DE102023134569A1 - Redox flow battery system and method of operation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Redox-Flow Batterie-System und Verfahren zum Betrieb, wobei das Verfahren zum Betrieb die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit des Redox-Flow Batterie-System erhöht. The invention relates to a redox flow battery system and method for operating it, wherein the method for operating it increases the reliability and availability of the redox flow battery system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Redox-Flow Batterie-System und Verfahren zum Betrieb, wobei das Verfahren zum Betrieb die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit des Redox-Flow Batterie-System erhöht.The invention relates to a redox flow battery system and method for operating it, wherein the method for operating it increases the reliability and availability of the redox flow battery system.
Betrachtungen zum Stand der Technik:Considerations on the state of the art:
Die genannten Dokumente zeigen ein Redox-Flow-Batterie-System (RFBS) 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 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 (siehe insbesondere die
The documents mentioned show a redox flow battery system (RFBS) comprising at least two battery modules (1), a bidirectional converter (7) and a control device (8), wherein the battery modules (1) are connected in series and to the converter (7), and wherein each battery module (1) comprises a cell arrangement (2) with a plurality of redox flow cells and a tank device (3) for storing electrolyte and for supplying the cell arrangement (2) with electrolyte, and wherein the battery system comprises a DC-DC converter (17) for each battery module (1), wherein one connection of each DC-DC converter (17) is connected to a respective battery module (1), and a second connection of each DC-DC converter (17) is connected to a common DC bus, and wherein the battery system comprises a further converter (16) which is connected to the DC bus, and wherein the control device (8) is thus connected to the further converter (16) and to the DC-DC converters (17) is connected, that the control device (8) can control the further converter (16) and the DC-DC converters (17) (see in particular the
Nachteile und Einschränkungen des zitierten Standes der Technik: Redox-Flow-Batterie-System die aus einer Serienschaltung einer Vielzahl von Batteriemodulen hergestellt werden, unterliegen der Notwendigkeit, dass die Verfügbarkeit des RFBS durch die Funktionsfähigkeit aller Batteriemodule definiert wird. Aus diesem Grund kommt in vielen dieser Systeme Schalter zum Einsatz (siehe (9) und (10) in zitierten Stand der Technik) deren Zweck ein Bypass von einzelnen Batterie Modulen ist. Eine der Hauptursachen für Defekte in einzelnen Batteriemodulen ist die Lebensdauer und Unzuverlässigkeit der Verschaltung der elektronischen Komponenten (z.B. der Umrichter (16) und die Gleichspannungswandler (17) in den zitierten Dokumenten). Zusätzlich unterliegen die oben genannten Bypass-Schalter (9) und (10) einer hohen Belastung durch Kurzschlussströme und damit einer erhöhten Ausfallrate. Zusätzlich bringt die Ausführung nach dem Stand der Technik den Nachteil, dass beim Ausfall des Umrichters (16) in der Verbindung des gemeinsamen Gleichstrombus, Schadensbilder entstehen die Ausfälle bei mehreren der Gleichspannungswandlern (17) verursachen und damit trotz einer Ausführung mit Bypass-Schaltern (9) und (10) in einem Ausfall des gesamten RFBS resultieren. Bei den im Stand der Technik offenbarten RFBS kann es durch die räumliche Ausprägung in Kombination mit einer geringen Spannungsebene in einem räumlich sehr verteilten gemeinsamen Gleichstrombus dazu führen, dass in solchen RFBS zusätzliche elektrische Verluste entstehen, welche die Effizienz verringern, oder dieselben durch große Kabelquerschnitte vermieden werden müssen, was jedoch in erhöhten Kosten für das so ausgebildete RFBS resultiert.Disadvantages and limitations of the cited prior art: Redox flow battery systems constructed from a series connection of a large number of battery modules require that the availability of the RFBS be defined by the functionality of all battery modules. For this reason, many of these systems use switches (see (9) and (10) in the cited prior art) whose purpose is to bypass individual battery modules. One of the main causes of defects in individual battery modules is the lifetime and unreliability of the interconnection of the electronic components (e.g., the inverter (16) and the DC-DC converters (17) in the cited documents). In addition, the above-mentioned bypass switches (9) and (10) are subject to high loads from short-circuit currents and thus an increased failure rate. In addition, the prior art design has the disadvantage that if the converter (16) fails in the connection of the common DC bus, damage patterns arise that cause failures in several of the DC-DC converters (17) and thus result in a failure of the entire RFBS despite a design with bypass switches (9) and (10). In the RFBS disclosed in the prior art, the spatial characteristics in combination with a low voltage level in a spatially very distributed common DC bus can lead to additional electrical losses occurring in such RFBS, which reduce efficiency, or these losses must be avoided by using large cable cross-sections, which, however, results in increased costs for the RFBS designed in this way.
Die zitierten Schriften offenbaren das folgende Verfahren zur Verringerung von während des Ladens und Entladens 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 undzweiten 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.
The cited documents disclose the following method for reducing imbalances occurring during charging and discharging of the battery system, comprising at least one of the following steps:
- • When charging the battery system, the DC-DC converters 17 are controlled by the
control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module with regard to a controlled variable in such a way that a DC-DC converter 17 transfers so much electrical energy to the DC bus that one of the two battery modules is charged less quickly than the other battery module. - • When discharging the battery system, the DC-DC converters 17 are controlled by the
control device 8 to reduce the difference between a first andsecond battery module 1 with regard to a controlled variable in such a way that a DC-DC converter 17 dissipates so much electrical energy from the DC bus that one of the two battery modules is discharged less quickly than the other battery module.
Die offenbarte Anordnung 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. Dieser Mechanismus zu einem beschleunigten Laden bzw. Entladen der „langsamen“ Module.The disclosed arrangement also allows, at least when the converter 16 has a separate grid connection, for the
Nachteile und Einschränkungen des zitierten Standes der Technik:
- Es ergeben sich die gleichen Nachteile und Einschränkungen wie oben gezeigt, insbesondere zur räumlichen Ausbreitung, der Fehleranfälligkeit und Verluste des gemeinsamen Gleichstrombusses. Und zusätzlich können in dieser Ausführungsform einzelne Batteriemodule im Falle eines Problems bei den Umrichter 16 oder bei den Gleichspannungswandlern 17 nur durch die Bypass-
Schalter 9 oder 10 deaktiviert werden. Ein weiterer Nachteil dieser Ausführung ist die Tatsache, dass man für die Ausgleichslogik nur dann drei vorteilhafte Zustände erreichen kann, wenn die DC/DC-Wandler 17 bidirektional ausgeführt werden.
- The same disadvantages and limitations as outlined above arise, particularly regarding spatial spread, susceptibility to faults, and losses of the common DC bus. Additionally, in this embodiment, individual battery modules can only be deactivated by the
bypass switches 9 or 10 in the event of a problem with the inverters 16 or the DC-DC converters 17. A further disadvantage of this design is the fact that three advantageous states for the balancing logic can only be achieved if the DC/DC converters 17 are bidirectional.
Diese Schrift offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Vanadium Redox-Flow-Batterie-System, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: S1: Verbinden wenigstens eines Batteriemoduls (1) mit einem Umrichter (6, 7); S2: Einspeisung eines Stroms in das wenigstens eine Batteriemodul (1), welches im Schritt S1 mit dem Umrichter (6, 7) verbunden worden ist, so lange bis wenigstens ein Teil des zu diesem Batteriemoduls (1) gehörigen Elektrolyten einen Ladezustand erreicht, der wenigstens so hoch wie ein vordefinierter Schwellwert ist; S3: Ansteuerung der ersten und zweiten Schalter (9, 10) so, dass sich alle Batteriemodule (1) in einer Serienschaltung befinden, welche mit dem bidirektionalen Umrichter (6) verbunden ist; S4: Einspeisung eines Stroms in die Serienschaltung aus Schritt S3, wobei in allen Batteriemodulen (1) Elektrolyt gefördert wird (siehe insbesondere die
This document discloses a method for operating a vanadium redox flow battery system, the method comprising the following steps: S1: Connecting at least one battery module (1) to a converter (6, 7); S2: Feeding a current into the at least one battery module (1) which has been connected to the converter (6, 7) in step S1, until at least a portion of the electrolyte belonging to this battery module (1) reaches a state of charge which is at least as high as a predefined threshold value; S3: Controlling the first and second switches (9, 10) such that all battery modules (1) are in a series circuit which is connected to the bidirectional converter (6); S4: Feeding a current into the series circuit from step S3, wherein electrolyte is pumped into all battery modules (1) (see in particular the
Nachteile und Einschränkungen des zitierten Sandes der Technik:
- Der
Umrichter 7 kann nicht vollumfänglich flexibel eingesetzt werden, weil die Schalter 11 und 12 nur dazu benutzt werden können, den Umrichter mit einem oder mehrerenBatteriemodulen 1 zu verbinden oder zu trennen. Es ist jedoch nicht möglich denUmrichter 7 gleichzeitig zum Laden und Entladen für diejeweiligen Batteriemodulen 1 zu nutzen.
- The
converter 7 cannot be used with complete flexibility because switches 11 and 12 can only be used to connect or disconnect the converter to one ormore battery modules 1. However, it is not possible to use theconverter 7 to charge and discharge therespective battery modules 1 simultaneously.
Diese Schrift offenbart eine Ausgleichseinheit, die Spannungen von mehreren elektrischen Speicherzellen abgleicht; und eine Elektrizitätssende-/-empfangseinheit, die ohne Abschalten oder Umschalten einer elektrischen Verbindung zwischen (a) den mehreren elektrischen Speicherzellen und (b-1) einer Last, die elektrische Energie der mehreren elektrischen Speicherzellen verwendet, oder (b-2) einer Ladevorrichtung, die die mehreren elektrischen Speicherzellen auflädt, (i) elektrische Energie der mehreren elektrischen Speicherzellen zu einer externen Anordnung sendet, die von der Last und der Ladevorrichtung verschieden ist, oder (ii) elektrische Energie empfängt, die den mehreren elektrischen Speicherzellen von der externen Anordnung zugeführt wird.
This document discloses an equalization unit that equalizes voltages of a plurality of electric storage cells; and an electricity transmission/reception unit that, without turning off or switching an electrical connection between (a) the plurality of electric storage cells and (b-1) a load that uses electric power of the plurality of electric storage cells or (b-2) a charging device that charges the plurality of electric storage cells, (i) transmits electric power of the plurality of electric storage cells to an external device different from the load and the charging device, or (ii) receives electric power supplied to the plurality of electric storage cells from the external device.
Die Elektrizitätssende-/-empfangseinheit zeigt einen isolierten bidirektionalen Gleichspannungswandler.The electricity transmitting/receiving unit shows an isolated bidirectional DC-DC converter.
Nachteile und Einschränkungen des zitierten Standes der Technik:
- Die zitierte Schrift offenbart, wie die oben genannten Schriften, Ausführungsformen, die durch eine Abhängigkeit/Kopplung der Ausgleich-Korrektur-Einheit 220 und/oder der Schutzeinheit 230 und/oder des Gleichspannungswandlers 330, zu einer Reduzierung der Verfügbarkeit des RFBS führen können.
- The cited document, like the above-mentioned documents, discloses embodiments that can lead to a reduction in the availability of the RFBS due to a dependency/coupling of the compensation correction unit 220 and/or the protection unit 230 and/or the DC-DC converter 330.
Die Funktionsfähigkeit aller Batteriemodule definiert auch hier die Verfügbarkeit der in Serie geschalteten Batterie. Auch hier bietet der Stand der Technik keine geeignete Möglichkeit, die Verfügbarkeit zu erhöhen und wichtige Funktionen zur Herstellung der Betriebsfähigkeit und dem Erhalt der Betriebsfähigkeit zu ermöglichen.Here, too, the functionality of all battery modules determines the availability of the series-connected battery. Here, too, the current state of the art does not offer a suitable way to increase availability and enable important functions for establishing and maintaining operational capability.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Redox-Flow Batterie-System und Verfahren zum Betrieb desselben anzugeben, welche eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aufweisen.The object of the invention is to provide a redox flow battery system and a method for operating the same which have a high level of reliability and availability.
Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere die Probleme und Einschränkungen aus dem Stand der Technik zu beseitigen und die Verfügbarkeit eines RFBS zu erhöhen. Dies wird erfindungsgemäß durch eine dezentrale und verbesserte Ausgleicheinheit erreicht, die in der Lage ist, den Erhalt der Betriebsfähigkeit und die Wiederherstellung der Betriebsfähigkeit zu ermöglichen. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung die Außerinbetriebnahme einzelner Batteriemodule, was den Service des RFBS unterstützt. Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung zur Wiederherstellung der Leistungsfähig eines Batteriemodus genutzt werden.The object of the invention is, in particular, to eliminate the problems and limitations of the prior art and to increase the availability of an RFBS. This is achieved according to the invention by a decentralized and improved balancing unit capable of maintaining and restoring operational capability. Furthermore, the arrangement according to the invention enables the decommissioning of individual battery modules, which supports the servicing of the RFBS. In addition, the arrangement according to the invention can be used to restore the performance of a battery mode.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung und ein Verfahren entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by an embodiment and a method according to the independent claims. Further advantageous embodiments of the present invention can be found in the subclaims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1 : Batteriemodul -
2 : Erfindungsgemäßes Redox-Flow Batterie-System -
3 : Erfindungsgemäße Ausgleichseinheit -
4 : Schalteinrichtung in einer ersten Ausführungsform -
5 : Schalteinrichtung in einer weiteren Ausführungsform -
6 : Schalteinrichtung in einer weiteren Ausführungsform -
7 : Schalteinrichtung in einer weiteren Ausführungsform
-
1 : Battery module -
2 : Inventive redox flow battery system -
3 : Compensation unit according to the invention -
4 : Switching device in a first embodiment -
5 : Switching device in a further embodiment -
6 : Switching device in a further embodiment -
7 : Switching device in a further embodiment
Das Redox-Flow Batterie-System umfasst ferner eine Ausgleichseinheit, welche mit 60 bezeichnet ist. Die Ausgleichseinheit 60 kann einem einzelnen Batteriemodul (1) zugeordnet werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in der
Die Speisung der Ausgleichseinheit 60 erfolgt dabei durch eine Energieversorgungseinheit 30, die in einer bevorzugten Variante der Erfindung als Wechselspannungsnetz ausgebildet ist. In weiteren Ausführungsformen kann die Energieversorgungseinheit 30 als unterbrechungsfreie Versorgung ausgebildet sein, die Fehler und temporäre Störungen im Wechselspannungsnetz zeitweise kompensiert und damit die Verfügbarkeit weiter erhöht. Der vorteilhafte Nutzen der unterbrechungsfreien Stromversorgungen, die als elektrische Quelle für die Hilfssysteme 6 in den Batteriemodulen 1, für die Hilfssysteme des Hauptumrichters 7 und für die Steuereinrichtung 8 genutzt werden kann, ist die Ertüchtigung des RFBS für einen netzunabhängigen Betrieb. Dies ist besonders vorteilhaft, falls die Redox-Flow Batterie-System zum Zweck der Netzstabilisierung, zum Betrieb eines Inselnetzes oder zur Wiederherstellung des öffentlichen Netzes (Schwarzstart) genutzt werden soll.The balancing
Eine Möglichkeit, um die unterbrechungsfreie Stromversorgung zu ermöglichen, ist die Verwendung von Back-up-Systemen, wie Dieselgeneratoren, Batterien oder Kondensatoren. Diese Systeme können bei Unterspannungen oder Stromausfällen die notwendige Energie liefern, um die Energieversorgungseinheit 30 und damit das Batteriekraftwerk wieder in Betrieb zu nehmen. So wird sichergestellt, dass die Stromversorgung auch bei unvorhergesehenen Ereignissen stabil bleibt. Diese Backup-Systeme haben je nach Ausführung unterschiedliche Spannungsformen als Wechselspannung oder Gleichspannung. In einer vorteilhaften Ausführung wird der Umrichter 20 in derselben Spannungsform ausgeführt, die durch die unterbrechungsfreie Stromversorgung durch die Energieversorgungseinheit 30 bereitgestellt wird. Im Falle einer Wechselspannung wird der Umrichter 20 als AC-DC ausgeführt, im Falle einer Gleichspannung wird der Umrichter 20 als DC-DC ausgeführt.One way to enable an uninterruptible power supply is to use backup systems, such as diesel generators, batteries, or capacitors. In the event of undervoltages or power outages, these systems can supply the necessary energy to restart the
Ein weiterer Vorteil einer Ausführung der Energieversorgungseinheit 30 als unterbrechungsfreie Stromversorgung ist die Möglichkeit, durch einen vergleichsweise kleinen Energieeinsatz, das Spannungsniveau in der Zellanordnung 2, bei deaktiviertem Durchfluss aus der Tankeinrichtung 3, auf ein Niveau anzuhaben bei der der Hauptumrichter 7 aktiviert und aktiv an der Netzstabilisierung teilnehmen kann.A further advantage of designing the
Die Ausgleichseinheit 60 umfasst ferner eine Schutz- und Isolationseinheit, welche mit 40 bezeichnet ist, einen Umrichter, welcher mit 20 bezeichnet ist, und eine Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit, welche mit 50 bezeichnet ist. Dabei ist die Schutz- und Isolationseinheit als optional zu betrachten. Die Energieversorgungseinheit 30 kann durch die Schutz- und Isolationseinheit 40 vom Potential des Batteriemoduls 1 getrennt werden.The balancing
Die Steuereinrichtung 8 ist so ausgebildet, dass dieselbe die Ausgleichseinheiten 60, die Pumpen in den Batteriemodulen 1, den Hauptumrichter 7 und eventuell vorhandene Bypass-Schalter 9 steuern kann.The
Die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 dient dem Zweck die Verfügbarkeit des Batteriemoduls 1 zu erhöhen. Dies wird im Zusammenhang mit den
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Schutzeinheit 41 durch ein allpoliges Relais realisiert und/oder durch einen passiven Schaltkreis der hohe Einschaltströme beim Aktivieren und Deaktivieren der Ausgleichseinheit 60 dämpft.In a preferred embodiment of the invention, the
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Isolationseinheit 42 durch einen Trenntransformator, z.B. in der Ausführungsform eines Ringkerntransformators umgesetzt. Weitere Ausführungsformen sind dabei möglich und können z.B. bei unterschiedlichen Spannungen oder Netzformen vorteilhaft sein.In a preferred embodiment of the invention, the
In einer weiteren Ausführungsform kann die Schutz- und Isolationseinheit 40 komplett entfallen.In a further embodiment, the protection and
Der Umrichter 20 ermöglicht ein Verfahren zur Verringerung von während des Ladens und Entladens des Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten. Dabei kann der Umrichter Uni- oder Bidirektional ausgeführt sein. Der Umrichter 20 kann eingesetzt werden, um einen Spannungsaufbau im Batteriemoduls 1 zu beschleunigen oder zu verzögern oder nicht zu beeinflussen. In einer bevorzugten Ausführungsform können einzelne oder alle Bestandteile der Schutz- und Isolationseinheit 40 im Umrichter 20 auf der Eingangs- oder Ausgangsseite integriert sein. Der Umrichter 20 ist in der Lage, diese Beeinflussung additiv zu einer äußeren Ladung oder Entladung des Batterie-Systems (und damit der Batteriemodule 1) durch den Hauptumrichter 7 durchzuführen. The
Die Ausführung des Umrichters 20 als uni- oder bidirektionaler Umrichter erlaubt die Wiederherstellung der Betriebsfähigkeit bei einer erstmaligen Inbetriebsetzung oder nach einer Entladung zu Servicezwecken. In diesem Fall wird der Spannungsaufbau im Batteriemoduls 1 durch die jeweilige Ausgleichseinheit 60 und die Energieversorgungseinheit 30 bereitgestellt.The design of the
Die Ausführung des Umrichters 20 als bidirektionaler Umrichter erlaubt, es dem betreffenden Batteriemodul 1 einen Zustand einzuprägen, der eine Außerinbetriebnahme z.B. beim Service unterstützt. In diesem Fall wird der Spannungsabbau im betreffenden Batteriemodul 1 durch die Ausgleichseinheit 60 und die Energieversorgungseinheit 30 bewerkstelligt.The design of the
Die Ausführung des Umrichters 20 als bidirektionaler Umrichter erlaubt es weiterhin, die Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Batteriemodul 1 durch die Ausgleichseinheit (60) und die Energieversorgungseinheit 30 zu bewerkstelligen, indem der Spannungsabbau ausschließlich durch die Ausgleichseinheit 60 oder im Zusammenspiel mit der äußeren Entladung über den bidirektionalen Hauptumrichter 7 zu einer Umkehr der Spannung in einem Batteriemodul 1 eingesetzt wird.The design of the
Die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 dient wie gesagt dem Zweck, die Verfügbarkeit des Batteriemoduls 1 zu erhöhen. Dazu umfasst die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 eine integrierte Schalteinrichtung, welche mit 52 bezeichnet ist. Mit Hilfe der integrierten Schalteinrichtung 52, kann das betreffende Batteriemodul 1 von Beeinflussungen durch die Ausgleichseinheit 60 entkoppelt werden. Dazu umfasst eine integrierte Schalteinrichtung 52 wenigstens einen Schalter, durch den eine beliebige der beiden DC-Verbindungen zum Batteriemodul 1 getrennt werden können.The unit for increasing
Die
Dazu umfasst die in
Dieselbe Funktionalität weist die in
Diese besonders vorteilhaften Ausführungsformen mit der Möglichkeit, die Polarität der Ausgleichseinheit 60 zu wechseln, erlauben es, für den Umrichter 20 einen unidirektionalen Umrichter zu verwenden. Dadurch kann der Umrichter 20 dazu verwendet werden, dem Batteriemodul 1 einen Zustand einzuprägen, der eine Außerinbetriebnahme z.B. beim Service ermöglicht. In diesem Fall wird der Spannungsabbau im betreffenden Batteriemodul 1 durch die Ausgleichseinheit 60 und die Energieversorgungseinheit 30 bereitgestellt. Außerdem kann der Umrichter 20 dazu verwendet werden, die Wiederherstellung der Leistungsfähig des betreffenden Batteriemoduls 1 durch die Ausgleichseinheit 60 und die Energieversorgungseinheit 30 zur bewerkstelligen, indem der Spannungsabbau ausschließlich durch die Ausgleichseinheit 60 oder im Zusammenspiel mit dem äußeren Abbau der Spannung durch den Hauptumrichter 7 zur Umkehr der Spannung im betreffenden Batteriemodul 1 eingesetzt wird.These particularly advantageous embodiments, with the option of reversing the polarity of the balancing
Des Weiteren kann auch die native Funktion der Ausgleichseinheit 60 dazu eingesetzt werden, einen Spannungsaufbau im betreffenden Batteriemodul 1 zu beschleunigen oder zu verzögern oder nicht zu beeinflussen. Die genannten drei Zustände können dabei durch die Nutzung eines unidirektionalen Umrichters 20 und einer Schalteinrichtung 52 mit Umpolfunktionalität umgesetzt werden. Die Steuereinheit 8 kann in diesem Fall die Polarität der Ausgleichseinheit 60 in Abhängigkeit vom gewünschten Zustand (Spannungsaufbau des betreffenden Batteriemoduls 1 beschleunigen oder verzögern) und vom aktuellen Betriebszustand des RFBS (Laden oder Entladen) anpassen, um mit einem unidirektionalen Umrichter 20 die gewünschte Funktion umzusetzen. Ohne die Schalteinrichtung 52 mit Polaritätswechsler wäre hierfür stets ein bidirektionaler Umrichter 20 nötig, der eine geringere Verfügbarkeit, eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit und höhere Kosten mit sich bringt.Furthermore, the native function of the balancing
Die oben benannten Ausführungsformen der Schalteinrichtung 52 könnten bei fehlerhafter Ansteuerung oder Fehler in den Schaltern zu Störungen der Ausgleichseinheit 60 und/oder des betreffenden Batteriemoduls 1 führen. Die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 kann zur Vermeidung der genannten Probleme, um eine Schutzeinrichtung erweitert werden, welche in
Damit ein Redox-Flow-Batterie-System, die oben kurz angedeuteten und im Folgenden detailliert ausgeführten Verfahrensschritte automatisiert auszuführen kann, umfasst es ein Computersystem. Der Begriff Computersystem bezeichnet alle Einrichtungen, die geeignet sind, die beschriebenen Verfahrensschritte automatisiert durchzuführen, insbesondere auch besonders dafür entwickelte Speicherprogrammierbare Steuerungen, 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.In order for a redox flow battery system to be able to automatically carry out the process steps briefly outlined above and detailed below, it includes a computer system. The term computer system refers to all devices suitable for automatically carrying out the described process steps, in particular especially programmable logic controllers, ICs or microcontrollers, as well as ASICs (ASIC: application specific integrated circuit) specially developed for this purpose. The
Beschreibung der mit dem erfindungsgemäßen Batterie-System möglichen Verfahren:Description of the processes possible with the battery system according to the invention:
Erhöhung der Verfügbarkeit:Increase availability:
Bei einem Fehler in mindestens einem der Ausgleichseinheiten 60 kann es zu einer negativen Beeinflussung des zugehörigen Batteriemoduls 1 kommen. Um dies zu verhindern und so die Verfügbarkeit des Batterie-Systems insgesamt zu erhöhen, wird die betreffende Ausgleichseinheit im Fehlerfall vom zugehörigen Batteriemodul 1 elektrisch getrennt.A fault in at least one of the balancing
Die Trennung der Batteriemodule 1 oder der Zellanordnungen 2 vom unidirektionalen oder bidirektionalen Umrichter 20 kann mit Hilfe der Schalteinrichtung 52 bewerkstelligt werden, indem einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- - Öffnen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration, wie in
dargestellt. - - Öffnen mindestens eines Schalters 54 oder 55 in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie in
dargestellt - - Verschieben mindestens eines Schalters 54a oder 55b in eine neutrale Position in einer Konfiguration mit zwei Schaltern (mit neutralen Positionen), wie in
dargestellt. - -
56, 57, 58 und 59 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie inÖffnen aller Schalter dargestellt.
- -
Opening switch 53 in a one-switch configuration, as in shown. - - Opening at least one
54 or 55 in a two-switch configuration, as inswitch shown - - Moving at least one
54a or 55b to a neutral position in a configuration with two switches (with neutral positions), as inswitch shown. - - Opening all switches 56, 57, 58 and 59 in a four-switch configuration, as in
shown.
Initialisierung oder Wiederherstellung der Betriebsfähigkeit nach einer erstmaligen Inbetriebsetzung oder nach einer Entladung:Initialization or restoration of operational capability after initial commissioning or after discharge:
Die Initialisierung der Batteriemodule 1 mit einem unidirektionalen oder bidirektionalen Umrichter 20 kann mit einer Schalteinrichtung 52 erfolgen, indem einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- - Schließen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration, wie in
dargestellt, und Anlegen einer Ladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an die Zellanordnung 2) mit laufenden Pumpen zur Durchführung der Erstladung des Batteriemoduls 1 und ohne laufende Pumpen zur Durchführung der Erstladung derZellanordnung 2. - - Schließen der beiden
Schalter 54und 55 in einer Konfiguration mit zwei Schaltern, wie in dargestellt, und Anlegen einer Ladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an die Zellanordnung 2) mit laufenden Pumpen, um eine Anfangsladung des Batteriemoduls 1 durchzuführen, und ohne laufende Pumpen, um eine Anfangsladung der Zellanordnung 2 durchzuführen. - - Schalten der beiden
55b in die erste Position in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie inSchalter 54a und dargestellt, und anlegen einer Ladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an die Zellanordnung 2), wobei die Pumpen laufen, um eine Erstladung des Batteriemoduls 1 durchzuführen, und ohne, dass die Pumpen laufen, um eine Erstladung der Zellanordnung 2 durchzuführen. - - Schließen der beiden
Schalter 57und 58 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in dargestellt, und Anlegen einer Ladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an die Zellanordnung 2) mit laufenden Pumpen, um eine Anfangsladung des Batteriemoduls 1 durchzuführen, und ohne laufende Pumpen, um eine Anfangsladung der Zellanordnung 2 durchzuführen.
- -
Closing switch 53 in a one-switch configuration, as in shown, and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell arrangement 2) with running pumps to carry out the initial charge of thebattery module 1 and without running pumps to carry out the initial charge of thecell arrangement 2. - - Closing the two
54 and 55 in a two-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell arrangement 2) with running pumps in order to carry out an initial charge of thebattery module 1, and without running pumps in order to carry out an initial charge of thecell arrangement 2. - - Switching the two
54a and 55b to the first position in a two-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell arrangement 2), with the pumps running to carry out an initial charge of thebattery module 1, and without the pumps running to carry out an initial charge of thecell arrangement 2. - - Closing the two
57 and 58 in a four-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell arrangement 2) with running pumps in order to carry out an initial charge of thebattery module 1, and without running pumps in order to carry out an initial charge of thecell arrangement 2.
De-Initialisierung oder Bereitstellung eines Zustands der eine Außerinbetriebnahme z.B. beim Service unterstützt:De-initialization or provision of a state that supports decommissioning, e.g. during service:
Die De-Initialisierung des betreffenden Batteriemoduls 1 oder der Zellanordnung 2 unter Verwendung eines bidirektionalen Umrichters 20 kann mit einer Schalteinrichtung 52 erreicht werden, indem einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- - Schließen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration, wie in
dargestellt, und Anlegen einer Entladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an den Zellanordnung 2) mit laufenden Pumpen, um die De-Initialisierung des Batteriemoduls 1 durchzuführen, und ohne laufende Pumpen, um dieDe-Initialisierung der Zellanordnung 2 durchzuführen. - -
Schließen beider Schalter 54und 55 in einer Konfiguration mit zwei Schaltern, wie in dargestellt, und Anlegen einer Entladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an die Zellanordnung 2) mit laufenden Pumpen, um eine De-Initialisierung des Batteriemoduls 1 durchzuführen, und ohne laufende Pumpen, um eine De-Initialisierung der Zellanordnung 2 durchzuführen. - - Schalten der beiden
55b in eine erste Position in einer Konfiguration mit zwei Schaltern, wie inSchalter 54a und dargestellt, und Anlegen einer Entladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an die Zellanordnung 2), wobei die Pumpen laufen, um eine De-Initialisierung des Batteriemoduls 1 durchzuführen, und ohne, dass die Pumpen laufen, um eine De-Initialisierung der Zellanordnung (2) durchzuführen. - - Schließen der beiden
Schalter 57und 58 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in dargestellt, und Anlegen einer Entladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an der Zellanordnung 2) bei laufenden Pumpen, um eine De-Initialisierung des Batteriemodul 1 durchzuführen, und ohne laufende Pumpen, um eine De-Initialisierung der Zellanordnung 2 durchzuführen.
- -
Closing switch 53 in a one-switch configuration, as in shown, and applying a discharge power to the battery module 1 (in particular to the cell assembly 2) with running pumps to perform the deinitialization of thebattery module 1, and without running pumps to perform the deinitialization of thecell assembly 2. - - Closing both
54 and 55 in a two-switch configuration, as inswitches shown, and applying a discharge power to the battery module 1 (in particular to the cell arrangement 2) with running pumps in order to de-initialize thebattery module 1, and without running pumps, tode-initialize cell array 2. - - Switching the two
54a and 55b to a first position in a two-switch configuration as shown inswitches shown, and applying a discharge power to the battery module 1 (in particular to the cell arrangement 2) with the pumps running to perform a deinitialization of thebattery module 1, and without the pumps running to perform a deinitialization of the cell arrangement (2). - - Closing the two
57 and 58 in a four-switch configuration, as inswitches shown, and applying a discharge power to the battery module 1 (in particular to the cell arrangement 2) with the pumps running in order to de-initialize thebattery module 1, and without the pumps running in order to de-initialize thecell arrangement 2.
Die De-Initialisierung des betreffenden Batteriemoduls 1 oder der Zellanordnung 2 mit einem unidirektionalen oder bidirektionalen (nur die Ladefunktion unterstützenden) Umrichter 20 kann mit einer Schalteinrichtung 52 erreicht werden, indem einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- - Umschalten der beiden
55b auf eine dritte Position in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie inSchalter 54a und dargestellt, und Anlegen einer Ladeleistung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an die Zellanordnung 2) mit laufenden Pumpen, um die De-Initialisierung des Batteriemoduls 1 durchzuführen, und ohne laufende Pumpen, um dieDe-Initialisierung der Zellanordnung 2 durchzuführen. In diesem Fallist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - - Schließen der beiden
Schalter 56und 59 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in dargestellt, und Anlegen einer Ladespannung an das Batteriemodul 1 (insbesondere an die Zellanordnung 2), wobei die Pumpen zur Durchführung der De-Initialisierung des Batteriemoduls 1 laufen und die Pumpen zur Durchführung der De-Initialisierung der Zellanordnung 2 nicht laufen. In diesem Fallist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich.
- - Switching the two
54a and 55b to a third position in a two-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell assembly 2) with pumps running to perform the deinitialization of thebattery module 1, and without pumps running to perform the deinitialization of thecell assembly 2. In this case, a reversepolarity protection circuit 51 is required. - - Closing the two
56 and 59 in a four-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging voltage to the battery module 1 (in particular to the cell assembly 2), wherein the pumps for performing the deinitialization of thebattery module 1 are running and the pumps for performing the deinitialization of thecell assembly 2 are not running. In this case, a reversepolarity protection circuit 51 is required.
Verringerung von während dem Laden und Entladen eines Redox-Flow-Batterie-Systems auftretenden Ungleichgewichten:Reducing imbalances occurring during charging and discharging of a redox flow battery system:
Der Ausgleich des Ladezustands (SOC) einer Gruppe von Modulen, die in einer String-Konfiguration verbunden sind, kann durch die Verwendung eines bidirektionalen Umrichters 20 zusammen mit einer Schalteinrichtung 52 erreicht werden, indem einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- - Schließen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration wie in
dargestellt und Anlegen einer Lade- oder Entladeleistung andas Batteriemodul 1. - - Schließen der beiden
Schalter 54und 55 in einer Konfiguration mit zwei Schaltern, wie in dargestellt, und Anlegen einer Lade- oder Entladeleistung andas Batteriemodul 1. - - Schalten der beiden
55b in eine erste Position in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie inSchalter 54a und dargestellt, und Anlegen einer Lade- oder Entladeleistung andas Batteriemodul 1. - - Schließen der beiden
Schalter 57und 58 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in dargestellt, und Anlegen einer Lade- oder Entladeleistung andas Batteriemodul 1.
- -
Closing switch 53 in a one-switch configuration as in shown and applying a charging or discharging power to thebattery module 1. - - Closing the two
54 and 55 in a two-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging or discharging power to thebattery module 1. - - Switching the two
54a and 55b to a first position in a two-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging or discharging power to thebattery module 1. - - Closing the two
57 and 58 in a four-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging or discharging power to thebattery module 1.
Außerdem kann der Ausgleich des Ladezustands (SOC) einer Gruppe von Modulen, die in einer String-Konfiguration verbunden sind, durch Verwendung eines unidirektionalen oder bidirektionalen (nur die Ladefunktion unterstützenden) Umrichters 20 zusammen mit einer Schalteinrichtungen 52 erreicht werden, indem einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- -
Umschalten beider 55b auf eine dritte Position in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie inSchalter 54a und dargestellt, und Anlegen einer Ladeleistung andas Batteriemodul 1. In diesem Fallist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - - In einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in
dargestellt, Schließen beiderSchalter 56und 59 und Anlegen einer Ladespannung andas Batteriemodul 1. In diesem Fallist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich.
- - Switching both
54a and 55b to a third position in a two-switch configuration, as inswitches shown, and applying a charging power to thebattery module 1. In this case, a reversepolarity protection circuit 51 is required. - - In a four-switch configuration, as in
shown, closing both 56 and 59 and applying a charging voltage to theswitches battery module 1. In this case, a reversepolarity protection circuit 51 is required.
Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Batteriemoduls 1:Restoring the performance of a battery module 1:
Die Umkehrung der Polarität der Zellanordnung 2 kann für die Erholung der Zellalterung von Vorteil sein, indem die Zellanordnung 2 mit einer negativen Spannung geladen wird. Dies kann durch Verwendung eines unidirektionalen oder bidirektionalen (nur die Ladefunktion unterstützenden) Umrichters 20 zusammen mit der Schalteinrichtungen 52 und eines Batteriemoduls 1 erreicht werden, indem einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- -
Umschalten beider Schalter 54a und55b auf Position 3 in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie in dargestellt, Anpassen der Drehzahl der Pumpen, um einen reduzierten oder keinen Durchfluss durch dieZellanordnung 2 einzustellen, und Anlegen einer Ladeleistung andas Batteriemodul 1. In diesem Fallist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - - In einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in
dargestellt, Schließen der beidenSchalter 56und 59, Anpassen der Drehzahl der Pumpen, um einen reduzierten oder keinen Durchfluss durch dieZellanordnung 2 einzustellen, und Versorgung dss Batteriemoduls 1 mit einer Ladeleistung. In diesem Fallist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich.
- - Switching both
54a and 55b toswitches position 3 in a two-switch configuration, as in shown, adjusting the speed of the pumps to achieve reduced or no flow through thecell arrangement 2 and applying a charging power to thebattery module 1. In this case, a reversepolarity protection circuit 51 is required. - - In a four-switch configuration, as in
shown, closing the two 56 and 59, adjusting the speed of the pumps to achieve a reduced or no flow through theswitches cell array 2, and supplying thebattery module 1 with a charging power. In this case, a reversepolarity protection circuit 51 is required.
Trennen des betreffenden Batteriemoduls 1 von der Ausgleichseinheit 60:Disconnecting the
Die Trennung des betreffenden Batteriemodul 1 bzw. der zugehörigen Zellanordnung (2) vom unidirektionalen oder bidirektionalen Umrichter 20 mit Hilfe der Schalteinrichtungen (52) wird erreicht, indem einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- - Öffnen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration, wie in
dargestellt. - - Öffnen mindestens eines Schalters 54 oder 55 in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie in
dargestellt - - Verschieben mindestens eines Schalters 54a oder 55b in eine neutrale Position in einer Konfiguration mit zwei Schaltern (mit neutralen Positionen), wie in
dargestellt. - -
56, 57, 58 und 59 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie inÖffnen aller Schalter dargestellt.
- -
Opening switch 53 in a one-switch configuration, as in shown. - - Opening at least one
54 or 55 in a two-switch configuration, as inswitch shown - - Moving at least one
54a or 55b to a neutral position in a configuration with two switches (with neutral positions), as inswitch shown. - - Opening all switches 56, 57, 58 and 59 in a four-switch configuration, as in
shown.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BatteriemodulBattery module
- 22
- ZellanordnungCell arrangement
- 33
- TankeinrichtungTank facility
- 44
- Messeinrichtung zur Bestimmung der LeerlaufspannungMeasuring device for determining the open circuit voltage
- 55
- Messeinrichtung zur Bestimmung der KlemmenspannungMeasuring device for determining the terminal voltage
- 66
- Hilfssysteme im BatteriemodulAuxiliary systems in the battery module
- 77
- Bidirektionaler Wechselrichter / HauptumrichterBidirectional inverter / main converter
- 88
- SteuereinheitControl unit
- 99
- Bypass-SchalterBypass switch
- 2020
- AC-DC-UmrichterAC-DC converter
- 3030
- EnergieversorgungseinheitPower supply unit
- 4040
- Schutz- und IsolationseinheitProtection and insulation unit
- 4141
- SchutzeinheitProtection unit
- 4242
- IsolationseinheitIsolation unit
- 5050
- Einheit zur Erhöhung der VerfügbarkeitUnit to increase availability
- 5151
- VerpolungsschutzschaltungReverse polarity protection circuit
- 5252
- Schalteinrichtungswitching device
- 5353
- SchalterSwitch
- 5454
- SchalterSwitch
- 54a54a
- SchalterSwitch
- 5555
- SchalterSwitch
- 55b55b
- SchalterSwitch
- 5656
- SchalterSwitch
- 5757
- SchalterSwitch
- 5858
- SchalterSwitch
- 5959
- SchalterSwitch
- 6060
- Ausgleichseinheitbalancing unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 10 2020 108053 A1 [0002, 0004]DE 10 2020 108053 A1 [0002, 0004]
- US 2023126285 A [0004]US 2023126285 A [0004]
- WO 2022033750 A1 [0007]WO 2022033750 A1 [0007]
- DE 10 2017 222979 A1 [0009]DE 10 2017 222979 A1 [0009]
- DE 10 2022 109 193 B3 [0018]DE 10 2022 109 193 B3 [0018]
Claims (18)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023134569.9A DE102023134569A1 (en) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | Redox flow battery system and method of operation |
| PCT/EP2024/082948 WO2025108979A1 (en) | 2023-11-20 | 2024-11-20 | Redox flow battery system and method for operating same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023134569.9A DE102023134569A1 (en) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | Redox flow battery system and method of operation |
Publications (1)
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|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE102023134569.9A Pending DE102023134569A1 (en) | 2023-11-20 | 2023-12-11 | Redox flow battery system and method of operation |
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|---|---|
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-
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|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: FUCHS PATENTANWAELTE PARTNERSCHAFT MBB, DE |
|
| R016 | Response to examination communication |