalter 9 auch miteinander verbunden sind, so dass die Ansteuerung dieser Gates immer simultan erfolgt. Die genannte Verbindung der Gates kann auch entfallen, falls die Schalteinheit 11 intern eine simultane Ansteuerung der betreffenden Gates gewährleistet. Es kann für jedes Schalterpaar (9, 10) jeweils eine Schalteinheit 11 vorgesehen sein, oder eine Schalteinheit 11 bedient mehrere Schalterpaare (9, 10) oder auch alle. In den beiden letzten Fällen muss die Schalteinheit 11 natürlich entsprechend viele unabhängige Anschlüsse aufweisen, so dass die verbunden Schalterpaare unabhängig voneinander geschaltet werden können. Die Schalteinheit 11 bzw. Schalteinheiten 11 können integraler Bestandteil der Steuereinrichtung 8 sein.
Die Verwendung von MOSFETs ermöglicht die verschleißfreie und schnelle Ausführung der für das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Schaltvorgänge, was insbesondere von Vorteil ist, wenn zum Balancing häufige aber kurze Pausen verwendet werden. Dabei verhindert die erfindungsgemäße Anordnung der MOSFETs das ungewollte Entladen eines Batteriemoduls während der Zeit, in der es sich nicht in der Serien-Schaltung befindet, und daher nicht am Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems teilnimmt. Optional kann jeder der Schalter 9 und 10 zusätzlich ein Relais umfassen, welches parallel zu den MOSFETs angeordnet ist. Dadurch können die jeweiligen Schalter auch verlustfrei mit den Relais betätigt werden, was dann von Vorteil ist, wenn der betreffende Schalter nur selten betätigt werden soll.
Es ist zu erwähnen, dass in 3 die MOSFETs in der Ausführung als n-Kanal MOSFETs dargestellt sind. Die erfindungsgemäße Anordnung ist jedoch nicht auf solche MOSFETs beschränkt. Genauso gut können p-Kanal MOSFETs verwendet werden.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Das Batterie-System umfasst für jedes Batteriemodul zusätzlich einen dritten und vierten Schalter, welche mit 12 und 13 bezeichnet sind, und Leitungen, wobei die zusätzlichen Schalter und die Leitungen so miteinander und den Batteriemodulen verbunden sind, dass alle Batteriemodule parallel geschaltet sind, wenn alle zusätzlichen Schalter geschlossen sind. Dazu müssen natürlich alle ersten und zweiten Schalter geöffnet werden. Die Parallelschaltung der Batteriemodule führt zur Angleichung der Klemmenspannungen der Module, wobei Ausgleichströme zwischen den Batteriemodulen fließen. Die gezeigte Parallelschaltung kann daher zum Balancing eingesetzt werden. Dabei können alle Module oder auch nur einige, d.h. wenigstens zwei Module, z.B. das jeweils schnellste und langsamste, für einen definierten Zeitraum parallel geschaltet werden. Auch die zusätzlichen Schalter werden von der Steuereinrichtung betätigt, welche in 4 aus Platzgründen nicht dargestellt ist.
Im Prinzip könnten die Batteriemodule durch die PCS 7 auch in Parallelschaltung geladen oder entladen werden. Dazu ist allerdings bei einem gattungsgemäßen Hochspannungs-Batterie-System die PCS 7 in der Regel nicht ausgelegt, so dass ein Balancing durch Parallelschalten nicht während dem Laden bzw. Entladen ausgeführt werden kann.
4 zeigt auch noch zwei zusätzliche Schalter, mit denen die PCS 7 von den verschalteten Batteriemodulen getrennt werden kann. Dies kann von Vorteil sein. Gegebenenfalls kann auch nur ein Trennschalter verwendet werden. Ein solcher Schalter bzw. solche Schalter können bei allen anderen Ausführungsformen ebenfalls zum Einsatz kommen.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Das Batterie-System umfasst für jedes Batteriemodul 1 zusätzlich einen weiteren fünften Schalter, von welchen einer mit 14 bezeichnet ist. Es sei erwähnt, dass die Benennung als „fünfter“ Schalter lediglich der Klarheit dient, und nicht impliziert, dass wenn ein Batterie-System einen fünften Schalter umfasst, es damit auch automatisch einen dritten und vierten Schalter umfassen müsste. Ferner umfasst das Batterie-System für jedes Batteriemodul 1 einen Widerstand, von denen einer mit 15 bezeichnet ist. Der fünfte Schalter 14 und der Widerstand 15 sind dabei jeweils in einer weiteren Bypass-Leitung um je ein Batteriemodul 1 so angeordnet, dass je ein Batteriemodul 1 über einen Widerstand 15 kurzgeschlossen wird, wenn der zugehörige fünfte Schalter 14 geschlossen wird. Auch die fünften Schalter 14 werden von der Steuereinrichtung 8 betätigt. Mit Hilfe der Anordnung von 5 kann jedes Batteriemodul über einen fünften Widerstand selektiv entladen werden. Werden einer oder mehrere der fünften Schalter 14 während dem Laden oder Entladen des Batterie-Systems geschlossen, so fließt ein Teil des Lade- bzw. Entladestroms an dem jeweiligen Batteriemodul 1 vorbei. Dies kann zum Balancing benutzt werden. Allerdings ist diese Art des Balancings mit dem Verlust von elektrischer Leistung verbunden und wird daher nur als zusätzliche Balancing-Methode zu den anderen Methoden verwendet, so dass das Balancing durch diese zusätzliche Möglichkeit weiter flexibilisiert und verbessert werden kann. Da auf diese Art in den Widerständen Wärme freigesetzt wird, kann die Schaltung der fünften Schalter vorteilhaft gepulst erfolgen, um eine übermäßige Erhitzung zu vermeiden.
Wenn die ersten und zweiten Schalter 9, 10 gemäß 3 ausgeführt sind, ergibt sich eine alternative Möglichkeit, den gerade beschriebenen Effekt zu erzielen. Dadurch dass die MOSFETs einen endlichen Kanalwiderstand haben, kann ein Batteriemodul auch einfach durch das gleichzeitige Schließen der ersten und zweiten Schalter 9, 10 selektiv über den Kanalwiderstand dieser Schalter kurzgeschlossen werden. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind daher die genannten Schalter nicht in jedem Fall wechselweise geöffnet und geschlossen, wie oben beschrieben. Dabei stellen die beiden Schalter 9 und 10 gemeinsam de facto den fünften Schalter 14 dar. Den Zustand in dem beide Schalter 9 und 10 gleichzeitig geschlossen sind, könnte man auch so umschreiben, dass das zugehörige Batteriemodul „teilweise“ aus der Serienschaltung herausgenommen ist, da nur noch eine Teil des Lade- bzw. Entladestroms durch das Modul fließt und der andere Teil um das Modul herum. Die Phrase „Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule 1, welche sich in der Serienschaltung befinden“ ist daher auch dahingehend zu verstehen, dass sich ein Modul teilweise in der Serienschaltung befinden kann. Auch in diesem Fall gilt das, was oben in Bezug auf die Wärmeentwicklung gesagt wurde.
Die folgenden Ausführungen betreffen den zweiten Lösungsansatz. Wie oben erwähnt können die beiden Lösungsansätze und alle zugehörigen Ausführungsformen vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Das Batterie-System umfasst wenigstens zwei Batteriemodule, einen bidirektionalen Umrichter 7, eine Steuereinrichtung 8, und für jedes Batteriemodul einen Gleichspannungswandler, von denen einer mit 17 bezeichnet ist. Die Batteriemodule sind in Serie geschaltet und mit dem Umrichter 7 verbunden. Ein Anschluss der Gleichspannungswandler 17 ist jeweils mit einem Batteriemodul verbunden, und ein zweiter Anschluss der Gleichspannungswandler 17 ist jeweils mit einem gemeinsamen Gleichstrombus verbunden.
Die Gleichspannungswandler können dabei unidirektional oder bidirektional ausgeführt sein. Je nach Ausführungsart und Orientierung können die Gleichspannungswandler 17 entweder elektrische Energie kontrolliert vom Gleichstrombus entnehmen oder demselben zuführen oder beides.
Das Batterie-System umfasst ferner einen weiteren Umrichter, welcher mit 16 bezeichnet ist. Der Umrichter 16 ist mit dem Gleichstrombus verbunden. Die Steuereinrichtung 8 ist mit dem Umrichter 16 und mit den Gleichspannungswandlern 17 so verbunden, dass die Steuereinrichtung 8 den Umrichter 16 und die Gleichspannungswandler 17 steuern kann. Der Umrichter 7 ist mit dem Netz oder einem anderen übergeordneten elektrischen System verbunden. Der weitere Umrichter 16 kann ebenfalls mit dem Netz oder einem anderen übergeordneten elektrischen System verbunden sein, oder optional als DC/DC Steller ausgebildet und mit dem Umrichter 7 verbunden sein. Im letzteren Fall nimmt der Umrichter 16 Leistung von Umrichter 7 auf, oder gibt Leistung an denselben ab. Der weitere Umrichter 16 ist unidirektional oder bidirektional ausgeführt.
Wie auch oben beschrieben sorgt der Umrichter 7 dafür, dass ein Lade bzw. Entladestrom durch die in Serie geschalteten Batteriemodule fließen kann, so dass dabei dieselben auf- bzw. entladen werden können. Die zu jedem Batteriemodul parallelgeschalteten Gleichspannungswandler 17 ermöglichen es nun, dass beim Laden für jedes Batteriemodul gezielt und kontrolliert wenigstens ein Teil des vom Umrichter 7 gelieferten Stroms um dasselbe herumgeleitet wird. Der betreffende Gleichspannungswandler 17 überträgt in diesem Fall elektrische Energie auf den Gleichstrombus. Dadurch wird das betreffende Batteriemodul in dem Zeitraum, in welchem der betreffende Gleichspannungswandler 17 so betrieben wird, weniger schnell bzw. gar nicht geladen. Beim Entladen kann ein oder können mehrere Gleichspannungswandler 17 so angesteuert werden, dass dieselben elektrische Energie vom Gleichstrombus auf das zugehörige Batteriemodul übertragen. Dabei wird der betreffende Gleichspannungswandler 17 jeweils so angesteuert, dass dadurch das zugehörige Batteriemodul in dem Zeitraum, in welchem der betreffende Gleichspannungswandler 17 so betrieben wird, weniger schnell oder überhaupt nicht entladen wird.
Es ist dabei klar, dass unidirektionale Gleichspannungswandler je nach Orientierung entweder nur beim Laden oder nur beim Entladen wie gerade beschrieben wirken können. Bidirektionale Gleichspannungswandler können natürlich sowohl beim Laden als auch beim Entladen wirken.
Der weitere Umrichter 16 versorgt dabei den Gleichstrombus mit elektrischer Energie bzw. führt überschüssige Energie von demselben ab. Im Falle, dass der weitere Umrichter 16 unidirektional ausgeführt ist, sind natürlich nicht alle genannten Energieflüsse möglich.
Die Anordnung gemäß 6 ermöglicht das folgende Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten umfassend wenigstens einen der folgenden Schritte:

• Beim Laden des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler 17 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler 17 so viel elektrische Energie auf den Gleichstrombus überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule weniger schnell geladen wird als das andere Batteriemodul.
• Beim Entladen des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler 17 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler 17 so viel elektrische Energie vom Gleichstrombus abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule weniger schnell entladen wird als das andere Batteriemodul.

Die Anordnung gemäß 6 ermöglicht außerdem, jedenfalls wenn der Umrichter 16 über einen separaten Netzanschluss verfügt, dass derselbe den Umrichter 7 beim Laden bzw. Entladen der Batteriemodule unterstützt. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Umrichter 7 an seine Leistungsgrenzen stößt. Da diese Unterstützung durch die Gleichspannungswandler 17 auch selektiv für jedes Batteriemodul geschehen kann, kann dies natürlich auch für das Balancing verwendet werden. Im Gegensatz von den bisher beschriebenen Balancing-Methoden führt dieser Mechanismus zu einem beschleunigten Laden bzw. Entladen der „langsamen“ Module.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten zusätzlich einen der folgenden Schritte:

• Beim Laden des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler 17 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler 17 so viel elektrische Energie vom Gleichstrombus abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule schneller geladen wird als das andere Batteriemodul.
• Beim Entladen des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler 17 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler 17 so viel elektrische Energie auf den Gleichstrombus überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule schneller entladen wird als das andere Batteriemodul.

Falls mehrere erfindungsgemäße Batterie-Systeme nahe beieinander betrieben werden, dann können natürlich mehrere Systeme gemeinsam den weiteren Umrichter 16 und den verbundenen Gleichstrombus nutzen. Da je ein Gleichspannungswandler für je ein Batteriemodul vorhanden sein muss, ergibt sich bzgl. der Gleichspannungswandler keine Einsparmöglichkeit bei der Nutzung von mehreren parallel betriebenen Batterie-Systemen.
7 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Der einzige Unterschied zum Batterie-System gemäß 6 besteht darin, dass die Hilfssysteme mit dem Gleichstrombus verbunden sind und durch diesen gespeist werden. Auf diese Weise ergibt sich für den Gleichstrombus ein Zusatznutzen, der an anderer Stelle Kosten einspart. Auch die gemeinsame Nutzung des Gleichstrombusses und des weiteren Umrichters zur Speisung der Hilfssysteme von mehreren parallel betriebenen Batterie-Systemen ist vorteilhaft und problemlos möglich.
Auf für die Ausführungsformen des zweiten Lösungsansatzes ist ein Kalibrierungsschritt in analoger Weise, wie oben beim ersten Lösungsansatz im Detail beschrieben. Alle Maßnahmen sind beim zweiten Lösungsansatz jedoch natürlich auf die unterschiedliche Geschwindigkeit beim Laden bzw. Entladen der einzelnen Module zu beziehen, und auf die Zeitdauer in der eine unterschiedliche Geschwindigkeit zur Anwendung kommt. Dasselbe gilt auch hinsichtlich den dort gemachten Aussagen bzgl. der Durchführung des Verfahrens mit und ohne Erfassung und Auswertung der die Regelgrößen betreffenden Messwerte.
Damit ein Redox-Flow-Batterie-System eingerichtet ist, die oben beschriebenen Verfahrensschritte automatisiert auszuführen, umfasst es ein Computersystem. Der Begriff Computersystem bezeichnet alle Einrichtungen, die geeignet sind, die beschriebenen Verfahrensschritte automatisiert durchzuführen, insbesondere auch besonders dafür entwickelte ICs oder Mikrocontroller, sowie ASICs (ASIC: application specific integrated circuit). Dabei kann die Steuereinrichtung 8 selbst ein geeignetes Computersystem umfassen. Alternativ kann das Computersystem auch eine separate Einrichtung darstellen oder Teil einer separaten Einrichtung sein. Die vorliegende Anmeldung ist auch auf ein Computerprogramm gerichtet, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass das Batterie-System die oben beschriebenen Verfahrensschritte ausführt. Außerdem ist die vorliegende Anmeldung auf ein computerlesbares Medium gerichtet, auf dem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodul
2: Zellanordnung
3: Tankeinrichtung
4: Messeinrichtung zur Bestimmung der OCV
5: Messeinrichtung zur Bestimmung der Klemmenspannung
6: Hilfssysteme
7: Bidirektionaler Umrichter (PCS)
8: Steuereinrichtung
9: Erster Schalter
10: Zweiter Schalter
11: Schalteinheit
12: Dritter Schalter
13: Vierter Schalter
14: Fünfter Schalter
15: Widerstand
16: Weiterer bidirektionaler Umrichter
17: Gleichspannungswandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2020/030762 A1 [0004, 0028]
WO 2018/107097 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen eines Redox-Flow-Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten, wobei das Batterie-System wenigstens zwei Batteriemodule (1), einen bidirektionalen Umrichter (7) und eine Steuereinrichtung (8) umfasst, und wobei die Batteriemodule (1) in Serie geschaltet und mit dem Umrichter (7) verbunden sind, und wobei jedes Batteriemodul (1) eine Zellanordnung (2) mit einer Vielzahl von Redox-Flow-Zellen und eine Tankeinrichtung (3) zum Speichern von Elektrolyt und zur Versorgung der Zellanordnung (2) mit Elektrolyt umfasst, und wobei das Batterie-System für jedes Batteriemodul (1) einen ersten Schalter (9) und einen zweiten Schalter (10) umfasst, wobei der erste Schalter (9) jeweils in Serie zu dem zugehörigen Batteriemodul (1) angeordnet ist, und der zweite Schalter (10) jeweils in einer Umgehungsleitung um das zugehörige Batteriemodul (1) und den zugehörigen ersten Schalter (9) angeordnet ist, und wobei die Steuereinrichtung (8) mit jedem der Schalter (9, 10) so verbunden ist, dass dieselbe die jeweilige Schalterstellung bestimmen kann, um die Batteriemodule (1) in die Serien-Schaltung hinein- oder aus der Serien-Schaltung herauszuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt (BM) umfasst: - Die Steuereinrichtung (8) kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule (1), welche sich in der Serienschaltung befinden, um den Unterschied eines ersten und zweiten Batteriemoduls (1) hinsichtlich einer Regelgröße zu verringern, wobei sich über einen Zeitraum während dem Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems eines der beiden Batteriemodule (1) weniger lange Zeit in der Serienschaltung befindet als das andere Batteriemodul (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Batterie-System wenigstens eine Messeinrichtung (4, 5) zur Bereitstellung einer Regelgröße für jedes Batteriemodul (1) umfasst, und wobei die Steuereinrichtung (8) so mit der Messeinrichtung verbunden ist, dass sie die Messwerte der Messeinrichtung (4, 5) erfassen kann, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Erfassen der Messwerte der Messeinrichtung (4, 5) durch die Steuereinrichtung (8); - Falls sich in einem ersten Zeitpunkt wenigstens ein Messwert eines ersten Batteriemoduls (1) von einem Messwert eines zweiten Batteriemoduls (1) unterscheidet: - BM: Die Steuereinrichtung (8) kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule (1), welche sich in der Serienschaltung befinden, um den Unterschied der Messwerte des ersten und zweiten Batteriemoduls (1) zu einem späteren zweiten Zeitpunkt zu verringern, wobei sich über den Zeitraum zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt während dem Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems eines der beiden Batteriemodule (1) weniger lange Zeit in der Serienschaltung befindet als das andere Batteriemodul (1).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Messeinrichtung (4) die Leerlaufspannung (OCV) der Batteriemodule (1) als Regelgröße bereitstellt, welche im Schritt BM angeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Messeinrichtung (4) die Klemmenspannung der Batteriemodule (1) als Regelgröße bereitstellt, welche im Schritt BM angeglichen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem Kalibrierungsschritt Eigenheiten der einzelnen Batteriemodule (1) bestimmt werden, um Häufigkeiten und/oder Zeitlängen festzulegen, mit welcher die betreffenden Batteriemodule (1) aus der Serien-Schaltung herausgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Batterie-System für jedes Batteriemodul (1) einen dritten Schalter (12) und einen vierten Schalter (13) und Leitungen umfasst, welche so miteinander und den Batteriemodulen (1) verbunden sind, dass alle Batteriemodule (1) parallel geschaltet sind, wenn alle dritten und vierten Schalter (12, 13) geschlossen sind, und wobei die Steuereinrichtung (8) so mit den dritten und vierten Schaltern (12, 13) verbunden ist, dass dieselbe diese Schalter (12, 13) betätigen kann, und wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, bei dem wenigstens zwei Module (1) für einen definierten Zeitraum parallel geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Batterie-System für jedes Batteriemodul (1) einen fünften Schalter (14) und einen Widerstand (15) umfasst, wobei der fünfte Schalter (14) und der Widerstand (15) jeweils in einer Bypass-Leitung um je ein Batteriemodul (1) so angeordnet sind, dass je ein Batteriemodul (1) über einen Widerstand (15) kurzgeschlossen wird, wenn der zugehörige fünfte Schalter (14) geschlossen wird, und wobei wenigstens ein fünfter Schalter (14) während dem Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems geschlossen wird, um den Unterschied eines ersten und zweiten Batteriemoduls (1) hinsichtlich einer Regelgröße zu verringern.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Schalter (9, 10) mit Hilfe von Halbleitertransistoren ausgeführt sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten Schalter (9) jeweils zwei normal sperrende MOSFETs umfassen, deren Kanäle so in Serie geschaltet sind, dass in beiden Stromrichtungen immer eine der Reversdioden sperrt, und wobei die zweiten Schalter (10) jeweils ein normal sperrendes MOSFET umfassen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Batterie-System für jedes Batteriemodul (1) einen Gleichspannungswandler (17) umfasst, wobei jeweils ein Anschluss von jedem Gleichspannungswandler (17) mit jeweils einem Batteriemodul (1) verbunden, und ein zweiter Anschluss von jedem Gleichspannungswandler (17) mit einem gemeinsamen Gleichstrombus verbunden ist, und wobei das Batterie-System einen weiteren Umrichter (16) umfasst, welcher mit dem Gleichstrombus verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung (8) so mit dem weiteren Umrichter (16) und mit den Gleichspannungswandlern (17) verbunden ist, dass die Steuereinrichtung (8) den weiteren Umrichter (16) und die Gleichspannungswandler (17) steuern kann, und wobei das Verfahren wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst: - Beim Laden des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler (17) durch die Steuereinrichtung (8) zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls (1) hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler (17) so viel elektrische Energie auf den Gleichstrombus überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule (1) weniger schnell geladen wird als das andere Batteriemodul (1); - Beim Entladen des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler (17) durch die Steuereinrichtung (8) zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls (1) hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler (17) so viel elektrische Energie vom Gleichstrombus abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule (1) weniger schnell entladen wird als das andere Batteriemodul.
Redox-Flow-Batterie-System umfassend wenigstens zwei Batteriemodule (1), einen bidirektionalen Umrichter (7) und eine Steuereinrichtung (8), wobei die Batteriemodule (1) in Serie geschaltet und mit dem Umrichter (7) verbunden sind, und wobei jedes Batteriemodul (1) eine Zellanordnung (2) mit einer Vielzahl von Redox-Flow-Zellen und eine Tankeinrichtung (3) zum Speichern von Elektrolyt und zur Versorgung der Zellanordnung (2) mit Elektrolyt umfasst, und wobei das Batterie-System für jedes Batteriemodul (1) einen ersten Schalter (9) und einen zweiten Schalter (10) umfasst, wobei der erste Schalter (9) jeweils in Serie zu dem zugehörigen Batteriemodul (1) angeordnet ist, und der zweite Schalter (10) jeweils in einer Umgehungsleitung um das zugehörige Batteriemodul (1) und den zugehörigen ersten Schalter (9) angeordnet ist, und wobei die Steuereinrichtung (8) mit jedem der Schalter (9, 10) so verbunden ist, dass dieselbe die jeweilige Schalterstellung bestimmen kann, um die Batteriemodule (1) in die Serien-Schaltung hinein- oder aus der Serien-Schaltung herauszuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schalter (9) jeweils zwei normal sperrende MOSFETs umfassen, deren Kanäle so in Serie geschaltet sind, dass in beiden Stromrichtungen immer eine der Reversdioden sperrt, und wobei die zweiten Schalter (10) jeweils ein normal sperrendes MOSFET umfassen.
Redox-Flow-Batterie-System nach Anspruch 11, wobei das Batterie-System für jedes Batteriemodul (1) einen Gleichspannungswandler (17) umfasst, wobei jeweils ein Anschluss von jedem Gleichspannungswandler (17) mit jeweils einem Batteriemodul (1) verbunden, und ein zweiter Anschluss von jedem Gleichspannungswandler (17) mit einem gemeinsamen Gleichstrombus verbunden ist, und wobei das Batterie-System einen weiteren Umrichter (16) umfasst, welcher mit dem Gleichstrombus verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung (8) so mit dem weiteren Umrichter (16) und mit den Gleichspannungswandlern (17) verbunden ist, dass die Steuereinrichtung (8) den weiteren Umrichter (16) und die Gleichspannungswandler (17) steuern kann.
Redox-Flow-Batterie-System nach Anspruch 11 oder 12, welches eingerichtet ist, die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 10 automatiersiert auszuführen.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Batterie-System des vorangehenden Anspruchs die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt.
Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch gespeichert ist.