DE102022109193B3 - Redox-Flow-Batterie-System und Verfahren zum Betrieb - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Redox-Flow-Batterie-Systems wobei bei einem Batteriemodul (1) ein Balancing-Eingriff ausgeführt wird, welcher die folgenden Schritte umfasst:- Abschalten der wenigstens einen Pumpe des betreffenden Batteriemoduls (1), um die Zufuhr von Elektrolyt in die Zellanordnung (2) zu beenden;- Kurzschließen des betreffenden Batteriemoduls (1), wenn die Klemmenspannung des betreffenden Batteriemoduls (1) unter einen vordefinierten Wert gefallen ist;- Warten, bis sich ein Balancing-Endzustand eingestellt hat;- Öffnen Kurzschlusses des betreffenden Batteriemoduls (1);- Anschalten der wenigstens einen Pumpe des betreffenden Batteriemoduls (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Redox-Flow-Batterie-System und ein Verfahren zum Betrieb eines Redox-Flow-Batterie-Systems, wobei das Redox-Flow-Batterie-System mehrere in Serie geschaltete Batteriemodule umfasst, und wobei das Verfahren die Verringerung bzw. Eliminierung von während des Ladens und Entladens des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten zwischen in Serie geschalteten Batteriemodulen betrifft.
  • Redox-Flow-Batterie-Systeme und Verfahren zur Verringerung bzw. Eliminierung von während des Ladens und Entladens des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten zwischen in Serie geschalteten Batteriemodulen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 10 2020 108 053 A1 ein solches System und ein solches Verfahren. Maßnahmen zur Verringerung bzw. Eliminierung der genannten Ungleichgewichte werden gewöhnlich als „Balancing‟ bezeichnet.
  • Die DE 10 2020 108 068 A1 offenbart ein ähnliches Redox-Flow-Batterie-System und ein Verfahren zur Verringerung bzw. Eliminierung von während des Ladens und Entladens des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten zwischen in Serie geschalteten Batteriemodulen. Als weiterer allgemeiner Stand der Technik ist die DE 10 2013 207 187 A1 zu nennen, welche sich auf ein Verfahren zum Ladungsausgleich parallel zu schaltender Batteriezellen bezieht.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Redox-Flow-Batterie-System anzugeben, das einfacher aufgebaut ist als die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Redox-Flow-Batterie-System und ein Verfahren entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
    • 1 Batteriemodul
    • 2 Redox-Flow-Batterie-System gemäß dem Stand der Technik;
    • 3 Lade-/Entladezyklen ohne Balancing
    • 4 Lade-/Entladezyklen mit Balancing gemäß dem Stand der Technik
    • 5 Erfindungsgemäßes Redox-Flow-Batterie-System
    • 6 Lade-/Entladezyklen mit erfindungsgemäßem Balancing
    • 7 Lade-/Entladezyklen mit erfindungsgemäßem Balancing
    • 8 Lade-/Entladezyklen mit erfindungsgemäßem Balancing
    • 9 Verlauf der Klemmenspannung während einem erfindungsgemäßen Balancing-Eingriff
  • 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. Die Tankeinrichtung 3 dient zum Speichern des Elektrolyten und zur Versorgung der Zellanordnung 2 mit Elektrolyten. 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 Elektrolyten versorgen kann.
  • Das in 1 dargestellt Batteriemodul 1 umfasst zwei Messeinrichtungen zur Bereitstellung einer Messgröße, welche ein Maß für den Ladezustand des zugehörigen Batteriemoduls darstellt (SoC - State of Charge). 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 2 abfällt. Bei bekannten Lade- bzw. Entladestrom und Innenwiderstand der Zellanordnung 2 stellt die Klemmenspannung ein Maß für den Ladezustand des Batteriemoduls dar.
  • Auf der rechten Seite von 1 ist eine symbolhafte Darstellungsweise des Batteriemoduls 1 gezeigt. Die symbolhafte Darstellungsweise wird im Folgenden verwendet.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Batterie-System gemäß dem Stand der Technik. Das Batterie-System umfasst wenigstens zwei Batteriemodule, von denen eines mit 1 bezeichnet ist, einen bidirektionalen Umrichter (engl. bidirectional power conversion system - PCS), welcher 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 8 bezeichnet ist, und einen zweiten Schalter, von denen einer mit 9 bezeichnet ist. Der erste Schalter 8 ist in Serie zu den Batteriemodulen 1 angeordnet, wobei jeweils ein Schalter vor oder hinter jedem Batteriemodul 1 angeordnet ist. D.h. mit jedem der ersten Schalter 8 kann die Serienschaltung der Batteriemodule unterbrochen werden.
  • Die zweiten Schalter 9 sind jeweils in einer Umgehungsleitung (Bypass) um jeweils ein Batteriemodul 1 und den zugehörigen ersten Schalter 8 angeordnet. In 2 sind alle Schalter 8 und 9 in geöffnetem Zustand dargestellt. In Realität werden die Schalter durch die Steuereinrichtung 7 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 8 geschlossen und zweiter Schalter 9 geöffnet) das zugehörige Batteriemodul 1 sich in der Serienschaltung des Batterie-Systems befindet, und in der zweiten Schalterstellung (erster Schalter 8 geöffnet und zweiter Schalter 9 geschlossen) das zugehörige Batteriemodul 1 durch die Umgehungsleitung von der Serienschaltung des Batterie-Systems getrennt ist. Das Öffnen des ersten Schalters 8 bei geschlossenen zweiten Schalter 9 verhindert dabei die Entladung des Moduls über die Umgehungsleitung. Da die Umgehungsleitung einen Kurzschluss darstellt, würde eine solche Entladung des Batteriemoduls über die Umgehungsleitung zudem zu sehr hohen Strömen führen, die das Batteriemodul schädigen oder sogar zerstören können.
  • 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 gegebenem 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 diesen 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 vergleichsweisen hohen Streuung bzgl. Effizienz und/oder Innenwiderstand, was sich natürlich in reduzierten Gestehungskosten niederschlägt.
  • 3 zeigt zwei Lade-/Entlade-Zyklen von zwei in Serie geschalteten Batteriemodulen mit unterschiedlichen Effizienzwerten. Dabei ist zur Verdeutlichung der Effizienzunterschied sehr hoch gewählt. In realen Batterie-Systemen sind die Effizienzunterschiede viel kleiner. In 3 ist der SoC-Verlauf des Batteriemoduls mit der höheren Effizienz durchgezogen dargestellt, und der SoC-Verlauf des Batteriemoduls mit der niedrigeren Effizienz gestrichelt dargestellt. In 3 wird der minimale Ladezustand mit 0% und der maximale Ladezustand mit 100% gekennzeichnet.
  • Das effizientere Batteriemodul erreicht den 100% SoC-Wert, wenn das weniger effiziente Batteriemodul noch nicht vollständig geladen ist. Da beide Batteriemodule von demselben Strom durchflossen werden, muss nun der Ladevorgang beendet werden. Möchte man in der Folge das Batterie-System entladen, dann setzt dasselbe bereits ein, wenn das weniger effiziente Batteriemodul noch nicht vollständig geladen ist. Aufgrund dieses ungleichen Startpunktes für das Entladen und der geringeren Effizienz erreicht das weniger effiziente Batteriemodul den 0% SoC-Wert, wenn das effizientere Batteriemodul noch nicht vollständig entladen ist. Da die beschriebenen Effekte kumulativ wirken, laufen die SoC-Kurven der beiden Batteriemodule mit steigender Zyklenzahl immer weiter auseinander und die nutzbare Kapazität des Batterie-Systems nimmt immer weiter ab.
  • Der beschriebene negative Effekt kann dadurch vermieden werden, dass Balancing-Maßnahmen ergriffen werden.
  • 4 zeigt zwei Diagramme mit jeweils einem Ladezyklus von zwei in Serie geschalteten Batteriemodulen mit unterschiedlicher Effizienz. Dabei wird jeweils in je einem Halbzyklus ein Balancing-Eingriff vorgenommen. Die gezeigten SoC-Verläufe können dadurch erzeugt werden, dass ein oder mehrere Batteriemodule für eine gewisse Zeit aus der Serien-Schaltung ausgekoppelt werden, so dass dieselben während dieser Zeit nicht mehr am Laden bzw. Entladen der übrigen Batteriemodule teilnehmen. Idealerweise verläuft die SoC-Kurve für die ausgekoppelten Module waagerecht (Selbstentladung kann vernachlässigt werden). Dazu werden bei einem Batterie-System gemäß 2 die ersten und zweiten Schalter 8 und 9 verwendet.
  • Beim Lade-Halbzyklus wird jeweils das effizientere Batteriemodul ausgekoppelt und beim Entlade-Halbzyklus wird jeweils das weniger effiziente Batteriemodul ausgekoppelt. Der Unterschied zwischen den beiden Diagrammen besteht in der unterschiedlich langen Auskoppelzeit.
  • Im linken Diagramm von 4 wird das betreffende Batteriemodul nur so lange ausgekoppelt, bis sich die beiden Kurven angleichen. So wird beispielsweise beim Laden das effiziente Batteriemodul so lange ausgekoppelt, bis das weniger effiziente Batteriemodul denselben Ladezustand erreicht, den das effizientere Batteriemodul gerade aufweist.
  • Im rechten Diagramm von 4 wird das betreffende Batteriemodul länger ausgekoppelt, so dass sich die beiden Kurven der Batteriemodule kreuzen. So wird beispielsweise im Lade-Halbzyklus das effizientere Batteriemodul so lange ausgekoppelt, bis das weniger effiziente Batteriemodul einen ausreichend hohen „Vorsprung“ beim Laden erhalten hat, so dass das effizientere Batteriemodul das weniger effiziente Batteriemodul gerade beim 100% SoC-Wert wieder einholt. Einen solchen Balancing-Eingriff könnte man als eine Art temporäre Überkompensation bezeichnen, da sich eine Angleichung erst einige Zeit nach dem Eingriff einstellt.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass ein gattungsgemäßes Batterie-System dadurch einfacher aufgebaut werden kann, dass auf die Schalter 8 zur Unterbrechung der Serienschaltung verzichtet wird, wobei die Balancing-Eingriffe anders ausgeführt werden als aus dem Stand der Technik bekannt. Dies wird im Folgenden näher erläutert. Ein Batterie-System, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, umfasst
  • 5 zeigt eine erfindungsgemäßes Batterie-System, das sich von dem in 2 gezeigten Batterie-System dadurch unterscheidet, dass die Schalter 8 zur Unterbrechung der Serienschalter fehlen, und dadurch, dass die Steuereinrichtung 7 so ausgebildet ist, dass sie die im Folgenden beschriebenen Balancing-Eingriffe durchführen kann. Ein Batterie-System, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, umfasst also für jedes Batteriemodul Mittel zum Kurzschließen desselben. Die einfachste Ausführungsform für solche Mittel sind in 5 dargestellt und umfassen eine Kurzschlussleitung und einen Schalter 9, welcher in der Kurzschlussleitung angeordnet ist. Bei dem Schalter 9 kann es sich um ein Relais oder um eine Halbleiteranordnung zum Schalten handeln. Es sind auch komplizierter aufgebaute Mittel zum Kurzschließen denkbar. Beispielsweise könnte eine Kurzschlussschiene parallel zum Batteriestrang vorgesehen sein, auf die einzelne Batteriemodule mit Hilfe von zwei Schaltern geschaltet werden können.
  • Die erfindungsgemäßen Balancing-Eingriffe zeichnen sich dadurch aus, dass dieselben nur während des Entladens des Batterie-Systems ausgelöst werden. Das hat zur Folge, dass bei einem zyklisch betriebenen Batterie-System entweder alle Balancing-Eingriffe nur in den Entlade-Halbzyklen stattfinden oder, wenn es die Anwendung des Batterie-Systems zulässt, das Batterie-System kurzzeitig während des Lade-Halbzyklus auf Entladen umgeschaltet wird, wenn während des Lade-Halbzyklus ein Balancing-Eingriff notwendig wird. Im zweiten Fall wird nach oder während der Durchführung des Balancing-Eingriffes das Batterie-System wieder auf Laden umgeschaltet.
  • 6 zeigt Lade-/Entladezyklen mit erfindungsgemäßen Balancing-Eingriffen. Im Entlade-Halbzyklus unterscheiden sich dabei die SoC-Verläufe nicht von den in 4 dargestellten SoC-Verläufen. Im linken Diagramm erfolgen die Eingriffe so lange bis sich die beiden SoC-Kurven angeglichen haben. Im Lade-Halbzyklus wird dabei während des Eingriffs auf Entladen umgeschaltet, wobei tatsächlich nur das effektivere Batteriemodul eine signifikante Entladung erfährt. Im rechten Diagramm erfolgt nur im Entlade-Halbzyklus ein Balancing-Eingriff. Der Eingriff ist vom Typ „Überkompensation“. 7 zeigt einen weiteren Lade-Entladezyklus mit erfindungsgemäßen Balancing-Eingriffen. Es erfolgt jeweils ein Eingriff in jedem Halbzyklus. Beide Eingriffe sind vom Typ „Überkompensation“. Durch den Balancing-Eingriff vom Typ „Überkompensation“ im Lade-Halbzyklus verlängert sich der Lade-Entladezyklus deutlich.
  • 8 zeigt einen weiteren Lade-Entladezyklus mit erfindungsgemäßen Balancing-Eingriffen. Im Unterschied zu 7 wird dabei im Lade-Halbzyklus nicht das weniger effiziente, sondern das effizientere Batteriemodul kurzgeschlossen. Wie in 7 wird während des Eingriffs das Batterie-System auf Entladen umgeschaltet, allerdings nur für kurze Zeit. Danach wird wieder auf Laden umgeschaltet. Die Zeitspanne, für die dabei auf Entladen umgeschaltet wird, kann sehr kurz sein. Sie muss lediglich lang genug sein, um die ersten beiden Schritte des Balancing-Eingriffs durchzuführen (siehe nächster Abschnitt). Beide Eingriffe sind vom Typ „Überkompensation“. Die Ausführungsform gemäß 8 zeichnet sich gegenüber der Ausführungsform gemäß 7 durch eine kürzere Zykluszeit aus.
  • Im Folgenden wird der Ablauf eines erfindungsgemäßen Balancing-Eingriffs näher beschrieben. Vorausgesetzt wird dabei, dass sich das Batterie-System im Entladen-Modus befindet, und dass ein Balancing-Eingriff an wenigstens einem Batteriemodul durchgeführt werden soll. Der Balancing-Eingriff umfasst folgende Schritte:
    • - Abschalten der Pumpen des betreffenden Batteriemoduls
    • - Kurzschließen des betreffenden Batteriemoduls, wenn die Klemmenspannung des betreffenden Batteriemoduls unter einen vordefinierten Wert gefallen ist
    • - Warten, bis sich der Balancing-Endzustand eingestellt hat
    • - Öffnen des Kurzschlusses des betreffenden Batteriemoduls
    • - Anschalten der Pumpen des betreffenden Batteriemoduls
  • Beim Schritt „Warten, bis der Balancing-Endzustand eingestellt hat“ wird das Batterie-System entweder wie in den 6 und 7 dargestellt entladen, wobei der Entladestrom durch alle Batteriemodule fließt mit Ausnahme des Batteriemoduls, an dem der Balancing-Eingriff durchgeführt wird, oder wie in 8 im Lade-Halbzyklus dargestellt, wird das Batterie-System nach einer kurzen Entladephase auf Laden umgeschaltet. Auch in diesem Fall fließt, während dem Schritt „Warten, bis der Balancing-Endzustand eingestellt hat“ der Entlade- bzw. Ladestrom durch alle Batteriemodule mit Ausnahme des Batteriemoduls, an dem der Balancing-Eingriff durchgeführt wird.
  • Dabei kann es sich beim Balancing-Endzustand um ein Angleichen oder um ein Überkompensieren handeln.
  • Da der Innenwiderstand der Batteriemodule sehr viel größer ist als der Widerstand der zugehörigen Kurzschlussleitungen fließt der Entladestrom (fast vollständig) an dem kurzgeschlossenen Batteriemodul vorbei durch die geschlossene Kurzschlussleitung, wodurch sich mit der Zeit der gewünschte Endzustand des Balancing-Eingriffs einstellt. Es kann auch an mehreren Batteriemodulen gleichzeitig ein erfindungsgemäßer Balancing-Eingriff durchgeführt werden.
  • Die Vorgänge in dem Batteriemodul, an dem ein erfindungsgemäßer Balancing-Eingriff durchgeführt wird, werden anhand von 9 näher erläutert. 9 zeigt den Verlauf der Klemmenspannung VK des betreffenden Batteriemoduls als Funktion der Zeit t. Vor dem Balancing-Eingriff hat das betreffende Batteriemodul die Klemmenspannung V0. V0 hängt dabei u.a. vom Ladezustand des betreffenden Batteriemoduls ab. Zum Zeitpunkt t0 werden die Pumpen des betreffenden Batteriemoduls abgeschaltet, so dass kein Elektrolyt mehr der Zellanordnung zugeführt wird. Dadurch entlädt sich der in der Zellanordnung befindliche Elektrolyt sehr schnell, da kein „frischer“ Elektrolyt nachgeliefert wird. Das führt zu einer sehr schnellen Verringerung der Klemmenspannung. Wenn die Klemmenspannung unter die vordefinierte Schwellspannung Vs gefallen ist, dann das betreffende Batteriemodul kurzgeschlossen. In der Darstellung der 9 geschieht das am Zeitpunkt t1. Dadurch bricht die Klemmenspannung vollends zusammen. Dieser Zustand wird so lange eingehalten, bis sich der gewünschte Endzustand des Balancing-Eingriffs eingestellt hat. Während dieser ganzen Zeit darf keine nennenswerte Menge von „frischem“ Elektrolyt der Zellanordnung des betreffenden Batteriemoduls zugeführt werden. Das kann beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass die Pumpen verriegelt werden, oder ein in der Zufuhrleitung angeordnetes Ventil geschlossen wird. Die genannten Maßnahmen sind dann ggf. in dem Schritt „Abschalten der Pumpen des betreffenden Batteriemoduls“ mitverstanden.
  • Während eines sehr kleinen Zeitintervalls direkt nach dem Kurzschließen wird der gesamte verbleibende Energieinhalt der Zellanordnung des betreffenden Batteriemoduls in der Zellanordnung in Wärme umgesetzt. Damit es dabei zu keiner Schädigung der Zellanordnung kommen kann, muss der Energieinhalt ausreichend klein sein. Das wird dadurch sichergestellt, dass die Schwellenspannung Vs ausreichend klein gewählt wird, da der Energieinhalt der Zellanordnung mit der Klemmenspannung skaliert. Die Festlegung der Schwellspannung Vs kann also aufgrund von energetischen Betrachtungen erfolgen, wobei wenigstens folgende Größen in Betracht gezogen müssen: Elektrolytvolumen in der Zellanordnung, Aufbau der Zellanordnung (u.a. Zellanzahl, Elektrodenform, Material der Elektroden, thermische Ankopplung der Elektroden an die Umgebung), Entladestrom und Ladezustand. Aufgrund der Komplexität der möglichen Einflussfaktoren empfiehlt sich eine experimentelle Überprüfung der Wirksamkeit der festgelegten Schwellspannung Vs.
  • Das Kriterium „wenn die Klemmenspannung des betreffenden Batteriemoduls unter einen vordefinierten Wert gefallen ist“ kann auch dadurch umgesetzt werden, dass man zwischen dem Abschalten der Pumpen und dem Kurzschließen eine ausreichend lange Zeit verstreichen lässt, d.h. dadurch dass das Zeitintervall Δt = t1-t0 ausreichend groß gewählt wird. Dabei hängt das zu wählende Δt u.a. vom Ladezustand des betreffenden Batteriemoduls zum Zeitpunkt t0 und dem durch die Batteriemodule fließenden Entladestrom im Zeitintervall zwischen t0 und t1 ab. Bei den von den Erfindern untersuchten Batterie-Systemen lag Δt im Bereich von wenigen Sekunden. D.h. das erfindungsgemäße Verfahren kann auch ohne Messung und Erfassung der Klemmenspannung des betreffenden Batteriemoduls ausgeführt werden.
  • Die beschriebenen erfindungsgemäßen Balancing-Eingriffe können vorteilhaft mit anderen bekannten Arten von Balancing-Eingriffen kombiniert werden, z.B. mit Balancing-Eingriffen, bei denen ein Verbraucher parallel zum betreffenden Batteriemodul geschaltet wird. Dabei könnten die Balancing-Eingriffe beim Entladen mit den erfindungsgemäßen Eingriffen realisiert werden, und die Balancing-Eingriffe beim Laden durch das erwähnte Parallelschalten eines Verbrauchers. Dadurch kann im Lade-Halbzyklus das Umschalten auf den Entlade-Modus vermieden werden. Als Verbraucher kommen Hilfssysteme der Batteriemodule wie z.B. die Pumpen in Frage. Es kann sich dabei jedoch auch um einen elektrischen Widerstand handeln, so dass die durch das Balancing abgeführte Energie in Wärme umgewandelt wird.
  • Abschließend sei erwähnt, dass die beiden Schritte „Öffnen des Kurzschlusses des betreffenden Batteriemoduls“ und „Anschalten der Pumpen des betreffenden Batteriemoduls“ zum selben Zeitpunkt initiiert oder hintereinander ausgeführt werden können. Dabei spiele die Reihenfolge der genannten Schritte keine Rolle solange der Zeitraum zwischen den beiden Schritten nicht zu groß ist.
  • Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
    • - Abschalten der Pumpen des betreffenden Batteriemoduls
    • - Kurzschließen des betreffenden Batteriemoduls, wenn die Klemmenspannung des betreffenden Batteriemoduls unter einen vordefinierten Wert gefallen ist
    • - Warten, bis sich der Balancing-Endzustand eingestellt hat
    • - Anschalten der Pumpen des betreffenden Batteriemoduls
    • - Messens des Stromes, welcher durch die Zellanordnung des betreffenden Batteriemoduls fließt
    • - Öffnen des Kurzschlusses des betreffenden Batteriemoduls, sobald der gemessene Strom einen vordefinierten Schwellwert überschritten hat
  • Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein Springen der Spannung des Batterie-Systems beim Öffnen des Kurzschlusses minimiert werden kann.
  • Abschließend sei erwähnt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Batterie-Systemen angewendet werden kann, bei dem die Batteriemodule Zellanordnungen umfassen, die mehrere parallel verlaufende Unterzellanordnungen umfassen. Die US 10 263 270 B2 offenbart beispielsweise ein solches Batterie-System. Dabei können die einzelnen Unterzellanordnungen auch jeder für sich kurzgeschlossen werden, wobei das Kurzschließen simultan oder hintereinander erfolgen kann. Es sind dann entsprechende Mittel zum Kurzschließen vorzusehen.
  • Damit das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, muss die Steuereinrichtung 7 entsprechend ausgelegt sein. Dabei steuert die Steuereinrichtung wenigstens die Pumpen und die Mittel 9 zum Kurzschließen der einzelnen Batteriemodule und ggf. noch weitere vorgesehene Mittel, um die Zufuhr von Elektrolyt in die Zellanordnung 2 zu beenden. Ggf. erfasst dazu die Steuereinrichtung 7 auch die Klemmenspannungen der Batteriemodule, d.h. sie ist mit den Messeinrichtungen 5 zur Bestimmung der Klemmenspannung verbunden. Es ist ferner ein in der Steuereinrichtung installiertes Computerprogramm zur Ausführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen. Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann auf einem Datenträger gespeichert sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriemodul
    2
    Zellanordnung
    3
    Tankeinrichtung
    4
    Messeinrichtung zur Bestimmung der OCV
    5
    Messeinrichtung zur Bestimmung der Klemmenspannung
    6
    Bidirektionaler Umrichter (PCS)
    7
    Steuereinrichtung
    8
    Schalter zur Unterbrechung der Serienschaltung
    9
    Mittel zum Kurzschließen eines Batteriemoduls

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Redox-Flow-Batterie-Systems umfassend wenigstens zwei Batteriemodule (1), einen bidirektionalen Umrichter (6) und eine Steuereinrichtung (7), und wobei die Batteriemodule (1) in Serie geschaltet und mit dem Umrichter (6) verbunden sind, und wobei für jedes Batteriemodul (1) Mittel (9) zum Kurzschließen des betreffenden Batteriemoduls (1) vorgesehen 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 und wenigstens eine Pumpe zum Fördern des Elektrolyt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem Batteriemodul (1) ein Balancing-Eingriff ausgeführt wird, welcher die folgenden Schritte umfasst: - Abschalten der wenigstens einen Pumpe des betreffenden Batteriemoduls (1), um die Zufuhr von Elektrolyt in die Zellanordnung (2) zu beenden; - Kurzschließen des betreffenden Batteriemoduls (1), wenn die Klemmenspannung des betreffenden Batteriemoduls (1) unter einen vordefinierten Wert gefallen ist; - Warten, bis sich ein Balancing-Endzustand eingestellt hat; - Öffnen des Kurzschlusses des betreffenden Batteriemoduls (1); - Anschalten der wenigstens einen Pumpe des betreffenden Batteriemoduls (1).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich das Batteriesystem vor dem Balancing-Eingriff in einem Entladen-Modus befindet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich das Batteriesystem vor dem Balancing-Eingriff in einem Laden-Modus befindet und der Balancing-Eingriff als ersten Schritt: - Umschalten des Batterie-Systems in einen Entladen-Modus; umfasst.
  4. Redox-Flow-Batterie-System ausgelegt zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.
  5. Computerprogramm zur Ausführung der Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.
  6. Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 5 gespeichert ist.
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