DE102022113939B3 - Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Vanadium Redox-Flow-Batteriemoduls (1) in einem Batterie-System, wobei das Verfahren folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst:
- Identifikation von wenigstens einem degradierten Batteriemodul (1);
- Ausschalten der Pumpen (4) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) zu einem Zeitpunkt t1;
- Einschalten der Pumpen (4) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) zu einem Zeitpunkt t2; wobei die Länge des Zeitintervalls Δt= t2-t1 so gewählt wird, dass zum Zeitpunkt t2 eine Klemmenspannung des degradierten Batteriemoduls (1) negativ ist, aber ein Überladen des in der Zellanordnung (2) des degradierten Batteriemoduls (1) befindlichen Elektrolyten vermieden wird, und wobei diese Schritte mit Ausnahme des ersten Schrittes ablaufen, während das Batterie-System entladen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Vanadium Redox-Flow-Batteriemoduls in einem Batterie-System. Dabei umfasst das Batterie-System mehrere in Serie geschaltete Vanadium Batteriemodule.
  • Die Leistungsfähigkeit eines Redox-Flow-Batteriemoduls auf Vanadium Basis kann während des Betriebes mit der Zeit langsam abnehmen. Einer der dafür verantwortlichen Prozesse besteht darin, dass an der positiven Elektrode Oxidationsprozesse stattfinden, so dass sich an dieser Elektrode mit der Zeit eine dünne Schicht von Sauerstoff enthaltenden Funktionsgruppen bilden kann. Dadurch erhöht sich der Innenwiderstand des Batteriemoduls, was zu einer geringeren Effizienz desselben führt. Dieses Phänomen wird im Folgenden als „Degradation“ und ein betroffenes Batteriemodule als „degradiert“ bezeichnet.
  • Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit von Batteriemodulen auf Vanadium Basis sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die CN 111 261 888 A ein Verfahren zum Recycling von Elektrodenmaterial eines solchen Batteriemoduls. Dabei muss allerdings die Zellanordnung des betreffenden Batteriemoduls ausgebaut und komplett zerlegt werden. Die CN 111 509 278 A offenbart ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Vanadium Batteriemoduls, welches während des Betriebes des Batteriemoduls durchgeführt werden kann. Dazu wird der positive mit dem negativen Elektrolyten vermischt, und außerdem das Batteriemodul umgepolt, d.h. der ursprünglich positive Anschluss wird zum negativen Anschluss und umgekehrt. Dazu muss das Batteriemodul Mittel umfassen, welche das Durchmischen und das Umpolen ermöglichen. Bei herkömmlichen Batteriemodulen sind solche Mittel in der Regel nicht vorgesehen.
  • Als allgemeiner Stand der Technik sind die folgenden Dokumente zu nennen. Die DE 10 2020 123 170 A1 offenbart ein Betriebsverfahren eines Redox-Flow-Batterie-Systems, wobei das Verfahren die Zustandsüberwachung des der Batterie-Systems in Bezug auf den Gesundheitszustand (State of Health - SoH) betrifft. Die US 2017 / 0 250 417 A1 offenbart ein Verfahren zur Regeneration der Elektrode einer Flow-Batterie. Dazu wird die Batterie in einen inaktiven Zustand versetzt, bei dem weder der positive noch der negative Elektrolyt durch die Zellanordnung zirkuliert. Dabei wird die Spannung der Zellanordnung dadurch gegen Null getrieben, dass der negative Elektrolyt auf eine höhere Oxidationsstufe gehoben wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit von Batteriemodulen auf Vanadium Basis anzugeben, welches weniger aufwändig ist als die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch 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 Batterie-System;
    • 3 Nyquist-Diagramm;
    • 4 Zeitlicher Verlauf der Klemmenspannung während des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform;
    • 5 Zeitlicher Verlauf der Klemmenspannung während des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform;
  • 1 zeigt auf der linken Seite in schematischer Darstellung ein Batteriemodul auf Vanadium Basis. Das Batteriemodul ist mit 1 bezeichnet. Das Batteriemodul umfasst eine Zellanordnung, welche mit 2 bezeichnet ist, eine Tankeinrichtung, welche mit 3 bezeichnet ist, zwei Pumpen, von denen eine mit 4 bezeichnet ist, und optional eine Messeinrichtung zur Erfassung der Klemmenspannung, welche mit 5 bezeichnet ist. 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 und ein Rohrsystem zur Verbindung der Tanks mit der Zellanordnung 2. Die Pumpen 4 dienen zum Fördern des Elektrolyten. 1 zeigt dabei zwei separate Pumpen 4. Genauso gut könnte der Elektrolyt mit einer Doppelkopfpumpe gefördert werden, d.h. mit zwei Pumpen, welche über einen gemeinsamen Motor angetrieben werden. Im Prinzip kann auch mehr als eine Pumpe pro Elektrolytkreislauf vorhanden sein. Das kann z.B. dann von Vorteil sein, wenn das Batteriemodul redundant aufgebaut sein soll. D.h. beim Ausfall einer Pumpe bleibt das Batteriemodul funktionsfähig.
  • 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 mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen. 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 6 bezeichnet ist, und eine Steuereinrichtung, welche mit 7 bezeichnet ist. Die Batteriemodule 1 sind in Serie geschaltet und mit dem Umrichter 6 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 6 übernimmt die Anbindung des Batterie-Systems an das Netz oder an ein übergeordnetes elektrisches System. Die Steuereinrichtung 7 ist dabei so ausgebildet, dass sie den Betriebszustand des Umrichters 6 erfassen und die Pumpen 4 in den Batteriemodulen 1 ansteuern kann. Optional kann die Steuereinrichtung 7 so ausgebildet sein, dass sie zusätzlich die Messwerte der Messeinrichtungen 5 der Batteriemodule 1 erfassen kann.
  • Für die folgenden Ausführungen wird vorausgesetzt, dass ein oder mehrere degradierte Batteriemodule 1 identifiziert worden sind, die unter der Eingangs beschriebenen Verschlechterung der Effizienz leiden. Dazu sind dem Fachmann mehrere Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise kann während des Betriebes des Batterie-Systems die Klemmenspannung der Batteriemodule 1 und der Lade- bzw. Entladestrom erfasst werden, so dass aus diesen Werten der Widerstand der Batteriemodule 1 berechnet werden kann. Degradierte Batteriemodule 1 weisen einen erhöhten Widerstand auf. Alternativ können die Batteriemodule 1 mit Hilfe von Impedanz-Spektroskopie (EIS - „Electrochemical Impedance Spectroscopy“) überwacht werden. Dabei wird die Impedanz Z der Batteriemodule in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz ω=2πf ermittelt. Die Darstellung von Z(w) kann vorteilhaft in Form eines sogenannten Nyquist-Diagramms erfolgen. Dabei wird in x-Richtung der Realteil von Z(ω) und in y-Richtung der negative Imaginärteil von Z(w) aufgetragen. Die Einheit von Z(ω) ist Ohm. 3 zeigt ein typisches Nyquist-Diagramm einer Redox-Flow-Batterie in qualitativer Form. Aus dem Diagramm können zwei Widerstandswerte abgeleitet werden: Rs und Rct. Rs wird als statischer Innenwiderstandsanteil gedeutet, welcher z.B. durch den Widerstand der Kontakte und der Zuleitungen gegeben ist, während Rct den Anteil beschreibt, welcher sich aus der Kinetik des Ladungstransfers zwischen Elektrode zu Elektrolyt ergibt. Degradierte Batteriemodule 1 weisen einen erhöhten Rct auf. Es kann auch eine vereinfachte Impedanz-Spektroskopie verwendet werden, bei der nur niederfrequente Anregungssignale verwendet werden. Mit dem vereinfachten Verfahren kann dann die Summe Rs+Rct ermittelt werden, welche bei degradierten Batteriemodulen ebenfalls erhöht ist. Eine weitere Möglichkeit zur Identifikation von degradierten Batteriemodulen 1 besteht in der Überwachung des Ladezustandes (SoC - „State of Charge“) der Batteriemodule. Degradierte Batteriemodule laden sich langsamer auf und werden schneller entladen als nicht oder weniger degradierte Batteriemodule. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens spielt es keine Rolle, welche Methode zur Identifikation von degradierten Batteriemodulen verwendet wird.
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Dazu wird eine Vorzeichenkonvention verwendet, gemäß welcher die Klemmenspannung der Batteriemodule während des normalen Betriebes des Batterie-Systems das positive Vorzeichen aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit wenigstens eines degradierten Batteriemoduls 1 in einem Batterie-System umfasst folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
    • - Identifikation von wenigstens einem degradierten Batteriemodul 1;
    • - Ausschalten der Pumpen 4 des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 zu einem Zeitpunkt t1;
    • - Einschalten der Pumpen 4 des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 zu einem (späteren) Zeitpunkt t2;
    wobei die Länge des Zeitintervalls Δt= t2-t1 so gewählt wird, dass zum Zeitpunkt t2 die Klemmenspannung des degradierten Batteriemoduls 1 negativ ist, aber ein Überladen des in der Zellanordnung des degradierten Batteriemoduls 1 befindlichen Elektrolyten vermieden wird, und wobei diese Schritte mit Ausnahme des ersten Schrittes ablaufen, während das Batterie-System entladen wird.
  • Der erste Schritt, d.h. die Identifikation von wenigstens einem degradierten Batteriemodul kann während eines beliebigen Betriebszustandes des Batterie-Systems erfolgen, also sowohl während das Batterie-System geladen als auch während das Batterie-System entladen wird. Die anderen Schritte dagegen können nur dann ausgeführt werden, wenn das Batterie-System entladen wird. Der Identifikationsschritt ist ein Schritt, mit dem überprüft wird, ob die nachfolgenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Batteriemodul durchgeführt werden sollen. D.h. das erfindungsgemäße Verfahren im engeren Sinne besteht in den nach dem Identifikationsschritt genannten Schritten. Zum Teil wird in den folgenden Ausführungen der Begriff „erfindungsgemäßes Verfahren“ in diesem engeren Sinne gebraucht. Das ist dann der Fall, wenn aus dem Zusammenhang klar ist, dass bereits ein oder mehrere Batteriemodule identifiziert wurden.
  • Die elektrochemischen Vorgänge, die während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem betreffenden degradierten Batteriemodul ablaufen, werden anhand von 4 näher erläutert.
  • 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Klemmenspannung eines degradierten Batteriemoduls während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vor dem Zeitpunkt t1 nimmt das degradierte Batteriemodul an dem Entladevorgang des Batterie-Systems teil wie jedes andere Batteriemodul des Batterie-Systems. Dabei fällt die Klemmenspannung mit der Zeit ab, da der durch die Zellanordnung mittels der Pumpen geförderte Elektrolyt während des Verweilens in der Zellanordnung teilweise entladen wird. Wenn zum Zeitpunkt t1 die Pumpen abgeschaltet werden, hört die Zufuhr von Elektrolyten in die Zellanordnung auf, und der während dieses Zustandes dauerhaft in der Zellanordnung befindliche Elektrolyt wird daher viel schneller entladen, da sich der durch die in Serie geschalteten Batteriemodule fließende Entladestrom durch den Vorgang nicht oder nur vernachlässigbar ändert. Entsprechend schnell bricht die Klemmenspannung des degradierten Batteriemoduls ein. Wenn die Klemmenspannung die Nulllinie erreicht, wird der sich in der Zellanordnung befindliche Elektrolyt andersherum aufgeladen und die Klemmenspannung des betreffenden Batteriemoduls wird daher negativ. Dabei handelt es sich um ein elektrochemisches Spezifikum des Vanadium-Elektrolyten. Ab diesem Nulldurchgang beginnen sich die Vorgänge umzukehren, die zur Bildung der schädlichen sauerstoffhaltigen Funktionsgruppen geführt haben, was dazu führt, dass die Leistungsfähigkeit des degradierten Batteriemoduls wenigstens teilweise wiederhergestellt wird. Allerdings kann der Ladevorgang mit umgekehrtem Vorzeichen nicht beliebig lange fortgesetzt werden, da ansonsten der in der Zellanordnung befindliche Elektrolyt überladen werden würde, was zu einer Schädigung des Batteriemoduls führen würde. Daher werden die Pumpen zu einem entsprechenden gewählten Zeitpunkt t2 wieder eingeschaltet. Nun strömt wieder frischer Elektrolyt in die Zellanordnung. Dieser zugeführte Elektrolyt hat einen Ladezustand wie er kurz vor dem Zeitpunkt t1 vorlag, so dass die Klemmenspannung wieder auf den t1 entsprechenden (positiven) Wert ansteigt. In dem in 4 dargestellten Verlauf werden dabei die Pumpen mit derselben Förderrate betrieben, wie sie vor dem Zeitpunkt t1 vorlag. Dies ist jedoch keine notwendige Bedingung. Vielmehr soll damit nur ausgedrückt werden, dass das betreffende Batteriemodul zum Zeitpunkt t2 wieder in den Normalbetrieb zurückkehrt. Sollte aus irgendwelchen Gründen der Normalbetrieb des Batteriemoduls zum Zeitpunkt t2 eine andere Pumpenrate erfordern als er kurz vor dem Zeitpunkt t1 vorlag, so würden die Pumpen zum Zeitpunkt t2 mit der zu diesem Zeitpunkt erforderlichen Pumpenrate betrieben werden.
  • Der Effekt des Schrittes „Ausschalten der Pumpen 4 des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 zu einem Zeitpunkt t1“ besteht darin, die beschriebene Umpolung zu veranlassen. Dies kann im Prinzip auch dadurch erreicht werden, dass die Pumpen 4 mit sehr geringer Förderrate betrieben werden. Daher wird im vorliegenden Dokument unter einem „Ausschalten der Pumpen“ ein Betrieb der Pumpen verstanden, der zu der beschriebenen Umpolung führt.
  • Der Zeitpunkt t2 kann am einfachsten dadurch festgelegt werden, dass die Klemmenspannung von der Steuereinrichtung erfasst wird: Wenn die Klemmenspannung ausreichend negativ ist, aber noch nicht den kritischen Grenzwert unterschritten hat, dann werden die Pumpen wieder angeschaltet. Der Zeitpunkt t2 kann aber auch ohne eine Erfassung der Klemmenspannung bestimmt werden. Dies kann durch eine Berechnung geschehen, bei der wenigstens folgende Größen eingehen: Ladezustand zum Zeitpunkt t1, Größe des Entladestroms und Volumen des Elektrolyten in einer Zelle der Zellanordnung des betreffenden Batteriemoduls. Wenn die Klemmenspannung zur Bestimmung von t2 verwendet werden soll, dann muss dieselbe in der Lage sein, Spannungen mit negativen Vorzeichen zu erfassen.
  • Während die Pumpen ausgeschaltet sind, kann auch der Entladestrom, der durch das Batterie-System fließt, reduziert werden. Dadurch kann der Zeitpunkt t2 zeitlich nach hinten geschoben werden. D.h. die das Zeitintervall Δt= t2-t1 wird dadurch größer.
  • Bei Bedarf kann das erfindungsgemäße Verfahren mehrmals hintereinander ausgeführt werden, so lange bis das Leistungsvermögen des degradierten Batteriemoduls in ausreichendem Maße wiederhergestellt wurde. Bei der Wiederholung muss der erste Schritt nicht zwangsläufig durchgeführt werden. Er kann jedoch vorteilhaft ausgeführt werden, um zu überprüfen, ob das betreffende Batteriemodul noch eine Degradation aufweist. Wenn sich auch nach mehrmaliger Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine oder keine ausreichende Besserung einstellt, so beruht die Degradation wenigstens teilweise auf nicht reversiblen Prozessen und es können andere Wartungsmaßnahmen an dem betreffenden Batteriemodul veranlasst werden.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass sich der erwünschte Effekt dadurch vergrößern lässt, dass man die Zeitspanne verlängert, während der sich die Klemmenspannung im negativen Bereich befindet. Dies kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass die Pumpen, die zum Zeitpunkt t2 eingeschaltet werden, danach mit reduzierter Pumpenrate betrieben werden. Dabei bezieht sich der Begriff „reduziert“ auf die Pumpenrate, die vor dem Zeitpunkt t1 vorlag. 5 zeigt den dieser Ausführungsform entsprechenden Verlauf der Klemmenspannung. Im Zeitintervall zwischen t2 und t3 werden die Pumpen mit einer solchen Pumpenrate betrieben, dass die Klemmenspannung negativ bleibt. Im in 5 gezeigten Fall wurde die Pumpenrate so gewählt, dass die Klemmenspannung im Zeitintervall zwischen t2 und t3 konstant bleibt. Das ist zwar vorteilhaft jedoch nicht unbedingt notwendig. Der positive Effekt würde sich fast genauso stark einstellen, wenn die Pumpenrate etwas anders wäre. Es ist lediglich notwendig, dass ein Überladen des in der Zellanordnung befindlichen Elektrolyten in dem gesamten Zeitintervall zwischen t2 und t3 vermieden wird. Dazu muss die Pumpenrate im genannten Zeitintervall nicht unbedingt konstant sein. Es könnte beispielsweise vorkommen, dass die Klemmenspannung trotz reduzierter Pumpenrate weiter abnimmt und den kritischen Grenzwert überschreiten würde. Dies kann dann durch eine weitere Reduktion der Pumpenrate vermieden werden. D.h. die Pumpenrate kann im genannten Zeitintervall durch die Steuereinrichtung so geregelt werden, dass ein Überladen vermieden wird. Zum Zeitpunkt t3 werden die Pumpen dann wieder mit der Pumpenrate von t1 betrieben, so dass das Batteriemodul zur entsprechenden (positiven) Klemmenspannung zurückkehrt. Dies ist jedoch keine notwendige Bedingung. Vielmehr soll damit nur ausgedrückt werden, dass das betreffende Batteriemodul zum Zeitpunkt t3 wieder in den Normalbetrieb zurückkehrt.
  • Sollte aus irgendwelchen Gründen der Normalbetrieb des Batteriemoduls zum Zeitpunkt t3 eine andere Pumpenrate erfordern als er kurz vor dem Zeitpunkt t1 vorlag, so würden die Pumpen zum Zeitpunkt t3 mit der zu diesem Zeitpunkt erforderlichen Pumpenrate betrieben werden.
  • Im Zeitintervall zwischen t2 und t3, kann auch zusätzlich der Entladestrom, der durch das Batterie-System fließt, reduziert werden. Dadurch muss bzw. kann die Pumpenrate in diesem Zeitintervall weniger stark reduziert werden.
  • Es sei erwähnt, dass sich beim Einschalten der Pumpen zum Zeitpunkt t2 in der Zellanordnung des betreffenden Batteriemoduls Inhomogenitäten bilden. Diese entstehen dadurch, dass der Zellanordnung frischer Elektrolyt an einer bestimmten Stelle zugeführt wird, welcher eine andere Zusammensetzung aufweist als der restliche in der Zellanordnung befindliche Elektrolyt. Das führt zu lokal unterschiedlichen Potentialzuständen, wodurch sich entsprechende Ausgleichströme bilden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß 5 zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit wenigstens eines degradierten Batteriemoduls 1 in einem Batterie-System umfasst folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
    • - Identifikation von wenigstens einem degradierten Batteriemodul 1;
    • - Ausschalten der Pumpen 4 des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 zu einem Zeitpunkt t1;
    • - Einschalten der Pumpen 4 des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 zu einem (späteren) Zeitpunkt t2 und Betreiben der Pumpen 4 des wenigstens einen Batteriemoduls 1 mit einer ersten Pumpenrate;
    • - Betreiben der Pumpen 4 des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 zu einem nach t2 liegenden Zeitpunkt t3 mit einer zweiten Pumpenrate;
    wobei die Länge des Zeitintervalls Δt= t2-t1 so gewählt wird, dass zum Zeitpunkt t2 die Klemmenspannung des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 negativ ist, und wobei die erste Pumpenrate so gewählt wird, dass die Klemmenspannung des wenigstens einen Batteriemoduls 1 während des Zeitintervalls zwischen t2 und t3 negativ ist, aber ein Überladen des in der Zellanordnung des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 befindlichen Elektrolyten im Zeitintervall zwischen t2 und t3 vermieden wird, und wobei die zweite Pumpenrate so gewählt wird, dass die Klemmenspannung des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls 1 nach t3 positiv wird, und wobei diese Schritte mit Ausnahme des ersten Schrittes ablaufen, während das Batterie-System entladen wird.
  • Auch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß 5 kann bei Bedarf mehrfach hintereinander durchgeführt werden. Es gilt dabei in analoger Weise das, was oben zum Verfahren gemäß 4 gesagt wurde.
  • Da die Batteriemodule im Batterie-System in Serie geschaltet sind, addieren sich die Klemmenspannungen der Batteriemodule. D.h. auch in der Gesamtspannung, welche am Umrichter anliegt, reflektiert sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der in den 4 und 5 gezeigte Spannungsverlauf. Daher muss der Umrichter so ausgebildet sein, dass er mit dieser Spannungsvariabilität zurechtkommen kann. Dasselbe gilt für die Leistung des Batterie-Systems. Wenn die vom Batterie-System abgegebene Leistung konstant bleiben soll, dann kann dies durch eine entsprechende Erhöhung des Entladestroms in den Zeitintervallen zwischen t1 und t2 bzw. t1 und t3 geschehen.
  • Damit das Batterie-System während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin problemlos funktionieren kann, darf die Gesamtspannung, welche am Umrichter anliegt, nicht negativ werden. Dadurch wird die Anzahl der Batteriemodule beschränkt, an welchen gleichzeitig das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Im Grenzfall muss die Anzahl der normal betriebenen Batteriemodule größer sein als die Anzahl der Batteriemodule, an denen zu einem gegebenen Zeitpunkt das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. In der Praxis wird es von Vorteil sein, wenn die Anzahl der normal betriebenen Batteriemodule deutlich größer ist als die Anzahl der Batteriemodule, an denen zu einem gegebenen Zeitpunkt das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
  • Um die Anforderungen an den Umrichter möglichst gering zu halten, ist es von Vorteil, wenn zu einer gegebenen Zeit nur an einem Batteriemodul das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. D.h. wenn mehr als ein Batteriemodul degradiert ist, dann wird das erfindungsgemäße Verfahren nacheinander an je einem betroffenen Batteriemodul ausgeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft auch prophylaktisch durchgeführt werden. D.h. das Verfahren wird von Zeit zu Zeit an jedem Batteriemodul des Batterie-Systems durchgeführt. Dazu muss natürlich nicht erst festgestellt werden, ob die Batteriemodule tatsächlich unter einer Degradation von erheblichem Ausmaß leidet. Es wird einfach davon ausgegangen, dass jedes Batteriemodul nach einer gewissen Zeit in gewissem Maße degradiert. Der Schritt „Identifikation von wenigstens einem degradierten Batteriemodul 1“ besteht dann lediglich in einer Bestimmung von wenigsten einem Batteriemodul, an dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden soll. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass eine Betriebsdauer vorab festgelegt wird, nach Ablauf derer eine prophylaktische Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Batteriemodul erfolgen soll. Der besagte Identifikationsschritt besteht dann darin, dass für die Batteriemodule des Batterie-Systems überprüft wird, ob es Batteriemodule gibt, die seit der Inbetriebnahme oder der letzten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an denselben länger betrieben wurden als die vorab festgelegte Betriebsdauer. Wenn das der Fall ist, dann werden die auf den Identifikationsschritt folgenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens an den so identifizierten Batteriemodulen durchgeführt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Leistungsfähigkeit von degradierten Batteriemodulen wenigstens teilweise wieder hergestellt werden. Das Verfahren kann während des normalen Betriebs des Batterie-Systems ausgeführt werden. Zur Ausführung wird keine zusätzliche Hardware benötigt, sondern es genügen die Mittel, die bei gewöhnlichen Batteriemodulen vorhanden sind. Lediglich die Steuereinrichtung muss so ausgebildet sein, dass sie die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführen kann. Dazu läuft in der Steuereinrichtung ein entsprechendes Computerprogramm ab, welches auch auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriemodul
    2
    Zellanordnung
    3
    Tankeinrichtung
    4
    Pumpe
    5
    Messeinrichtung zur Erfassung der Klemmenspannung
    6
    Umrichter
    7
    Steuereinrichtung

Claims (6)

  1. Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Vanadium Redox-Flow-Batteriemoduls (1) in einem Batterie-System, wobei das Batterie-System wenigstens zwei in Serie geschaltete Batteriemodule (1), einen Umrichter (6) und eine Steuereinrichtung (7) umfasst, und wobei die Batteriemodule (1) mit dem Umrichter verbunden sind, und wobei jedes Batteriemodul (1) eine Zelleinrichtung (2), eine Tankeinrichtung (3) zum Speichern von Elektrolyt und zwei Pumpen (4) zum Fördern von Elektrolyt durch die Zelleinrichtung (2) umfasst, und wobei die Steuereinrichtung (7) so ausgebildet ist, dass sie einen Betriebszustand des Umrichters (6) erfassen und die Pumpen (4) in den Batteriemodulen (1) ansteuern kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: - Identifikation von wenigstens einem degradierten Batteriemodul (1); - Ausschalten der Pumpen (4) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) zu einem Zeitpunkt t1; - Einschalten der Pumpen (4) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) zu einem Zeitpunkt t2; wobei die Länge des Zeitintervalls Δt= t2-t1 so gewählt wird, dass zum Zeitpunkt t2 eine Klemmenspannung des degradierten Batteriemoduls (1) negativ ist, aber ein Überladen des in der Zellanordnung (2) des degradierten Batteriemoduls (1) befindlichen Elektrolyten vermieden wird, und wobei diese Schritte mit Ausnahme des ersten Schrittes ausgeführt werden, während das Batterie-System entladen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die folgenden Schritte in der angegeben Reihenfolge umfasst: - Identifikation von wenigstens einem degradierten Batteriemodul (1); - Ausschalten der Pumpen (4) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) zu einem Zeitpunkt t1; - Einschalten der Pumpen (4) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) zu einem Zeitpunkt t2 und Betreiben der Pumpen (4) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) mit einer ersten Pumpenrate; - Betreiben der Pumpen (4) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) zu einen nach t2 liegenden Zeitpunkt t3 mit einer zweiten Pumpenrate; wobei die Länge des Zeitintervalls Δt= t2-t1 so gewählt wird, dass zum Zeitpunkt t2 eine Klemmenspannung des degradierten Batteriemoduls (1) negativ ist, und wobei die erste Pumpenrate so gewählt wird, dass die Klemmenspannung des wenigstens einen Batteriemoduls (1) während des Zeitintervalls zwischen t2 und t3 negativ ist, aber ein Überladen des in der Zellanordnung (2) des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) befindlichen Elektrolyten im Zeitintervall zwischen t2 und t3 vermieden wird, und wobei die zweite Pumpenrate so gewählt wird, dass die Klemmenspannung des wenigstens einen degradierten Batteriemoduls (1) nach t3 positiv wird, und wobei diese Schritte mit Ausnahme des ersten Schrittes ausgeführt werden, während das Batterie-System entladen wird.
  3. Batterie-System, wobei das Batterie-System wenigstens zwei in Serie geschaltete Vanadium Redox-Flow-Batteriemodule (1), einen Umrichter (6) und eine Steuereinrichtung (7) umfasst, und wobei die Batteriemodule (1) mit dem Umrichter verbunden sind, und wobei jedes Batteriemodul (1) eine Zelleinrichtung (2), eine Tankeinrichtung (3) zum Speichern von Elektrolyt und zwei Pumpen (4) zum Fördern von Elektrolyt durch die Zelleinrichtung (2) umfasst, und wobei die Steuereinrichtung (7) so ausgebildet ist, dass sie einen Betriebszustand des Umrichters (6) erfassen, die Pumpen (4) in den Batteriemodulen (1) ansteuern und die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausführen kann.
  4. Batterie-System nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (7) eine Klemmenspannung der Batteriemodule (1) erfassen kann.
  5. Computerprogramm umfassend Befehle, die bewirken, dass das Batterie-System nach einem der Ansprüche 3 oder 4 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ausführt.
  6. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 5 gespeichert ist.
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