WO2021191065A1 - Redox-flow-batterie-system und betriebsverfahren - Google Patents

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WO2021191065A1
WO2021191065A1 PCT/EP2021/057055 EP2021057055W WO2021191065A1 WO 2021191065 A1 WO2021191065 A1 WO 2021191065A1 EP 2021057055 W EP2021057055 W EP 2021057055W WO 2021191065 A1 WO2021191065 A1 WO 2021191065A1
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battery
battery module
switch
converter
control device
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PCT/EP2021/057055
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Thomas LÜTH
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Voith Patent Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a redox flow battery system and a method for operating such a system.
  • the invention relates in particular to redox flow battery systems with a high output voltage.
  • the method according to the invention relates to a method for reducing or eliminating imbalances between series-connected battery modules that occur during charging and discharging of the battery system.
  • several cells are usually connected electrically in series. This arrangement is called a stack.
  • this cannot be continued indefinitely, since otherwise the shunt current caused by the electrolyte would become intolerably high.
  • the output voltage can be increased further if several stacks are connected in series, with each stack having a separate tank unit.
  • Such a unit consisting of a stack and associated separate tank unit is called a battery module. Due to the inhomogeneity of the raw materials used and manufacturing fluctuations, however, the individual battery modules produced are not identical, and therefore such battery systems suffer from the fact that there can be an imbalance between the battery modules, which adversely affects the performance of such a battery system.
  • WO 2020/030762 A1 deals with the imbalance of the state of charge of the battery modules (state of charge - SoC).
  • the charge states of the individual electrolyte tanks are measured and compared. If the difference in the state of charge exceeds a threshold value, then the number of cells connected in series in the stacks is adjusted so that the less charged electrolytes are discharged by fewer cells than the more charged electrolytes, or that the less charged electrolytes are charged by more cells than the more charged electrolytes.
  • WO 2018/107097 A1 also deals with the imbalance in the state of charge of the battery modules.
  • the imbalance is reduced in that, after the SoC values have been measured, the SoC value of a battery module is adjusted to a target SoC value by supplying part of the stored energy to an electrical load in at least one module
  • the inventor has set himself the task of specifying a redox flow battery system and an operating method, wherein imbalances can be reduced in an alternative manner.
  • the object is achieved according to the invention by a battery system and an operating method according to the independent claims. Further advantageous embodiments can be found in the subclaims.
  • the present application discloses two different approaches that can be carried out independently of one another or particularly advantageously in combination.
  • FIG. 3 embodiment of a battery system according to the invention (detail)
  • Fig. 3a embodiment of a battery system according to the invention (detail)
  • FIG. 5 the battery system according to the invention in a further embodiment.
  • FIG. 6 the battery system according to the invention in a further embodiment 7 shows the battery system according to the invention in a further embodiment
  • FIG. 1 shows a battery module on the left in a schematic representation.
  • the battery module is labeled 1.
  • the battery module comprises a cell arrangement, which is denoted by 2, a tank device, which is denoted by 3, and a measuring device for detecting a controlled variable.
  • the cell arrangement 2 is an arrangement of a multiplicity of redox flow cells, which can be arranged as desired. 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 in the battery module 1 when charging, or to supplying electrical energy when the battery module 1 is discharged.
  • the tank device 3 serves 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 easily be conveyed with a double-head pump, i.e. with two pumps that 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. If the pumps convey the electrolyte, then all cells of the cell arrangement 2 are flowed through by the same. All cells of the cell arrangement 2 therefore always contribute to charging the electrolyte of the tank device 3, or all cells of the cell arrangement 3 always contribute to the discharging of the electrolyte of the tank device 3 when the battery module 1 is charged or discharged.
  • the battery module 1 shown in FIG. 1 comprises two measuring devices for providing a controlled variable.
  • 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 with 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 open circuit voltage by the voltage that drops across the internal resistance of the cell arrangement 3.
  • An alternative to determining the OCV value is so-called coulomb counting, which is also a measure of the state of charge of the battery module.
  • a measuring device is required to provide the current that flows through the modules connected in series.
  • a battery module 1 thus optionally comprises a measuring device for providing a controlled variable.
  • a battery system (see below) comprises at least one measuring device for providing a controlled variable for each battery module 1 of the battery system.
  • the battery module 1 also includes auxiliary systems, which are indicated by the rectangle with the designation 6.
  • the auxiliary systems 6 are supplied with power from outside the battery module 1 via the two terminals.
  • the auxiliary systems 6 are used, among other things, to feed the pumps, any ventilation equipment that may be present, and the like.
  • 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 power conversion system - PCS), which is denoted by 7, and a control device, which is denoted by 8.
  • the battery modules 1 are connected in series and connected to the converter 7.
  • the converter 7 takes over the connection of the battery system to the network or to a higher-level electrical system.
  • the battery system further comprises, 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, it being 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 battery module 1 and the associated first switch 9. In Figure 2, all switches 9 and 10 are shown in the open state.
  • the switches in almost all operating methods according to the invention are controlled by the control device 8 in such a way that of each switch pair of a first and second switch, exactly one switch is closed and one switch is opened (alternately open and closed).
  • a pair of switches has exactly two switch positions, the associated battery module 1 being in the series circuit 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 circuit of the battery system by the bypass line. Opening the first switch 9 when the switch 10 is 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. If the battery system comprises one or more measuring devices which are not part of the battery modules 1, then the control device is of course also connected to these in order to be able to record the measured values thereof. A measuring device for coulomb counting could, for example, also be part of the Control device 8 be. In addition, 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 series connection. These connections can also be made wirelessly.
  • Balancing is intended to reduce the effects described or completely eliminate it in order to keep the usable capacity of the battery system at a high level over the long term or to eliminate the impairment described.
  • successful balancing enables the use of cells with a comparatively high scatter in terms of efficiency and / or internal resistance, which of course is reflected in reduced production costs.
  • the control device 8 controls the number of battery modules 1 that are in the series circuit to determine the difference between the measured values of the first and second To reduce battery module 1 at a later second point in time, one of the two battery modules 1 being in the series circuit for a shorter time than the other battery module 1 over the period between the first and second point in time during the charging or discharging of the battery system.
  • a state generally arises in which the measured values of the controlled variable have a statistical distribution for each battery module represent.
  • the condition is met that at least one measured value from a first battery module 1 differs from a measured value from a second battery module 1.
  • the aim of balancing in such a system with many battery modules is to reduce the bandwidth of the distribution of the measured values as much as possible at a later point in time or, ideally, to completely align all measured values with one another.
  • this automatically means that the measured values of the first and second battery modules also approach each other at a later point in time.
  • this is achieved in that at least some of the battery modules are temporarily disconnected from the series connection of the battery system, the disconnected modules not participating in the charging or discharging of the system during this time, whereas the modules remaining in series participate in it.
  • the control device 8 controls the number of battery modules 1 which are in the series circuit, therefore also in this relationship, i.e. to ensure trouble-free operation of the battery system at all times.
  • other parameters and boundary conditions can of course also be taken into account, such as the upper limit voltage of the converter 7.
  • control unit 8 can, for example, monitor the voltage applied to the PCS 7 and ensure a corresponding switching behavior.
  • a maximum number of modules that can be removed from the series connection at the same time could also be defined directly. It is also conceivable that such a maximum number can also depend on further parameters, for example the state of charge of the system or any module. For example, the simultaneous disconnection of a maximum of n modules may be allowed, and in the case of a second charge state, the simultaneous disconnection of a maximum of m modules may be allowed, where n is not equal to m. Other conceivable parameters are the charging or discharging current or the performance of the PCS 7.
  • the method according to the invention can be further clarified if one considers that when charging or discharging a battery system, the measured values and thus the values of the corresponding controlled variable of the battery modules monotonically tend towards an end value.
  • the "speed" of this striving is different for the battery modules, so that some modules "hurry ahead” and others “lag behind”.
  • the aim of balancing is therefore to keep the “wandering group” of the modules together, although each module advances at a different speed.
  • the control device achieves this goal by the fact that the faster modules have to take “compulsory breaks” from time to time (temporarily removing them from the series connection), while the slowest module is constantly advancing.
  • the control device ensures that at no point in time too many modules pause.
  • the control device has two manipulated variables: the length of the breaks and the frequency of the breaks. It can be useful to use threshold values for the deviation of the measured values for the described method according to the invention.
  • a first threshold value could be defined for the use of the method according to the invention, ie a threshold value which the difference between the measured value of the first battery module and the measured value of the second battery module must exceed at a first point in time so that the balancing mechanism is triggered.
  • a second threshold value could be defined for the suspension of the balancing mechanism, ie a threshold value which the difference between the measured value of the first battery module and the measured value of the second battery module must fall below at a later second point in time so that the balancing mechanism is suspended at this second point in time will.
  • the second threshold value must be selected to be smaller than the first threshold value.
  • the second threshold value is useful in order to reduce the negative influence of Exclude measurement inaccuracies.
  • the measured values could of course also be freed from noise with a suitable filter.
  • the method according to the invention can just as easily be carried out without threshold values. For example, by taking advantage of that one
  • the control unit of a given battery system can advantageously acquire these empirical values in a self-learning manner while running through a few charge / discharge cycles.
  • the empirical values can be adapted if the battery system changes due to, for example
  • the balancing mechanism according to the invention is carried out at least over a certain period of time without the further acquisition or evaluation of measured values, in that the faster modules continuously take correspondingly long or frequent pauses. So, so to speak continuously arising inequalities are corrected immediately without the differences in the controlled variable being permanently recorded or evaluated. Of course, there is nothing to prevent this continuous balancing from being carried out with continuous recording and evaluation of the measured values.
  • the respectively necessary pause length and pause frequency are set once again for each battery module or at later points in time.
  • a self-learning algorithm or a model-based method can also be used for this purpose.
  • This process and also the determination of the empirical values described above for the periods of time mentioned could be referred to as calibration of the balancing mechanism.
  • Such a calibration could already take place in the factory, i.e. before delivery to the customer, or also during the first initialization. At least during this calibration, it is necessary for the method according to the invention to be carried out in the form specified above (i.e. with acquisition and evaluation of the measured values).
  • the balancing mechanism In cases where the balancing mechanism is carried out without recording or evaluating the measured values, it is advisable if the success of the balancing is checked at least from time to time on the basis of the measured values. If the balancing is inadequate, it can then be recalibrated.
  • the control device 8 controls the number of battery modules 1, which are located in the series circuit in order to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a control variable. System one of the two battery modules 1 is less long in the series circuit than the other battery module 1.
  • monitoring of the measured values of the controlled variables is necessary at least temporarily in order to obtain a termination criterion for the charging or discharging process of the battery system. With successful balancing, however, it is sufficient to monitor the measured values from a single module of your choice.
  • WO 2020/030762 A1 in Figure 4 discloses an arrangement analogous to the arrangement of Figure 2 of the present application, the switches 1221 and 1222, which are used as outer circuit switches (“outer circuit switches") are designated, correspond to the first and second switches (9, 10) of the present application.
  • WO 2020/030762 A1 specifies the purpose of the external circuit switches 1221 and 1222 that they are used for rare eventualities, such as when leaking the electrolyte tank or when replacing the electrolyte (, The latter switching is likely to be infrequent and for eventualities such as elecrolyte leakage or replacement "- see last sentence of the description).
  • WO 2020/030762 A1 therefore neither discloses the above-described method of the present invention nor does it suggest the same.
  • FIG. 3 shows the switch design according to the invention with semiconductor transistors in a particularly advantageous embodiment, FIG. 3 only showing a battery module and the associated switches. All other battery modules including the associated switches of the battery system according to the invention are designed accordingly in this embodiment.
  • the first switch 9 comprises two normally blocking MOSFETs, the channels of which are connected in series so that one of the reverse diodes always blocks in both current directions, the reverse diodes not being shown in FIG. 3 for the sake of clarity.
  • the second switch 10 comprises a normally blocking MOSFET.
  • the battery system comprises at least one switching unit, which is designated by 11 in FIG. 3.
  • the gate connections of the MOSFETs are connected to the switching unit 11, the gate connections of the two MOSFETs also being connected to one another by the first switch 9, so that these gates are always activated simultaneously.
  • the mentioned connection of the gates can also be omitted if the switching unit 11 internally ensures simultaneous control of the relevant gates.
  • a switching unit 11 can be provided for each pair of switches (9, 10), or one switching unit 11 controls several pairs of switches (9, 10) or all of them. In the last two cases, the switching unit 11 must of course have a correspondingly large number of independent connections so that the connected pairs of switches can be switched independently of one another.
  • the switching unit 11 or switching units 11 can be an integral part of the control device 8.
  • FIG. 3a shows another very advantageous embodiment.
  • the embodiment shown in FIG. 3a differs from the embodiment according to FIG. 3 in that the first switch 9 comprises only one MOSFET.
  • the functionality of the simplified embodiment according to FIG. 3a is ensured by the fact that in all operating modes (ie when charging via the battery module 1, when charging via the bypass line, when discharging via the battery module 1 and when discharging via the bypass line) the Diode of that MOSFET is blocked by the voltage of the battery module 1, which is not in the through switch position.
  • each of the switches 9 and 10 can additionally comprise a relay which is arranged in parallel with the MOSFETs. As a result, the respective switches can also be actuated with the relays without loss, which is advantageous if the switch in question is only to be actuated infrequently
  • MOSFETs are shown in the form of n-channel MOSFETs.
  • the arrangement according to the invention is not restricted to such MOSFETs.
  • P-channel MOSFETs can be used just as well.
  • FIG. 4 shows a battery system according to the invention in a further embodiment.
  • the battery system additionally comprises a third and fourth switch, which are denoted by 12 and 13, and lines, the additional switches and the lines being connected to one another and to the battery modules in such a way that all of the battery modules are connected in parallel, if all additional switches are closed. To do this, of course, all the first and second switches must be opened.
  • the parallel connection of the battery modules leads to the equalization of the terminal voltages of the modules, with equalizing currents flowing between the battery modules.
  • the parallel connection shown can therefore be used for balancing. All modules or just some, i.e. at least two modules, e.g. the fastest and slowest, can be connected in parallel for a defined period of time.
  • the additional switches are also actuated by the control device, which is not shown in FIG. 4 for reasons of space.
  • the battery modules could also be charged or discharged by the PCS 7 in parallel connection.
  • PCS 7 high-voltage battery system is usually not designed so that balancing by parallel connection cannot be carried out during charging or discharging.
  • FIG. 4 also shows two additional switches with which the PCS 7 can be separated from the interconnected battery modules. This can be beneficial. If necessary, only one circuit breaker can be used. Such a switch or such switches can also be used in all other embodiments
  • FIG. 5 shows a battery system according to the invention in a further embodiment.
  • the battery system additionally comprises a further fifth switch, one of which is denoted by 14.
  • the battery system further comprises a resistor for each battery module 1, one of which is denoted by 15.
  • the fifth switch 14 and the resistor 15 are each arranged in a further bypass line around a battery module 1 each so that a battery module 1 is short-circuited via a resistor 15 when the associated fifth switch 14 is closed.
  • the fifth switches 14 are also actuated by the control device 8.
  • each battery module can be selectively discharged via a fifth resistor. If one or more of the fifth switches 14 are closed during the charging or discharging of the battery system, part of the charging or discharging current flows past the respective battery module 1.
  • This can be used for balancing. However, this type of balancing is associated with the loss of electrical power and is therefore only used as an additional balancing method to the other methods, so that the balancing can be made more flexible and improved by this additional option. Since heat is released in the resistors in this way, the switching of the fifth switch can advantageously be pulsed in order to avoid excessive heating. If the first and second switches 9, 10 are designed according to FIG. 3, there is an alternative possibility of achieving the effect just described.
  • a battery module can also be selectively short-circuited via the channel resistance of these switches simply by closing the first and second switches 9, 10 at the same time.
  • the mentioned switches are therefore not alternately opened and closed in every case, as described above.
  • the two switches 9 and 10 together de facto represent the fifth switch 14.
  • the state in which both switches 9 and 10 are closed at the same time could also be described in such a way that the associated battery module is "partially" removed from the series circuit, since only part of the charging or discharging current flows through the module and the other part around the module.
  • the phrase “The control device 8 controls the number of battery modules 1 which are in the series circuit” is therefore also to be understood to mean that a module can be partially in the series circuit. In this case, too, what applies above in relation to the
  • FIG. 6 shows a battery system according to the invention in a further embodiment.
  • the battery system comprises at least two battery modules, a bidirectional converter 7, a control device 8, and for each
  • Battery module has a DC / DC converter, one of which is labeled 17.
  • the battery modules are connected in series and connected to the converter 7.
  • One connection of the DC voltage converters 17 is each connected to a battery module, and a second connection of the DC voltage converters 17 is each connected to a common DC bus.
  • the DC voltage converters can be unidirectional or bidirectional. Depending on the design and orientation, the DC voltage converters 17 can either draw electrical energy from the DC bus in a controlled manner or feed it to the same, or both.
  • the battery system also includes a further converter, which is designated by 16.
  • the converter 16 is connected to the DC bus.
  • the control device 8 is connected to the converter 16 and to the DC voltage converters 17 in such a way that the control device 8 can control the converter 16 and the DC voltage converters 17.
  • the converter 7 is connected to the network or to another higher-level electrical system.
  • the further converter 16 can also be connected to the network or another higher-level electrical system, or optionally designed as a DC / DC converter and connected to the converter 7. In the latter case, the converter 16 takes power from the converter 7, or delivers power to the same.
  • the further converter 16 is designed to be unidirectional or bidirectional.
  • the converter 7 ensures that a charging or discharging current can flow through the series-connected battery modules, so that the same can be charged or discharged in the process.
  • the DC / DC converters 17 connected in parallel to each battery module now make it possible for at least part of the current supplied by the converter 7 to be routed around the same in a targeted and controlled manner for each battery module during charging.
  • the relevant DC voltage converter 17 transfers electrical energy to the DC bus in this case.
  • the relevant battery module is charged less quickly or not at all during the period in which the relevant DC voltage converter 17 is operated in this way.
  • one or more DC voltage converters 17 can be controlled in such a way that the same electrical energy is transferred from the DC bus to the associated battery module.
  • the relevant DC voltage converter 17 is controlled in each case in such a way that the associated battery module in the period in which the relevant DC voltage converter 17 is operated in such a way that it is discharged less quickly or not at all.
  • the further converter 16 supplies the direct current bus with electrical energy or removes excess energy from the same. In the event that the further converter 16 is designed to be unidirectional, not all of the energy flows mentioned are of course possible.
  • the arrangement according to FIG. 6 enables the following method for reducing imbalances occurring during charging and discharging of the battery system, comprising at least one of the following steps:
  • the DC-DC converter 17 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module with regard to a controlled variable so that a DC-DC converter 17 transfers so much electrical energy to the DC bus that one of the two battery modules is less is charged faster than the other battery module.
  • the DC voltage converter 17 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a control variable so that a DC voltage converter 17 dissipates so much electrical energy from the DC bus that one of the two battery modules is less is discharged faster than the other battery module.
  • the arrangement according to FIG. 6 also makes it possible, at least if the converter 16 has a separate mains connection, that it supports the converter 7 when charging or discharging the battery modules. That is especially then advantageous if the converter 7 reaches its performance limits. Since this support by the DC voltage converter 17 can also take place selectively for each battery module, this can of course also be used for balancing. In contrast to the balancing methods described so far, this mechanism leads to an accelerated loading or unloading of the "slow" modules.
  • a method according to the invention for reducing imbalances occurring during charging and discharging of the battery system additionally comprises one of the following steps:
  • the DC / DC converter 17 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module with regard to a control variable so that a DC / DC converter 17 removes so much electrical energy from the DC bus that one of the two battery modules is charged faster than the other battery module.
  • the DC voltage converter 17 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a control variable so that a DC voltage converter 17 transfers so much electrical energy to the DC bus that one of the two battery modules discharges faster than the other battery module.
  • FIG. 7 shows a battery system according to the invention in a further embodiment.
  • the only difference to the battery system according to Figure 6 is that the auxiliary systems are connected to and powered by the DC bus. In this way, there is an additional benefit for the direct current bus that saves costs elsewhere.
  • the shared use of the direct current bus and the further converter for supplying the auxiliary systems from several battery systems operated in parallel is advantageous and possible without problems.
  • a redox flow battery system is set up to carry out the method steps described above in an automated manner, it comprises a computer system.
  • the term computer system denotes all devices that are suitable for automatically performing the process steps described, in particular also specially developed ICs or microcontrollers, as well as ASICs (ASIC: application specific integrated circuit).
  • the control device 8 itself can include a suitable computer system. Alternatively, the computer system can also represent a separate device or be part of a separate device.
  • the present application is also directed to a computer program which comprises instructions which cause the battery system to carry out the method steps described above. In addition, the present application is directed to a computer-readable medium on which such a computer program is stored. List of reference symbols

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Abstract

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

Description

Redox-Flow-Batterie-System und Betriebsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Redox-Flow-Batterie-System und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems. Die Erfindung betrifft insbesondere Redox-Flow-Batterie- Systeme mit einer hohen Ausgangsspannung. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Verfahren zur Verringerung bzw. Eliminierung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten zwischen in Serie geschalteten Batteriemodulen. Um eine hohe Ausgangsspannung bei Redox-Flow-Batterie-Systemen zu erhalten, werden gewöhnlich mehrere Zellen elektrisch in Serie geschaltet. Diese Anordnung wird Stack genannt. Dies lässt sich jedoch nicht beliebig fortsetzen, da sonst der durch den Elektrolyt verursachte Nebenschlussstrom intolerabel hoch werden würde. Die Ausgangsspannung kann jedoch weiter erhöht werden, wenn mehrere Stacks in Serie geschaltet werden, wobei jeder Stack über eine separate Tankeinheit verfügt. Eine solche Einheit aus Stack und zugehöriger separater Tankeinheit wird Batteriemodul genannt. Aufgrund von Inhomogenität der verwendeten Rohmaterialien und Fertigungsschwankungen sind die einzelnen produzierten Batteriemodule jedoch nicht identisch, und daher leiden solche Batterie-Systeme darunter, dass es zu einen Ungleichgewicht unter den Batteriemodulen kommen kann, welches die Leistungsfähigkeit eines solchen Batterie-Systems nachteilig beeinflusst.
Aus dem Stand der Technik sind Batterie-Systeme und zugehörige Betriebsverfahren bekannt, welche ein solches schädliches Ungleichgewicht reduzieren können. Man spricht dabei gewöhnlich von einem Balancing.
Die WO 2020/030762 A1 beschäftigt sich mit dem Ungleichgewicht des Ladezustands der Batteriemodule (state of Charge - SoC). Dabei werden die Ladezustände der einzelnen Elektrolyttanks gemessen und verglichen. Wenn der Unterschied der Ladezustände einen Schwellwert überschreitet, dann wird die Anzahl der in Serie geschalteten Zellen in den Stacks so angepasst, dass die weniger geladenen Elektrolyten durch weniger Zellen entladen werden, als die mehr geladenen Elektrolyten, bzw. dass die weniger geladenen Elektrolyten durch mehr Zellen geladen werden als die mehr geladenen Elektrolyten.
Auch die WO 2018/107097 A1 beschäftigt sich mit dem Ungleichgewicht des Ladezustands der Batteriemodule. Die Reduktion des Ungleichgewichts wird dadurch erreicht, dass nachdem die SoC-Werte gemessen wurden, der SoC-Wert eines Batteriemoduls dadurch an einen Ziel-SoC-Wert angeglichen wird, dass in wenigstens einem Modul ein Teil der gespeicherten Energie einer elektrischen Last zugeführt wird
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein Redox-Flow-Batterie-System und ein Betriebsverfahren anzugeben, wobei Ungleichgewichte in alternativer Weise reduziert werden können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Batterie-System und ein Betriebsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Die vorliegende Anmeldung offenbart dabei zwei unterschiedliche Lösungsansätze, die unabhängig voneinander oder besonders vorteilhaft in Kombination ausgeführt werden können.
Die erfindungsgemäßen Lösungen werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Fig.1 Batteriemodul Fig.2 Batterie-System
Fig.3 Erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batterie-Systems (Detail) Fig.3aErfindungsgemäße Ausführungsform eines Batterie-Systems (Detail) Fig.4 Erfindungsgemäßes Batteriesystem in einer weiteren Ausführungsform
Fig. 5 Erfindungsgemäßes Batteriesystem in einer weiteren Ausführungsform Fig. 6 Erfindungsgemäßes Batteriesystem in einer weiteren Ausführungsform Fig. 7 Erfindungsgemäßes Batteriesystem 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, eine Tankeinrichtung, welche mit 3 bezeichnet ist, und eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Regelgröße. Bei der Zellanordnung 2 handelt es sich um eine Anordnung von einer Vielzahl von Redox-Flow-Zellen, welche beliebig angeordnet sein können. Beispielsweise könnte es sich um einen einzelnen Zell-Stack, eine Serienschaltung von mehreren Stacks, eine Parallelschaltung von mehreren Stacks, oder um eine Kombination von Serien- und Parallelschaltung von mehreren Stacks handeln. In jeden Fall tragen alle Zellen der Zellanordnung 2 dazu bei, elektrische Energie beim Laden im Batteriemodul 1 zu speichern, bzw. elektrische Energie beim Entladen des Batteriemoduls 1 zu liefern. Die Tankeinrichtung 3 dient zum Speichern des Elektrolyten und zur Versorgung der Zellanordnung 2 mit Elektrolyt. Dazu umfasst die Tankeinrichtung 3 bis auf wenige Ausnahmen wenigstens zwei Tanks, ein Rohrsystem zur Verbindung der Tanks mit der Zellanordnung 2 und Pumpen zum Fördern des Elektrolyten. 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 3 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 zur Bereitstellung einer Regelgröße. Dabei handelt es sich bei der Messeinrichtung, welche mit 4 bezeichnet ist, um eine Messeinrichtung zur Bereitstellung der sogenannte Leerlaufspannung (open Circuit voltage - OCV). Der OCV-Wert ist ein Maß für den Ladezustand des Batteriemoduls (SoC). Die Messeinrichtung, welche mit 5 bezeichnet ist, ist eine Messeinrichtung zur Bereitstellung der Klemmenspannung der Zellanordnung 2 und damit auch des Batteriemoduls 1. Beim Laden bzw. Entladen des Batteriemoduls 1 unterscheidet sich die Klemmenspannung von der Leerlaufspannung um die Spannung, die über dem Innenwiderstand der Zellanordnung 3 abfällt. Alternativ zur OCV-Wert-Bestimmung ist das sogenannte Coulomb Counting, welches ebenfalls ein Maß für den Ladezustand des Batteriemoduls darstellt. Hierzu wird eine Messeinrichtung zur Bereitstellung des Stroms benötigt, welcher durch die in Serie geschalteten Module fließt. Eine solche Messeinrichtung für das Coulomb Counting könnte daher auch außerhalb der Batteriemodule 1 realisiert sein, so dass ein Batteriemodul 1 also optional eine Messeinrichtung zur Bereitstellung einer Regelgröße umfasst. In jedem Fall umfasst ein Batterie-System (s.u.) wenigstens eine Messeinrichtung zur Bereitstellung einer Regelgröße für jedes Batteriemodul 1 des Batterie-Systems. Das Batteriemodul 1 umfasst ferner Hilfssysteme, welche durch das Rechteck mit der Bezeichnung 6 angedeutet werden. Die Hilfssysteme 6 werden über die beiden Klemmen von außerhalb des Batteriemoduls 1 mit Strom versorgt. Die Hilfssysteme 6 dienen u.a. zur Speisung der Pumpen, von eventuell vorhandenen Lüftungseinrichtung und dergleichen.
Auf der rechten Seite von Figur 1 sind symbolhafte Darstellungsweisen des Batteriemoduls 1 gezeigt. Dabei zeigt die obere Darstellungsweise neben den Klemmen der Zellanordnung auch noch die Klemmen der Hilfssysteme. Letztere fehlen in der unteren Darstellungsweise. Die symbolhaften Darstellungsweisen werden im Folgenden verwendet. Wenn dabei die untere Darstellungsweise verwendet wird, bedeutet das nicht, dass die dargestellten Batteriemodule keine Hilfssysteme umfassen würden, sondern nur, dass in dem jeweiligen Zusammenhang die Hilfssysteme keine Rolle spielen. 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), welche mit 7 bezeichnet ist, und eine Steuereinrichtung, welche mit 8 bezeichnet ist. Die Batteriemodule 1 sind in Serie geschaltet und mit dem Umrichter 7 verbunden. In Figur 2 sind vier Batteriemodule dargestellt, wobei die gestrichelten Linien in der Serien-Schaltung eine beliebige Anzahl von weiteren Modulen andeuten sollen. Der Umrichter 7 übernimmt die Anbindung des Batterie-Systems an das Netz oder an ein übergeordnetes elektrisches System. Das Batterie-System umfasst ferner für jedes Batteriemodul 1 einen ersten Schalter, von denen einer mit 9 bezeichnet ist, und einen zweiten Schalter, von denen einer mit 10 bezeichnet ist. Die ersten Schalter 9 sind jeweils in Serie zu den Batteriemodulen 1 angeordnet, wobei es natürlich unerheblich ist auf welcher Seite des jeweiligen Batteriemoduls der zugehörige Schalter 9 angeordnet ist. Die zweiten Schalter 10 sind jeweils in einer Umgehungsleitung (Bypass) um jeweils ein Batteriemodul 1 und den zugehörigen ersten Schalter 9 angeordnet. In Figur 2 sind alle Schalter 9 und 10 in geöffnetem Zustand dargestellt. In Realität werden die Schalter in fast allen erfindungsgemäßen Betriebsverfahren, welche in den folgenden Abschnitten im Detail beschrieben werden, durch die Steuereinrichtung 8 so angesteuert, dass von jedem Schalterpaar eines ersten und zweiten Schalters genau ein Schalter geschlossen und ein Schalter geöffnet ist (wechselweise geöffnet und geschlossen). D.h. ein Schalterpaar hat dabei genau zwei Schaltstellungen, wobei in der ersten Schaltstellung (erster Schalter 9 geschlossen und zweiter Schalter 10 geöffnet) das zugehörige Batteriemodul 1 sich in der Serienschaltung des Batterie-Systems befindet, und in der zweiten Schalterstellung (erster Schalter 9 geöffnet und zweiter Schalter 10 geschlossen) das zugehörige Batteriemodul 1 durch die Umgehungsleitung von der Serienschaltung des Batterie-Systems getrennt ist. Das Öffnen vom ersten Schalter 9 bei geschlossenen Schalter 10 verhindert dabei die Entladung des Moduls über die Umgehungsleitung. Die Steuereinrichtung 8 ist mit jedem Batteriemodul so verbunden, dass sie die Messwerte der Messeinrichtungen 4 bzw. 5 erfassen kann. Falls das Batterie-System eine oder mehrere Messeinrichtungen umfasst, welche nicht Teil der Batteriemodule 1 sind, dann ist die Steuereinrichtung natürlich auch mit diesen verbunden, um die Messwerte derselben erfassen zu können. Eine Messeinrichtung für das Coulomb Counting könnte beispielsweise auch ein Teil der Steuereinrichtung 8 sein. Außerdem ist die Steuereinrichtung 8 mit jedem der Schalter 9 und 10 so verbunden, dass dieselbe die jeweilige Schalterstellung bestimmen kann, um die Batteriemodule 1 in die Serien-Schaltung hinein- oder aus der Serien-Schaltung herauszuschalten. Diese Verbindungen können auch drahtlos erfolgen.
In einem Batterie-System gemäß Figur 2 mit vollkommen identischen Batteriemodulen 1 könnte sich kein schädliches Ungleichgewicht einstellen. Reale Batteriemodule 1 unterscheiden sich jedoch aufgrund von Fertigungsschwankungen und von Alterungsprozessen. Außerdem können unterschiedliche Betriebsbedingungen, z.B. Temperaturunterschiede, der einzelnen Module ein unterschiedliches Verhalten derselben verursachen. Aus diesen Gründen haben reale Batteriemodule unterschiedliche Effizienzwerte und unterschiedliche Innenwiderstände. Eine höhere Effizienz führt bei gegebenen Lade- bzw. Entladestrom zu einem schnelleren Erreichen des Endzustands des betreffenden Batteriemoduls. Da in der Serienschaltung gemäß Figur 2 alle Batteriemodule 1 vom selben Strom durchflossen werden, erreichen die Module mit hoher Effizienz den Endzustand schneller als die Module mit niedriger Effizienz. Zur Vermeidung von Schäden muss der Lade- bzw. Entladevorgang bereits jeweils dann abgebrochen werden, wenn ein Modul den jeweiligen Endzustand erreicht. Auf diese Weise verringert sich ohne ein Ausgleichen dieses Effekts die nutzbare Speicherkapazität eines solchen Batteriesystems mit jedem durchlaufenen Zyklus („capacity fading“). Etwas Ähnliches bewirkt der unterschiedliche Innenwiderstand der Module. Für die Klemmenspannung existieren obere und untere Grenzwerte, welche nicht über bzw. unterschritten werden dürfen. Selbst bei identischer Effizienz erreicht ein Modul mit höherem Innenwiderstand beim Laden oder Entladen schneller den jeweiligen Grenzwert der Klemmenspannung als ein Modul mit geringerem Innenwiderstand. Wenn das erste Modul einen Grenzwert erreicht muss der jeweilige Vorgang abgebrochen werden, was so ebenfalls zu einer Verringerung der nutzbaren Kapazität des Batterie-Systems führt. Alternativ könnte auch die Leistung des Systems reduziert werden. In jedem Fall führen diese Effekte zu einer Beeinträchtigung des Systems. Balancing soll die beschriebenen Effekte verringern bzw. komplett beseitigen, um so die nutzbare Kapazität des Batterie-Systems dauerhaft auf hohem Niveau zu halten bzw. die beschriebene Beeinträchtigung zu beseitigen. Andererseits ermöglicht ein erfolgreiches Balancing die Verwendung von Zellen mit einer vergleichsweise hohen Streuung bzgl. Effizienz und/oder Innenwiderstand, was sich natürlich in reduzierten Gestehungskosten niederschlägt.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten des in Figur 2 dargestellten Batterie-Systems angegeben, wobei alle genannten Schritte selbstverständlich während dem Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems durchgeführt werden, d.h. das Laden bzw. Entladen wird dadurch nicht unterbrochen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten in einer ersten Ausführungsform umfasst dabei folgende Schritte:
• Erfassen der Messwerte der Messeinrichtung zur Bereitstellung einer Regelgröße für jedes Batteriemodul 1 durch die Steuereinrichtung 8;
• Falls sich in einem ersten Zeitpunkt wenigstens ein Messwert eines ersten Batteriemoduls 1 von einem Messwert eines zweiten Batteriemoduls 1 unterscheidet: o Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule 1 , welche sich in der Serienschaltung befinden, um den Unterschied der Messwerte des ersten und zweiten Batteriemoduls 1 zu einem späteren zweiten Zeitpunkt zu verringern, wobei sich über den Zeitraum zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt während dem Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems eines der beiden Batteriemodule 1 weniger lange Zeit in der Serienschaltung befindet als das andere Batteriemodul 1.
Wenn ein Batterie-System mit einer Vielzahl von Batteriemodulen über einen ausreichend langen Zeitraum ohne Balancing betrieben wird, d.h. geladen oder entladen wird, dann stellt sich im Allgemeinen ein Zustand ein, bei dem die Messwerte der Regelgröße für jedes Batteriemodul eine statistische Verteilung darstellen. In jedem Fall ist dann die Bedingung erfüllt, dass sich wenigstens ein Messwert eines ersten Batteriemoduls 1 von einem Messwert eines zweiten Batteriemoduls 1 unterscheidet. Natürlich ist es Ziel des Balancings bei einem solchen System mit vielen Batteriemodulen die Bandbreite der Verteilung der Messwerte zu einem späteren Zeitpunkt möglichst zu verringern bzw. im Idealfall alle Messwerte vollständig aneinander anzugleichen. Das führt natürlich automatisch dazu, dass sich auch die Messwerte des ersten und zweiten Batteriemoduls zu dem späteren Zeitpunkt einander annähern. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass wenigstens ein Teil der Batteriemodule zeitweise aus der Serienschaltung des Batterie-Systems herausgeschaltet werden, wobei die herausgeschalteten Module in dieser Zeit nicht am Laden bzw. Entladen des Systems teilnehmen, wohingegen die in Serie verbleibenden Module daran teilnehmen.
Dabei ist darauf zu achten, dass nicht zu viele Batteriemodule zum gleichen Zeitpunkt aus der Serienschaltung herausgenommen werden, was beispielsweise zu einer Verringerung der an der PCS 7 anliegenden Spannung unter einen kritischen Grenzwert führen könnte, da sich diese Spannung aus der Summe der Klemmenspannungen aller in der Serien-Schaltung befindlichen Batteriemodule ergibt. Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule 1 , welche sich in der Serienschaltung befinden, daher auch in dieser Beziehung, d.h. um einen störungsfreien Betrieb des Batterie-Systems zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten. Neben der unteren Grenzspannung des Umrichters 7 können hierbei natürlich auch noch weitere Parameter und Randbedingungen berücksichtigt werden, wie z.B. die obere Grenzspannung des Umrichters 7.
Dazu kann die Steuereinheit 8 beispielsweise die an der PCS 7 anliegende Spannung überwachen und ein entsprechendes Schaltverhalten sicherstellen. Alternativ könnte auch direkt eine maximale Anzahl von Modulen definiert werden, welche gleichzeitig aus der Serienschaltung herausgenommen werden dürfen. Es ist auch denkbar, dass eine solche maximale Anzahl noch von weiteren Parametern abhängen kann, z.B. dem Ladezustand des Systems oder eines beliebigen Moduls. So könnte beispielsweise bei einem ersten Ladezustand das gleichzeitige Herausschalten von maximal n Modulen erlaubt sein, und bei einem zweiten Ladezustand das gleichzeitige Herausschalten von maximal m Modulen erlaubt sein, wobei n ungleich m ist. Weitere denkbare Parameter sind der Lade- oder Entladestrom oder die Leistung der PCS 7.
Man kann sich das erfindungsgemäße Verfahren weiter verdeutlichen, wenn man bedenkt, dass beim Laden oder Entladen eines Batterie-Systems die Messwerte und damit die Werte der entsprechenden Regelgröße der Batteriemodule monoton einem Endwert zustreben. Die „Geschwindigkeit“ dieses Strebens ist aber für die Batteriemodule unterschiedlich, so dass manche Module „vorauseilen“ und andere „hinterherhinken“. Ziel des Balancings ist es also, die „Wandergruppe“ der Module zusammenzuhalten, obwohl jedes Modul mit einer anderen Geschwindigkeit voranschreitet. Die Steuereinrichtung erreicht dieses Ziel dadurch, dass die schnelleren Module von Zeit zu Zeit „Zwangspausen“ einlegen müssen (zeitweise Herausnahme aus der Serienschaltung), während das langsamste Modul permanent voranschreitet. Dabei achtet die Steuereinrichtung darauf, dass zu keinem Zeitpunkt zu viele Module pausieren. Dabei hat die Steuereinrichtung zwei Stellgrößen: die Länge der Pausen und die Pausenhäufigkeit. Es kann sinnvoll sein, dass für das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren Schwellwerte für die Abweichung der Messwerte verwendet werden. Ein erster Schwellwert könnte für das Einsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens definiert werden, d.h. ein Schwellwert, welchen der Unterschied zwischen dem Messwert des ersten Batteriemoduls und dem Messwert des zweiten Batteriemoduls zu einem ersten Zeitpunkt überschreiten muss, damit der Balancing-Mechanismus ausgelöst wird. Ein zweiter Schwellwert könnte für das Aussetzen Balancing-Mechanismus definiert werden, d.h. ein Schwellwert, welchen der Unterschied zwischen dem Messwert des ersten Batteriemoduls und dem Messwert des zweiten Batteriemoduls zu einen späteren zweiten Zeitpunkt unterschreiten muss, damit der Balancing- Mechanismus zu diesem zweiten Zeitpunkt ausgesetzt wird. Es ist klar, dass der zweite Schwellwert kleiner als der erste Schwellwert gewählt werden muss. Insbesondere ist der zweite Schwellwert nützlich, um den negativen Einfluss von Messungenauigkeiten auszuschließen. Alternativ könnten die Messwerte natürlich auch mit einem geeigneten Filter von Rauschen befreit werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber genauso gut ohne Schwellwerte ausgeführt werden. Zum Beispiel indem man sich zunutze macht, dass man
Erfahrungswerte für die Zeitdauer bestimmen kann, nachdem ein gegebenes Batterie-System bei einem gegeben Lade- bzw. Entladeprozess aus dem Gleichgewicht läuft, so dass ein ausgleichender Eingriff notwendig wird. Dasselbe gilt für die Zeitdauer, über welchen der erfindungsgemäße Balancing-Mechanismus ausgeführt werden muss, um ein gegebenes Batterie-System bei einem gegeben Lade- bzw. Entladeprozess wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Vorteilhaft kann die Steuereinheit eines gegebenen Batterie-Systems mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus diese Erfahrungswerte selbstlernend beim Durchlaufen von einigen wenigen Lade/Entlade-Zyklen gewinnen. Genauso können die Erfahrungswerte angepasst werden, falls sich das Batterie-System beispielsweise aufgrund von
Alterungseffekten über einen längeren Betriebszeitraum in dieser Beziehung ändern sollte. Genauso können die Eigenheiten der einzelnen Batteriemodule 1 bestimmt werden, d.h. welche Batteriemodule mit hoher Effizienz arbeiten bzw. mit einem hohen Innenwiderstand behaftet sind, um so festzulegen, welche Batteriemodule erfahrungsgemäß häufiger und/oder länger pausieren müssen, um die
„Wandergruppe“ beieinander zu halten (siehe auch unten). Bei der Verwendung von solchen Erfahrungswerten besteht daher keine Notwendigkeit für die permanente Erfassung bzw. Auswertung der Messwerte der Regelgrößen. Analoges gilt für eine modellbasierte Herangehensweise, bei der das Verhalten der Batteriemodule mit Hilfe eines Modells vorhergesagt werden können. Dabei kann das Modell mit Hilfe von Messgrößen und geeigneten Parametern an das jeweilige Batterie-System angepasst werden.
Es ist auch denkbar, dass der erfindungsgemäße Balancing-Mechanismus zumindest über einen gewissen Zeitraum ohne die weitere Erfassung bzw. Auswertung von Messwerten durchgeführt wird, indem die schnelleren Module fortwährend entsprechend lange bzw. häufige Pausen einlegen. Damit werden sozusagen fortwährend entstehende Ungleichheiten umgehend korrigiert, ohne dass die Unterschiede der Regelgröße permanent erfasst bzw. ausgewertet werden. Natürlich spricht auch nichts dagegen, dieses fortwährende Balancing unter einer fortwährenden Erfassung und Auswertung der Messwerte durchzuführen.
Die jeweilig notwendige Pausenlänge und Pausenhäufigkeit wird bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche ohne die permanente Erfassung bzw. Auswertung der Messwerte der Regelgrößen auskommt, für jedes Batteriemodul einmal oder zu späteren Zeitpunkten erneut festgelegt. Auch dazu kann ein selbstlernender Algorithmus oder oder ein modellgestütztes Verfahren verwendet werden. Man könnte diesen Vorgang und auch die Bestimmung der oben beschriebenen Erfahrungswerte für die genannten Zeitdauern als Kalibrierung des Balancing-Mechanismus bezeichnen. Eine solche Kalibrierung könnte bereits im Werk, d.h. noch vor Auslieferung an den Kunden erfolgen, oder auch bei der ersten Initialisierung. Zumindest während dieser Kalibrierung ist es notwendig, dass das erfindungsgemäße Verfahren in der oben angegeben Form ausgeführt wird (d.h. mit Erfassung und Auswertung der Messwerte). In den Fällen, wo der Balancing- Mechanismus ohne Erfassung bzw. Auswertung der Messwerte ausgeführt wird, empfiehlt es sich, wenn wenigstens von Zeit zu Zeit der Erfolg des Balancings anhand der Messwerte überprüft wird. In Falle eines ungenügenden Balancings kann dann erneut kalibriert werden.
Die allgemeinste Form des erfindungsgemäßen Verfahrens (d.h. die Durchführung des Balancing-Mechanismus - BM) kann also folgendermaßen definiert werden:
Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie- Systems auftretenden Ungleichgewichten umfassend den Schritt (BM):
• Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule 1 , welche sich in der Serienschaltung befinden, um den Unterschied eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße zu verringern, wobei sich über einen Zeitraum während dem Laden bzw. Entladen des Batterie- Systems eines der beiden Batteriemodule 1 weniger lange Zeit in der Serienschaltung befindet als das andere Batteriemodul 1.
Eine Überwachung der Messwerte der Regelgrößen ist jedoch zumindest zeitweise notwendig, um ein Abbruchkriterium für den Lade- bzw. Entladevorgang des Batterie- Systems zu gewinnen. Bei erfolgreichem Balancing genügt dafür jedoch die Überwachung der Messwerte von einem einzigen belieben Modul.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die WO 2020/030762 A1 in Figure 4 eine Anordnung analog zur der Anordnung von Figur 2 der vorliegenden Anmeldung offenbart, wobei die Schalter 1221 und 1222, welche als äußere Stromkreis-Schalter („outer Circuit switches“) bezeichnet werden, dem ersten und zweiten Schalter (9, 10) der vorliegenden Anmeldung entsprechen. Allerdings gibt die WO 2020/030762 A1 als Verwendungszweck der äußeren Stromkreis-Schalter 1221 und 1222 an, dass dieselben für seltene Eventualitäten verwendet werden, wie z.B. beim Lecken der Elektrolyt-Tanks oder beim Austausch des Elektrolyten (,The latter switching is likely to be infrequent and for eventualities such as elecrolyt leakage or replacement“ - siehe letzter Satz der Beschreibung). Die WO 2020/030762 A1 offenbart daher weder das oben beschriebene Verfahren der vorliegenden Erfindung noch legt es dasselbe nahe.
Der Erfinder hat erkannt, dass sich das oben dargestellte erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhalft ausführen lässt, wenn der erste und der zweite Schalter des oben im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Batterie-Systems mit Hilfe von Halbleitertransistoren ausgeführt werden. Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Schalterausführung mit Halbleitertransistoren in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, wobei die Figur 3 lediglich ein Batterie-Modul und die zugehörigen Schalter zeigt. Alle anderen Batterie-Module samt zugehörigen Schaltern des erfindungsgemäßen Batterie-Systems sind in dieser Ausführungsform entsprechend ausgeführt. Der erste Schalter 9 umfasst zwei normal sperrende MOSFETs, deren Kanäle so in Serie geschaltet sind, dass in beiden Stromrichtungen immer eine der Reversdioden sperrt, wobei die Reversdioden in Figur 3 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet sind. Der zweite Schalter 10 umfasst ein normal sperrendes MOSFET. Das Batterie-System umfasst wenigstens eine Schalteinheit, welche in Figur 3 mit 11 bezeichnet ist. Die Gate-Anschlüsse der MOSFETs sind mit der Schalteinheit 11 verbunden, wobei die Gate-Anschlüsse der beiden MOSFETs vom ersten Schalter 9 auch miteinander verbunden sind, so dass die Ansteuerung dieser Gates immer simultan erfolgt. Die genannte Verbindung der Gates kann auch entfallen, falls die Schalteinheit 11 intern eine simultane Ansteuerung der betreffenden Gates gewährleistet. Es kann für jedes Schalterpaar (9, 10) jeweils eine Schalteinheit 11 vorgesehen sein, oder eine Schalteinheit 11 bedient mehrere Schalterpaare (9, 10) oder auch alle. In den beiden letzten Fällen muss die Schalteinheit 11 natürlich entsprechend viele unabhängige Anschlüsse aufweisen, so dass die verbunden Schalterpaare unabhängig voneinander geschaltet werden können. Die Schalteinheit 11 bzw. Schalteinheiten 11 können integraler Bestandteil der Steuereinrichtung 8 sein.
Figur 3a zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform. Die in Figur 3a gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 3 dadurch, dass der erste Schalter 9 nur ein MOSFET umfasst. Die Funktionalität der vereinfachten Ausführungsform gemäß Figur 3a wird dadurch gewährleistet, dass in allen Betriebsmodi (d.h. beim Laden über das Batteriemodul 1, beim Laden über die Bypass-Leitung, beim Entladen über das Batteriemodul 1 und beim Entladen über die Bypass-Leitung) immer die Diode desjenigen MOSFETs durch die Spannung des Batteriemoduls 1 gesperrt wird, der sich nicht in Durchgangs-Schaltstellung befindet.
Auf der rechten Seite von Figur 3a ist zum besseren Verständnis das Ersatzschaltbild eines MOSFETs dargestellt.
Die Verwendung von MOSFETs ermöglicht die verschleißfreie und schnelle Ausführung der für das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Schaltvorgänge, was insbesondere von Vorteil ist, wenn zum Balancing häufige aber kurze Pausen verwendet werden. Dabei verhindert die erfindungsgemäße Anordnung der MOSFETs das ungewollte Entladen eines Batteriemoduls während der Zeit, in der es sich nicht in der Serien-Schaltung befindet, und daher nicht am Laden bzw. Entladen des Batterie-Systems teilnimmt. Optional kann jeder der Schalter 9 und 10 zusätzlich ein Relais umfassen, welches parallel zu den MOSFETs angeordnet ist. Dadurch können die jeweiligen Schalter auch verlustfrei mit den Relais betätigt werden, was dann von Vorteil ist, wenn der betreffende Schalter nur selten betätigt werden soll
Es ist zu erwähnen, dass in Figur 3 und in Figur 3a die MOSFETs in der Ausführung als n-Kanal MOSFETs dargestellt sind. Die erfindungsgemäße Anordnung ist jedoch nicht auf solche MOSFETs beschränkt. Genauso gut können p-Kanal MOSFETs verwendet werden.
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Das Batterie-System umfasst für jedes Batteriemodul zusätzlich einen dritten und vierten Schalter, welche mit 12 und 13 bezeichnet sind, und Leitungen, wobei die zusätzlichen Schalter und die Leitungen so miteinander und den Batteriemodulen verbunden sind, dass alle Batteriemodule parallel geschaltet sind, wenn alle zusätzlichen Schalter geschlossen sind. Dazu müssen natürlich alle ersten und zweiten Schalter geöffnet werden. Die Parallelschaltung der Batteriemodule führt zur Angleichung der Klemmenspannungen der Module, wobei Ausgleichströme zwischen den Batteriemodulen fließen. Die gezeigte Parallelschaltung kann daher zum Balancing eingesetzt werden. Dabei können alle Module oder auch nur einige, d.h. wenigstens zwei Module, z.B. das jeweils schnellste und langsamste, für einen definierten Zeitraum parallel geschaltet werden. Auch die zusätzlichen Schalter werden von der Steuereinrichtung betätigt, welche in Figur 4 aus Platzgründen nicht dargestellt ist.
Im Prinzip könnten die Batteriemodule durch die PCS 7 auch in Parallelschaltung geladen oder entladen werden. Dazu ist allerdings bei einem gattungsgemäßen Hochspannungs-Batterie-System die PCS 7 in der Regel nicht ausgelegt, so dass ein Balancing durch Parallelschalten nicht während dem Laden bzw. Entladen ausgeführt werden kann. Figur 4 zeigt auch noch zwei zusätzliche Schalter, mit denen die PCS 7 von den verschalteten Batteriemodulen getrennt werden kann. Dies kann von Vorteil sein. Gegebenenfalls kann auch nur ein Trennschalter verwendet werden. Ein solcher Schalter bzw. solche Schalter können bei allen anderen Ausführungsformen ebenfalls zum Einsatz kommen
Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Das Batterie-System umfasst für jedes Batteriemodul 1 zusätzlich einen weiteren fünften Schalter, von welchen einer mit 14 bezeichnet ist. Es sei erwähnt, dass die Benennung als „fünfter“ Schalter lediglich der Klarheit dient, und nicht impliziert, dass wenn ein Batterie-System einen fünften Schalter umfasst, es damit auch automatisch einen dritten und vierten Schalter umfassen müsste. Ferner umfasst das Batterie-System für jedes Batteriemodul 1 einen Widerstand, von denen einer mit 15 bezeichnet ist. Der fünfte Schalter 14 und der Widerstand 15 sind dabei jeweils in einer weiteren Bypass-Leitung um je ein Batteriemodul 1 so angeordnet, dass je ein Batteriemodul 1 über einen Widerstand 15 kurzgeschlossen wird, wenn der zugehörige fünfte Schalter 14 geschlossen wird. Auch die fünften Schalter 14 werden von der Steuereinrichtung 8 betätigt. Mit Hilfe der Anordnung von Figur 5 kann jedes Batteriemodul über einen fünften Widerstand selektiv entladen werden. Werden einer oder mehrere der fünften Schalter 14 während dem Laden oder Entladen des Batterie-Systems geschlossen, so fließt ein Teil des Lade- bzw. Entladestroms an dem jeweiligen Batteriemodul 1 vorbei. Dies kann zum Balancing benutzt werden. Allerdings ist diese Art des Balancings mit dem Verlust von elektrischer Leistung verbunden und wird daher nur als zusätzliche Balancing- Methode zu den anderen Methoden verwendet, so dass das Balancing durch diese zusätzliche Möglichkeit weiter flexibilisiert und verbessert werden kann. Da auf diese Art in den Widerständen Wärme freigesetzt wird, kann die Schaltung der fünften Schalter vorteilhaft gepulst erfolgen, um eine übermäßige Erhitzung zu vermeiden. Wenn die ersten und zweiten Schalter 9, 10 gemäß Figur 3 ausgeführt sind, ergibt sich eine alternative Möglichkeit, den gerade beschriebenen Effekt zu erzielen. Dadurch dass die MOSFETs einen endlichen Kanalwiderstand haben, kann ein Batteriemodul auch einfach durch das gleichzeitige Schließen der ersten und zweiten Schalter 9, 10 selektiv über den Kanalwiderstand dieser Schalter kurzgeschlossen werden. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind daher die genannten Schalter nicht in jedem Fall wechselweise geöffnet und geschlossen, wie oben beschrieben. Dabei stellen die beiden Schalter 9 und 10 gemeinsam de facto den fünften Schalter 14 dar. Den Zustand in dem beide Schalter 9 und 10 gleichzeitig geschlossen sind, könnte man auch so umschreiben, dass das zugehörige Batteriemodul „teilweise“ aus der Serienschaltung herausgenommen ist, da nur noch eine Teil des Lade- bzw. Entladestroms durch das Modul fließt und der andere Teil um das Modul herum. Die Phrase „Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert die Anzahl der Batteriemodule 1 , welche sich in der Serienschaltung befinden“ ist daher auch dahingehend zu verstehen, dass sich ein Modul teilweise in der Serienschaltung befinden kann. Auch in diesem Fall gilt das, was oben in Bezug auf die
Wärmeentwicklung gesagt wurde. Die folgenden Ausführungen betreffen den zweiten Lösungsansatz. Wie oben erwähnt können die beiden Lösungsansätze und alle zugehörigen Ausführungsformen vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Figur 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Das Batterie-System umfasst wenigstens zwei Batteriemodule, einen bidirektionalen Umrichter 7, eine Steuereinrichtung 8, und für jedes
Batteriemodul einen Gleichspannungswandler, von denen einer mit 17 bezeichnet ist. Die Batteriemodule sind in Serie geschaltet und mit dem Umrichter 7 verbunden. Ein Anschluss der Gleichspannungswandler 17 ist jeweils mit einem Batteriemodul verbunden, und ein zweiter Anschluss der Gleichspannungswandler 17 ist jeweils mit einem gemeinsamen Gleichstrombus verbunden. Die Gleichspannungswandler können dabei unidirektional oder bidirektional ausgeführt sein. Je nach Ausführungsart und Orientierung können die Gleichspannungswandler 17 entweder elektrische Energie kontrolliert vom Gleichstrombus entnehmen oder demselben zuführen oder beides.
Das Batterie-System umfasst ferner einen weiteren Umrichter, welcher mit 16 bezeichnet ist. Der Umrichter 16 ist mit dem Gleichstrombus verbunden. Die Steuereinrichtung 8 ist mit dem Umrichter 16 und mit den Gleichspannungswandlern 17 so verbunden, dass die Steuereinrichtung 8 den Umrichter 16 und die Gleichspannungswandler 17 steuern kann. Der Umrichter 7 ist mit dem Netz oder einem anderen übergeordneten elektrischen System verbunden. Der weitere Umrichter 16 kann ebenfalls mit dem Netz oder einem anderen übergeordneten elektrischen System verbunden sein, oder optional als DC/DC Steller ausgebildet und mit dem Umrichter 7 verbunden sein. Im letzteren Fall nimmt der Umrichter 16 Leistung von Umrichter 7 auf, oder gibt Leistung an denselben ab. Der weitere Umrichter 16 ist unidirektional oder bidirektional ausgeführt.
Wie auch oben beschrieben sorgt der Umrichter 7 dafür, dass ein Lade bzw. Entladestrom durch die in Serie geschalteten Batteriemodule fließen kann, so dass dabei dieselben auf- bzw. entladen werden können. Die zu jedem Batteriemodul parallelgeschalteten Gleichspannungswandler 17 ermöglichen es nun, dass beim Laden für jedes Batteriemodul gezielt und kontrolliert wenigstens ein Teil des vom Umrichter 7 gelieferten Stroms um dasselbe herumgeleitet wird. Der betreffende Gleichspannungswandler 17 überträgt in diesem Fall elektrische Energie auf den Gleichstrombus. Dadurch wird das betreffende Batteriemodul in dem Zeitraum, in welchem der betreffende Gleichspannungswandler 17 so betrieben wird, weniger schnell bzw. gar nicht geladen. Beim Entladen kann ein oder können mehrere Gleichspannungswandler 17 so angesteuert werden, dass dieselben elektrische Energie vom Gleichstrombus auf das zugehörige Batteriemodul übertragen. Dabei wird der betreffende Gleichspannungswandler 17 jeweils so angesteuert, dass dadurch das zugehörige Batteriemodul in dem Zeitraum, in welchem der betreffende Gleichspannungswandler 17 so betrieben wird, weniger schnell oder überhaupt nicht entladen wird.
Es ist dabei klar, dass unidirektionale Gleichspannungswandler je nach Orientierung entweder nur beim Laden oder nur beim Entladen wie gerade beschrieben wirken können. Bidirektionale Gleichspannungswandler können natürlich sowohl beim Laden als auch beim Entladen wirken.
Der weitere Umrichter 16 versorgt dabei den Gleichstrombus mit elektrischer Energie bzw. führt überschüssige Energie von demselben ab. Im Falle, dass der weitere Umrichter 16 unidirektional ausgeführt ist, sind natürlich nicht alle genannten Energieflüsse möglich.
Die Anordnung gemäß Figur 6 ermöglicht das folgende Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten umfassend wenigstens einen der folgenden Schritte:
• Beim Laden des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler 17 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler 17 so viel elektrische Energie auf den Gleichstrombus überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule weniger schnell geladen wird als das andere Batteriemodul.
• Beim Entladen des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler 17 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler 17 so viel elektrische Energie vom Gleichstrombus abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule weniger schnell entladen wird als das andere Batteriemodul.
Die Anordnung gemäß Figur 6 ermöglicht außerdem, jedenfalls wenn der Umrichter 16 über einen separaten Netzanschluss verfügt, dass derselbe den Umrichter 7 beim Laden bzw. Entladen der Batteriemodule unterstützt. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Umrichter 7 an seine Leistungsgrenzen stößt. Da diese Unterstützung durch die Gleichspannungswandler 17 auch selektiv für jedes Batteriemodul geschehen kann, kann dies natürlich auch für das Balancing verwendet werden. Im Gegensatz von den bisher beschriebenen Balancing-Methoden führt dieser Mechanismus zu einem beschleunigten Laden bzw. Entladen der „langsamen“ Module.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verringerung von während dem Laden und Entladen des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten zusätzlich einen der folgenden Schritte:
• Beim Laden des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler 17 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler 17 so viel elektrische Energie vom Gleichstrombus abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule schneller geladen wird als das andere Batteriemodul.
• Beim Entladen des Batterie-Systems werden die Gleichspannungswandler 17 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein Gleichspannungswandler 17 so viel elektrische Energie auf den Gleichstrombus überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule schneller entladen wird als das andere Batteriemodul.
Falls mehrere erfindungsgemäße Batterie-Systeme nahe beieinander betrieben werden, dann können natürlich mehrere Systeme gemeinsam den weiteren Umrichter 16 und den verbundenen Gleichstrombus nutzen. Da je ein Gleichspannungswandler für je ein Batteriemodul vorhanden sein muss, ergibt sich bzgl. der Gleichspannungswandler keine Einsparmöglichkeit bei der Nutzung von mehreren parallel betriebenen Batterie-Systemen.
Figur 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Batterie-System in einer weiteren Ausführungsform. Der einzige Unterschied zum Batterie-System gemäß Figur 6 besteht darin, dass die Hilfssysteme mit dem Gleichstrombus verbunden sind und durch diesen gespeist werden. Auf diese Weise ergibt sich für den Gleichstrombus ein Zusatznutzen, der an anderer Stelle Kosten einspart. Auch die gemeinsame Nutzung des Gleichstrombusses und des weiteren Umrichters zur Speisung der Hilfssysteme von mehreren parallel betriebenen Batterie-Systemen ist vorteilhaft und problemlos möglich.
Auf für die Ausführungsformen des zweiten Lösungsansatzes ist ein Kalibrierungsschritt in analoger Weise, wie oben beim ersten Lösungsansatz im Detail beschrieben. Alle Maßnahmen sind beim zweiten Lösungsansatz jedoch natürlich auf die unterschiedliche Geschwindigkeit beim Laden bzw. Entladen der einzelnen Module zu beziehen, und auf die Zeitdauer in der eine unterschiedliche Geschwindigkeit zur Anwendung kommt. Dasselbe gilt auch hinsichtlich den dort gemachten Aussagen bzgl. der Durchführung des Verfahrens mit und ohne Erfassung und Auswertung der die Regelgrößen betreffenden Messwerte.
Damit ein Redox-Flow-Batterie-System eingerichtet ist, die oben beschriebenen Verfahrensschritte automatisiert auszuführen, umfasst es ein Computersystem. Der Begriff Computersystem bezeichnet alle Einrichtungen, die geeignet sind, die beschriebenen Verfahrensschritte automatisiert durchzuführen, insbesondere auch besonders dafür entwickelte ICs oder Mikrocontroller, sowie ASICs (ASIC: application specific integrated Circuit). Dabei kann die Steuereinrichtung 8 selbst ein geeignetes Computersystem umfassen. Alternativ kann das Computersystem auch eine separate Einrichtung darstellen oder Teil einer separaten Einrichtung sein. Die vorliegende Anmeldung ist auch auf ein Computerprogramm gerichtet, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass das Batterie-System die oben beschriebenen Verfahrensschritte ausführt. Außerdem ist die vorliegende Anmeldung auf ein computerlesbares Medium gerichtet, auf dem ein solches Computerprogramm gespeichert ist. Bezugszeichenliste
1 Batteriemodul
2 Zellanordnung 3 Tankeinrichtung
4 Messeinrichtung zur Bestimmung der OCV
5 Messeinrichtung zur Bestimmung der Klemmenspannung
6 Hilfssysteme
7 Bidirektionaler Umrichter (PCS) 8 Steuereinrichtung
9 Erster Schalter
10 Zweiter Schalter
11 Schalteinheit
12 Dritter Schalter 13 Vierter Schalter
14 Fünfter Schalter
15 Widerstand
16 Weiterer bidirektionaler Umrichter
17 Gleichspannungswandler

Claims

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