JP2023519237A - レドックスフロー電池システムおよび動作方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの電池モジュール（１）と、双方向電力変換システム（７）と、制御装置（８）とを含んでいるレドックスフロー電池システムであって、電池モジュール（１）は直列接続されており、かつ電力変換システム（７）と接続されており、各電池モジュール（１）は、複数のレドックスフローセルを有しているセルアレイ（２）と、電解液を蓄積し、電解液をセルアレイ（２）に供給するタンク装置（３）とを含んでおり、電池システムは、各電池モジュール（１）に対して１つの直流電圧変換器（１７）を含んでおり、各直流電圧変換器（１７）のそれぞれ１つの端子はそれぞれ１つの電池モジュール（１）と接続されており、各直流電圧変換器（１７）の第２の端子は、共通の直流電流バスと接続されており、電池システムは、直流電流バスと接続されている、さらなる電力変換システム（１６）を含んでおり、制御装置（８）がさらなる電力変換システム（１６）および直流電圧変換器（１７）を制御することができるように、制御装置（８）は、さらなる電力変換システム（１６）および直流電圧変換器（１７）と接続されている。

Description

本発明は、レドックスフロー電池システムおよびレドックスフロー電池システムの動作方法に関する。本発明は特に、高い出力電圧を有しているレドックスフロー電池システムに関する。本発明に係る方法は、電池システムの充電および放電中に発生する、直列接続されている電池モジュールの間の不均衡を減らす、もしくは除去する方法に関する。

レドックスフロー電池システムにおいて高い出力電圧を得るためには、通常、複数のセルが電気的に直列接続される。このようなアレイはスタックと称される。しかし、このような直列接続を好きなだけ繰り返すことはできない。なぜなら、好きなだけ繰り返した場合には、電解液によって引き起こされる分路電流が許容不能なほどに高くなってしまうからである。しかし、各スタックが１つの別個のタンクユニットを有しており、複数のスタックが直列接続される場合、出力電圧をさらに増大させることができる。スタックと対応する別個のタンクユニットとからなるこのようなユニットは、電池モジュールと称される。しかし、使用される原材料の不均一性および製造変動に起因して、個々に製造された電池モジュールは同じではなく、したがって、このような電池システムは、電池モジュールの間で不均衡が生じ得るという問題を抱えている。これは、このような電池システムの性能に不利な影響を及ぼす。

従来技術から、このような有害な不均衡を減らすことができる電池システムおよび対応する動作方法が公知である。ここでは通常、平衡化に関して論じられる。

国際公開第２０２０／０３０７６２号は、電池モジュールの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ－ＳｏＣ）の不均衡を扱っている。ここでは、個々の電解液タンクの充電状態が測定され、比較される。充電状態の差が閾値を上回ると、スタック内の、直列接続されているセルの数の適合化が行われ、比較的低い充電状態の電解液の放電が比較的高い充電状態の電解液と比べて少ない数のセルによって行われる、もしくは比較的低い充電状態の電解液の充電が比較的高い充電状態の電解液と比べて多い数のセルによって行われる。

国際公開第２０１８／１０７０９７号も、電池モジュールの充電状態の不均衡を扱っている。ＳｏＣ値が測定された後に、少なくとも１つのモジュールにおいて、蓄積されたエネルギの一部が電気的な負荷に供給されることによって、電池モジュールのＳｏＣ値を目標ＳｏＣ値と等しい値にすることによって不均衡の低減が実現される。

発明者らの課題は、不均衡を択一的に減らすことができるレドックスフロー電池システムおよび動作方法を提示することである。

上述の課題は、本発明によって、独立請求項に記載の電池システムおよび動作方法によって解決される。別の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

本出願はここで、互いに独立して、または特に有利に組み合わせて実行され得る２つの異なる解決アプローチを開示している。

本発明による解決を、以降で、図面に基づいて説明する。

電池モジュールを示す図である。 電池システムを示す図である。 電池システムの本発明による実施形態を示す詳細図である。 別の実施形態における、本発明に係る電池システムを示す図である。 別の実施形態における、本発明に係る電池システムを示す図である。 別の実施形態における、本発明に係る電池システムを示す図である。 別の実施形態における、本発明に係る電池システムを示す図である。

図１の左側には、電池モジュールが概略的に示されている。電池モジュールには参照符号１が付されている。電池モジュールは、参照符号２が付されているセルアレイと、参照符号３が付されているタンク装置と、被制御変数を検出する測定装置とを含んでいる。セルアレイ２は、任意に配置されていてよい複数のレドックスフローセルからなるアレイである。たとえばこれは、個々のセルスタック、複数のスタックの直列接続、複数のスタックの並列接続、または複数のスタックの直列接続と複数のスタックの並列接続との組み合わせであってよい。いずれにせよ、セルアレイ２のすべてのセルは、電池モジュール１における充電時に電気エネルギを蓄積する、もしくは電池モジュール１の放電時に電気エネルギを供給することに寄与する。タンク装置３は、電解液を蓄積すると共に、セルアレイ２に電解液を供給するために用いられる。このためにタンク装置３は、いくつかの例外を除いて少なくとも２つのタンクと、これらのタンクをセルアレイ２と結合する配管と、電解液を圧送するポンプとを含んでいる。図１では、２つの別個のポンプが示されている。電解液はダブルヘッドポンプによって、すなわち１つの共通のモータを介して駆動される２つのポンプによって同様に良好に圧送され得る。ここではタンク装置３は、セルアレイ２のすべてのセルに電解液を供給することができるように構成されている。すなわち、ポンプが電解液を圧送すると、セルアレイ２のすべてのセルを通って電解液が流れる。したがって、電池モジュール１の充電時には、タンク装置３の電解液を充電するために常にセルアレイ２のすべてのセルが寄与する、もしくは電池モジュール１の放電時には、タンク装置３の電解液を放電するために常にセルアレイ２のすべてのセルが寄与する。

図１に示された電池モジュール１は、被制御変数を提供する２つの測定装置を含んでいる。参照符号４が付されている測定装置は、いわゆる開回路電圧（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ－ＯＣＶ）を提供する測定装置である。ＯＣＶ値は、電池モジュールの充電状態（ＳｏＣ）の尺度である。参照符号５が付されている測定装置は、セルアレイ２の端子電圧、ひいては電池モジュール１の端子電圧も提供する測定装置である。電池モジュール１の充電時もしくは放電時に、端子電圧は、開回路電圧と、セルアレイ２の内部抵抗で降下する電圧ぶんだけ異なる。ＯＣＶ値の特定に対する別の選択肢は、同様に、電池モジュールの充電状態に対する尺度を表す、いわゆるクーロン・カウントである。このために、直列接続されているモジュールを通って流れる電流を提供する測定装置が必要とされる。したがって、クーロン・カウントのためのこのような測定装置は、電池モジュール１の外部で実現されていてもよく、すなわち電池モジュール１は任意選択的に、被制御変数を提供する測定装置を含んでいる。いずれの場合も、電池システム（下記参照）は、電池システムの各電池モジュール１に対して被制御変数を提供する少なくとも１つの測定装置を含んでいる。

電池モジュール１は、参照符号６が付されている方形によって示された補助システムをさらに含んでいる。補助システム６には、２つの端子を介して電池モジュール１の外部から電流が供給される。補助システム６は、とりわけ、ポンプ、場合によって設けられている通気装置等に給電するために用いられる。

図１の右側には、電池モジュール１の象徴的な描画様式が示されている。ここでは、上側の描画様式が、セルアレイの端子の他に、補助システムの端子も示している。後者は下側の描画形式では描かれていない。以降では、これらの象徴的な描画様式が使用される。ここで、下側の描画様式が使用される場合、これは、示されている電池モジュールが補助システムを含んでいないことを意味しているのではなく、単に、その時の関連においては補助システムが役割を有していないことを意味している。

図２は第１の実施形態における電池システムを示す概略図である。この電池システムは、そのうちの１つに参照符号１が付されている少なくとも２つの電池モジュールと、参照符号７が付されている双方向電力変換システム（英語でｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ－ＰＣＳ）と、参照符号８が付されている制御装置とを含んでいる。これらの電池モジュール１は直列接続されており、電力変換システム７と接続されている。図２には、４つの電池モジュールが示されており、ここでは直列接続における破線は任意の数のさらなるモジュールを暗示している。電力変換システム７は、電池システムと回路網との接続または電池システムと上位の電気システムとの接続を担う。電池システムは、さらに、各電池モジュール１に対して、そのうちの１つに参照符号９が付されている第１のスイッチと、そのうちの１つに参照符号１０が付されている第２のスイッチとを含んでいる。第１のスイッチ９は、それぞれ、電池モジュール１に対して直列に配置されており、ここでは当然、各電池モジュールのどちらの側に、対応するスイッチ９が配置されているのかは重要ではない。第２のスイッチ１０は、それぞれ電池モジュール１と、対応する第１のスイッチ９とを取り囲む迂回線路（バイパス）に配置されている。図２では、すべてのスイッチ９および１０が開放された状態で示されている。実際には、後続の部分において詳細に説明される、本発明に係るほぼすべての動作方法において、これらのスイッチが、制御装置８によって次のように駆動制御される。すなわち、第１のスイッチと第２のスイッチとからなる各スイッチ対のうち、厳密に１つのスイッチが閉成されており、１つのスイッチが開放されている（交互に開放および閉成される）ように駆動制御される。すなわち、１つのスイッチ対はここで、厳密に２つのスイッチ状態を有しており、第１のスイッチ状態（第１のスイッチ９が閉成されており、第２のスイッチ１０が開放されている）では、対応する電池モジュール１が、電池システムの直列接続にあり、第２のスイッチ状態（第１のスイッチ９が開放されており、第２のスイッチ１０が閉成されている）では、対応する電池モジュール１が、迂回線路によって、電池システムの直列接続から切り離されている。ここで、閉成されているスイッチ１０のもとでの第１のスイッチ９の開放は、迂回線路を介したモジュールの放電を阻止する。制御装置８は、測定装置４もしくは５の測定値を検出することができるように各電池モジュールと接続されている。電池システムが、電池モジュール１の一部ではない１つまたは複数の測定装置を含んでいる場合には、制御装置は当然、これらの測定装置とも接続されており、これによって、これらの測定値を検出することができる。クーロン・カウント用の測定装置は、たとえば、制御装置８の一部であってもよい。さらに、電池モジュール１を切り替えによって直列接続に入れるためまたは電池モジュール１を切り替えによって直列接続からはずすために、制御装置８が各スイッチ状態を特定することができるように、制御装置８は各スイッチ９および１０と接続されている。このような接続はワイヤレスで行われてもよい。

完全に同一の電池モジュール１を有している、図２の電池システムでは、有害な不均衡が生じることはないだろう。しかし、実際の電池モジュール１は、製造変動および経年劣化プロセスによって相違している。さらに、個々のモジュールの異なっている動作条件、たとえば温度差が、個々のモジュールの異なった挙動を引き起こすことがある。これらの理由から、実際の電池モジュールは、異なっている効率値および異なっている内部抵抗を有している。より高い効率によって、所定の充電電流もしくは放電電流のもとで、該当する電池モジュールは最終状態により迅速に到達する。図２に示されている直列接続では、すべての電池モジュール１に同じ電流が流されるので、より高い効率を有するモジュールは、より低い効率を有するモジュールと比べてより迅速に最終状態に到達する。損傷を回避するために、充電過程もしくは放電過程はそれぞれ、モジュールが各最終状態に到達したときにすでに中断されなければならない。したがって、このような作用を補償しない場合には、このような電池システムの利用可能な蓄積容量が、サイクルが経過する度に低下する（「キャパシティフェージング」）。モジュールの異なっている内部抵抗がこれに類似のことを生じさせる。端子電圧に関して、上方超過もしくは下方超過されてはならない上方限界値および下方限界値が存在する。効率が同じ場合であっても、充電時または放電時に、内部抵抗がより高いモジュールは、内部抵抗がより低いモジュールと比べてより迅速に、端子電圧の各限界値に到達する。第１のモジュールが限界値に到達した場合には、各過程が中断されなければならず、このことも、電池システムの利用可能な容量の減少を引き起こす。択一的に、システムの出力も減少し得る。いずれの場合においても、これらの作用によって、システムが妨害される。平衡化は、説明した作用を低減させる、もしくは完全に取り除き、これによって電池システムの利用可能な容量を持続的に高いレベルに維持する、もしくは説明した妨害を除去する。他方で、平衡化が成功すると、効率および／または内部抵抗に関して比較的高い散乱を有しているセルを使用することが可能になり、このことは当然、製作費の低下という形になって表れる。

以降では、電池システムの充電および放電中に発生する、図２に示されている電池システムの不均衡を減らす、本発明に係る方法を提示する。この方法では、挙げるすべてのステップは、当然、電池システムの充電もしくは放電中に実行され、すなわち、充電もしくは放電はこれによって中断されない。

電池システムの充電および放電中に発生する不均衡を減らす、本発明に係る方法は、第１の実施形態において、次のステップを含んでいる：
・制御装置８を通じて各電池モジュール１に対して被制御変数を提供するために、測定装置の測定値を検出し；
・第１の時点において、第１の電池モジュール１の少なくとも１つの測定値が第２の電池モジュール１の測定値と異なっている場合に：
・制御装置８は、後の第２の時点での第１の電池モジュール１の測定値と第２の電池モジュール１の測定値との差を減らすために、直列接続されている電池モジュール１の数をコントロールし、電池システムの充電もしくは放電中の第１の時点と第２の時点との間の期間にわたって、２つの電池モジュールのうちの一方の電池モジュール１は、他方の電池モジュール１と比べて短い時間、直列接続されている。

複数の電池モジュールを備えた電池システムが、充分に長い期間にわたって、平衡化が行われることなく動かされる、すなわち充電または放電されると、一般的に、各電池モジュールに対する被制御変数の測定値が統計的な分布を示す状態が生じる。ここではいずれの場合にも、第１の電池モジュール１の少なくとも１つの測定値が第２の電池モジュール１の測定値と異なっているという条件が満たされる。当然、複数の電池モジュールを有しているこのようなシステムにおける平衡化の目的は、後の時点における測定値の分布の帯域幅をできるだけ減らす、もしくは理想的には、すべての測定値を完全に互いに等化させることである。これによって当然、自動的に、後の時点における第１の電池モジュールの測定値と第２の電池モジュールの測定値との相互近似も得られる。本発明によれば、これは、電池モジュールの少なくとも一部が一時的に電池システムの直列接続から、切り替えによってはずされ、その際、切り替えによってはずされたモジュールは、この時間、システムの充電もしくは放電に関与せず、これに対して、直列接続されているままのモジュールは、システムの充電もしくは放電に関与することによって実現される。

ここで、過度に多くの電池モジュールが同時に直列接続から取り出されることがないことに留意されたい。過度に多くの電池モジュールが同時に直列接続から取り出されることによって、たとえば、ＰＣＳ７に印加される電圧が、クリチカルな限界値を下回って低減してしまうことがある。なぜなら、この電圧は、直列接続されているすべての電池モジュールの端子電圧の総和から生じるからである。したがって、制御装置８は、このような関係においても、すなわち、あらゆる時点で電池システムの障害のない動作を保証するために、直列接続されている電池モジュール１の数をコントロールする。この際に、電力変換システム７の下方の限界電圧の他に、当然さらに、他のパラメータおよび境界条件も考慮することができる。これはたとえば電力変換システム７の上方の限界電圧等である。

このために制御ユニット８は、たとえば、ＰＣＳ７に印加される電圧を監視し、相応のスイッチング挙動を保証することができる。択一的に、直列接続から同時に取り出し可能なモジュールの最大数を直接的に定めることもできる。このような最大数がさらに別のパラメータ、たとえばシステムの充電状態または任意のモジュールの充電状態に関連していてよいことも考えられる。したがって、たとえば第１の充電状態では、最大ｎ個のモジュールを同時に切り替えによってはずすことが可能であってよく、第２の充電状態では、最大ｍ個のモジュールを同時に切り替えによってはずすことが可能であってよく、ここでｎはｍと異なっている。考えられる別のパラメータは、充電電流または放電電流またはＰＣＳ７の出力である。

電池システムの充電または放電時に、電池モジュールの測定値ひいては相応の被制御変数の値が単調に最終値に向かって推移することを考慮する場合に、本発明に係る方法をさらに明確に示すことができる。しかしこの推移の「速度」は、電池モジュールによって異なっており、したがって、いくつかのモジュールは「先に進み」、他のモジュールは「遅れる」。すなわち、平衡化の目的は、各モジュールが異なっている速度で進むにもかかわらず、モジュールのこれらの「移動グループ」を１つにまとめることである。制御装置は、比較的高速のモジュールが時折「強制的な休止」を差しはさまなければならず（直列接続からの一時的な取り出し）、他方で、最も緩慢なモジュールが持続的に進むことによって、この目的を達成する。この際、制御装置は、どの時点においても、過度に多くのモジュールが休止することがないように留意する。ここで制御装置は２つの操作変数、すなわち休止の長さと休止の頻度とを有している。

記載された本発明に係る方法の場合には、測定値の偏差に対して閾値が使用されることが有意であり得る。本発明に係る方法の投入に対して、第１の閾値を規定することができ、すなわち、平衡化機構をトリガするために、第１の時点において、第１の電池モジュールの測定値と、第２の電池モジュールの測定値との間の差が上回らなければならない閾値を規定することができる。平衡化機構の停止に対して、第２の閾値を規定することができ、すなわち、平衡化機構を第２の時点で停止させるために、後の第２の時点において、第１の電池モジュールの測定値と、第２の電池モジュールの測定値との間の差が下回らなければならない閾値を規定することができる。第２の閾値が第１の閾値よりも低く選択されなければならないことは明らかである。特に、第２の閾値は、測定精度の悪影響を排除するために有効である。択一的に、当然、適切なフィルタによって測定値からノイズを除去することも可能である。

しかし、本発明に係る方法を、閾値を用いずに同様に良好に実施することが可能である。たとえば、所与の充電プロセスもしくは放電プロセスにおいて、所与の電池システムが平衡状態から逸脱し、バランス補償の介入が必要となった後で、この持続時間に対する経験値を特定することができることがここで活用される。同じことが、所与の充電プロセスもしくは放電プロセスにおいて、所与の電池システムを再び平衡状態にするために、本発明による平衡化機構が実行されなければならない持続時間に当てはまる。有利には、所与の電池システムの制御ユニットは、適切なアルゴリズムを用いて、このような経験値を、数回の充放電サイクルが経過する際に自己学習によって取得することができる。同様に、電池システムが、たとえばこの関係における比較的長い動作期間にわたった経年劣化作用に基づいて変化する場合に、経験値の適合化が行われてよい。同様に、個々の電池モジュール１の特異性が特定されてよく、すなわち、「移動グループ」を互いに結び付けるために、どの電池モジュールが、経験的に、より頻繁にかつ／またはより長く休止しなければならないかを確定するために、どの電池モジュールが高い効率で動作しているのか、もしくは高い内部抵抗を備えているのかを特定することができる（下記も参照）。したがってこのような経験値の使用時には、被制御変数の測定値を永続的に検出もしくは評価する必要はない。同様のことが、電池モジュールの挙動がモデルを用いて予測可能であるモデルベースのアプローチに当てはまる。この場合、モデルを、測定変数および適切なパラメータを用いて、各電池システムに合うように調整することができる。

比較的高速なモジュールが相応に長いもしくは頻繁な休止を絶え間なく差しはさむことによって、本発明による平衡化機構を、少なくともある程度の期間にわたって、測定値のさらなる検出もしくは評価なしに実行することも可能である。これによって、いわば絶え間なく発生している不均一性が即座に修正され、この際に、被制御変数の差が永続的に検出もしくは評価されることはない。当然、測定値を絶え間なく検出および評価しつつ、絶え間なく平衡化を実行することも何ら問題ない。

被制御変数の測定値を永続的に検出もしくは評価しなくてもよい、本発明に係る方法の実施形態では、電池モジュール毎に１回、または後の時点で新たに、必要な各休止長さおよび休止頻度が定められる。このために、自己学習アルゴリズムまたはモデルベースの方法を使用することもできる。このような過程および上で挙げた持続時間に対する上述の経験値の特定も、平衡化機構の較正と称することができる。このような較正を、工場においてすでに、すなわち顧客への引き渡し前に行うことができる、または最初の初期化時に行うこともできる。少なくともこの較正中に、本発明に係る方法を上述の形態で（すなわち測定値の検出および評価を伴って）実行することが必要である。測定値を検出もしくは評価せずに平衡化機構が実行される場合には、少なくとも時折、測定値に基づいて平衡化の成功が検査されることが推奨される。平衡化が不十分な場合には、較正を再度行うことができる。

すなわち、本発明に係る方法（すなわち平衡化機構ＢＭの実行）の一般的な形態は、次のように定義可能である。

電池システムの充電および放電中に発生する不均衡を減らす方法であって、この方法は次のステップ（ＢＭ）を含んでいる：
・制御装置８は、被制御変数に関して、第１の電池モジュール１と第２の電池モジュール１との差を減らすために、直列接続されている電池モジュール１の数をコントロールし、電池システムの充電もしくは放電中の期間にわたって、２つの電池モジュールのうちの一方の電池モジュール１は、他方の電池モジュール１と比べて短い時間、直列接続されている。

しかし、電池システムの充電過程もしくは放電過程に対する中断基準を得るために、少なくとも一時的に、被制御変数の測定値を監視することが必要である。しかし、平衡化が成功した場合には、任意の１つのモジュールの測定値の監視で足りる。

ここで、国際公開第２０２０／０３０７６２号が図４において、本出願の図２の配置構成と類似の配置構成を開示しており、ここでは外側回路スイッチ（「ｏｕｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｗｉｔｃｈｅｓ」）と称されるスイッチ１２２１および１２２２が、本出願の第１のスイッチ（９）および第２のスイッチ（１０）に相当することに留意されたい。しかし、国際公開第２０２０／０３０７６２号は外側回路スイッチ１２２１および１２２２の使用目的として、たとえば電解液タンクの漏洩時または電解液の交換時等の稀な不測の事態の際にこれらを使用することを示している（，Ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｓ ｌｉｋｅｌｙ ｔｏ ｂｅ ｉｎｆｒｅｑｕｅｎｔ ａｎｄ ｆｏｒ ｅｖｅｎｔｕａｌｉｔｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｅｌｅｃｒｏｌｙｔ ｌｅａｋａｇｅ ｏｒ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ：後者の切り替えは、電解液の漏れまたは交換等の不測の事態の際に、稀に行われる可能性がある この記載の最後のセンテンスを参照）。したがって国際公開第２０２０／０３０７６２号は、本発明の上述の方法を開示しておらず、またこれに基づいて本発明の上述の方法を容易に想到することもできない。

発明者は、図２に関連して上で説明した電池システムの第１のスイッチおよび第２のスイッチが半導体トランジスタを用いて構成される場合に、上述した本発明に係る方法が特に有利に実施されることを見出した。図３は特に有利な実施形態における、半導体トランジスタを有する本発明によるスイッチ構成を示しており、図３には電池モジュールおよび対応するスイッチのみが示されている。本発明に係る電池システムの対応するスイッチと共に、他のすべての電池モジュールは、この実施形態において、相応に構成されている。

第１のスイッチ９は、通常の状態において阻止を行う２つのＭＯＳＦＥＴを含んでおり、これらのＭＯＳＦＥＴのチャネルは、２つの電流方向において常にこれらの逆方向ダイオードのうちの１つの逆方向ダイオードが阻止を行うように直列接続されており、逆方向ダイオードは、図３において、見やすくするために図示されていない。第２のスイッチ１０は、通常の状態において阻止を行う１つのＭＯＳＦＥＴを含んでいる。電池システムは、図３において参照符号１１が付されている少なくとも１つのスイッチングユニットを含んでいる。ＭＯＳＦＥＴのゲート端子はスイッチングユニット１１と接続されており、ここでは第１のスイッチ９からの２つのＭＯＳＦＥＴのゲート端子も互いに接続されているので、これらのゲートの駆動制御は常に同時に行われる。スイッチングユニット１１が内部で、該当するゲートの同時の駆動制御を保証する場合には、ゲートの上述した接続を省くこともできる。各スイッチ対（９，１０）に対してそれぞれ１つのスイッチングユニット１１が設けられていてよい、または１つのスイッチングユニット１１が複数のスイッチ対（９，１０）またはすべてのスイッチ対（９，１０）も操作する。後者の２つのケースでは、スイッチングユニット１１は当然、相応の数の独立した端子を有していなければならず、したがって、接続されているこれらのスイッチ対を互いに独立してスイッチングすることができる。１つのスイッチングユニット１１もしくは複数のスイッチングユニット１１は、制御装置８の、一体的に組み込まれた構成部分であってよい。

ＭＯＳＦＥＴの使用は、上述の本発明に係る方法に必要なスイッチング過程の、消耗を伴わずかつ迅速な実行を可能にし、このことは特に、頻繁ではあるが短い休止が平衡化に使用される場合に有利である。ここでは、本発明によるＭＯＳＦＥＴの配置構成は、電池モジュールが直列接続されていない時間の間、電池モジュールの不所望な放電を阻止し、したがって電池システムの充電もしくは放電に関与しない。任意選択的に、各スイッチ９および１０は、付加的に、ＭＯＳＦＥＴに対して並列に配置されているリレーを含んでいてよい。これによって、各スイッチを、リレーを用いて、損失を伴わずに操作することができ、このことは、該当するスイッチが稀にしか操作されない場合に有利である。

図３では、ＭＯＳＦＥＴがＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴとして示されていることに言及しておく。しかし、本発明による配置構成は、このようなＭＯＳＦＥＴに限定されない。Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴが同様に良好に使用可能である。

図４は、別の実施形態における、本発明に係る電池システムを示している。この電池システムは、各電池モジュールに対して付加的に、参照符号１２および１３が付されている第３のスイッチおよび第４のスイッチならびに線路を含んでおり、これらの付加的なスイッチおよび線路は、すべての付加的なスイッチが閉成されている場合に、すべての電池モジュールが並列接続されているように、互いにかつ電池モジュールと接続されている。このために当然、すべての第１のスイッチおよび第２のスイッチが開放されなければならない。電池モジュールのこの並列接続によって、モジュールの端子電圧が等化され、補償電流が電池モジュール間に流れる。したがって、図示の並列接続を、平衡化のために使用することができる。ここではすべてのモジュールが、またはいくつかのモジュールだけが、すなわち少なくとも２つのモジュールだけが、たとえばそれぞれ最も迅速なモジュールおよび最も緩慢なモジュールだけが、所定の期間の間、並列接続されてよい。付加的なスイッチも、スペースの理由から図４に図示されていない制御装置によって操作される。

原則的には、電池モジュールは、ＰＣＳ７によって、並列接続において充電または放電されることも可能であるが、一般的な高電圧電池システムでは、通常、ＰＣＳ７は、このように設計されていないので、並列接続による平衡化は充電もしくは放電の間に実行され得ない。

図４は、さらに２つの付加的なスイッチも示しており、これらのスイッチによって、ＰＣＳ７を、接続されている電池モジュールから切り離すことができる。このことは、有利であり得る。場合によっては、１つの遮断スイッチだけを使用することも可能である。このような１つのスイッチもしくはこのような複数のスイッチは、他のすべての実施形態において同様に使用可能である。

図５は、別の実施形態における、本発明に係る電池システムを示している。この電池システムは、各電池モジュール１に対して付加的に、別の第５のスイッチを含んでおり、この第５のスイッチのうちの１つに参照符号１４が付されている。「第５の」スイッチとしてのこの名称は、単に分かりやすくするために用いられているものであり、電池システムが第５のスイッチを含んでいる場合に、自動的に第３のスイッチおよび第４のスイッチも含まれている必要があることを意味するものではないことに言及しておく。さらに電池システムは、各電池モジュール１に対して抵抗を含んでおり、そのうちの１つに参照符号１５が付されている。第５のスイッチ１４および抵抗１５は、ここではそれぞれ、各電池モジュール１の周りのさらなるバイパス線路において、対応する第５のスイッチ１４が閉成される場合に、各電池モジュール１が抵抗１５を介して短絡させられるように配置されている。第５のスイッチ１４も、制御装置８によって操作される。図５の配置構成を用いて、各電池モジュールは、第５の抵抗を介して選択的に放電され得る。電池システムの充電または放電中に、第５のスイッチ１４のうちの１つまたは複数のスイッチが閉成されると、充電電流もしくは放電電流の一部が各電池モジュール１を通過して流れる。これを平衡化に利用することができる。しかしこの種の平衡化は、電力の損失と結び付いているので、他の手法に対する付加的な平衡化手法としてのみ使用され、したがってこのような付加的な手法によっては、平衡化をさらに柔軟化し、改良することができる。そのようにすることで、抵抗において熱が放出されるので、過度の加熱を回避するために、第５のスイッチのスイッチングを有利にはパルス状に行うことができる。

図３に示されているように第１のスイッチ９および第２のスイッチ１０が構成されている場合には、上述の効果を得るための択一的な可能性が生じる。ＭＯＳＦＥＴが有限のチャネル抵抗を有していることによって、単に第１のスイッチ９および第２のスイッチ１０を同時に閉成することによって、これらのスイッチのチャネル抵抗を介して電池モジュールを、選択的に短絡させることもできる。したがって本発明に係る方法のこの実施形態においては、上述のスイッチは、いずれにせよ上述したように交互に開閉されるわけではない。２つのスイッチ９および１０は、一緒に、事実上第５のスイッチ１４を成している。２つのスイッチ９、１０が同時に閉成されている状態を、対応する電池モジュールが「部分的に」直列接続から取り出されていると言い換えることもできる。なぜなら、充電電流もしくは放電電流の一部だけしかモジュールを通って流れず、他の部分はモジュールの周囲を流れるからである。したがって、「制御装置８は、直列接続されている電池モジュール１の数をコントロールする」というフレーズは、モジュールが部分的に直列接続されていてよいという意味でも理解される。このようなケースにおいても、熱発生に関して上述したことが当てはまる。

以降の説明は、第２の解決アプローチに該当する。上述したように、２つの解決アプローチと、対応するすべての実施形態とを、有利に相互に組み合わせることができる。

図６は、別の実施形態における、本発明に係る電池システムを示している。この電池システムは、少なくとも２つの電池モジュールと、双方向電力変換システム７と、制御装置８と、各電池モジュールに対する直流電圧電力変換器とを含んでおり、直流電圧変換器のうちの１つに参照符号１７が付されている。電池モジュールは直列接続されており、かつ電力変換システム７と接続されている。直流電圧変換器１７の端子はそれぞれ電池モジュールと接続されており、直流電圧変換器１７の第２の端子はそれぞれ、共通の直流電流バスと接続されている。

ここでは直流電圧変換器は一方向にまたは双方向に構成されていてよい。実施形態および配向に応じて、直流電圧変換器１７は、電気エネルギをコントロールして、直流電流バスから引き出すことができる、または直流電流バスに供給することができる、または、これら両方を行うことができる。

電池システムは、さらに、参照符号１６が付されているさらなる電力変換システムを含んでいる。電力変換システム１６は直流電流バスと接続されている。制御装置８は、制御装置８が電力変換システム１６および直流電圧変換器１７を制御することができるように電力変換システム１６および直流電圧変換器１７と接続されている。電力変換システム７は、この回路網または別の上位の電気システムと接続されている。さらなる電力変換システム１６も同様に、この回路網または別の上位の電気システムと接続されていてよい、または任意選択的にＤＣ／ＤＣ調整器として構成され、電力変換システム７と接続されていてよい。後者のケースでは、電力変換システム１６は、電力変換システム７から出力を受け取る、または電力変換システム７に出力を与える。さらなる電力変換システム１６は、一方向にまたは双方向に構成されている。

上でも説明したように、電力変換システム７は、充電電流もしくは放電電流が直列接続されている電池モジュールを通って流れることができ、その結果、電池モジュールが充電もしくは放電され得るように寄与する。ここで各電池モジュールに並列接続されている直流電圧変換器１７によって、充電時に、各電池モジュールに対して所期のように、コントロールされて、電力変換システム７によって供給された電流の少なくとも一部がその周りを導かれることが可能となる。このケースでは、該当する直流電圧変換器１７は、電気エネルギを直流電流バスに伝送する。これによって、該当する電池モジュールは、該当する直流電圧変換器１７がそのように動作する期間において、充電される速度が遅くなる、もしくは全く充電されない。放電時に、同じ電気エネルギが直流電流バスから対応する電池モジュールへ伝送されるように、１つまたは複数の直流電圧変換器１７を駆動制御することができる。ここでは、該当する直流電圧変換器１７がそれぞれ駆動制御され、これによって、対応する電池モジュールは、該当する直流電圧変換器１７がそのように動作する期間において、放電される速度が遅くなる、または全く放電されない。

ここで、一方向の直流電圧変換器が、配向に応じて、充電時にのみ、上述したように作用し得る、または放電時にのみ、上述したように作用し得ることが明らかである。双方向直流電圧変換器は当然、充電時にも放電時にも作用し得る。

ここではさらなる電力変換システム１６は、直流電流バスに電気エネルギを供給する、もしくは余剰エネルギを直流電流バスから運び出す。さらなる電力変換システム１６が一方向に構成されているケースでは、当然、すべての上述したエネルギの流れが可能なわけではない。

図６に示されている配置構成は、電池システムの充電および放電中に発生する不均衡を減らす、以降の方法を可能にし、この方法は、次のステップのうちの少なくとも１つのステップを含んでいる：
・電池システムの充電時に、被制御変数に関して、第１の電池モジュールと第２の電池モジュールとの差を減らすために、直流電圧変換器１７を制御装置８によって、次のように、すなわち２つの電池モジュールのうちの一方の電池モジュールが、他方の電池モジュールと比べて、充電される速度が遅くなるような程度の電気エネルギを、直流電圧変換器１７が直流電流バスへ伝送するように、駆動制御する。
・電池システムの放電時に、被制御変数に関して、第１の電池モジュール１と第２の電池モジュール１との差を減らすために、直流電圧変換器１７を制御装置８によって、次のように、すなわち２つの電池モジュールのうちの一方の電池モジュールが、他方の電池モジュールと比べて、放電される速度が遅くなるような程度の電気エネルギを、直流電圧変換器１７が直流電流バスから運び出すように、駆動制御する。

図６に示されている配置構成は、さらに、電力変換システム１６が別個の回路網端子を有している場合には、電池モジュールの充電もしくは放電時に、これが電力変換システム７をサポートすることを可能にする。このことは特に、電力変換システム７が自身の出力限界に達する場合に有利である。直流電圧変換器１７によるこのようなサポートは、各電池モジュールに対して選択的に行われてもよく、これは当然、平衡化にも使用可能である。これまで説明してきた平衡化手法とは異なり、この機構は、「緩慢な」モジュールの充電もしくは放電の加速をもたらす。

別の実施形態では、電池システムの充電および放電中に発生する不均衡を減らす、本発明に係る方法は、付加的に、次のステップのうちの１つのステップを含んでいる：
・電池システムの充電時に、被制御変数に関して、第１の電池モジュールと第２の電池モジュールとの差を減らすために、直流電圧変換器１７を制御装置８によって、次のように、すなわち２つの電池モジュールのうちの一方の電池モジュールが、他方の電池モジュールと比べて、充電される速度が速くなるような程度の電気エネルギを、直流電圧変換器１７が直流電流バスから運び出すように、駆動制御する。
・電池システムの放電時に、被制御変数に関して、第１の電池モジュール１と第２の電池モジュール１との差を減らすために、直流電圧変換器１７を制御装置８によって、次のように、すなわち２つの電池モジュールのうちの一方の電池モジュールが、他方の電池モジュールと比べて、放電される速度が速くなるような程度の電気エネルギを、直流電圧変換器１７が直流電流バスへ伝送するように、駆動制御する。

複数の本発明に係る電池システムが互いに近くで動作する場合、当然、複数のシステムが、さらなる電力変換システム１６および接続されている直流電流バスを共同で利用することができる。それぞれ１つの直流電圧変換器をそれぞれ１つの電池モジュールに対して設けなくてはならないので、並行して動作する複数の電池システムの利用時に、直流電圧変換器を省くことはできない。

図７は、別の実施形態における、本発明に係る電池システムを示している。図６に示されている電池システムとの唯一の相違点は、補助システムが直流電流バスと接続されており、直流電流バスによって給電されることである。このようにして、直流電流バスに対して、他の箇所でコストを省く付加的利益が生じる。また、並行して動作する複数の電池システムによる補助システムの給電のための直流バスおよびさらなる電力変換システムの共同利用も有利であり、問題なく実行可能である。

第２の解決アプローチの実施形態に対して、較正ステップが、第１の解決アプローチの際に上で詳細に説明したのと同様に行われる。しかし第２の解決アプローチでは、当然、すべての措置は、個々のモジュールの充電もしくは放電時の異なっている速度に関しており、異なっている速度が使用される期間に関している。同じことが、被制御変数に関連する測定値の検出および評価を伴う方法および被制御変数に関連する測定値の検出および評価を伴わない方法の実施に関係する、当該箇所で行われた記述についても当てはまる。

レドックスフロー電池システムが、上述のステップを自動的に実行するように構成されているようにするために、レドックスフロー電池システムはコンピュータシステムを含んでいる。コンピュータシステムという用語は、上述のステップを自動的に実行するのに適しているすべての装置、特に、そのために特別に開発されたＩＣまたはマイクロコントローラならびにＡＳＩＣ（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ 特定用途向け集積回路）も指す。この場合、制御装置８自体が、適切なコンピュータシステムを含んでいてよい。択一的に、コンピュータシステムが別個の装置であってもよい、または別個の装置の一部であってもよい。本出願は、電池システムに上述のステップを実行させる命令を含んでいるコンピュータプログラムにも関する。さらに、本出願は、このようなコンピュータプログラムが格納されているコンピュータ可読媒体に関する。

１ 電池モジュール
２ セルアレイ
３ タンク装置
４ ＯＣＶを特定する測定装置
５ 端子電圧を特定する測定装置
６ 補助システム
７ 双方向電力変換システム（ＰＣＳ）
８ 制御装置
９ 第１のスイッチ
１０ 第２のスイッチ
１１ スイッチングユニット
１２ 第３のスイッチ
１３ 第４のスイッチ
１４ 第５のスイッチ
１５ 抵抗
１６ さらなる双方向電力変換システム
１７ 直流電圧変換器

Claims (15)

1. レドックスフロー電池システムの充電および放電中に発生する不均衡を減らす方法であって、
   前記電池システムは、少なくとも２つの電池モジュール（１）と、双方向電力変換システム（７）と、制御装置（８）とを含んでおり、前記電池モジュール（１）は直列接続されており、かつ前記電力変換システム（７）と接続されており、各電池モジュール（１）は、複数のレドックスフローセルを有しているセルアレイ（２）と、電解液を蓄積し、電解液を前記セルアレイ（２）に供給するタンク装置（３）とを含んでおり、
   前記電池システムは、各電池モジュール（１）に対して１つの直流電圧変換器（１７）を含んでおり、各直流電圧変換器（１７）のそれぞれ１つの端子はそれぞれ１つの電池モジュール（１）と接続されており、各直流電圧変換器（１７）の第２の端子は、共通の直流電流バスと接続されており、前記電池システムは、前記直流電流バスと接続されているさらなる電力変換システム（１６）を含んでおり、前記制御装置（８）が前記さらなる電力変換システム（１６）および前記直流電圧変換器（１７）を制御することができるように、前記制御装置（８）は、前記さらなる電力変換システム（１６）および前記直流電圧変換器（１７）と接続されており、
   前記方法は、次のステップ：
   ・前記電池システムの充電時に、被制御変数に関して、第１の電池モジュール（１）と第２の電池モジュール（１）との差を減らすために、前記直流電圧変換器（１７）を前記制御装置（８）によって、次のように、すなわち２つの前記電池モジュール（１）のうちの一方の電池モジュール（１）が、他方の電池モジュール（１）と比べて、充電される速度が遅くなるような程度の電気エネルギを、直流電圧変換器（１７）が前記直流電流バスへ伝送するように、駆動制御するステップ；
   ・前記電池システムの放電時に、被制御変数に関して、第１の電池モジュール（１）と第２の電池モジュール（１）との前記差を減らすために、前記直流電圧変換器（１７）を前記制御装置（８）によって、次のように、すなわち２つの前記電池モジュール（１）のうちの一方の電池モジュール（１）が、他方の電池モジュールと比べて、放電される速度が遅くなるような程度の電気エネルギを、直流電圧変換器（１７）が前記直流電流バスから運び出すように、駆動制御するステップ、
   のうちの少なくとも１つのステップを含んでいる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記直流電圧変換器（１７）は、双方向にまたは一方向に構成されている、請求項１記載の方法。
3. 次のステップ：
   ・前記電池システムの充電時に、被制御変数に関して、第１の電池モジュール（１）と第２の電池モジュール（１）との前記差を減らすために、前記直流電圧変換器（１７）を前記制御装置（８）によって、次のように、すなわち２つの前記電池モジュール（１）のうちの一方の電池モジュール（１）が、他方の電池モジュール（１）と比べて、充電される速度が速くなるような程度の電気エネルギを、直流電圧変換器（１７）が前記直流電流バスから運び出すように、駆動制御するステップ；
   ・前記電池システムの放電時に、被制御変数に関して、第１の電池モジュール（１）と第２の電池モジュール（１）との前記差を減らすために、前記直流電圧変換器（１７）を前記制御装置（８）によって、次のように、すなわち２つの前記電池モジュール（１）のうちの一方の電池モジュール（１）が、他方の電池モジュール（１）と比べて、放電される速度が速くなるような程度の電気エネルギを、直流電圧変換器（１７）が前記直流電流バスへ伝送するように、駆動制御するステップ、
   のうちの１つのステップを含んでいる、請求項１または２記載の方法。
4. 各前記電池モジュール（１）は補助システム（６）を含んでおり、前記補助システム（６）には、端子を通じて各前記電池モジュール（１）の外部から電流が供給可能であり、
   前記補助システム（６）の前記端子は前記直流電流バスと接続されており、前記直流電流バスによって給電され得る、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 較正ステップにおいて、個々の前記電池モジュール（１）に対する、異なっている充電速度もしくは放電速度と、異なっている前記速度が使用される時間の長さとを定めるために、個々の前記電池モジュール（１）の特異性を特定する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記電池システムは、各電池モジュール（１）に対して被制御変数を提供する少なくとも１つの測定装置（４，５）を含んでおり、
   前記制御装置（８）は、前記測定装置（４，５）の測定値を検出することができるように前記測定装置と接続されており、前記方法は、次のステップ：
   ・前記制御装置（８）を通じて前記測定装置（４，５）の前記測定値を検出するステップ；
   ・第１の時点において、第１の電池モジュール（１）の少なくとも１つの測定値が第２の電池モジュール（１）の測定値と異なっている場合に：
   ・後の第２の時点での前記第１の電池モジュール（１）の前記測定値と前記第２の電池モジュール（１）の前記測定値との前記差を減らすために、請求項１または３に記載されている少なくとも１つのステップを実行するステップであって、前記ステップを前記第１の時点と前記第２の時点との間の期間において実施する、ステップ
   を含んでいる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記電池システムは、各前記電池モジュール（１）に対して、第１のスイッチ（９）および第２のスイッチ（１０）を含んでおり、
   前記第１のスイッチ（９）はそれぞれ、対応する前記電池モジュール（１）に対して直列に配置されており、前記第２のスイッチ（１０）はそれぞれ、対応する前記電池モジュール（１）および対応する前記第１のスイッチ（９）を取り囲む迂回線路に配置されており、
   前記電池モジュール（１）を切り替えによって前記直列接続に入れるためまたは切り替えによって前記直列接続からはずすために、前記制御装置（８）が各スイッチ状態を特定することができるように、前記制御装置（８）は各前記スイッチ（９，１０）と接続されており、前記方法は、次のステップ：
   ・前記制御装置（８）が、被制御変数に関して、第１の電池モジュール（１）と第２の電池モジュール（１）との前記差を減らすために、直列接続されている前記電池モジュール（１）の数をコントロールするステップであって、前記電池システムの前記充電もしくは放電中の期間にわたって、前記２つの電池モジュール（１）のうちの一方の電池モジュール（１）は、他方の電池モジュール（１）と比べて短い時間、直列接続されている、ステップ
   を含んでいる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 少なくとも２つの電池モジュール（１）と、双方向電力変換システム（７）と、制御装置（８）とを含んでいるレドックスフロー電池システムであって、
   前記電池モジュール（１）は直列接続されており、かつ前記電力変換システム（７）と接続されており、各電池モジュール（１）は、複数のレドックスフローセルを有しているセルアレイ（２）と、電解液を蓄積し、電解液を前記セルアレイ（２）に供給するタンク装置（３）とを含み、
   前記電池システムは、各電池モジュール（１）に対して１つの直流電圧変換器（１７）を含んでおり、各直流電圧変換器（１７）のそれぞれ１つの端子はそれぞれ１つの電池モジュール（１）と接続されており、各直流電圧変換器（１７）の第２の端子は、共通の直流電流バスと接続されており、前記電池システムは、前記直流電流バスと接続されている、さらなる電力変換システム（１６）を含んでおり、前記制御装置（８）が前記さらなる電力変換システム（１６）および前記直流電圧変換器（１７）を制御することができるように、前記制御装置（８）は、前記さらなる電力変換システム（１６）および前記直流電圧変換器（１７）と接続されている、
   ことを特徴とするレドックスフロー電池システム。
9. 前記直流電圧変換器（１７）は、双方向にまたは一方向に構成されている、請求項８記載のレドックスフロー電池システム。
10. 各前記電池モジュール（１）は補助システム（６）を含んでおり、前記補助システム（６）には、端子を通じて各前記電池モジュール（１）の外部から電流が供給可能であり、
    前記補助システム（６）の前記端子は前記直流電流バスと接続されており、前記直流電流バスによって給電され得る、請求項８または９記載のレドックスフロー電池システム。
11. 前記電池システムは、各前記電池モジュール（１）に対して、第１のスイッチ（９）および第２のスイッチ（１０）を含んでおり、
    前記第１のスイッチ（９）はそれぞれ、対応する前記電池モジュール（１）に対して直列に配置されており、前記第２のスイッチ（１０）はそれぞれ、対応する前記電池モジュール（１）および対応する前記第１のスイッチ（９）を取り囲む迂回線路に配置されており、
    前記電池モジュール（１）を切り替えによって前記直列接続に入れるためまたは切り替えによって前記直列接続からはずすために、前記制御装置（８）が各スイッチ状態を特定することができるように、前記制御装置（８）は各前記スイッチ（９，１０）と接続されている、請求項１０記載のレドックスフロー電池システム。
12. 前記第１のスイッチ（９）は、通常の状態において阻止を行うそれぞれ２つのＭＯＳＦＥＴを含んでおり、前記ＭＯＳＦＥＴのチャネルは、２つの電流方向において常に逆方向ダイオードのうちの１つの逆方向ダイオードが阻止を行うように直列接続されており、
    前記第２のスイッチ（１０）は、通常の状態において阻止を行うそれぞれ１つのＭＯＳＦＥＴを含んでいる、請求項１１記載のレドックスフロー電池システム。
13. 請求項１から７までのいずれか１項記載のステップを自動的に実行するように構成されている、請求項８から１１までのいずれか１項記載のレドックスフロー電池システム。
14. コンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、請求項１３の電池システムに、請求項１から７までのいずれか１項記載のステップを実施させる命令を含んでいる、
    コンピュータプログラム。
15. 請求項１４記載のコンピュータプログラムが格納されている、
    コンピュータ可読媒体。

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