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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Ladezustands eines Flow-Batterie-Stacks, der an einen Batterieanschluss eines Batteriewechselrichters angeschlossen ist.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Batteriemanagementsystem mit einer Steuerung und einem Batteriewechselrichter, der ausgelegt ist, eine Flow-Batterie zu Laden und/oder zu entladen, umfassend
- a. mehrere Batterieanschlüsse, an die jeweils ein Flow-Batterie-Stack anschließbar ist;
- b. eine Messeinrichtung, die geeignet ist, die Spannung an einem Batterieanschluss zu messen und die Steuerung signaltechnisch angeschlossen oder anschließbar ist;
- c. einen Netzanschluss, der an ein Wechselstromversorgungsnetz anschließbar ist.
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Redox-Flow-Batterien, die beispielsweise Elektrolyt-Kombinationen von V/V, Fe/Cr oder Zn/Br verwenden, werden in zunehmendem Maße als stationäre Energiespeicher verwendet. Integriert in ein großes System aus Energieerzeugern und -verbrauchern, dienen diese zur Netzstabilisierung oder können Erzeuger- oder Lastspitzen abfangen.
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Für die Ladezustandsmessung (state of charge(SoC)-Messung) bei einer Flow-Batterie wird derzeit eine eigene Messzelle eingesetzt, die nicht zur Leistungsgewinnung verwendet werden kann, weil die Ladezustandsmessung nur zuverlässig ist, wenn die Messzelle stromlos betrieben wird, also eine Leerlaufspannung (OCV – Open Circuit Voltage) gemessen wird. Dies ist mit erheblichen Kosten verbunden und aufwändig. Daher ist diese Vorgehensweise nachteilig.
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Aufgabe der vorliegenden Aufgabe ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit denen die oben genannten Nachteile vermieden werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Messung des Ladezustands eines Flow-Batterie-Stacks, der an einen Batterieanschluss eines Batteriewechselrichters angeschlossen ist, bei dem der Batterieanschluss für eine erste vorgegebene Zeit stromlos geschaltet wird und die Leerlaufspannung am Batterieanschluss gemessen wird. Die Leerlaufspannung wird dabei während der vorgegebenen Zeit mindestens einmal gemessen. Sie kann jedoch grundsätzlich beliebig oft in dieser Zeit gemessen werden. Die erste vorgegebene Zeit ist abhängig von der verwendeten Geometrie und der verwendeten Komponenten, insbesondere von der Pumpleistung der Pumpen, die Elektrolyt in den Flow-Batterie-Stack pumpen. Die vorgegebene Zeit muss so lange gewählt werden, dass sich die Elektrolyt-Konzentration in dem Flow-Batterie-Stack nahezu in einem stationären Zustand (steady state) befindet. Sind die Geometrie und die Komponenten des Systems bekannt, kann eine Systemfunktion abgeleitet werden und kann die Zeit verkürzt werden. Wenn die Zeit verkürzt werden kann, werden die weiteren an den Batteriewechselrichter angeschlossenen Flow-Batterien geschont.
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Der Ladezustand kann anhand der gemessenen Leerlaufspannung und einer Batteriekennlinie ermittelt werden. Bei einem Flow-Batterie-Stack liegt diese Leerlaufspannung üblicherweise zwischen 0,6 und 1,7 V pro Zelle. Ein Stack besteht üblicherweise aus 20 oder 40 Zellen. Abweichungen von diesen Zahlen sind möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei jeder beliebigen Zell- oder Stackkonfiguration anwendbar. Unter Verwendung der Leerlaufspannung und der Batteriekennlinie lässt sich ein Ladezustand ermitteln, ohne eine eigene Messzelle einsetzen zu müssen.
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Die durch Stromlosschalten des einen Batterieanschlusses fehlende Leistung kann durch Stacks oder andere Batterien, die an weitere Batterieanschlüsse des Batteriewechselrichters angeschlossen sind, und/oder eine Leistungselektronik des Wechselrichters kompensiert werden. Somit lässt sich die durch Abschalten des Batterieanschlusses fehlende Leistung auch bei Nennbetrieb kompensieren. Es kommt somit zu keiner Beeinträchtigung des Wechselstromversorgungsnetzes bzw. der Netzqualität oder des Komforts.
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Vorzugsweise wird die Leerlaufspannung nach Ablauf einer zweiten vorgegebenen Zeit gemessen. Insbesondere wird die zweite Zeit vorzugsweise so gewählt, dass eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich die Elektrolytkonzentration in einer Zelle des Flow-Batterie-Stacks im stationären Zustand befindet.
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Es können nacheinander mehrere, insbesondere alle, Batterieanschlüsse des Batteriewechselrichters stromlos geschaltet werden und der Ladezustand des zugeordneten Stacks ermittelt werden. Durch diese Maßnahme lässt sich über die erfasste Gleichmäßigkeit bzw. Ungleichmäßigkeit der gemessenen Leerlaufspannungen auf mögliche Fehler bei den Stacks und Pumpen schließen. Auch kann auf die Alterung der Zellen oder deren Membran geschlossen werden. Es kann eine Wartungsempfehlung generiert werden, wenn eine Unregelmäßigkeit oder eine Alterung festgestellt wird.
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Insbesondere können die an den Batterieanschlüssen ermittelten Leerlaufspannungen verglichen werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die an den Batterieanschlüssen ermittelten Leerlaufspannungen mit einer an einer Messzelle ermittelten Leerlaufspannung verglichen werden. Auf diese Art und Weise kann eine Systemfunktion ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann durchgeführt werden, während der Batteriewechselrichter im Betrieb ist, insbesondere im Volllastbetrieb ist. Zu diesem Zweck muss der Batteriewechselrichter so ausgelegt sein, dass seine Batterieanschlüsse überlastfähig sind. Alternativ ist es denkbar, Einbußen in der Ausgangsleistung in Kauf zu nehmen. Dies ist z. B. in einem Betriebszustand möglich, wenn nicht volle Leistung benötigt bzw. angefragt wird.
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Das Verfahren kann weiterhin dazu dienen, die Zeit, in der eine Batterie bei einem hohen Ladestatus (state of charge) betrieben wird, zu überwachen. Durch wiederkehrende Ladezustandsmessungen an den einzelnen Stacks kann über die Messung auf die Alterung des Stacks geschlossen werden und gegebenenfalls eine Wartung empfohlen werden. Weiterhin kann die Zeit ermittelt werden, während der sich ein Stack in einem bestimmten Ladezustand befindet.
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Der Ladezustand eines oder mehrerer Flow-Batterie-Stacks kann zyklisch oder aufgrund von interner, z. B. durch einen internen Controller, oder externer, z. B. durch einen Benutzer, wobei ein Benutzer ein Energiemanagementsystem sein kann, Anforderung bestimmt werden. Die zyklische Ladezustandsbestimmung kann nach einem vorgegebenen Plan ablaufen.
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Eine Messung der Leerlaufspannung oder Ladezustandsbestimmung kann als nicht notwendig gekennzeichnet oder verworfen werden, wenn seit der letzten Ladezustandsbestimmung keine Leistung gewandelt wurde. Insbesondere kann eine Steuerung die Messungen oder Ladezustandsbestimmungen entsprechend kennzeichnen oder verwerfen. Dadurch wird sichergestellt, dass keine überflüssigen Daten verwendet werden.
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Eine Messung oder Ladezustandsbestimmung kann als ungültig gekennzeichnet oder verworfen werden, wenn die den Elektrolyt der Flow-Batterie-Stacks pumpenden Pumpen nicht ausreichend lange vor der Messung liefen, um einen eingeschwungenen Zustand im System, insbesondere stationären Zustand des Elektrolyts in den Flow-Batterie-Stacks sicherzustellen. Dadurch können Fehlinterpretationen der Messergebnisse vermieden werden. Insbesondere kann eine Messung verworfen werden, wenn die zeitliche Ableitung der gemessenen Leerlaufspannung ungleich Null ist oder maximal einen vorgegebenen Wert von Null abweicht.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Batteriemanagementsystem mit einer Steuerung und einem Batteriewechselrichter, der ausgelegt ist, einen Flow-Batterie-Stack zu laden und/oder zu entladen, umfassend
- a. mehrere Batterieanschlüsse, an die jeweils ein Flow-Batterie-Stack anschließbar ist;
- b. eine Messeinrichtung, die geeignet ist, die Spannung an einem Batterieanschluss zu messen und die mit der Steuerung signaltechnisch verbunden ist;
- c. einen Netzanschluss, der an ein Wechselstromversorgungsnetz anschließbar ist;
- d. wobei die Steuerung ausgelegt ist, einen Batterieanschluss für eine erste vorgegebene Zeit stromlos zu schalten.
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Weiterhin sind die Batterieanschlüsse vorzugsweise ausgelegt, bei Überlast betrieben zu werden. Dadurch ist es möglich, bei der Stromlosschaltung eines Batterieanschlusses die anderen Flow-Batterie-Stacks mit Überlast zu betreiben und dadurch den durch die Abschaltung des einen Batterieanschlusses bedingten Leistungsverlusts zu kompensieren. Dadurch ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch im Nennbetrieb durchzuführen. Vorzugsweise ist die Steuerung Bestandteil des Batteriewechselrichters und im Wechselrichter angeordnet. In diesem Fall kann das Batteriemanagementsystem dem Batteriewechselrichter entsprechen. Denkbar ist jedoch auch eine Anordnung der Steuerung außerhalb des Batteriewechselrichters.
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Es kann eine Ladezustandsberechnungseinheit vorgesehen sein, die eingerichtet ist, aus einer Batteriekennlinie und einer durch die Messeinrichtung gemessenen Spannung einen Ladezustand zu ermitteln.
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In der Ladezustandsberechnungseinheit oder einem damit verbundenen Speicher können Batteriekennlinien abgelegt sein, die verwendet werden können, um anhand der gemessenen Leerlaufspannung einen Ladezustand zu berechnen. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Batteriewechselrichters bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine separate Messzelle eingespart werden. Darüber hinaus spart man dann auch Rohre und gegebenenfalls Pumpen für den Elektrolyt ein. Auch ein eigener Spannungssensor sowie eine Messwertverarbeitung können für die Messzelle eingespart werden. Die Ladezustandsberechnungseinheit kann auch ausgelegt und/oder eingerichtet sein, die Zeit zu messen oder zu zählen, während der ein Flow-Batterie-Stack in einem bestimmten Ladezustand ist.
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Der erfindungsgemäße Wechselrichter ist vorzugsweise für Überlast ausgelegt. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um während des Betriebs einen Batterieanschluss in Leerlauf zu schalten, während die anderen Batterieanschlüsse durch ihre Überlastfähigkeit die fehlende Leistung kompensieren. Nach einer gewissen Zeit im Leerlauf hat sich der Ladezustand des im Leerlauf betriebenen Stacks hinreichend an den Ladezustand im Elektrolyttank angeglichen, so dass eine verwendbare Messung der Leerlaufspannung möglich ist. Somit wird eine separate Messzelle entbehrlich.
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Über ein Abschalten der Batterieanschlüsse reihum lässt sich feststellen, ob die jeweils dazugehörigen Stack-Gruppen gleichmäßige Leerlaufspannungen haben. Weicht die Leerlaufspannung bei einem Stack stark ab, kann daraus auf ein Problem am Stack (insbesondere dessen Membran), an der Verrohrung oder den Pumpen geschlossen werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend in Bezug auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 stark schematisiert ein Batteriemanagementsystem;
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2 ein Diagramm, bei dem der Strom an drei Batterieanschlüssen gegenüber der Zeit aufgetragen ist.
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Die 1 zeigt ein Batteriemanagementsystem 1 mit einem bidirektionalen Wechselrichter 2. Der bidirektionale Wechselrichter 2 umfasst einen AC/DC-Wandler 3, der mit einem Netzanschluss 4 des Wechselrichters 2 verbunden ist. An den AC/DC-Wandler 3 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel 3 DC/DC-Wandler 5 bis 7 angeschlossen, die jeweils an einen Batterieanschluss 8 bis 10 des Wechselrichters 2 angeschlossen sind. An die Batterieanschlüsse 8 bis 10 ist jeweils ein Flow-Batterie-Stack 11 bis 13 angeschlossen. Die Flow-Batterie-Stacks 11 bis 13 können mehrere Batterie-Zellen aufweisen. An den Batterieanschlüssen 8 bis 10 sind jeweils Messeinrichtungen 14 bis 16 angeordnet, mit denen die Spannung an den Batterieanschlüssen 8 bis 10 überwacht bzw. erfasst werden kann. Dadurch wird gleichzeitig die Spannung an den Flow-Batterie-Stacks 11 bis 13 überwacht. Die Messeinrichtungen 14 bis 16 sind mit einer Steuerung 17 signaltechnisch verbunden. Die Steuerung 17 ist weiterhin signaltechnisch mit dem AC/DC-Wandler 3 und den DC/DC-Wandlern 5 bis 7 verbunden. Die Steuerung 17 wird durch eine Hilfsleistungsversorgung 18 mit Leistung versorgt. Die Hilfsleistungsversorgung 18 ist im Ausführungsbeispiel mit dem Netzanschluss 4 verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in beiden Leistungsflussrichtungen durchführbar. Die Hilfsleistungsversorgung wird für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht benötigt.
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In der Steuerung ist eine Ladezustandsberechnungseinheit integriert. Denkbar ist es jedoch auch, die Ladezustandsberechnungseinheit außerhalb der Steuerung 17 vorzusehen und mit den Messeinrichtungen 14–16 zu verbinden.
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Weiterhin umfasst das Batteriemanagementsystem Elektrolyt-Tanks 20, 21. Pumpen 22, 23 können Elektrolyt aus den Elektrolyt-Tanks 20, 21 zu den Flow-Batterie-Stacks 11 bis 13 pumpen. Hierfür ist ein entsprechendes Leitungssystem vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist – um die Übersichtlichkeit zu wahren – nur das Leitungssystem gezeigt, mit dem der Flow-Batterie-Stack 11 versorgt wird. Weiterhin ist eine Messzelle 24 gezeigt, die auch zur Ladezustandsüberwachung dienen kann und ebenfalls an die Steuerung 17 angeschlossen sein kann. Das Batteriemanagementsystem 1 weist weiterhin eine übergeordnete Steuerung 25 auf, mit der nicht nur der Wechselrichter 2, sondern auch beispielsweise die Pumpen 22, 23 gesteuert werden können. Die übergeordnete Steuerung 25 könnte auch im Wechselrichter 2 angeordnet sein. Insbesondere könnte sie in der Steuerung 17 angeordnet sein. Alternativ wäre es denkbar, die Steuerung 17 in die übergeordnete Steuerung 25 zu integrieren. Die Bestimmung des Ladezustands der Flow-Batterie-Stacks 11–13 wird anhand der 2 erläutert.
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In der 2 ist auf der horizontalen Achse die Zeit und auf der vertikalen Achse der Betrag des Stroms aufgetragen. Im Zeitintervall zwischen t0 und t1 ist der Strom an den Batterieanschlüssen 8–10 jeweils der Nennstrom bzw. der aktuell erforderliche Strom. Dies ist durch die Bezugsziffern 100, 101, 102 dargestellt.
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Zum Zeitpunkt t1 wird der Batterieanschluss 8 für eine vorgegebene erste Zeit Δt1 stromlos geschalten, was durch die Bezugsziffer 103 dargestellt ist. Der Strom beträgt 0 A. Die Batterieanschlüsse 9 und 10 werden in diesem Fall mit Überlast betrieben, d. h. mit einem höherem Strom als dem Nennstrom, was durch die Linien bei den Bezugsziffern 104, 105 angedeutet ist.
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Die Messung der (Leerlauf-)Spannung am Batterieausgang 8 kann zum Zeitpunkt t1 beginnen. Allerdings werden vorzugsweise Messergebnisse erst nach Ablauf einer vorgegebenen zweiten Zeit Δt2 für die Ladezustandsbestimmung verwendet oder wird erst nach Ablauf dieser Zeit mit Messungen begonnen. Je nach Vorgeschichte (Ladebetrieb, Entladebetrieb, Stand-by, etc.) ist der Ladezustand des Elektrolyts im Flow-Batterie-Stack nicht genau entsprechend dem im Elektrolyttank. Insbesondere, wenn kurz vor der Messung der Flow-Batterie-Stack mit hoher Leistung betrieben wurde, ist der Ladezustand im Stack anders als im Tank. Durch das Umwälzen des Elektrolyts durch die Pumpen gleicht sich der Ladezustand im Leerlauf mit der Zeit wieder an. Daher wird erst eine erste Zeit Δt2 abgewartet, ehe eine Spannungsmessung im stationären Zustand durchgeführt wird. Anhand der gemessenen Spannung und einer Batteriekennlinie kann der Ladezustand des an den Batterieanschluss 8 angeschlossenen Flow-Batterie-Stacks 11 ermittelt werden. Nach Ablauf der zweiten vorgegebenen Zeit Δt2 kann die Leerlaufspannung auch mehrmals gemessen werden.
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Zum Zeitpunkt t2 wird auch der Batterieanschluss 8 wiederum mit Nennstrom bzw. dem aktuell erforderlichen Strom betrieben. Entsprechend ist an den Batterieanschlüssen 9 und 10 der Strom auch der Nennstrom bzw. der erforderliche Strom, so dass dieselbe Situation wie im Zeitintervall zwischen t0 und t1 vorliegt. Anschließend wird zum Zeitpunkt t3 der Batterieanschluss 9 stromlos geschaltet, was durch die Bezugsziffer 106 angedeutet ist. Die Batterieanschlüsse 8 und 10 werden dagegen mit einem höheren Strom betrieben als dem Nennstrom, was durch die Bezugsziffern 107 und 108 angedeutet ist. Eine Messung der Leerlaufspannung erfolgt wiederum nach Ablauf einer Zeit Δt2. In der Folge wiederholt sich die bisher beschriebene Vorgehensweise auch für den dritten Batterieanschluss 10. Es versteht sich, dass die Reihenfolge der Stromlosschaltung der Batterieanschlüsse 8–10 beliebig gewählt werden kann. Auch können mehr als drei Batterieanschlüsse 8–10 vorgesehen sein.
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An der Messzelle 24 kann ebenfalls eine Leerlaufspannung gemessen werden. Diese kann mit den Leerlaufspannungen verglichen werden, die an den Batterieanschlüssen 8–10 ermittelt wurden.
