EP4193408A1 - Redox-flow-batterie-system und betriebsverfahren - Google Patents

Redox-flow-batterie-system und betriebsverfahren

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Publication number
EP4193408A1
EP4193408A1 EP21739263.8A EP21739263A EP4193408A1 EP 4193408 A1 EP4193408 A1 EP 4193408A1 EP 21739263 A EP21739263 A EP 21739263A EP 4193408 A1 EP4193408 A1 EP 4193408A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
battery module
converter
switch
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21739263.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas LÜTH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liva Power Management Systems GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP4193408A1 publication Critical patent/EP4193408A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a vanadium redox flow battery system and a method for operating such a system.
  • the invention particularly relates to redox flow battery systems with a high output voltage.
  • the operating procedure mainly concerns the conditioning of the battery system.
  • the invention thus relates to a battery system which comprises a plurality of battery modules, the battery system being designed in such a way that the battery modules are connected in series during the charging and discharging of the system, i.e. they form a string.
  • WO 2012/020277 A1 discloses such a method on page 5.
  • both tanks ie the tank for the negative electrolyte and the tank for the positive electrolyte
  • a solution which contains V 3+ and V 4+ ions in a ratio of approximately 1:1 are filled with a solution which contains V 3+ and V 4+ ions in a ratio of approximately 1:1.
  • the solutions from the two tanks are circulated through the respective chambers of the cells, at the same time as an electric current is passed through the cells.
  • the negative electrolyte contain only trivalent vanadium and the positive electrolyte only tetravalent vanadium.
  • the inventor has set himself the task of specifying an operating method, i.e. primarily a conditioning method, for a battery system with a number of battery modules which can be connected in series. Furthermore, the inventor has set himself the task of specifying battery systems which are designed in such a way that the operating method according to the invention can be carried out advantageously.
  • an operating method i.e. primarily a conditioning method
  • FIG. 4 battery system in a further embodiment
  • FIG. 5 battery module in a further embodiment
  • FIG. 1 shows a battery module on the left side in a schematic representation.
  • the battery module is denoted by 1.
  • the battery module includes a cell arrangement, which is denoted by 2, and a tank device, which is denoted by 3.
  • the cell arrangement 2 is an arrangement of a large number of redox flow cells, which can be arranged in any way. For example, it could be a single cell stack, a series connection of several stacks, a parallel connection of several stacks, or a combination of series and parallel connection of several stacks. In any case, all cells of the cell arrangement 2 contribute to storing electrical energy when charging in the battery module 1 or to supplying electrical energy when discharging the battery module 1 .
  • the tank device 3 is used to store the electrolyte and to supply the Cell arrangement 2 with electrolyte.
  • the tank device 3 comprises at least two tanks, a pipe system for connecting the tanks to the cell arrangement 2 and pumps for conveying the electrolyte.
  • Figure 1 shows two separate pumps.
  • the electrolyte could just as well be conveyed with a double-head pump, ie with two pumps which are driven by a common motor.
  • the tank device 3 is designed in such a way that it can supply all cells of the cell arrangement 2 with electrolyte.
  • All cells in cell arrangement 2 therefore always contribute to charging the electrolyte in tank device 3, and all cells in cell arrangement 2 always contribute to discharging the electrolyte in tank device 3 when battery module 1 is charged or discharged.
  • the battery module 1 shown in FIG. 1 includes two measuring devices, which are labeled 4 and 5 .
  • the measuring device which is denoted by 4, is a measuring device for providing the so-called open circuit voltage (OCV).
  • OCV value is a measure of the state of charge of the battery module (SoC).
  • the measuring device which is denoted by 5 , is a measuring device for providing the terminal voltage of the cell arrangement 2 and thus also of the battery module 1 .
  • the terminal voltage differs from the no-load voltage by the voltage that drops across the internal resistance of the cell arrangement 3.
  • a symbolic representation of the battery module 1 is shown on the right-hand side of FIG. This symbolic representation is used below.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a battery system in a first embodiment.
  • the battery system comprises at least two battery modules, one of which is denoted by 1, a bidirectional converter (engl. bidirectional power conversion system - PCS), which is denoted by 6, and a controller, which is denoted by 8.
  • the battery modules 1 are connected in series and connected to the converter 6 .
  • Four battery modules are shown in FIG Number of other modules should indicate.
  • the converter 6 takes over the connection of the battery system to the grid or to a higher-level electrical system.
  • the battery system also includes for each battery module 1 a first switch, one of which is labeled 9 , and a second switch, one of which is labeled 10 .
  • the first switches 9 are each arranged in series with the battery modules 1, whereby it is of course irrelevant on which side of the respective battery module the associated switch 9 is arranged.
  • the second switches 10 are each arranged in a bypass line around a respective battery module 1 and the associated first switch 9 .
  • all switches 9 and 10 are shown in the open state. This operating state, ie that both switches of a switch pair 9 and 10 are open at the same time, can be assumed in the method according to the invention in the embodiment associated with FIG. In most other operating states, however, the switches are controlled by the control device 8 in such a way that exactly one switch of each switch pair of a first and second switch is closed and one switch is open (alternately open and closed).
  • a pair of switches has exactly two switch positions, with the associated battery module 1 being in the series connection of the battery system in the first switch position (first switch 9 closed and second switch 10 open), and in the second switch position (first switch 9 open and second switch 10 closed) the associated battery module 1 is separated from the series connection of the battery system by the bypass line.
  • the opening of the first switch 9 with the switch 10 closed prevents the module from being discharged via the bypass line.
  • the control device 8 is connected to each battery module in such a way that it can record the measured values of the measuring devices 4 and 5, respectively.
  • the control device 8 is connected to each of the switches 9 and 10 in such a way that it can determine the respective switch position in order to switch the battery modules 1 into or out of the Senen circuit. These connections can also be wireless.
  • FIG. 2 represents the minimum configuration for executing the operating method according to the invention. It should be mentioned here that when executing the operating method according to the invention in its most general form only the terminal voltage of the battery modules 1 must be measured. This means that it is not necessary for the battery modules 1 to also include a measuring device for detecting the OCV.
  • the method according to the invention is described below in a first embodiment based on the configuration of FIG.
  • This is a method for conditioning all battery modules 1 of the battery system. This procedure is therefore carried out in any case when such a battery system is put into operation for the first time. However, it is also possible that this method is carried out after a battery system has been in operation for a long time, for example if the battery system is to be regenerated because undesirable imbalances or capacity losses have occurred. It is therefore assumed that there is electrolyte in all the tanks of the battery modules 1, which consists of a mixture of V 3+ and V 4+ ions, which are contained in approximately equal proportions. This can be realized by external filling or mixing of the existing tank contents. In addition, it is assumed that all cells of a cell arrangement 2 of each battery module 1 are completely filled with electrolyte before a current flows through the corresponding battery module 1 .
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • step S2 Feeding a current into the battery module 1, which has been connected to the converter 6 in step S1, until the electrolyte in the cells of the cell arrangement 2 of the same battery module 1 reaches a state of charge that is at least as high as a predefined threshold value ;
  • Step S4 feeding a current into the series circuit from step S3; Steps S1 and S2 are repeated successively in this order, with a different battery module 1 always being connected to the converter 6 in the respective execution of step S1 and in the subsequent Execution of S2 is supplied with a current until all battery modules 1 meet the condition mentioned in the definition of step S2, which is then followed by execution of steps S3 and S4 in this order.
  • the respective battery module 1 initially has no counter-voltage and a very high internal resistance. It is clear that the converter 6 supplying the current must be able to deal with this situation.
  • the injected current may be reduced compared to the current injected in step S4.
  • the direction in which the current is fed in in step S2 is arbitrary. Since the direction in which the current is fed in in step S2 determines the charging current direction, all battery modules must of course be fed with the same current direction in step S2. In practice, however, there is a design-related preferred direction for the charging current in the battery modules and thus for the current in step S2.
  • step S2 So that the condition specified in step S2 can be met in a sufficiently short time interval, the rate at which electrolyte is conveyed during step S2 must not be too high.
  • the relevant limit for this is the so-called stoichiometric flow rate. More information can be found, for example, in the document "Model-based Design and Optimization of Vanadium Redox Flow Batteries” - DISSERTATION by Dipl.-Ing. Sebastian König at the Faculty of Electrical Engineering and Information Technology of the Düsseldorf Institute of Technology in Chapter 8 "Flow rate optimization”. If a delivery rate were set in step S2 that exceeds the stoichiometric flow rate, step S2 would last at least until the electrolyte contained in the tank device has been completely circulated once.
  • the process according to the invention can be carried out particularly advantageously in the embodiment described above, ie in a short time, if the delivery rate in steps S2 is set to be less than the stoichiometric delivery rate.
  • this restriction does not exist in other embodiments of the method according to the invention described below, so that the corresponding method can also be carried out in an advantageously short time when the delivery rate is greater than the stoichiometric delivery rate.
  • the inventor has recognized that the method according to the invention can be carried out advantageously if the threshold value is in a range of 2-8%.
  • the threshold value is particularly advantageously selected in a range of 3-7% or in a range of 4-6%.
  • the state of charge can be determined indirectly via the terminal voltage. That is, in practice, the termination criterion of step S2 is that the cell arrangement of the relevant battery module is supplied with current in step S2 until the terminal voltage exceeds a predefined threshold value.
  • the threshold value for the terminal voltage which corresponds to the threshold value for the state of charge, depends on various circumstances of the cell arrangement and the amperage of the supply current, as well as the voltage drop at the internal resistance of the cell arrangement. However, these relationships are fully known to a person skilled in the art, so that, instructed by the present application, he can easily define the required threshold value for the terminal voltage.
  • Step S4 is carried out until the entire volume of all tanks is conditioned.
  • step S4 merges seamlessly into a conventional charging process for the battery system. It can happen that the different battery modules have different OCV values and therefore different SoC values. This is particularly the case if there were deviations in the composition of the electrolyte filled in between the individual modules, ie if the associated vanadium fractions were different. All known methods can be used to equalize (the so-called “balancing”) such SoC variations of the battery modules. In this case, balancing can already begin towards the end of step S4 (see also below).
  • FIG. 3 shows a battery system according to the invention in a further embodiment.
  • the battery system includes another converter, which is denoted by 7 and is connected to the network or to a higher-level electrical system.
  • the battery system for each battery module additionally comprises a third and fourth switch, which are denoted by 11 and 12, and lines, the additional switches and lines being connected to one another and to the battery modules in such a way that each battery module 1 is connected separately to the further converter 7 can be connected.
  • all battery modules 1 can also be connected simultaneously to the additional converter 7 by closing all switches 11 and 12.
  • the battery modules and the further converter 7 are connected in parallel.
  • at least all the first switches 9 must be opened for this purpose.
  • any number of battery modules 1 and the further converter 7 can be connected in parallel with the aid of the switches 11 , 12 and 9 .
  • the additional switches 11 and 12 are also actuated by the control device, which is not shown in FIG. 3 for reasons of space.
  • FIG. 3 also shows other switches with which the converters 6 and 7 can each be electrically isolated from the rest of the arrangement. This can be an advantage. If necessary, only one isolating switch can be used per converter. Such switches can also be used in all other embodiments.
  • step S4 the battery modules 1 are supplied with power by the converter 6.
  • step S2 the battery modules 1 are supplied with power by the converter 6.
  • step S2 to be carried out separately for individual battery modules 1 or step S2 to be carried out simultaneously for two, three or more battery modules 1 S2, the further converter 7 only needs to be unidirectional.
  • a further embodiment results from the embodiment shown in FIG. 3, in which the converter 7 is omitted and the bidirectional converter 6 can be switched on both in the series connection and in the parallel connection.
  • the supply in step S2 can then take place in the parallel connection for more than one battery module, so that there is a time saving compared to the method according to the invention, which was described in connection with the arrangement of FIG.
  • a further embodiment results from the embodiment shown in FIG. 3, in which a further converter 7 is provided for each battery module 1, so that each battery module 1 is connected to its associated further converter 7 in step S1 and is fed with the same in step S2.
  • This embodiment results in the maximum possible time saving, since step S2 can be carried out in parallel for all battery modules.
  • this arrangement is of course correspondingly more expensive in comparison to the arrangement in FIG. 2, in which only one further converter 7 is provided.
  • a small saving results from the fact that one of the two switches 11 or 12 can be dispensed with for each battery module 1 if a separate further converter 7 is provided for each battery module 1 .
  • the method according to the invention generally comprises the following steps: S1: connecting at least one battery module 1 to a converter (6 or 7);
  • step S2 Feeding a current into the at least one battery module 1, which has been connected to the converter (6 or 7) in step S1, until the electrolyte in the cells of the cell arrangement 2 reaches a state of charge that is at least as high as a predefined threshold is;
  • step S4 feeding a current into the series circuit from step S3, electrolyte being conveyed in all battery modules 1; wherein in step S1, if more than one battery module 1 is connected to the converter (6 or 7), these battery modules 1 are connected in parallel to each other, and wherein steps S1 and S2 are successively repeated in this order until all battery modules 1 meet the condition mentioned in the definition of step S2, which is followed by the execution of steps S3 and S4 in this order.
  • the additional converter 7 can be used for balancing during step S4 and when charging the battery system. So if there is a deviation in the SoC value for a battery module compared to the average SoC value of the other battery modules, the different SoC value can be adjusted by removing the battery module in question from the series connection of the string and connecting it to the additional converter 7, which then takes over the supply of the relevant battery module.
  • the switches 9, 10, 11 and 12 of the relevant battery module are switched as follows: switch 9 open, switches 10, 11 and 12 closed.
  • the further converter 7 feeds the battery module in question with a current which is greater than the current flowing through the other battery modules until the SoC value of the battery module in question corresponds to the average SoC value. If the SoC value of the battery module in question is too high, then it is obviously sufficient to remove the battery module in question from the series connection of the string for a while, ie switches 9, 10, 11 and 12 of the battery module in question During this time, the battery module is switched as follows: switches 9, 11 and 12 open, switch 10 closed. If the additional converter 7 is bidirectional, it can also be used for balancing when discharging the battery system, in that the battery module in question is discharged via the additional converter 7 faster than the rest of the string.
  • each of the resistors 13 shown in FIG. 4 can consist of a parallel connection of two switchable resistors. This arrangement has the advantage that resistances of different magnitudes can be used, with the low-impedance resistances being able to be used to discharge one or more battery modules 1 via the same. This process can be used for balancing.
  • the method according to the invention then comprises the following steps:
  • step S2 feeding a current into the battery module 1, which was connected to the further converter 7 in step S1, until the electrolyte of this battery module 1 reaches a state of charge which is at least as high as a predefined threshold value;
  • step S4 A current is fed into the series circuit from step S3, electrolyte being conveyed in all battery modules 1.
  • step S2 it is all about the electrolyte belonging to the battery module 1 in question, whereby the word “entire” should not be interpreted too narrowly here since there can always be local variations in the state of charge in the electrolyte of such a battery module.
  • the state of charge of the same can be determined in a conventional manner via the measuring device shown in FIG. 1 for providing the open circuit voltage (OCV).
  • OCV open circuit voltage
  • the predefined threshold value is the mean value of the state of charge of the remaining battery modules in the battery system.
  • the electrolyte in the relevant battery module 1 is delivered at a rate that is above the stoichiometric delivery rate.
  • FIG. 5 shows a battery module which is equipped with lines and a valve which enables the tanks to be mixed.
  • One of these lines is denoted by 14.
  • the line 14 branches off from a line that connects the cell arrangement to one of the tanks and opens into the tank that belongs to the other electrolyte circuit.
  • the valve which is denoted by 15, is arranged and designed so that it Electrolyte flow can deflect so that the contents of the left tank are conveyed via line 14 into the other tank.
  • a connecting line is arranged between the upper areas of the tanks. This allows electrolyte to leak from the right tank into the left tank when the right tank has more electrolyte than the right tank.
  • the arrangement shown in FIG. 5 represents only one of many possibilities for achieving the stated purpose, ie for mixing the contents of the two tanks.
  • the method according to the invention generally includes the following steps as common features:
  • step S2 Feeding a current into the at least one battery module 1, which was connected to the converter (6 or 7) in step S1, until at least part of the electrolyte belonging to this battery module 1 reaches a state of charge that is at least as high as is a predefined threshold;
  • step S4 A current is fed into the series circuit from step S3, electrolyte being conveyed in all battery modules 1.
  • the energy required for conditioning can be taken from the superordinate electrical system to which the converter 7 is connected.
  • the energy could just as well be taken from another battery system, which is operated in parallel with the battery system in question.
  • the additional converter 7 is used for balancing and, in doing so, dissipates electrical energy from the relevant battery system.
  • control device is designed in such a way that it can set the electrolyte delivery rate in the individual battery modules.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Vanadium Redox-Flow-Batterie-System, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: S1: Verbinden wenigstens eines Batteriemoduls (1) mit einem Umrichter (6, 7); S2: Einspeisung eines Stroms in das wenigstens eine Batteriemodul (1), welches im Schritt S1 mit dem Umrichter (6, 7) verbunden worden ist, so lange bis wenigstens ein Teil des zu diesem Batteriemoduls (1) gehörigen Elektrolyten einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist; S3: Ansteuerung der ersten und zweiten Schalter (9, 10) so, dass sich alle Batteriemodule (1) in einer Serienschaltung befinden, welche mit dem bidirektionalen Umrichter (6) verbunden ist; S4: Einspeisung eines Stroms in die Serienschaltung aus Schritt S3, wobei in allen Batteriemodulen (1) Elektrolyt gefördert wird.

Description

Redox-Flow-Batterie-System und Betriebsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Vanadium 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 Betriebsverfahren betrifft hauptsächlich die Konditionierung des Batterie-Systems.
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. Die Reihenschaltung von mehreren Batteriemodulen wird herkömmlicherweise als String bezeichnet. Die Erfindung betrifft also ein Batterie- System, welches mehrere Batteriemodule umfasst, wobei das Batterie-System so ausgebildet ist, dass während dem Laden und Entladen des Systems die Batteriemodule in Serie geschaltet sind, d.h. einen String bilden.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Konditionieren von Vanadium Redox- Flow Batteriemodulen bekannt. Die WO 2012/020277 A1 offenbart auf Seite 5 ein solches Verfahren. Bei der erstmaligen Inbetriebnahme eines solchen Batteriemoduls werden beide Tanks (d.h. der Tank für negativen Elektrolyt und der Tank für positiven Elektrolyt) mit einer Lösung befüllt, welche V3+ und V4+ Ionen im Verhältnis von ungefähr 1 :1 enthält. Die Lösungen aus den beiden Tanks werden durch die entsprechenden Kammern der Zellen zirkuliert, wobei gleichzeitig ein elektrischer Strom durch die Zellen geleitet wird. Dadurch wird die chemische Homogenität der Lösung dergestalt gestört, dass in der Lösung, welche durch die Kammer mit der positiven Elektrode fließt, alle V3+ Ionen zu V4+ Ionen oxidiert werden, und dass in der Lösung, welche durch die Kammer mit der negativen Elektrode fließt, alle V4+ Ionen zu V3+ Ionen reduziert werden. Am Ende der Konditionierungsphase wird daher der negative Elektrolyt nur trivalentes Vanadium und der positive Elektrolyt nur tetravalentes Vanadium enthalten.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein Betriebsverfahren, d.h. in der Hauptsache ein Konditionierungsverfahren, für ein Batterie-System mit mehreren Batteriemodulen, welche in Serie geschaltet werden können, anzugeben. Ferner hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, Batterie-Systeme anzugeben, welche so ausgebildet sind, dass sich das erfindungsgemäße Betriebsverfahren vorteilhaft ausführen lässt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäßen Lösungen werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Fig.1 Batteriemodul
Fig.2 Batterie-System
Fig.3 Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform Fig.4 Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform Fig.5 Batteriemodul in einer weiteren Ausführungsform
Figur 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, und eine Tankeinrichtung, welche mit 3 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. 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 wenigstens zwei Tanks, ein Rohrsystem zur Verbindung der Tanks mit der Zellanordnung 2 und Pumpen zum Fördern des Elektrolyten. Figur 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 2 zum Entladen des Elektrolyten der Tankeinrichtung 3 bei, wenn das Batteriemodul 1 geladen bzw. entladen wird.
Das in Figur 1 dargestellt Batteriemodul 1 umfasst zwei Messeinrichtungen, welche mit 4 und 5 bezeichnet sind. 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.
Auf der rechten Seite von Figur 1 ist eine symbolhafte Darstellungsweise des Batteriemoduls 1 gezeigt. Diese symbolhafte Darstellungsweise wird im Folgenden verwendet.
Figur 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), welcher mit 6 bezeichnet ist, und eine Steuereinrichtung, welche mit 8 bezeichnet ist. Die Batteriemodule 1 sind in Serie geschaltet und mit dem Umrichter 6 verbunden. In Figur 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. 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 Figur 2 sind alle Schalter 9 und 10 in geöffnetem Zustand dargestellt. Dieser Betriebszustand, d.h. dass von einem Schalterpaar 9 und 10 beide Schalter gleichzeitig geöffnet sind, kann im erfindungsgemäßen Verfahren in der zur Figur 3 gehörigen Ausführungsform eingenommen werden. In den meisten anderen Betriebszuständen werden die Schalter durch die Steuereinrichtung 8 jedoch 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. 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 Sehen-Schaltung hinein- oder aus der Senen-Schaltung herauszuschalten. Diese Verbindungen können auch drahtlos erfolgen.
Die in Figur 2 gezeigte Anordnung stellt die Minimalkonfiguration zur Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens dar. Dabei sei erwähnt, dass bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens in seiner allgemeinsten Form lediglich die Klemmenspannung der Batteriemodule 1 gemessen werden muss. D.h. es ist dazu nicht erforderlich, dass die Batteriemodule 1 auch eine Messvorrichtung zur Erfassung der OCV umfassen.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer ersten Ausführungsform anhand der Konfiguration von Figur 2 beschrieben. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zum Konditionieren aller Batteriemodule 1 des Batterie-Systems. Dieses Verfahren wird also auf jeden Fall bei der erstmaligen Inbetriebnahme eines solchen Batterie-Systems ausgeführt. Es kann aber auch sein, dass nach längerem Betrieb eines Batterie-Systems dieses Verfahren ausgeführt wird, wenn beispielsweise das Batterie-System regeneriert werden soll, weil sich unerwünschte Ungleichgewichte oder Kapazitätsverluste eingestellt haben. Es wird dabei also davon ausgegangen, dass sich in allen Tanks der Batteriemodule 1 Elektrolyt befindet, der aus einer Mischung von V3+ und V4+ Ionen besteht, welche zu ungefähr gleichen Anteilen enthalten sind. Dies kann durch externes Befüllen oder Mischen der vorhandenen Tankinhalte realisiert werden. Außerdem wird davon ausgegangen, dass alle Zellen einer Zellanordnung 2 eines jeden Batteriemoduls 1 vollständig mit Elektrolyt gefüllt sind, bevor das entsprechende Batteriemodul 1 von einem Strom durchflossen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
S1 : Ansteuerung der ersten und zweiten Schalter 9 und 10 so, dass genau ein Batteriemodul 1 mit dem Umrichter 6 verbunden ist;
S2: Einspeisung eines Stroms in das Batteriemodul 1 , welches im Schritt S1 mit dem Umrichter 6 verbunden worden ist, so lange bis der in den Zellen der Zellanordnung 2 desselben Batteriemoduls 1 befindliche Elektrolyt einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist;
S3: Ansteuerung der Schalter 9 und 10 so, dass sich alle Batteriemodule 1 in einer Serienschaltung befinden, welche mit dem Umrichter 6 verbunden ist;
S4: Einspeisung eines Stroms in die Serienschaltung aus Schritt S3; wobei die Schritte S1 und S2 so lange sukzessive in dieser Reihenfolge wiederholt werden, wobei bei der jeweiligen Ausführung des Schritts S1 immer ein anderes Batteriemodul 1 mit dem Umrichter 6 verbunden und bei der darauffolgenden Ausführung von S2 mit einem Strom gespeist wird, bis alle Batteriemodule 1 die in der Definition von Schritt S2 genannte Bedingung erfüllen, worauf sich dann die Ausführung der Schritte S3 und S4 in dieser Reihenfolge anschließt.
Während der Ausführung der Schritte S2 hat das jeweils betreffende Batteriemodul 1 zunächst keine Gegenspannung und eine sehr hohen Innenwiderstand. Es ist klar, dass der den Strom speisende Umrichter 6 mit dieser Situation umgehen können muss. Während der Ausführung der Schritte S2 kann der eingespeiste Strom im Vergleich mit dem Strom reduziert sein, welcher im Schritt S4 eingespeist wird. Die Richtung, mit der der Strom im Schritt S2 eingespeist wird, ist im Prinzip beliebig. Da die Richtung, mit der der Strom im Schritt S2 eingespeist wird, die Ladestrom richtung festlegt, müssen natürlich alle Batteriemodule im Schritt S2 mit der gleichen Stromrichtung gespeist werden. In der Praxis gibt es jedoch eine konstruktionsbedingte Vorzugsrichtung für den Ladestrom in den Batteriemodulen und damit für den Strom in Schritt S2.
Damit die in Schritt S2 genannte Bedingung in einem hinreichend kurzem Zeitintervall erfüllt werden kann, darf die Rate, mit der während dem Schritt S2 Elektrolyt gefördert wird, nicht zu hoch sein. Die dafür relevante Grenze ist die sogenannte stöchiometrische Förder- bzw. Flussrate („stoichiometric flow rate“). Nähere Angaben dazu finden sich beispielsweise in dem Dokument „Model-based Design and Optimization of Vanadium Redox Flow Batteries“ - DISSERTATION von Dipl.-Ing. Sebastian König an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie in Kapitel 8 „Flow rate optimization“. Würde man im Schritt S2 eine Förderrate einstellen, die die stöchiometrische Flussrate übersteigt, so würde der Schritt S2 wenigstens so lange dauern, bis der in der Tankeinrichtung enthaltene Elektrolyt einmal komplett umgewälzt worden ist. Der Erfinder hat erkannt, dass der erfindungsgemäße Prozess in der oben beschriebenen Ausführungsform besonders vorteilhaft, d.h. in kurzer Zeit, ausgeführt werden kann, wenn die Förderrate in den Schritten S2 kleiner als die stöchiometrische Förderrate eingestellt wird. In anderen weiter unten beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht diese Einschränkung jedoch nicht, so dass das entsprechende Verfahren auch dann in vorteilhaft kurzer Zeit ausgeführt werden kann, wenn die Förderrate großer als die stöchiometrischen Förderrate ist. Bezüglich des in Schritt S2 genannten Schwellwertes für den in der Zellanordnung befindlichen Elektrolyten ergibt sich Folgendes. Der Erfinder hat erkannt, dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ausgeführt werden kann, wenn der Schwellwert in einem Bereich von 2-8% liegt. Besonders vorteilhaft wird der Schwellwert in einem Bereich von 3-7% bzw. in einen Bereich von 4-6% gewählt.
Dabei ist zur Bestimmung des Ladezustands des in den Zellen befindlichen Elektrolyten Folgendes zu bemerken: Der Ladezustand kann indirekt über die Klemmenspannung bestimmt werden. D.h. das Abbruchkriterium des Schrittes S2 besteht in der Praxis darin, dass die Zellanordnung des betreffenden Batteriemoduls in Schritt S2 so lange mit Strom gespeist wird, bis die Klemmenspannung einen vordefinierten Schwellwert überschreitet. Der Schwellwert für die Klemmenspannung, welcher dem Schwellwert für den Ladezustand entspricht, hängt dabei von diversen Gegebenheiten der Zellanordnung und der Stromstärke des Speisestroms ab, sowie des Spannungsabfalls am Innenwiderstand der Zellanordnung. Diese Zusammenhänge sind dem Fachmann jedoch vollständig bekannt, so dass er durch die vorliegende Anmeldung instruiert den erforderlichen Schwellwert für die Klemmenspannung problemlos festlegen kann.
Der Schritt S4 wird so lange ausgeführt, bis das gesamte Volumen aller Tanks konditioniert ist. In der Praxis geht der Schritt S4 nahtlos in einen konventionellen Ladevorgang des Batterie-Systems über. Dabei kann es vorkommen, dass die unterschiedlichen Batteriemodule unterschiedliche OCV Werte und damit unterschiedliche SoC Werte aufweisen. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn es zwischen den einzelnen Modulen Abweichungen in der Zusammensetzung des eingefüllten Elektrolyts gegeben hat, d.h. wenn die zugehörigen Vanadium-Fraktionen unterschiedlich waren. Zum Ausgleichen (dem sogenannten „Balancing“) solcher SoC- Variationen der Batteriemodule können alle bekannten Methoden verwendet werden. Dabei kann bereits gegen Ende des Schritts S4 mit dem Balancing begonnen werden (siehe auch unten). Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Das Batterie-System umfasst einen weiteren Umrichter, welcher mit 7 bezeichnet und an das Netz oder an ein übergeordnetes elektrisches System angebunden ist. Außerdem umfasst das Batterie-System für jedes Batteriemodul zusätzlich einen dritten und vierten Schalter, welche mit 1 1 und 12 bezeichnet sind, und Leitungen, wobei die zusätzlichen Schalter und die Leitungen so miteinander und den Batteriemodulen verbunden sind, dass jedes Batteriemodul 1 separat mit dem weiteren Umrichter 7 verbunden werden kann. Wie aus Figur 3 hervorgeht, können alle Batteriemodule 1 jedoch auch simultan mit dem weiteren Umrichter 7 verbunden werden, indem alle Schalter 11 und 12 geschlossen werden. In diesem Fall ergibt sich eine Parallelschaltung der Batteriemodule und dem weiteren Umrichter 7. Dazu müssen natürlich wenigstens alle ersten Schalter 9 geöffnet werden. In gleicher weise lassen sich mit Hilfe der Schaler 11 , 12 und 9 Parallelschaltungen von beliebig vielen der Batteriemodule 1 und dem weiteren Umrichter 7 realisieren. Auch die zusätzlichen Schalter 11 und 12 werden dabei von der Steuereinrichtung betätigt, welche in Figur 3 aus Platzgründen nicht dargestellt ist. Figur 3 zeigt auch noch weitere Schalter mit denen die Umrichter 6 und 7 jeweils von der restlichen Anordnung elektrisch getrennt werden können. Dies kann von Vorteil sein. Gegebenenfalls kann auch pro Umrichter nur ein Trennschalter verwendet werden. Solche Schalter können bei allen anderen Ausführungsformen ebenfalls zum Einsatz kommen.
Mit Hilfe der in Figur 3 gezeigten Anordnung kann das erfindungsgemäße Verfahren folgendermaßen abgewandelt werden: In den Schritten S2 werden die Batteriemodule 1 nicht durch den Umrichter 6 sondern durch den Umrichter 7 gespeist. Im Schritt S4 bleibt es jedoch wie oben beschrieben dabei, dass die Speisung der Batteriemodule 1 durch den Umrichter 6 erfolgt. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile. Der bidirektionale Umrichter muss nicht mehr für die genannten widrigen Umstände (Gegenspannung Null) ausgelegt sein, welche im Schritt S2 obwalten. Da der weitere Umrichter 7 anderseits nicht wie der bidirektionale Umrichter 6 für den normalen Lade und Entladevorgang ausgelegt sein muss, ergibt sich aus der Verwendung zweiter Umrichter, welche jeweils nur spezifische Aufgaben erledigen müssen, insgesamt eine Kostenersparnis. Außerdem müssen nun die Schritte S2 für alle Batteriemodule 1 nicht mehr einzeln sukzessiv ausgeführt werden. Im Prinzip könnte mit Hilfe der oben beschrieben Parallelschaltung nur ein Schritt S2 simultan für alle Batteriemodule 1 ausgeführt werden. Damit sich dadurch eine Zeitersparnis ergibt, muss der weitere Umrichter 7 natürlich einen entsprechend hohen Speisestrom liefern können. Je nachdem welche kostengünstigen Umrichter auf dem Markt zur Verfügung stehen, ermöglicht die Anordnung gemäß Figur 3 die separate Durchführung des Schrittes S2 für einzelne Batteriemodule 1 oder die simultane Durchführung des Schritts S2 für zwei, drei oder mehr Batteriemodule 1. Zur Speisung der Batteriemodule im Schritt S2 braucht der weitere Umrichter 7 nur unidirektional ausgeführt sein.
Eine weitere Ausführungsform ergibt sich aus der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform, indem der Umrichter 7 fortgelassen wird, und der bidirektionale Umrichter 6 sowohl in die Serienschaltung als auch in die Parallelschaltung eingeschaltet werden kann. Die Speisung im Schritt S2 kann dann in der Parallelschaltung für mehr als ein Batteriemodul erfolgen, so dass sich eine Zeitersparnis gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt, welches im Zusammenhang mit der Anordnung von Figur 2 beschrieben wurde.
Eine weitere Ausführungsform ergibt sich aus der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform, indem für jedes Batteriemodul 1 je ein weiterer Umrichter 7, so dass jedes Batteriemodul 1 im Schritt S1 mit dem ihm zugehörigen weiteren Umrichter 7 verbunden und im Schritt S2 mit demselben gespeist wird. In dieser Ausführungsform ergibt sich die maximal mögliche Zeitersparnis, da der Schritt S2 parallel für alle Batteriemodule ausgeführt werden kann. Allerdings ist diese Anordnung natürlich entsprechend kostenintensiver im Vergleich zu der Anordnung in Figur 2, bei der nur ein weiterer Umrichter 7 vorgesehen ist. Eine kleine Einsparung ergibt sich jedoch dadurch, dass pro Batteriemodul 1 auf einen der beiden Schalter 11 oder 12 verzichtet werden kann, wenn pro Batteriemodul 1 ein separater weiterer Umrichter 7 vorgesehen ist.
Unter Berücksichtigung von dem im Zusammenhang mit Figur 3 Gesagten umfasst das erfindungsgemäße Verfahren im allgemeinen folgenden Schritte: S1 : Verbinden wenigstens eines Batteriemoduls 1 mit einem Umrichter (6 oder 7);
S2: Einspeisung eines Stroms in das wenigstens eine Batteriemodul 1 , welches im Schritt S1 mit dem Umrichter (6 oder 7) verbunden worden ist, so lange bis der in den Zellen der Zellanordnung 2 befindliche Elektrolyt einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist;
S3: Ansteuerung der Schalter 9 und 10 so, dass sich alle Batteriemodule 1 in einer Serienschaltung befinden, welche mit dem Umrichter 6 verbunden ist;
S4: Einspeisung eines Stroms in die Serienschaltung aus Schritt S3, wobei in allen Batteriemodulen 1 Elektrolyt gefördert wird; wobei im Schritt S1 in dem Fall, dass mehr als ein Batteriemodul 1 mit dem Umrichter (6 oder 7) verbunden wird, diese Batteriemodule 1 parallel zueinander geschaltet werden, und wobei die Schritte S1 und S2 so lange sukzessive in dieser Reihenfolge wiederholt werden, bis alle Batteriemodule 1 die in der Definition von Schritt S2 genannte Bedingung erfüllen, worauf sich dann die Ausführung der Schritte S3 und S4 in dieser Reihenfolge anschließt.
Die Anordnung gemäß Figur 3 ermöglicht jedoch noch einen zusätzlichen Vorteil. Der weitere Umrichter 7 kann während dem Schritt S4 und beim Laden des Batterie- Systems zum Balancing verwendet werden. Wenn sich also für ein Batteriemodul eine Abweichung der SoC Wertes gegenüber dem mittleren SoC Wert der übrigen Batteriemodule ergibt, dann kann der abweichende SoC Wert dadurch angeglichen werden, dass das betreffende Batteriemodul aus der Serienschaltung des Strings herausgenommen und mit dem weiteren Umrichter 7 verbunden wird, welcher dann die Speisung des betreffenden Batteriemoduls übernimmt. Dazu werden die Schalter 9, 10, 11 und 12 des betreffenden Batteriemoduls folgendermaßen geschaltet: Schalter 9 offen, Schalter 10, 11 und 12 geschlossen. Wenn der SoC Wert des betreffenden Batteriemoduls kleiner als der Mittelwert der übrigen Batteriemodule ist, dann speist der weitere Umrichter 7 das betreffende Batteriemodul so lange mit einem Strom, welcher größer als der durch die übrigen Batteriemodule fließende Strom ist, bis der SoC Wert des betreffenden Batteriemoduls dem mittleren SoC Wert entspricht. Wenn der SoC Wert des betreffenden Batteriemoduls zu hoch ist, dann genügt es offensichtlich, das betreffende Batteriemodul für einige Zeit aus der Serienschaltung des Strings herauszunehmen, d.h. die Schalter 9, 10, 11 und 12 des betreffenden Batteriemoduls sind während dieser Zeit folgendermaßen geschaltet: Schalter 9, 11 und 12 offen, Schalter 10 geschlossen. Wenn der weitere Umrichter 7 bidirektional ausgeführt wird, dann kann derselbe auch beim Entladen des Batterie-Systems für das Balancing verwendet werden, indem das betreffende Batteriemodul schneller als der restliche String über den weiteren Umrichter 7 entladen wird.
Bei der im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Verwendung des weiteren Umrichters 7 ergibt sich vor allem bei Strings mit sehr vielen Batteriemodulen das Problem, dass das Potential zur Erde, unter welchem der weitere Umrichter 7 in dieser Verwendung steht, sehr hoch sein kann. Das genannte Potential zur Erde hängt dabei jeweils davon ab, mit welchem Modul in der Serienschaltung der weitere Umrichter 7 jeweils verbunden wird. Da eine entsprechende Auslegung des Umrichters 7 denselben teurer macht, hat der Erfinder erkannt, dass es von Vorteil ist, dieses Problem zu verringern. Erfindungsgemäß kann dies durch eine Anordnung gemäß Figur 4 geschehen. Im Unterschied zu Figur 3 umfasst das Batterie-System zwei Widerstände, von denen in Figur 4 einer mit 13 bezeichnet ist. Die zwei Widerstände 13 verbinden die beiden Anschlüsse des weiteren Umrichters 7 mit der Erde. Dadurch wird das Potential zur Erde für den weiteren Umrichter 7 in etwa halbiert. Die beschriebene Lösung setzt voraus, dass der weitere Umrichter 7 potentialgetrennt ausgeführt ist. Für herkömmliche Batterie-Systeme sollten die Widerstände 13 in der Größenordnung von 100 kO liegen. Es ist von Vorteil, wenn die Widerstände 13 mittels zusätzlicher Schalter je nach Bedarf zugeschaltet oder von der restlichen Schaltung getrennt werden können. Außerdem kann jeder der in Figur 4 gezeigten Widerstände 13 aus einer Parallelschaltung von zwei schaltbaren Widerständen bestehen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass unterschiedlich hohe Widerstände verwendet werden können, wobei die niederohmigen Widerstände, dazu verwendet werden können, ein oder mehrere Batteriemodule 1 über dieselben zu entladen. Dieser Vorgang kann zum Balancing verwendet werden.
Während dem Betrieb eines Batterie-Systems über längere Zeit kann es vorkommen, dass ein einzelnes Batteriemodul konditioniert werden muss. Das kann beispielsweise dann notwendig sein, wenn ein Batteriemodul getauscht werden muss, oder wenn ein einzelnes Batteriemodul regeneriert werden soll. Es ist klar, dass dazu der weitere Umrichter ? sehr vorteilhaft verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dann folgende Schritte:
S1 : Verbinden eines Batteriemoduls 1 mit einem weiteren Umrichter 7;
S2: Einspeisung eines Stroms in das Batteriemodul 1 , welches im Schritt S1 mit dem weiteren Umrichter 7 verbunden worden ist, so lange bis der Elektrolyt dieses Batteriemoduls 1 einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist;
S3: Ansteuerung der Schalter 9 und 10 so, dass sich alle Batteriemodule 1 in einer Serienschaltung befinden, welche mit dem Umrichter 6 verbunden ist;
S4: Einspeisung eines Stroms in die Serienschaltung aus Schritt S3, wobei in allen Batteriemodulen 1 Elektrolyt gefördert wird.
Dabei handelt es sich in Schritt S2 um den gesamten zu dem betreffenden Batteriemodul 1 gehörigen Elektrolyten, wobei das Wort „gesamt“ hier nicht zu eng zu fassen ist, da es immer lokale Variationen des Ladezustandes im Elektrolyten eines solchen Batteriemoduls geben kann. Jedenfalls kann der Ladezustand desselben in herkömmlicher Weise über die in Figur 1 gezeigte Messeinrichtung zur Bereitstellung der Leerlaufspannung (OCV) bestimmt werden. Bei dem vordefinierten Schwellwert handelt es sich um den Mittelwert der Ladezustände der restlichen Batteriemodule des Batterie-Systems. Außerdem wir im Schritt S2 in dem betreffenden Batteriemodul 1 der Elektrolyt mit einer Rate gefördert, die über der stöchiometrischen Förderrate liegt.
Bei der Regeneration von einzelnen oder allen Batteriemodulen werden in der Regel bei jedem zu regenerierenden Batteriemodul zunächst die Inhalte der beiden Tanks des jeweiligen Batteriemodules durchmischt. Figur 5 zeigt ein Batteriemodul, welches mit Leitungen und einem Ventil ausgestattet ist, welches die Durchmischung der Tanks ermöglicht. Eine dieser Leitungen ist mit 14 bezeichnet. Die Leitung 14 zweigt dabei von einer Leitung ab, welche die Zellanordnung mit einem der Tanks verbindet, und mündet in den Tank, welcher zum anderen Elektrolytkreislauf gehört. Das Ventil, welches mit 15 bezeichnet ist, ist so angeordnet und ausgebildet, dass es den Elektrolytfluss so umlenken kann, dass der Inhalt des linken Tanks über die Leitung 14 in den anderen Tank gefördert. Zwischen den oberen Bereichen der Tanks ist eine Verbindungsleitung angeordnet. Dadurch kann Elektrolyt vom rechten Tank in den linken Tank gelangen, wenn der rechte Tank mehr Elektrolyt enthält als der rechte Tank. Dabei stellt die in Figur 5 gezeigte Anordnung nur eine von vielen Möglichkeiten dar, um den genannten Zweck zu erreichen, d.h. um die Inhalte der beiden Tanks zu durchmischen.
Aus einer Zusammenschau aller oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren im Allgemeinen als gemeinsame Merkmale folgende Schritte:
S1 : Verbinden wenigstens eines Batteriemoduls 1 mit einem Umrichter (6 oder 7);
S2: Einspeisung eines Stroms in das wenigstens eine Batteriemodul 1 , welches im Schritt S1 mit dem Umrichter (6 oder 7) verbunden worden ist, so lange bis wenigstens ein Teil des zu diesem Batteriemoduls 1 gehörigen Elektrolyten einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist;
S3: Ansteuerung der Schalter 9 und 10 so, dass sich alle Batteriemodule 1 in einer Serienschaltung befinden, welche mit dem Umrichter 6 verbunden ist;
S4: Einspeisung eines Stroms in die Serienschaltung aus Schritt S3, wobei in allen Batteriemodulen 1 Elektrolyt gefördert wird.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit einem weiteren Umrichter 7 ausgeführt wird, dann kann die zur Konditionierung benötigte Energie aus dem übergeordneten elektrischen System entnommen werden, mit dem der Umrichter 7 verbunden ist. Genauso gut könnte die Energie aus einem weiteren Batterie-System entnommen werden, welches parallel zu dem betreffenden Batterie-System betrieben wird. Entsprechendes gilt für den Fall, dass der weitere Umrichter 7 zum Balancing verwendet wird, und dabei elektrische Energie aus dem betreffenden Batterie-System abführt.
Abschließend bleibt zu erwähnen, dass die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass dieselbe die Elektrolyt-Förderrate in den einzelnen Batteriemodulen einstellen kann. Bezugszeichenliste
1 Batteriemodul
2 Zellanordnung 3 Tankeinrichtung
4 Messeinrichtung zur Bestimmung der OCV
5 Messeinrichtung zur Bestimmung der Klemmenspannung
6 Bidirektionaler Umrichter (PCS)
7 Weiterer Umrichter 8 Steuereinrichtung
9 Erster Schalter
10 Zweiter Schalter
11 Dritter Schalter
12 Vierter Schalter 13 Widerstand
14 Verrohrung zur Durchmischung der Tanks
15 Ventil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Vanadium Redox-Flow-Batterie-System, wobei das Batterie-System wenigstens zwei Batteriemodule (1 ), einen bidirektionalen Umrichter (6) und eine Steuereinrichtung (8) umfasst, wobei die Batteriemodule (1 ) in Serie geschaltet und mit dem bidirektionalen Umrichter (6) 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 folgende Schritte umfasst:
S1 : Verbinden wenigstens eines Batteriemoduls (1 ) mit einem Umrichter (6, 7); S2: Einspeisung eines Stroms in das wenigstens eine Batteriemodul (1 ), welches im Schritt S1 mit dem Umrichter (6, 7) verbunden worden ist, so lange bis wenigstens ein Teil des zu diesem Batteriemoduls (1 ) gehörigen Elektrolyten einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist;
S3: Ansteuerung der ersten und zweiten Schalter (9, 10) so, dass sich alle Batteriemodule (1 ) in einer Serienschaltung befinden, welche mit dem bidirektionalen Umrichter (6) verbunden ist;
S4: Einspeisung eines Stroms in die Serienschaltung aus Schritt S3, wobei in allen Batteriemodulen (1 ) Elektrolyt gefördert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt S1 genau ein Batteriemodul (1 ) mit dem Umrichter (6, 7) verbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei in Schritt S2 der in den Zellen der Zellanordnung (2) befindliche Elektrolyt des mit dem Umrichter (7) verbundenen Batteriemoduls (1) einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist, und wobei die Schritte S1 und S2 so lange sukzessive in dieser Reihenfolge wiederholt werden, wobei bei der jeweiligen Ausführung des Schritts S1 immer ein anderes Batteriemodul (1 ) mit dem bidirektionalen Umrichter (6) verbunden und bei der darauffolgenden Ausführung von S2 mit einem Strom gespeist wird, bis alle Batteriemodule (1 ) die in der Definition von Schritt S2 genannte Bedingung erfüllen, worauf sich dann die Ausführung der Schritte S3 und S4 in dieser Reihenfolge anschließt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei in Schritt S1 das genau eine Batteriemodul (1 ) mit dem bidirektionalen Umrichter (6) verbunden wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Batterie-System einen weiteren Umrichter (7) und für jedes Batteriemodul zusätzlich einen dritten und vierten Schalter (12, 13) und Leitungen umfasst, wobei die zusätzlichen Schalter (12, 13) und die Leitungen so miteinander und den Batteriemodulen (1 ) verbunden sind, dass jedes Batteriemodul (1 ) mit dem weiteren Umrichter (7) verbunden werden kann, und wobei in Schritt S1 das wenigstens eine Batteriemodul (1 ) mit dem weiteren Umrichter (7) verbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in Schritt S1 genau ein Batteriemodul (1 ) mit dem weiteren Umrichter (7) verbunden wird, und in Schritt S2 der in den Zellen der Zellanordnung (2) befindliche Elektrolyt desselben Batteriemoduls (1 ) einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist, und wobei die Schritte S1 und S2 so lange sukzessive in dieser Reihenfolge wiederholt werden, wobei bei der jeweiligen Ausführung des Schritts S1 immer ein anderes Batteriemodul (1) mit dem weiteren Umrichter (7) verbunden und bei der darauffolgenden Ausführung von S2 mit einem Strom gespeist wird, bis alle Batteriemodule (1 ) die in der Definition von Schritt S2 genannte Bedingung erfüllen, worauf sich dann die Ausführung der Schritte S3 und S4 in dieser Reihenfolge anschließt. - 17 -
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in Schritt S1 genau ein Batteriemodul (1 ) mit dem weiteren Umrichter (7) verbunden wird, und in Schritt S2 der Elektrolyt desselben Batteriemoduls (1 ) einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie der Mittelwert der Ladezustände der übrigen Batteriemodule (1 ) ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 6, wobei der vordefinierte Schwellwert in einem Bereich von 2-8% liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der weitere Umrichter (7) während dem Schritt S4 und beim Laden des Batterie-Systems zum Balancing verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der weitere Umrichter (7) bidirektional ausgeführt ist und beim Entladen des Batterie-Systems zum Balancing verwendet wird.
11 . Vanadium Redox-Flow-Batterie-System umfassend wenigstens zwei Batteriemodule (1 ), einen bidirektionalen Umrichter (6) und eine Steuereinrichtung (8), wobei die Batteriemodule (1 ) in Serie geschaltet und mit dem bidirektionalen Umrichter (6) 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 Batterie-System einen weiteren Umrichter (7) und für jedes Batteriemodul zusätzlich einen dritten und vierten Schalter (12, 13) und Leitungen umfasst, wobei die zusätzlichen Schalter (12, 13) und die Leitungen so miteinander und - 18 - den Batteriemodulen (1 ) verbunden sind, dass jedes Batteriemodul (1 ) mit dem weiteren Umrichter (7) verbunden werden kann. . Batterie-System nach Anspruch 11 , wobei das Batterie-System wenigstens zwei Widerstände (13) umfasst, wobei jeder Widerstand (13) je einen der Anschlüsse des zusätzlichen Umrichters (7) mit der Erde verbindet. . Batterie-System nach Anspruch 12, wobei die Widerstände (13) schaltbar sind. . Batterie-System nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Widerstände (13) so ausgebildet sind, dass sie zum Balancing des Batterie- Systems verwendet werden können, indem wenigstens ein Batteriemodul (1 ) über die Widerstände (13) entladen werden kann.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001292532A (ja) * 2000-04-05 2001-10-19 Nissin Electric Co Ltd 電池電力貯蔵システム
SG188211A1 (en) 2010-08-13 2013-04-30 Squirrel Holdings Ltd Redox flow battery system employing different charge and discharge cells
DE102016125720A1 (de) * 2016-12-27 2018-06-28 Universität der Bundeswehr München Niedervoltauskopplung aus einem modularen Energiespeicher-Umrichtersystem
EP3790148A1 (de) * 2019-09-03 2021-03-10 Universität der Bundeswehr München Aufladesystem für elektrofahrzeuge

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