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WO2025108979A1 - Redox flow battery system and method for operating same - Google Patents

Redox flow battery system and method for operating same Download PDF

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Publication number
WO2025108979A1
WO2025108979A1 PCT/EP2024/082948 EP2024082948W WO2025108979A1 WO 2025108979 A1 WO2025108979 A1 WO 2025108979A1 EP 2024082948 W EP2024082948 W EP 2024082948W WO 2025108979 A1 WO2025108979 A1 WO 2025108979A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery module
battery
unit
converter
redox flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/082948
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Yifeng Li
Philipp Mester
Bernd Lauter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LIVA Power Management Systems GmbH
Original Assignee
LIVA Power Management Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023132256.7A external-priority patent/DE102023132256A1/en
Priority claimed from DE102023134569.9A external-priority patent/DE102023134569A1/en
Application filed by LIVA Power Management Systems GmbH filed Critical LIVA Power Management Systems GmbH
Publication of WO2025108979A1 publication Critical patent/WO2025108979A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a redox flow battery system (RFBS) and method for operation, wherein the method for operation increases the reliability and availability of the redox flow battery system.
  • RFBS redox flow battery system
  • a redox flow battery system 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) are connected so that the control device (8) can control the further converter (16) and the DC-DC converters (17) (see in particular Figures 6 and 7
  • Redox flow battery systems which are constructed from a series connection of a large number of battery modules, are subject to the requirement 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.
  • switches see (9) and (10) in the cited prior art
  • 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 converter (16) and the DC-DC converters (17) in the cited documents).
  • the above-mentioned bypass switches (9) and (10) are subject to high loads from short-circuit currents and thus an increased failure rate.
  • the prior art design has the disadvantage that failure of the converter (16) can cause damage to the common DC bus, which can lead to 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).
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • the DC-DC converters 17 are controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second 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.
  • the disclosed arrangement also allows, at least when the converter 16 has a separate grid connection, for the converter 7 to support the charging or discharging of the battery modules. This is particularly advantageous when the converter 7 reaches its performance limits. Since this support can also be provided selectively for each battery module by the DC-DC converters 17, it can of course also be used for balancing. This mechanism leads to accelerated charging or discharging of the "slow" modules.
  • 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) that was 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 that 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 that 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 Figures 3 and 4).
  • 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 or more battery modules 1. However, it is not possible to use the converter 7 to charge and discharge different battery modules 1 simultaneously.
  • 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 from the plurality of electric storage cells or (b-2) a charging device that charges the plurality of electric storage cells, (i) transmits electric power from 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.
  • the electricity transmitting/receiving unit shows an isolated bidirectional DC-DC converter.
  • 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.
  • the functionality of all battery modules determines the availability of the series-connected battery.
  • 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.
  • 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.
  • the object of the invention is, in particular, to improve 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.
  • the arrangement according to the invention enables the decommissioning of individual battery modules, which supports the servicing of the RFBS.
  • the arrangement according to the invention can be used to restore the performance of a battery mode.
  • Fig. 1 Battery module
  • Fig. 2 Redox flow battery system according to the invention
  • Fig. 3 Compensation unit according to the invention
  • Fig. 4 Switching device in a first embodiment
  • Fig. 5 Switching device in a further embodiment
  • Fig. 6 Switching device in a further embodiment
  • Fig. 7 Switching device in a further embodiment
  • FIG. 1 shows a battery module, designated 1. It comprises a cell arrangement, designated 2, a tank device for storing electrolyte fluid, which is designated 3, an optional measuring device for determining the open-circuit voltage, which is designated 4, and an optional measuring device for determining the terminal voltage, which is designated 5.
  • the battery module generally includes auxiliary systems, which are indicated by the rectangle designated 6.
  • the battery module 1 includes pumps for supplying the cell arrangement 2 with electrolyte fluid from the tank device 3.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a redox flow battery system according to the invention.
  • the battery system comprises at least two battery modules, one of which is designated 1, a bidirectional power conversion system (PCS), designated 7, and a control device, designated 8.
  • PCS bidirectional power conversion system
  • the bidirectional inverter is referred to below as the "main converter.”
  • the battery modules are referred to below as the "main converter.”
  • FIG. 1 are connected in series and to the main converter 7.
  • Figure 2 shows four battery modules, with the dashed lines in the series connection indicating any number of additional modules.
  • the main converter 7 connects the battery system to the grid or to a higher-level electrical system.
  • the battery system can include a bypass switch for each battery module 1, designated 9 in Figure 2.
  • the bypass switches 9 are arranged parallel to the associated battery modules 1 and can be used, among other things, for balancing (see, for example, DE 10 2022 109 193 B3).
  • the redox flow battery system further comprises a balancing unit, designated 60.
  • the balancing unit 60 can be assigned to a single battery module (1).
  • the balancing unit 60 can be a decentralized balancing unit. In the figure
  • each battery module 1 is assigned a separate balancing unit 60.
  • each battery module 1 is assigned a separate balancing unit 60.
  • at least two battery modules 1 can each be assigned a separate balancing unit 60.
  • a) all or a) all other battery modules 1 except for one battery module 1 can each be assigned a separate balancing unit 60.
  • the redox flow battery system can comprise n battery modules 1 and a) n or b) n-1 separate balancing units 60.
  • the redox flow battery system can comprise n battery modules 1 and at least n-1 separate balancing units 60.
  • the redox flow battery system can, for example, have at least two battery modules 1 and at least one separate balancing unit 60, wherein the at least one separate balancing unit 60 is assigned to one of the at least two battery modules 1.
  • the balancing unit 60 is powered by a power supply unit 30, which in a preferred variant of the invention is designed as an AC voltage network.
  • the power supply unit 30 can be designed as an uninterruptible power supply that temporarily compensates for faults and temporary disturbances in the AC voltage network and thus further increases availability.
  • the advantageous use of the uninterruptible power supplies which can be used as an electrical source for the auxiliary systems 6 in the battery modules 1, for the auxiliary systems of the main converter 7 and for the control device 8, is the upgrading of the RFBS for grid-independent operation. This is particularly advantageous if the redox flow battery system is to be used for the purpose of grid stabilization, for operating an island grid, or for restoring the public grid (black start).
  • 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 power supply unit 30 and thus the battery power plant. This ensures that the power supply remains stable even in the event of unforeseen events.
  • these backup systems have different voltage waveforms, such as alternating voltage or direct voltage.
  • the converter 20 is implemented with the same voltage waveform that is provided by the uninterruptible power supply via the power supply unit 30. In the case of alternating voltage, the converter 20 is implemented as an AC-DC voltage; in the case of direct voltage, the converter 20 is implemented as a DC-DC voltage.
  • a further advantage of designing the energy supply unit 30 as an uninterruptible power supply is the possibility of using a comparatively small amount of energy to maintain the voltage level in the cell arrangement 2, with the flow from the tank device 3 deactivated, at a level at which the main converter 7 is activated and can actively participate in the grid stabilization.
  • the balancing unit 60 further comprises a protection and isolation unit, designated by 40, and a converter, designated by 20.
  • the balancing unit 60 may further comprise a unit for increasing availability, designated by 50.
  • the protection and isolation unit is considered optional.
  • the power supply unit 30 can be isolated from the potential of the battery module 1 by the protection and isolation unit 40.
  • the control device 8 can be configured to control the balancing units 60, the pumps in the battery modules 1, the main converter 7, and any bypass switches 9 that may be present. Alternatively, the control device 8 can be configured to control the balancing units 60 but not the main converter 7. A higher-level controller (not shown) can assume control of the main converter 7. Both controllers can communicate with each other.
  • the availability enhancement unit 50 serves the purpose of increasing the availability of the battery module 1, particularly in the event that negative module voltages may occur intentionally or unintentionally. This is explained in more detail in connection with Figures 3 to 7.
  • Figure 3 shows a balancing unit 60 according to the invention.
  • the protection and isolation unit 40 can separate the power supply unit 30 from the potential of the battery module 1
  • the protection and isolation unit 40 comprises a protection unit, designated 41, which can, for example, separate the power supply unit 30 from the converter 20 using suitable switches.
  • the protection unit 41 can comprise a pre-circuit to relieve the power supply unit 30 from temporarily high inrush currents that can be caused by the balancing unit 60.
  • the protection and isolation unit 40 can comprise an isolation unit, designated 42.
  • the isolation unit 42 is used within the protection and isolation unit 40 to isolate the potential of the battery module 1 and the power supply unit 30 from one another.
  • the protection unit 41 is implemented as an omnipolar relay and/or a passive circuit that dampens high inrush currents when activating and deactivating the balancing unit 60. It can thus serve as an inrush current limiter. By connecting an AC relay upstream of the protection unit 41, no-load losses can be avoided when the balancing unit is not in use.
  • the isolation unit 42 is implemented by an isolation transformer, e.g., in the form of a toroidal transformer. Further embodiments are possible and may be advantageous, for example, for different voltages or network configurations. In a further embodiment, the protection and isolation unit 40 can be completely omitted if the converter 20 already has galvanic isolation.
  • the converter 20 enables a method for reducing imbalances occurring during charging and discharging of the battery system.
  • the converter can be unidirectional or bidirectional.
  • the converter 20 can be used to accelerate or delay, or not influence, a voltage buildup in the battery module 1.
  • individual or all components of the protection and insulation unit 40 can be integrated into the converter 20 on the input or output side.
  • the converter 20 is capable of exerting this influence in addition to an external charging or discharging of the battery system (and thus the battery modules 1) by the main converter 7.
  • the design of the converter 20 as a unidirectional or bidirectional converter allows for restoration of operational capability during initial commissioning or after discharge for service purposes.
  • the voltage buildup in the battery modules 1 is provided by the respective equalization unit 60 and the power supply unit 30.
  • the bidirectional design of the converter 20 allows the respective battery module 1 to be configured to a state that supports decommissioning, e.g., for servicing or maintenance work, without the need for more complex protective measures for working under voltage.
  • the voltage reduction in the respective battery module 1 is achieved by the equalization unit 60 and the power supply unit 30.
  • the design of the converter 20 as a bidirectional converter further allows the restoration of the performance of a battery module 1 by the equalization unit (60) and the energy supply unit 30 by using the voltage reduction exclusively by the equalization unit 60 or in conjunction with the external discharge via the bidirectional main converter 7 to reverse the voltage polarity in a battery module 1.
  • the availability-enhancing unit 50 serves the purpose of increasing the availability of the battery module 1.
  • the availability-enhancing unit 50 can comprise an integrated switching device, designated 52. With the aid of the integrated switching device 52, the respective battery module 1 can be decoupled from influences by the balancing unit 60.
  • an integrated switching device 52 comprises at least one switch, by means of which any of the two DC connections to the battery module 1 can be disconnected.
  • Figure 4 shows a first embodiment of the integrated switching device 52.
  • the integrated switching device 52 shown comprises a switch, designated 53. With the switch 53, one of the two DC connections to the battery module 1 can be interrupted.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the integrated switching device 52.
  • the illustrated integrated switching device 52 comprises two switches, designated 54 and 55. Both DC connections to the battery module 1 can be disconnected using switches 54 and 55.
  • Figures 6 and 7 show two further particularly advantageous embodiments of the integrated switching device 52.
  • the two embodiments enable a change in the polarity of the balancing unit 60 with respect to the respective battery module 1.
  • the embodiment shown in Figure 6 comprises two coupled switches, designated 54a and 55b, each having three switching states.
  • a first polarity results (the lines are simply fed through).
  • the two switches 54a and 55b are switched to the middle contact (neutral position), thereby disconnecting the balancing unit 60 from the respective battery module 1.
  • the switches 54a and 55b are switched to the lower contact, thereby reversing the polarity compared to the switching state shown in Figure 6.
  • the embodiment shown in Figure 7 has the same functionality.
  • the integrated switching device 52 shown comprises four switches, designated 56, 57, 58, and 59. Two switches are coupled to each other. If both pairs of switches are opened, the balancing unit 60 is disconnected from the respective battery module 1.
  • the polarity can be influenced by alternately opening and closing the two pairs of switches.
  • the converter 20 can be used to imprint a state on the battery module 1 that allows it to be taken out of service, for example, during servicing.
  • the voltage reduction in the respective battery module 1 is provided by the balancing unit 60 and the energy supply unit 30.
  • the converter 20 can be used to restore the performance of the respective battery module 1 by the balancing unit 60 and the energy supply unit 30 by using the voltage reduction exclusively by the compensation unit 60 or in conjunction with the external voltage reduction by the main converter 7 to reverse the voltage in the relevant battery module 1.
  • the native function of the balancing unit 60 can also be used to accelerate or delay, or not influence, a voltage build-up in the respective battery module 1.
  • the three aforementioned states can be implemented by using a unidirectional converter 20 and a switching device 52 with polarity reversal functionality.
  • the control unit 8 can adjust the polarity of the balancing unit 60 depending on the desired state (accelerating or delaying the voltage build-up of the respective battery module 1) and the current operating state of the RFBS (charging or discharging) in order to implement the desired function with a unidirectional converter 20.
  • a bidirectional converter 20 would always be necessary, which entails lower availability, a higher probability of failure, and higher costs.
  • the availability-enhancing unit 50 can be expanded to include a protective device, designated 51 in Figure 3, which uses active or passive electronic components to prevent protection against polarity reversal or a forced current reversal at the output of the converter 20.
  • a redox flow battery system In order for a redox flow battery system to be able to automatically carry out the method steps briefly outlined above and explained in detail below, it comprises a computer system.
  • the term computer system refers to all devices that are suitable for automatically carrying out the described method steps, in particular also specially developed programmable logic controllers, ICs or microcontrollers, as well as ASICs (ASIC: application specific integrated circuit).
  • the control device 8 itself can comprise 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 that includes instructions that cause the battery system to carry out the method steps described above. Furthermore, the present application is directed to a computer-readable medium on which such a computer program is stored. Description of the processes possible with the battery system according to the invention:
  • a fault in at least one of the balancing units 60 may negatively affect the associated battery module 1. To prevent this and thus increase the availability of the battery system as a whole, the respective balancing unit is electrically disconnected from the associated battery module 1 in the event of a fault.
  • the separation of the battery modules 1 or the cell assemblies 2 from the unidirectional or bidirectional converter 20 can be accomplished with the aid of the switching device 52 by performing one of the following steps:
  • the availability enhancement unit 50 can protect the balancing unit, in particular the associated converter 20, from negative polarity and corresponding damage caused by a negative voltage of the battery module (for example, by applying the method described in DE 10 2022 113 939 B3).
  • the availability enhancement unit can comprise a switching device 52 with which the converter 20 can be disconnected from the module 1, or a reverse polarity protection device 51.
  • the initialization of the battery modules 1 with a unidirectional or bidirectional converter 20 can be carried out with a switching device 52 by performing one of the following steps:
  • battery modules can be charged using an associated converter 20 to a minimum voltage required for the main converter 7 to start operation and continue and complete the initialization process.
  • the converter 20 should have a minimum DC-side voltage of 0 V, while the main converter 7 can have a minimum voltage much greater than 0 V.
  • the de-initialization of the respective battery module 1 or cell assembly 2 using a bidirectional converter 20 can be achieved with a switching device 52 by performing one of the following steps:
  • the de-initialization of the respective battery module 1 or cell arrangement 2 with a unidirectional or bidirectional (only supporting the charging function) converter 20 can be achieved with a switching device 52 by performing one of the following steps:
  • the battery modules with their respective converters 20 can be discharged below a voltage threshold that supports decommissioning or service.
  • a voltage threshold that supports decommissioning or service.
  • working under Voltage is only possible with specific protective equipment and training. It is significantly less complex below a certain voltage threshold. However, this cannot be achieved by simply discharging using the main converter 7, as it does not function below a certain minimum voltage. Using converter 20, voltages close to 0 volts can be achieved.
  • the redox flow battery system and/or the method can be used for balancing the battery modules, i.e. charging or discharging individual battery modules by the converter 20 in order to compensate for a difference in the charge states between the battery modules.
  • Balancing the state of charge (SOC) of a group of modules connected in a string configuration can be achieved by using a bidirectional inverter 20 together with a switching device 52 by performing one of the following steps:
  • balancing the state of charge (SOC) of a group of modules connected in a string configuration can be achieved by using a unidirectional or bidirectional (supporting only the charging function) inverter 20 together with a switching device 52 by performing one of the following steps:
  • Reversing the polarity of the cell array 2 can be beneficial for cell aging recovery by charging the cell array 2 with a negative voltage. This can be achieved by using a unidirectional or bidirectional (supporting only the charging function) inverter 20 together with the switching device 52 and a battery module 1 by performing one of the following steps:
  • Degradation of a battery module can be at least partially reversed by operating it with reversed polarity for a certain period of time.
  • Such polarity reversal i.e., discharging the module and charging it in the opposite direction
  • the battery string can be stopped and the pumps can be deactivated.
  • the relevant battery modules can be discharged to ⁇ 0 V (below the minimum voltage of the converter's diodes).
  • the switching device shown in Fig. 6 or Fig. 7 can then be switched over.
  • the modules can then be charged for a certain period of time (with reversed polarity). They can then be discharged again to ⁇ 0 V, whereupon the switching device is switched over again, and the pumps are switched back on.
  • the separation of the respective battery module 1 or the associated cell arrangement (2) from the unidirectional or bidirectional converter 20 by means of the switching devices (52) is achieved by carrying out one of the following steps: - Opening switch 53 in a one-switch configuration as shown in Figure 4.
  • a redox flow battery system can comprise at least two battery modules 1, a main converter 7, a power supply unit 30 and a control device 8, wherein the battery modules 1 are connected in series and to the main 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 fluid and pumps for supplying the cell arrangement 2 with electrolyte fluid, wherein the battery system for at least two battery modules 1 each comprises a balancing unit 60, and wherein one connection of each balancing unit 60 is connected to the associated battery module 1, and a second connection of each balancing unit 60 is connected to the power supply unit 30, and wherein each balancing unit 60 comprises a converter 20 and a unit for increasing the availability 50, and wherein the unit for increasing the availability 50 is connected on a first side to the converter 20 and on a second side is connected to the associated battery module 1, and wherein the control device 8 is designed such that it can control the balancing units 60, the pumps in the battery modules
  • the converters 20 can be bidirectional or unidirectional and connected to the power supply unit 30 via DC or AC voltage, and wherein the units 50 can each comprise a switching device 52 to increase availability, and wherein each switching device can comprise at least one switch 53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59.
  • the power supply unit 30 can be designed as an uninterruptible supply, wherein each battery module 1 comprises auxiliary systems 6, and wherein the main converter 7 comprises auxiliary systems, and wherein the auxiliary systems 6 of the battery modules 1 and the auxiliary systems of the main converter 7 and the control device 8 are supplied with electrical energy by the power supply unit 30.
  • the power supply unit 30 can provide an alternating voltage, wherein the converters 20 are designed as AC-DC converters.
  • the power supply unit 30 can provide a DC voltage, wherein the converters 20 are designed as DC-DC converters.
  • each balancing unit 60 may comprise a protection and isolation unit 40, which is designed to galvanically isolate the potential of the energy supply unit 30 from the potential of the associated battery module 1.
  • each switching device 52 can comprise at least two switches (54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59), wherein optionally the converters 20 are designed to be unidirectional and are connected to the energy supply unit 30 via direct or alternating voltage, wherein optionally each switching device 52 is designed such that it can change the polarity of the balancing unit 60 with respect to the associated battery module 1, and wherein each unit 50 comprises a protective device 51 to increase availability, which is designed such that it can protect the associated converter 20 from inadmissible polarity states.
  • the battery system can comprise a bypass switch 9 for each battery module 1, wherein the first switch 9 is arranged in parallel with the associated battery module 1, and wherein the control device 8 is connected to each of the bypass switches 9 in such a way that it can determine the respective switch position of the bypass switches 9 in order to switch the battery modules 1 into or out of the series circuit.
  • a method for increasing the availability of the battery modules in a redox flow battery system of the type described can be provided, in which the control device 8, in the event of at least one error in at least one of the balancing units 60, controls at least one switch 53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59 of the switching device 52 belonging to the affected battery module 1 in order to prevent further influencing of the affected battery module 1 by separating the connection between the associated balancing unit 60 and the affected battery module 1.
  • a method may be provided for reducing imbalances occurring during charging and discharging of a redox flow battery system according to the type described, in which the control device 8 controls the balancing units 60 and optionally the main converter 7, the method comprising at least one of the following steps: - When charging the battery system, a compensation unit 60 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a controlled variable such that at least one converter 20 transmits so much electrical energy to a battery module 1 that one of the two battery modules 1 is charged less quickly than the other battery module 1;
  • a compensation unit 60 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a controlled variable in such a way that at least one converter 20 dissipates so much electrical energy from a battery module 1 that one of the two battery modules 1 is discharged less quickly than the other battery module.
  • a method may be provided for reducing imbalances occurring during charging and discharging of a redox flow battery system according to the type described, in which the control device 8 can control the balancing unit 60 and bidirectional main converter 7, and wherein the method comprises at least one of the following steps:
  • a compensation unit 60 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a controlled variable such that at least one converter 20 supplies so much electrical energy to a battery module 1 that one of the two battery modules 1 is charged faster than the other battery module 1;
  • a compensation unit 60 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a controlled variable such that at least one converter 20 transmits so much electrical energy to at least one interface to the battery module 1 that one of the two battery modules 1 is discharged faster than the other battery module 1.
  • control device 8 can control the balancing unit 60 and the bidirectional converter 7 such that the control device 8 controls at least one unit for increasing the availability 50 with the switching device 52, so that by changing the polarity of the balancing unit 60, the energy is not discharged to the energy supply unit 30, but remains in the battery module 1.
  • control device 8 can control the balancing units 60, the main converter 7 and the electrolyte transfer in the battery modules 1 from the tank device 3 to the cell arrangement 2, wherein in each battery module 1 the cell arrangement 2 is discharged by the balancing unit 60 alone or in cooperation with the main converter 7 can, wherein an electrolyte transfer or no electrolyte transfer to the cell arrangement 2 can be present and the discharge of the cell arrangement 2 results in a voltage level at the relevant cell arrangement in at least one battery module 1 which falls below a certain threshold value and thus supports decommissioning or service work without more complex protective measures for working under voltage.
  • control device 8 can control the equalization units 60, the main converter 7 and the electrolyte transfer in the battery modules 1 from the tank device 3 to the cell arrangement 2, wherein in each battery module 1, in a state in which the voltage potential of the cell arrangement 2 in question is too low for activation of the main converter 7, the cell arrangement 2 in question is charged by the associated equalization unit 60 alone, wherein there may or may not be an electrolyte transfer to the cell arrangement 2 and until at least a voltage level is reached that allows activation of the main converter 7.
  • a method for restoring the performance of a battery module 1 of a redox flow battery system can be provided, wherein the control device 8 can control the main converter 7, the battery modules 1 and/or the balancing units 60 such that a reversal of the voltage takes place in at least one battery module 1 during the discharge process of the redox flow battery system.
  • control device 8 can control the balancing units 60 and the main converter 7 such that the control device 8 controls at least one unit for increasing availability 50 with the associated switching device 52 such that by changing the polarity of the balancing unit 60 in the balancing units 60, a unidirectional converter 20 can be used for the voltage build-up and/or reduction of the associated battery modules 1.

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Abstract

The invention relates to a redox flow battery system and to a method for operating same, the operating method increasing the reliability and availability of the redox flow battery system.

Description

Redox-Flow Batterie-System und Verfahren zum Betrieb Redox flow battery system and method of operation

Die Erfindung betrifft ein Redox-Flow-Batterie-System (RFBS) und Verfahren zum Betrieb, wobei das Verfahren zum Betrieb die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit des Redox-Flow Batterie- Systems erhöht. The invention relates to a redox flow battery system (RFBS) and method for operation, wherein the method for operation increases the reliability and availability of the redox flow battery system.

Betrachtungen zum Stand der Technik: Considerations on the state of the art:

DE 10 2020 108 068 A 1 und DE 10 2020 108 053 A1 : DE 10 2020 108 068 A1 and DE 10 2020 108 053 A1:

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 Figuren 6 und 7 der genannten Dokumente). 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) are connected so that the control device (8) can control the further converter (16) and the DC-DC converters (17) (see in particular Figures 6 and 7 of the documents mentioned).

Nachteile und Einschränkungen des zitierten Standes der Technik: Disadvantages and limitations of the cited prior art:

Redox-Flow-Batterie-Systeme, 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 kommen in vielen dieser Systeme Schalter zum Einsatz (siehe (9) und (10) in zitiertem Stand der Technik) deren Zweck ein Bypass von einzelnen Batteriemodulen 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) Schadensbilder im gemeinsamen Gleichstrombus entstehen können, 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. Redox flow battery systems, which are constructed from a series connection of a large number of battery modules, are subject to the requirement 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 converter (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 failure of the converter (16) can cause damage to the common DC bus, which can lead to 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.

US 2023126285 A und DE 10 2020 108 053 A1 : US 2023126285 A and DE 10 2020 108 053 A1 :

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: 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:

• 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. • 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.

• 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. • When discharging 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 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 führt 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 converter 7 to support the charging or discharging of the battery modules. This is particularly advantageous when the converter 7 reaches its performance limits. Since this support can also be provided selectively for each battery module by the DC-DC converters 17, it can of course also be used for balancing. This mechanism leads to accelerated charging or discharging of the "slow" modules.

Nachteile und Einschränkungen des zitierten Standes der Technik: Disadvantages and limitations of the cited prior art:

Es ergeben sich die gleichen Nachteile und Einschränkungen wie oben gezeigt, insbesondere zur räumlichen Ausbreitung, der Fehleranfälligkeit und Verluste des gemeinsamen Gleichstrombusses. Zusätzlich können in dieser Ausführungsform einzelne Batteriemodule im Falle eines Problems bei dem 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 shown above arise, in particular regarding spatial spread, susceptibility to errors and losses of the common DC bus. In addition, in this embodiment, individual battery modules can only be replaced by the bypass switches 9 or 10 are deactivated. 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.

WO 2022033750 A1 : WO 2022033750 A1 :

Diese Schrift offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Vanadium Redox-Flow-Batterie-Systems, 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 Figuren 3 und 4). 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) that was 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 that 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 that 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 Figures 3 and 4).

Nachteile und Einschränkungen des zitierten Standes der Technik: Disadvantages and limitations of the cited prior art:

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 mehreren Batteriemodulen 1 zu verbinden oder zu trennen. Es ist jedoch nicht möglich den Umrichter 7 gleichzeitig zum Laden und Entladen für unterschiedliche Batteriemodule 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 or more battery modules 1. However, it is not possible to use the converter 7 to charge and discharge different battery modules 1 simultaneously.

DE 10 2017 222 979 A1 : DE 10 2017 222 979 A1 :

Diese Schrift offenbart eine Ausgleichseinheit, die Spannungen von mehreren elektrischen Speicherzellen abgleicht; und eine ElektrizitätssendeAempfangseinheit, 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 from the plurality of electric storage cells or (b-2) a charging device that charges the plurality of electric storage cells, (i) transmits electric power from 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 ElektrizitätssendeAempfangseinheit 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. Disadvantages and limitations of the cited prior art: 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, ein Redox-Flow-Batterie-System und ein 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 verbessern 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 Außerbetriebnahme einzelner Batteriemodule, was den Service des RFBS unterstützt. Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Batteriemodus genutzt werden. The object of the invention is, in particular, to improve 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.

Beschreibung der Offenbarung Description of the Revelation

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen: The invention is explained below with reference to the figures. The figures show in detail:

Fig. 1 : Batteriemodul Fig. 1 : Battery module

Fig. 2: Erfindungsgemäßes Redox-Flow Batterie-System Fig. 2: Redox flow battery system according to the invention

Fig. 3: Erfindungsgemäße Ausgleichseinheit Fig. 3: Compensation unit according to the invention

Fig. 4: Schalteinrichtung in einer ersten Ausführungsform Fig. 4: Switching device in a first embodiment

Fig. 5: Schalteinrichtung in einer weiteren Ausführungsform Fig. 5: Switching device in a further embodiment

Fig. 6: Schalteinrichtung in einer weiteren Ausführungsform Fig. 6: Switching device in a further embodiment

Fig. 7: Schalteinrichtung in einer weiteren Ausführungsform Fig. 7: Switching device in a further embodiment

Figur 1 zeigt ein Batteriemodul, welches mit 1 bezeichnet ist. Es umfasst eine Zellanordnung, welche mit 2 bezeichnet ist, eine Tankeinrichtung zur Speicherung von Elektrolytflüssigkeit, welche mit 3 bezeichnet ist, eine optionale Messeinrichtung zur Bestimmung der Leerlaufspannung, welche mit 4 bezeichnet ist, und eine optionale Messeinrichtung zur Bestimmung der Klemmenspannung, welche mit 5 bezeichnet ist. Das Batteriemodul umfasst in der Regel Hilfssysteme, welche durch das Rechteck mit der Bezeichnung 6 angedeutet sind. Außerdem umfasst das Batteriemodul 1 Pumpen zur Versorgung der Zellanordnung 2 mit Elektrolytflüssigkeit aus der Tankeinrichtung 3. Figure 1 shows a battery module, designated 1. It comprises a cell arrangement, designated 2, a tank device for storing electrolyte fluid, which is designated 3, an optional measuring device for determining the open-circuit voltage, which is designated 4, and an optional measuring device for determining the terminal voltage, which is designated 5. The battery module generally includes auxiliary systems, which are indicated by the rectangle designated 6. Furthermore, the battery module 1 includes pumps for supplying the cell arrangement 2 with electrolyte fluid from the tank device 3.

Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Redox-Flow Batterie-System in schematischer Darstellung. Das Batterie-System umfasst wenigstens zwei Batteriemodule, von denen eines mit 1 bezeichnet ist, einen bidirektionalen Wechselrichter (engl. bidirectional power conversion system - PCS), welcher mit 7 bezeichnet ist, und eine Steuereinrichtung, welche mit 8 bezeichnet ist. Zur besseren Unterscheidung mit anderen Umrichtern (siehe unten) des Batterie-Systems, wird der bidirektionale Wechselrichter im Folgenden als „Hauptumrichter“ bezeichnet. Die BatteriemoduleFigure 2 shows a schematic representation of a redox flow battery system according to the invention. The battery system comprises at least two battery modules, one of which is designated 1, a bidirectional power conversion system (PCS), designated 7, and a control device, designated 8. To better distinguish it from other converters (see below) of the battery system, the bidirectional inverter is referred to below as the "main converter." The battery modules

1 sind in Serie geschaltet und mit dem Hauptumrichter 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 Hauptumrichter 7 übernimmt die Anbindung des Batterie-Systems an das Netz oder an ein übergeordnetes elektrisches System. Optional kann das Batterie-System für jedes Batteriemodul 1 einen Bypass-Schalter umfassen, welcher in Figur 2 mit 9 bezeichnet ist. Die Bypass-Schalter 9 sind parallel zu den zugehörigen Batteriemodulen 1 angeordnet und können u.a. zum Balancing verwendet werden (siehe z.B. die DE 10 2022 109 193 B3). Sie können aber auch dazu verwendet werden, ein Batteriemodul 1 , welches einen Fehler aufweist, dauerhaft zu überbrücken und damit de facto aus der Serienschaltung des Batterie-Systems herauszuschalten und somit die Verfügbarkeit des Batterie-Systems als Ganzes auch beim Ausfall eines Batteriemoduls 1 (oder einiger weniger Batteriemodule 1) zu gewährleisten. 1 are connected in series and to the main converter 7. Figure 2 shows four battery modules, with the dashed lines in the series connection indicating any number of additional modules. The main converter 7 connects the battery system to the grid or to a higher-level electrical system. Optionally, the battery system can include a bypass switch for each battery module 1, designated 9 in Figure 2. The bypass switches 9 are arranged parallel to the associated battery modules 1 and can be used, among other things, for balancing (see, for example, DE 10 2022 109 193 B3). However, they can also be used to permanently bypass a battery module 1 that has a fault, thereby de facto removing it from the series connection of the battery system and thus ensuring the availability of the battery system as a whole even in the event of a battery module 1 (or a few battery modules 1) failing.

Das Redox-Flow Batterie-System umfasst ferner eine Ausgleichseinheit, welche mit 60 bezeichnet ist. Die Ausgleichseinheit 60 kann einem einzelnen Batteriemodul (1) zugeordnet werden. Die Ausgleichseinheit 60 kann eine dezentrale Ausgleichseinheit sein. In der AbbildungThe redox flow battery system further comprises a balancing unit, designated 60. The balancing unit 60 can be assigned to a single battery module (1). The balancing unit 60 can be a decentralized balancing unit. In the figure

2 sind drei separate, dezentrale Ausgleichseinheiten 60 dargestellt, welche jeweils einem der dargestellten Batteriemodule 1 zugeordnet sind. In einem erfindungsgemäßen Redox-Flow- Batterie-System ist vorzugsweise jedem Batteriemodul 1 eine separate Ausgleichseinheit 60 zugeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass nicht jedem Batteriemodul 1 eine separate Ausgleichseinheit 60 zugeordnet ist. Im Allgemeinen kann wenigstens zwei Batteriemodulen 1 jeweils eine separate Ausgleichseinheit 60 zugeordnet sein. Im Allgemeinen kann a) allen oder a) bis auf einem Batteriemodul 1 allen weiteren Batteriemodulen 1 jeweils eine separate Ausgleichseinheit 60 zugeordnet sein. Mit anderen Worten kann das Redox-Flow Batterie- System n Batteriemodule 1 und a) n oder b) n-1 separate Ausgleichseinheiten 60 umfassen. Mit anderen Worten kann das Redox-Flow Batterie-System n Batteriemodule 1 und wenigstens n-1 separate Ausgleichseinheiten 60 umfassen. Das Redox-Flow Batterie-System kann beispielsweise wenigstens zwei Batteriemodule 1 und wenigstens eine separate Ausgleichseinheit 60 aufweisen, wobei die wenigstens eine separate Ausgleichseinheit 60 einem der wenigstens zwei Batteriemodule 1 zugeordnet ist. 2 shows three separate, decentralized balancing units 60, each of which is assigned to one of the battery modules 1 shown. In a redox flow battery system according to the invention, preferably each battery module 1 is assigned a separate balancing unit 60. However, it is also conceivable that not each battery module 1 is assigned a separate balancing unit 60. In general, at least two battery modules 1 can each be assigned a separate balancing unit 60. In general, a) all or a) all other battery modules 1 except for one battery module 1 can each be assigned a separate balancing unit 60. In other words, the redox flow battery system can comprise n battery modules 1 and a) n or b) n-1 separate balancing units 60. With In other words, the redox flow battery system can comprise n battery modules 1 and at least n-1 separate balancing units 60. The redox flow battery system can, for example, have at least two battery modules 1 and at least one separate balancing unit 60, wherein the at least one separate balancing unit 60 is assigned to one of the at least two battery modules 1.

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 unit 60 is powered by a power supply unit 30, which in a preferred variant of the invention is designed as an AC voltage network. In further embodiments, the power supply unit 30 can be designed as an uninterruptible power supply that temporarily compensates for faults and temporary disturbances in the AC voltage network and thus further increases availability. The advantageous use of the uninterruptible power supplies, which can be used as an electrical source for the auxiliary systems 6 in the battery modules 1, for the auxiliary systems of the main converter 7 and for the control device 8, is the upgrading of the RFBS for grid-independent operation. This is particularly advantageous if the redox flow battery system is to be used for the purpose of grid stabilization, for operating an island grid, or for restoring the public grid (black start).

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 power supply unit 30 and thus the battery power plant. This ensures that the power supply remains stable even in the event of unforeseen events. Depending on their design, these backup systems have different voltage waveforms, such as alternating voltage or direct voltage. In an advantageous embodiment, the converter 20 is implemented with the same voltage waveform that is provided by the uninterruptible power supply via the power supply unit 30. In the case of alternating voltage, the converter 20 is implemented as an AC-DC voltage; in the case of direct voltage, the converter 20 is implemented as a DC-DC voltage.

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 energy supply unit 30 as an uninterruptible power supply is the possibility of using a comparatively small amount of energy to maintain the voltage level in the cell arrangement 2, with the flow from the tank device 3 deactivated, at a level at which the main converter 7 is activated and can actively participate in the grid stabilization.

Die Ausgleichseinheit 60 umfasst ferner eine Schutz- und Isolationseinheit, welche mit 40 bezeichnet ist, und einen Umrichter, welcher mit 20 bezeichnet ist. Die Ausgleichseinheit 60 kann ferner eine Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit umfassen, 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 unit 60 further comprises a protection and isolation unit, designated by 40, and a converter, designated by 20. The balancing unit 60 may further comprise a unit for increasing availability, designated by 50. The protection and isolation unit is considered optional. The power supply unit 30 can be isolated from the potential of the battery module 1 by the protection and isolation unit 40.

Die Steuereinrichtung 8 kann so ausgebildet sein, dass dieselbe die Ausgleichseinheiten 60, die Pumpen in den Batteriemodulen 1 , den Hauptumrichter 7 und eventuell vorhandene Bypass- Schalter 9 steuern kann. Alternativ kann die Steuereinrichtung 8 so ausgebildet sein, dass sie die Ausgleichseinheiten 60, nicht aber den Hauptumrichter 7 steuert. Die Steuerung des Hauptumrichters 7 kann eine übergeordnete Steuerung (nicht gezeigt) übernehmen. Beide Steuerungen können miteinander kommunizieren. The control device 8 can be configured to control the balancing units 60, the pumps in the battery modules 1, the main converter 7, and any bypass switches 9 that may be present. Alternatively, the control device 8 can be configured to control the balancing units 60 but not the main converter 7. A higher-level controller (not shown) can assume control of the main converter 7. Both controllers can communicate with each other.

Die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 dient dem Zweck die Verfügbarkeit des Batteriemoduls 1 zu erhöhen, insbesondere für den Fall, dass negative Modulspannungen beabsichtigt oder unbeabsichtigt vorkommen können. Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 7 näher erläutert. The availability enhancement unit 50 serves the purpose of increasing the availability of the battery module 1, particularly in the event that negative module voltages may occur intentionally or unintentionally. This is explained in more detail in connection with Figures 3 to 7.

Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgleichseinheit 60. Damit die Schutz- und Isolationseinheit 40 die Energieversorgungseinheit 30 vom Potential des Batteriemoduls 1 trennen kann, umfasst die Schutz- und Isolationseinheit 40 eine Schutzeinheit, welche mit 41 bezeichnet ist, und welche z. B. mittels geeigneter Schalter die Energieversorgungseinheit 30 vom Umrichter 20 trennen kann. Außerdem kann die Schutzeinheit 41 eine Vorbeschaltung zur Entlastung der Energieversorgungseinheit 30 vor temporär hohen Einschaltströmen umfassen, welche von der Ausgleichseinheit 60 verursacht werden können. Optional kann die Schutz- und Isolationseinheit 40 eine Isolationseinheit umfassen, welche mit 42 bezeichnet ist. In diesem Fall wird innerhalb der Schutz- und Isolationseinheit 40 die Isolationseinheit 42 genutzt, um das Potential des Batteriemodul 1 und der Energieversorgungseinheit 30 voneinander zu isolieren. Figure 3 shows a balancing unit 60 according to the invention. So that the protection and isolation unit 40 can separate the power supply unit 30 from the potential of the battery module 1, the protection and isolation unit 40 comprises a protection unit, designated 41, which can, for example, separate the power supply unit 30 from the converter 20 using suitable switches. Furthermore, the protection unit 41 can comprise a pre-circuit to relieve the power supply unit 30 from temporarily high inrush currents that can be caused by the balancing unit 60. Optionally, the protection and isolation unit 40 can comprise an isolation unit, designated 42. In this case, the isolation unit 42 is used within the protection and isolation unit 40 to isolate the potential of the battery module 1 and the power supply unit 30 from one another.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Schutzeinheit 41 durch ein allpol iges Relais realisiert und/oder durch einen passiven Schaltkreis, der hohe Einschaltströme beim Aktivieren und Deaktivieren der Ausgleichseinheit 60 dämpft. Sie kann somit ein Einschaltstrombegrenzer sein. Durch das Vorschalten eines AC-Relais vor die Schutzeinheit 41 können Verluste im Leerlauf vermieden werden, wenn die Ausgleichseinheit nicht verwendet wird. In a preferred embodiment of the invention, the protection unit 41 is implemented as an omnipolar relay and/or a passive circuit that dampens high inrush currents when activating and deactivating the balancing unit 60. It can thus serve as an inrush current limiter. By connecting an AC relay upstream of the protection unit 41, no-load losses can be avoided when the balancing unit is not in use.

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 einer weiteren Ausführungsform kann die Schutz- und Isolationseinheit 40 komplett entfallen, sofern der Umrichter 20 bereits über eine galvanische Trennung verfügt. In a preferred embodiment of the invention, the isolation unit 42 is implemented by an isolation transformer, e.g., in the form of a toroidal transformer. Further embodiments are possible and may be advantageous, for example, for different voltages or network configurations. In a further embodiment, the protection and isolation unit 40 can be completely omitted if the converter 20 already has galvanic isolation.

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 converter 20 enables a method for reducing imbalances occurring during charging and discharging of the battery system. The converter can be unidirectional or bidirectional. The converter 20 can be used to accelerate or delay, or not influence, a voltage buildup in the battery module 1. In a preferred embodiment, individual or all components of the protection and insulation unit 40 can be integrated into the converter 20 on the input or output side. The converter 20 is capable of exerting this influence in addition to an external charging or discharging of the battery system (and thus the battery modules 1) by the main converter 7.

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 in den Batteriemodulen 1 durch die jeweilige Ausgleichseinheit 60 und die Energieversorgungseinheit 30 bereitgestellt. The design of the converter 20 as a unidirectional or bidirectional converter allows for restoration of operational capability during initial commissioning or after discharge for service purposes. In this case, the voltage buildup in the battery modules 1 is provided by the respective equalization unit 60 and the power supply unit 30.

Die Ausführung des Umrichters 20 als bidirektionaler Umrichter erlaubt es, dem betreffenden Batteriemodul 1 einen Zustand einzuprägen, der eine Außerbetriebnahme z.B. beim Service bzw. für Servicearbeiten unterstützt, ohne aufwändigere Schutzmaßnahmen zum Arbeiten unter Spannung vorsehen zu müssen. In diesem Fall wird der Spannungsabbau im betreffenden Batteriemodul 1 durch die Ausgleichseinheit 60 und die Energieversorgungseinheit 30 bewerkstelligt. The bidirectional design of the converter 20 allows the respective battery module 1 to be configured to a state that supports decommissioning, e.g., for servicing or maintenance work, without the need for more complex protective measures for working under voltage. In this case, the voltage reduction in the respective battery module 1 is achieved by the equalization unit 60 and the power supply unit 30.

Die Ausführung des Umrichters 20 als bidirektionaler Umrichter erlaubt es weiterhin, die Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Batteriemoduls 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 Spannungspolarität in einem Batteriemodul 1 eingesetzt wird. The design of the converter 20 as a bidirectional converter further allows the restoration of the performance of a battery module 1 by the equalization unit (60) and the energy supply unit 30 by using the voltage reduction exclusively by the equalization unit 60 or in conjunction with the external discharge via the bidirectional main converter 7 to reverse the voltage polarity in a battery module 1.

Die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 dient wie gesagt dem Zweck, die Verfügbarkeit des Batteriemoduls 1 zu erhöhen. Dazu kann die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 eine integrierte Schalteinrichtung umfassen, 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. Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform der integrierten Schalteinrichtung 52. Die gezeigte integrierte Schalteinrichtung 52 umfasst dazu einen Schalter, welcher mit 53 bezeichnet ist. Mit dem Schalter 53 kann eine der beiden DC-Verbindungen zum Batteriemodul 1 unterbrochen werden. As mentioned, the availability-enhancing unit 50 serves the purpose of increasing the availability of the battery module 1. For this purpose, the availability-enhancing unit 50 can comprise an integrated switching device, designated 52. With the aid of the integrated switching device 52, the respective battery module 1 can be decoupled from influences by the balancing unit 60. For this purpose, an integrated switching device 52 comprises at least one switch, by means of which any of the two DC connections to the battery module 1 can be disconnected. Figure 4 shows a first embodiment of the integrated switching device 52. The integrated switching device 52 shown comprises a switch, designated 53. With the switch 53, one of the two DC connections to the battery module 1 can be interrupted.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der integrierten Schalteinrichtung 52. Die dargestellte integrierte Schalteinrichtung 52 umfasst dazu zwei Schalter, welche mit 54 und 55 bezeichnet sind. Mit den Schaltern 54 und 55 können beide DC-Verbindungen zum Batteriemodul 1 getrennt werden. Figure 5 shows a further embodiment of the integrated switching device 52. The illustrated integrated switching device 52 comprises two switches, designated 54 and 55. Both DC connections to the battery module 1 can be disconnected using switches 54 and 55.

Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei weitere besonders vorteilhafte Ausführungsformen der integrierten Schalteinrichtung 52. Zusätzlich zur Trennung der Ausgleichseinheit 60 von dem betreffenden Batteriemodul 1 ermöglichen die beiden Ausführungsformen eine Änderung der Polarität der Ausgleichseinheit 60 in Bezug auf das betreffende Batteriemodul 1 . Figures 6 and 7 show two further particularly advantageous embodiments of the integrated switching device 52. In addition to the separation of the balancing unit 60 from the respective battery module 1, the two embodiments enable a change in the polarity of the balancing unit 60 with respect to the respective battery module 1.

Dazu umfasst die in Figur 6 dargestellte Ausführungsform zwei gekoppelte Schalter, welche mit 54a und 55b bezeichnet sind, und welche jeweils drei Schaltzustände aufweisen. Im in Figur 6 dargestellten Schaltzustand ergibt sich eine erste Polarität (die Leitungen werden einfach durchgeführt). Im zweiten Schaltzustand werden die beiden Schalter 54a und 55b auf den mittleren Kontakt geschaltet (neutrale Position), wodurch die Ausgleichseinheit 60 vom betreffenden Batteriemodul 1 getrennt wird. Im dritten Schaltzustand werden die Schalter 54a und 55b auf den unteren Kontakt geschaltet, wodurch die Polarität gegenüber dem in Figur 6 dargestellten Schaltzustand umgekehrt wird. For this purpose, the embodiment shown in Figure 6 comprises two coupled switches, designated 54a and 55b, each having three switching states. In the switching state shown in Figure 6, a first polarity results (the lines are simply fed through). In the second switching state, the two switches 54a and 55b are switched to the middle contact (neutral position), thereby disconnecting the balancing unit 60 from the respective battery module 1. In the third switching state, the switches 54a and 55b are switched to the lower contact, thereby reversing the polarity compared to the switching state shown in Figure 6.

Dieselbe Funktionalität weist die in Figur 7 dargestellte Ausführungsform auf. Die dargestellte integrierten Schalteinrichtung 52 umfasst dazu vier Schalter, welche mit 56, 57, 58 und 59 bezeichnet sind. Jeweils zwei Schalter sind miteinander gekoppelt. Werden beide Schalterpaare geöffnet, dann wird die Ausgleichseinheit 60 vom betreffenden Batteriemodul 1 getrennt. Durch wechselweises Öffnen und Schließen der beiden Schalterpaare kann die Polarität beeinflusst werden. The embodiment shown in Figure 7 has the same functionality. The integrated switching device 52 shown comprises four switches, designated 56, 57, 58, and 59. Two switches are coupled to each other. If both pairs of switches are opened, the balancing unit 60 is disconnected from the respective battery module 1. The polarity can be influenced by alternately opening and closing the two pairs of switches.

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 Leistungsfähigkeit 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 possibility of changing the polarity of the balancing unit 60 allow the use of a unidirectional converter for the converter 20. As a result, the converter 20 can be used to imprint a state on the battery module 1 that allows it to be taken out of service, for example, during servicing. In this case, the voltage reduction in the respective battery module 1 is provided by the balancing unit 60 and the energy supply unit 30. Furthermore, the converter 20 can be used to restore the performance of the respective battery module 1 by the balancing unit 60 and the energy supply unit 30 by using the voltage reduction exclusively by the compensation unit 60 or in conjunction with the external voltage reduction by the main converter 7 to reverse the voltage in the relevant battery module 1.

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 unit 60 can also be used to accelerate or delay, or not influence, a voltage build-up in the respective battery module 1. The three aforementioned states can be implemented by using a unidirectional converter 20 and a switching device 52 with polarity reversal functionality. In this case, the control unit 8 can adjust the polarity of the balancing unit 60 depending on the desired state (accelerating or delaying the voltage build-up of the respective battery module 1) and the current operating state of the RFBS (charging or discharging) in order to implement the desired function with a unidirectional converter 20. Without the switching device 52 with polarity reversal, a bidirectional converter 20 would always be necessary, which entails lower availability, a higher probability of failure, and higher costs.

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 Figur 3 mit 51 bezeichnet ist und welche durch aktive oder passive elektronische Bauteile den Schutz vor Verpolung oder eine erzwungene Stromumkehr am Ausgang des Umrichters 20 verhindert. The above-mentioned embodiments of the switching device 52 could lead to malfunctions of the balancing unit 60 and/or the relevant battery module 1 in the event of faulty control or faults in the switches. To avoid the problems mentioned, the availability-enhancing unit 50 can be expanded to include a protective device, designated 51 in Figure 3, which uses active or passive electronic components to prevent protection against polarity reversal or a forced current reversal at the output of the converter 20.

Damit ein Redox-Flow-Batterie-System, die oben kurz angedeuteten und im Folgenden detailliert ausgeführten Verfahrensschritte automatisiert ausführen 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. Beschreibung der mit dem erfindungsgemäßen Batterie-System möglichen Verfahren: In order for a redox flow battery system to be able to automatically carry out the method steps briefly outlined above and explained in detail below, it comprises a computer system. The term computer system refers to all devices that are suitable for automatically carrying out the described method steps, in particular also specially developed programmable logic controllers, ICs or microcontrollers, as well as ASICs (ASIC: application specific integrated circuit). The control device 8 itself can comprise 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 that includes instructions that cause the battery system to carry out the method steps described above. Furthermore, the present application is directed to a computer-readable medium on which such a computer program is stored. Description of the processes possible with the battery system according to the invention:

Erhöhung der Verfügbarkeit: Increase availability:

Bei einem Fehler in mindestens einer 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 units 60 may negatively affect the associated battery module 1. To prevent this and thus increase the availability of the battery system as a whole, the respective balancing unit is electrically disconnected from the associated battery module 1 in the event of a fault.

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: The separation of the battery modules 1 or the cell assemblies 2 from the unidirectional or bidirectional converter 20 can be accomplished with the aid of the switching device 52 by performing one of the following steps:

- Öffnen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration, wie in Abbildung 4 dargestellt. - Opening switch 53 in a one-switch configuration as shown in Figure 4.

- Öffnen mindestens eines Schalters 54 oder 55 in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie in Abbildung 5 dargestellt - Opening at least one switch 54 or 55 in a two-switch configuration, as shown in Figure 5

- Verschieben mindestens eines Schalters 54a oder 55b in eine neutrale Position in einer Konfiguration mit zwei Schaltern (mit neutralen Positionen), wie in Abbildung 6 dargestellt. - Moving at least one switch 54a or 55b to a neutral position in a two-switch configuration (with neutral positions), as shown in Figure 6.

- Öffnen aller Schalter 56, 57, 58 und 59 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in Abbildung 7 dargestellt. - Opening all switches 56, 57, 58 and 59 in a four-switch configuration as shown in Figure 7.

Alternativ oder zusätzlich kann die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 die Ausgleichseinheit, insb. den zugehörigen Umrichter 20, schützen vor negativer Polarität und entsprechender Beschädigung durch eine negative Spannung des Batteriemoduls (zum Beispiel durch Anwendung des in DE 10 2022 113 939 B3 beschriebenen Verfahrens). Zum Verhindern der negativen Spannung am Umrichter 20 kann die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit eine Schalteinrichtung 52, mit der der Umrichter 20 vom Modul 1 getrennt werden kann, oder einen Verpolungsschutz 51 umfassen. Alternatively or additionally, the availability enhancement unit 50 can protect the balancing unit, in particular the associated converter 20, from negative polarity and corresponding damage caused by a negative voltage of the battery module (for example, by applying the method described in DE 10 2022 113 939 B3). To prevent the negative voltage at the converter 20, the availability enhancement unit can comprise a switching device 52 with which the converter 20 can be disconnected from the module 1, or a reverse polarity protection device 51.

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: The initialization of the battery modules 1 with a unidirectional or bidirectional converter 20 can be carried out with a switching device 52 by performing one of the following steps:

- Schließen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration, wie in Abbildung 4 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 der Zellanordnung 2. - Closing the switch 53 in a one-switch configuration, as shown in Figure 4, and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell assembly 2) with pumps running to carry out the initial charge of battery module 1 and without pumps running to carry out the initial charge of cell assembly 2.

- Schließen der beiden Schalter 54 und 55 in einer Konfiguration mit zwei Schaltern, wie in Abbildung 5 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 the two switches 54 and 55 in a two-switch configuration as shown in Figure 5 and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell assembly 2) with the pumps running to perform an initial charge of the battery module 1 and without the pumps running to perform an initial charge of the cell assembly 2.

- Schalten der beiden Schalter 54a und 55b in die erste Position in einer Zwei-Schalter- Konfiguration, wie in Abbildung 6 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. - Switching the two switches 54a and 55b to the first position in a two-switch configuration, as shown in Figure 6, and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell assembly 2) with the pumps running to perform an initial charge of the battery module 1 and without the pumps running to perform an initial charge of the cell assembly 2.

- Schließen der beiden Schalter 57 und 58 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in Abbildung 7 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 the two switches 57 and 58 in a four-switch configuration as shown in Figure 7 and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell assembly 2) with the pumps running to perform an initial charge of the battery module 1 and without the pumps running to perform an initial charge of the cell assembly 2.

Beispielsweise können Batteriemodule bei der ersten Inbetriebnahme oder einer Wiederinbetriebnahme (bei ausgeschalteten Pumpen) mittels eines zugehörigen Umrichters 20 auf eine Mindestspannung geladen werden, die benötigt wird, damit der Hauptumrichter 7 den Betrieb aufnehmen kann und die Initialisierung fort- und zu Ende führen kann. Der Umrichter 20 sollte dafür eine DC-seitige Mindestspannung von 0 V haben, während der Hauptumrichter 7 eine Mindestspannung von viel größer 0 V haben kann. For example, during initial commissioning or recommissioning (with the pumps turned off), battery modules can be charged using an associated converter 20 to a minimum voltage required for the main converter 7 to start operation and continue and complete the initialization process. For this purpose, the converter 20 should have a minimum DC-side voltage of 0 V, while the main converter 7 can have a minimum voltage much greater than 0 V.

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: The de-initialization of the respective battery module 1 or cell assembly 2 using a bidirectional converter 20 can be achieved with a switching device 52 by performing one of the following steps:

- Schließen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration, wie in Abbildung 4 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 die De-Initialisierung der Zellanordnung 2 durchzuführen. - Schließen beider Schalter 54 und 55 in einer Konfiguration mit zwei Schaltern, wie in Abbildung 5 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. - Closing the switch 53 in a one-switch configuration, as shown in Figure 4, and applying a discharge power to the battery module 1 (in particular to the cell array 2) with the pumps running to perform the deinitialization of the battery module 1 and without the pumps running to perform the deinitialization of the cell array 2. - Closing both switches 54 and 55 in a two-switch configuration as shown in Figure 5 and applying a discharge power to the battery module 1 (in particular to the cell array 2) with the pumps running to de-initialise the battery module 1 and without the pumps running to de-initialise the cell array 2.

- Schalten der beiden Schalter 54a und 55b in eine erste Position in einer Konfiguration mit zwei Schaltern, wie in Abbildung 6 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. - Switching the two switches 54a and 55b to a first position in a two-switch configuration as shown in Figure 6 and applying a discharge power to the battery module 1 (in particular to the cell assembly 2) with the pumps running to de-initialize the battery module 1 and without the pumps running to de-initialize the cell assembly (2).

- Schließen der beiden Schalter 57 und 58 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in Abbildung 7 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 the two switches 57 and 58 in a four-switch configuration as shown in Figure 7 and applying a discharge power to the battery module 1 (in particular to the cell array 2) with the pumps running in order to de-initialise the battery module 1 and without the pumps running in order to de-initialise the cell array 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: The de-initialization of the respective battery module 1 or cell arrangement 2 with a unidirectional or bidirectional (only supporting the charging function) converter 20 can be achieved with a switching device 52 by performing one of the following steps:

- Umschalten der beiden Schalter 54a und 55b auf eine dritte Position in einer Zwei-Schalter- Konfiguration, wie in Abbildung 6 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 die De- Initialisierung der Zellanordnung 2 durchzuführen. In diesem Fall ist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - Switching the two switches 54a and 55b to a third position in a two-switch configuration, as shown in Figure 6, and applying a charging power to the battery module 1 (in particular to the cell array 2) with the pumps running to de-initialize the battery module 1, and without the pumps running to de-initialize the cell array 2. In this case, a reverse polarity protection circuit 51 is required.

- Schließen der beiden Schalter 56 und 59 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in Abbildung 7 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 Fall ist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - Closing the two switches 56 and 59 in a four-switch configuration, as shown in Figure 7, and applying a charging voltage to the battery module 1 (in particular to the cell array 2), with the pumps for performing the deinitialization of the battery module 1 running and the pumps for performing the deinitialization of the cell array 2 not running. In this case, a reverse polarity protection circuit 51 is required.

Beispielsweise können zur Entladung zu Servicezwecken die Batteriemodule mit jeweils zugehörigen Umrichtern 20 bis unterhalb einer Spannungsschwelle entladen werden, die eine Außerbetriebnahme oder einen Service unterstützt. Für Service-Techniker ist Arbeiten unter Spannung nur mit bestimmter Schutzausrüstung und Ausbildung möglich. Deutlich weniger aufwändig ist es unterhalb einer bestimmten Spannungsschwelle. Eine solche kann jedoch nicht durch eine simple Entladung mittels des Hauptumrichters 7 erreicht werden, da dieser unterhalb einer gewissen Mindestspannung nicht funktioniert. Mithilfe des Umrichters 20 können nahe 0 Volt erreicht werden. For example, for service purposes, the battery modules with their respective converters 20 can be discharged below a voltage threshold that supports decommissioning or service. For service technicians, working under Voltage is only possible with specific protective equipment and training. It is significantly less complex below a certain voltage threshold. However, this cannot be achieved by simply discharging using the main converter 7, as it does not function below a certain minimum voltage. Using converter 20, voltages close to 0 volts can be achieved.

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:

Das Redox-Flow-Batterie-System und/oder das Verfahren können zum Balancing der Batteriemodule dienen, das heißt einem Laden oder Entladen einzelner Batteriemodule durch den Umrichter 20, um einen Unterschied der Ladezustände zwischen den Batteriemodulen auszugleichen. The redox flow battery system and/or the method can be used for balancing the battery modules, i.e. charging or discharging individual battery modules by the converter 20 in order to compensate for a difference in the charge states between the battery modules.

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: Balancing the state of charge (SOC) of a group of modules connected in a string configuration can be achieved by using a bidirectional inverter 20 together with a switching device 52 by performing one of the following steps:

- Schließen des Schalters 53 in einer Ein-Schalter-Konfiguration wie in Abbildung 4 dargestellt und Anlegen einer Lade- oder Entladeleistung an das Batteriemodul 1. - Closing switch 53 in a one-switch configuration as shown in Figure 4 and applying a charge or discharge power to battery module 1.

- Schließen der beiden Schalter 54 und 55 in einer Konfiguration mit zwei Schaltern, wie in Abbildung 5 dargestellt, und Anlegen einer Lade- oder Entladeleistung an das Batteriemodul 1. - Closing the two switches 54 and 55 in a two-switch configuration as shown in Figure 5 and applying a charge or discharge power to Battery Module 1.

- Schalten der beiden Schalter 54a und 55b in eine erste Position in einer Zwei-Schalter- Konfiguration, wie in Abbildung 6 dargestellt, und Anlegen einer Lade- oder Entladeleistung an das Batteriemodul 1. - Switching the two switches 54a and 55b to a first position in a two-switch configuration, as shown in Figure 6, and applying a charging or discharging power to the battery module 1.

- Schließen der beiden Schalter 57 und 58 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in Abbildung 7 dargestellt, und Anlegen einer Lade- oder Entladeleistung an das Batteriemodul 1. - Closing the two switches 57 and 58 in a four-switch configuration as shown in Figure 7 and applying a charge or discharge power to Battery 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: In addition, balancing the state of charge (SOC) of a group of modules connected in a string configuration can be achieved by using a unidirectional or bidirectional (supporting only the charging function) inverter 20 together with a switching device 52 by performing one of the following steps:

- Umschalten beider Schalter 54a und 55b auf eine dritte Position in einer Zwei-Schalter- Konfiguration, wie in Abbildung 6 dargestellt, und Anlegen einer Ladeleistung an das Batteriemodul 1. In diesem Fall ist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - In einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in Abbildung 7 dargestellt, Schließen beider Schalter 56 und 59 und Anlegen einer Ladespannung an das Batteriemodul 1. In diesem Fall ist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - Switching both switches 54a and 55b to a third position in a two-switch configuration, as shown in Figure 6, and applying a charging power to the battery module 1. In this case, a reverse polarity protection circuit 51 is required. - In a four-switch configuration, as shown in Figure 7, close both switches 56 and 59 and apply a charging voltage to battery module 1. In this case, a reverse polarity 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: Reversing the polarity of the cell array 2 can be beneficial for cell aging recovery by charging the cell array 2 with a negative voltage. This can be achieved by using a unidirectional or bidirectional (supporting only the charging function) inverter 20 together with the switching device 52 and a battery module 1 by performing one of the following steps:

- Umschalten beider Schalter 54a und 55b auf Position 3 in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie in Abbildung 6 dargestellt, Anpassen der Drehzahl der Pumpen, um einen reduzierten oder keinen Durchfluss durch die Zellanordnung 2 einzustellen, und Anlegen einer Ladeleistung an das Batteriemodul 1. In diesem Fall ist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - Switching both switches 54a and 55b to position 3 in a two-switch configuration as shown in Figure 6, adjusting the speed of the pumps to set a reduced or no flow through the cell array 2, and applying a charging power to the battery module 1. In this case, a reverse polarity protection circuit 51 is required.

- In einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in Abbildung 7 dargestellt, Schließen der beiden Schalter 56 und 59, Anpassen der Drehzahl der Pumpen, um einen reduzierten oder keinen Durchfluss durch die Zellanordnung 2 einzustellen, und Versorgung dss Batteriemoduls 1 mit einer Ladeleistung. In diesem Fall ist eine Verpolungsschutzschaltung 51 erforderlich. - In a four-switch configuration, as shown in Figure 7, closing both switches 56 and 59, adjusting the pump speed to achieve reduced or no flow through cell array 2, and supplying charging power to battery module 1. In this case, a reverse polarity protection circuit 51 is required.

Eine Degeneration eines Batteriemoduls kann zumindest teilweise wiederhergestellt werden, indem man es für eine bestimmte Zeitdauer verpolt betreibt. Eine solche Umpolung (sprich Entladung des Moduls und Ladung in Gegenrichtung) kann über die Ausgleichseinheit realisiert werden. Hierzu kann der Batteriestring stillstehen und die Pumpen können deaktiviert sein. Degradation of a battery module can be at least partially reversed by operating it with reversed polarity for a certain period of time. Such polarity reversal (i.e., discharging the module and charging it in the opposite direction) can be achieved via the balancing unit. For this purpose, the battery string can be stopped and the pumps can be deactivated.

Hierzu können zum Beispiel betreffende Batteriemodule jeweils auf ~0 V (unterhalb Mindestspannung der Dioden des Umrichters) entladen werden. Anschließend kann die Schalteinrichtung der Fig. 6 oder Fig. 7 umgeschaltet werden. Danach können die Module jeweils für eine gewisse Zeitspanne geladen werden (in verpolter Richtung). Anschließend können sie wieder entladen werden auf ~ 0 V, woraufhin die Schalteinrichtung wieder umgeschaltet wird und die Pumpen wiedereingeschaltet werden. For this purpose, for example, the relevant battery modules can be discharged to ~0 V (below the minimum voltage of the converter's diodes). The switching device shown in Fig. 6 or Fig. 7 can then be switched over. The modules can then be charged for a certain period of time (with reversed polarity). They can then be discharged again to ~0 V, whereupon the switching device is switched over again, and the pumps are switched back on.

Trennen des betreffenden Batteriemoduls 1 von der Ausgleichseinheit 60: Disconnecting the relevant battery module 1 from the balancing unit 60:

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 Abbildung 4 dargestellt. The separation of the respective battery module 1 or the associated cell arrangement (2) from the unidirectional or bidirectional converter 20 by means of the switching devices (52) is achieved by carrying out one of the following steps: - Opening switch 53 in a one-switch configuration as shown in Figure 4.

- Öffnen mindestens eines Schalters 54 oder 55 in einer Zwei-Schalter-Konfiguration, wie in Abbildung 5 dargestellt - Opening at least one switch 54 or 55 in a two-switch configuration, as shown in Figure 5

- Verschieben mindestens eines Schalters 54a oder 55b in eine neutrale Position in einer Konfiguration mit zwei Schaltern (mit neutralen Positionen), wie in Abbildung 6 dargestellt. - Moving at least one switch 54a or 55b to a neutral position in a two-switch configuration (with neutral positions), as shown in Figure 6.

- Öffnen aller Schalter 56, 57, 58 und 59 in einer Konfiguration mit vier Schaltern, wie in Abbildung 7 dargestellt. - Opening all switches 56, 57, 58 and 59 in a four-switch configuration as shown in Figure 7.

Beispiele Examples

In einer Ausführungsform kann ein Redox-Flow-Batterie-System kann wenigstens zwei Batteriemodule 1 , einen Hauptumrichter 7, eine Energieversorgungseinheit 30 und eine Steuereinrichtung 8 umfassen, wobei die Batteriemodule 1 in Serie geschaltet und mit dem Hauptumrichter 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 Elektrolytflüssigkeit und Pumpen zur Versorgung der Zellanordnung 2 mit Elektrolytflüssigkeit umfasst, wobei das Batterie-System für wenigstens zwei Batteriemodule 1 jeweils eine Ausgleichseinheit 60 umfasst, und wobei jeweils ein Anschluss von jeder Ausgleicheinheit 60 mit dem zugehörigen Batteriemodul 1 verbunden ist, und ein zweiter Anschluss von jeder Ausgleichseinheit 60 mit der Energieversorgungseinheit 30 verbunden ist, und wobei jede Ausgleichseinheit 60 einen Umrichter 20 und eine Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 umfasst, und wobei die Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 auf einer ersten Seite mit dem Umrichter 20 und auf einer zweiten Seite mit dem zugehörigen Batteriemodul 1 verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung 8 so ausgebildet ist, dass dieselbe die Ausgleichseinheiten 60, die Pumpen in den Batteriemodulen 1 und den Hauptumrichter 7 steuern kann. In one embodiment, a redox flow battery system can comprise at least two battery modules 1, a main converter 7, a power supply unit 30 and a control device 8, wherein the battery modules 1 are connected in series and to the main 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 fluid and pumps for supplying the cell arrangement 2 with electrolyte fluid, wherein the battery system for at least two battery modules 1 each comprises a balancing unit 60, and wherein one connection of each balancing unit 60 is connected to the associated battery module 1, and a second connection of each balancing unit 60 is connected to the power supply unit 30, and wherein each balancing unit 60 comprises a converter 20 and a unit for increasing the availability 50, and wherein the unit for increasing the availability 50 is connected on a first side to the converter 20 and on a second side is connected to the associated battery module 1, and wherein the control device 8 is designed such that it can control the balancing units 60, the pumps in the battery modules 1 and the main converter 7.

In einer Ausführungsform können die Umrichter 20 bidirektional oder unidirektional ausgeführt sein und über Gleich- oder Wechselspannung mit der Energieversorgungseinheit 30 verbunden sein, und wobei die Einheiten zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 jeweils eine Schalteinrichtung 52 umfassen können, und wobei jede Schalteinrichtung wenigstens einen Schalter 53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59 umfassen kann. In one embodiment, the converters 20 can be bidirectional or unidirectional and connected to the power supply unit 30 via DC or AC voltage, and wherein the units 50 can each comprise a switching device 52 to increase availability, and wherein each switching device can comprise at least one switch 53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59.

In einer Ausführungsform kann die Energieversorgungseinheit 30 als unterbrechungsfreie Versorgung ausgebildet sein, wobei jedes Batteriemodul 1 Hilfssysteme 6 umfasst, und wobei der Hauptumrichter 7 Hilfssysteme umfasst, und wobei die Hilfssysteme 6 der Batteriemodule 1 und die Hilfssysteme des Hauptumrichters 7 und die Steuereinrichtung 8 durch die Energieversorgungseinheit 30 mit elektrischer Energie versorgt werden. In einer Ausführungsform kann die Energieversorgungseinheit 30 eine Wechselspannung bereitstellen, wobei die Umrichter 20 als AC-DC-Umrichter ausgebildet sind. In one embodiment, the power supply unit 30 can be designed as an uninterruptible supply, wherein each battery module 1 comprises auxiliary systems 6, and wherein the main converter 7 comprises auxiliary systems, and wherein the auxiliary systems 6 of the battery modules 1 and the auxiliary systems of the main converter 7 and the control device 8 are supplied with electrical energy by the power supply unit 30. In one embodiment, the power supply unit 30 can provide an alternating voltage, wherein the converters 20 are designed as AC-DC converters.

In einer Ausführungsform kann die Energieversorgungseinheit 30 eine Gleichspannung bereitstellen, wobei die Umrichter 20 als DC-DC-Umrichter ausgebildet sind. In one embodiment, the power supply unit 30 can provide a DC voltage, wherein the converters 20 are designed as DC-DC converters.

In einer Ausführungsform kann jede Ausgleichseinheit 60 eine Schutz- und Isolationseinheit 40 umfassen, welche so ausgebildet ist, dass dieselbe das Potential der Energieversorgungseinheit 30 von dem Potential des zugehörigen Batteriemoduls 1 galvanisch trennt. In one embodiment, each balancing unit 60 may comprise a protection and isolation unit 40, which is designed to galvanically isolate the potential of the energy supply unit 30 from the potential of the associated battery module 1.

In einer Ausführungsform kann jede Schalteinrichtung 52 wenigstens zwei Schalter (54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59) umfassen, wobei optional die Umrichter 20 unidirektional ausgeführt sind und über Gleich- oder Wechselspannung mit der Energieversorgungseinheit 30 verbunden sind, wobei optional jede Schalteinrichtung 52 so ausgeführt ist, dass dieselbe die Polarität der Ausgleichseinheit 60 bezüglich des zugehörigen Batteriemoduls 1 wechseln kann, und wobei jede Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 eine Schutzeinrichtung 51 umfasst, welche so ausgebildet ist, dass dieselbe den zugehörigen Umrichter 20 vor unzulässigen Polaritätszuständen schützen kann. In one embodiment, each switching device 52 can comprise at least two switches (54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59), wherein optionally the converters 20 are designed to be unidirectional and are connected to the energy supply unit 30 via direct or alternating voltage, wherein optionally each switching device 52 is designed such that it can change the polarity of the balancing unit 60 with respect to the associated battery module 1, and wherein each unit 50 comprises a protective device 51 to increase availability, which is designed such that it can protect the associated converter 20 from inadmissible polarity states.

In einer Ausführungsform kann das Batterie-System für jedes Batteriemodul 1 einen Bypass- Schalter 9 umfassen, wobei der erste Schalter 9 jeweils parallel zu dem zugehörigen Batteriemodul 1 angeordnet ist, und wobei die Steuereinrichtung 8 mit jedem der Bypass-Schalter 9 so verbunden ist, dass dieselbe die jeweilige Schalterstellung der Bypass-Schalter 9 bestimmen kann, um die Batteriemodule 1 in die Serien-Schaltung hinein- oder aus der Serien-Schaltung herauszuschalten. In one embodiment, the battery system can comprise a bypass switch 9 for each battery module 1, wherein the first switch 9 is arranged in parallel with the associated battery module 1, and wherein the control device 8 is connected to each of the bypass switches 9 in such a way that it can determine the respective switch position of the bypass switches 9 in order to switch the battery modules 1 into or out of the series circuit.

In einer Ausführungsform kann ein Verfahren zur Erhöhung der Verfügbarkeit der Batteriemodule in einem Redox-Flow-Batterie-System der beschriebenen Art vorgesehen sein, bei dem die Steuereinrichtung 8 bei mindestens einem Fehler in mindestens einem der Ausgleichseinheiten 60, mindestens einen Schalter 53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59 der zum betroffenen Batteriemodul 1 gehörigen Schalteinrichtung 52 ansteuert, um eine weitere Beeinflussung des betroffenen Batteriemoduls 1 durch Trennen der Verbindung zwischen der zugehörigen Ausgleichseinheit 60 und dem betroffenen Batteriemodul 1 zu unterbinden. In one embodiment, a method for increasing the availability of the battery modules in a redox flow battery system of the type described can be provided, in which the control device 8, in the event of at least one error in at least one of the balancing units 60, controls at least one switch 53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59 of the switching device 52 belonging to the affected battery module 1 in order to prevent further influencing of the affected battery module 1 by separating the connection between the associated balancing unit 60 and the affected battery module 1.

In einer Ausführungsform kann ein Verfahren vorgesehen sein zur Verringerung von während des Ladens und Entladens eines Redox-Flow-Batterie-Systems gemäß der beschriebenen Art auftretenden Ungleichgewichten, bei dem die Steuereinrichtung 8 die Ausgleichseinheiten 60 und optional den Hauptumrichter 7 steuern, wobei das Verfahren wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst: - Beim Laden des Batterie-Systems wird eine Ausgleichseinheit 60 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass mindestens ein Umrichter 20 so viel elektrische Energie an ein Batteriemodul 1 überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule 1 weniger schnell geladen wird als das andere Batteriemodul 1; In one embodiment, a method may be provided for reducing imbalances occurring during charging and discharging of a redox flow battery system according to the type described, in which the control device 8 controls the balancing units 60 and optionally the main converter 7, the method comprising at least one of the following steps: - When charging the battery system, a compensation unit 60 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a controlled variable such that at least one converter 20 transmits so much electrical energy to a battery module 1 that one of the two battery modules 1 is charged less quickly than the other battery module 1;

- Beim Entladen des Batterie-Systems wird eine Ausgleichseinheit 60 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein mindestens ein Umrichter 20 so viel elektrische Energie von einem Batteriemodul 1 abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule 1 weniger schnell entladen wird als das andere Batteriemodul. - When discharging the battery system, a compensation unit 60 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a controlled variable in such a way that at least one converter 20 dissipates so much electrical energy from a battery module 1 that one of the two battery modules 1 is discharged less quickly than the other battery module.

In einer Ausführungsform kann ein Verfahren vorgesehen sein zur Verringerung von während des Ladens und Entladens eines Redox-Flow-Batterie-Systems gemäß der beschriebenen Art auftretenden Ungleichgewichten, bei dem die Steuereinrichtung 8 den Ausgleichseinheit 60 und bidirektionalen Hauptumrichter 7 steuern kann, und wobei das Verfahren wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst: In one embodiment, a method may be provided for reducing imbalances occurring during charging and discharging of a redox flow battery system according to the type described, in which the control device 8 can control the balancing unit 60 and bidirectional main converter 7, and wherein the method comprises at least one of the following steps:

- Beim Laden des Batterie-Systems wird eine Ausgleichseinheit 60 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass mindestens ein Umrichter 20 so viel elektrische Energie an ein Batteriemodul 1 abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule 1 schneller geladen wird als das andere Batteriemodul 1; - When charging the battery system, a compensation unit 60 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a controlled variable such that at least one converter 20 supplies so much electrical energy to a battery module 1 that one of the two battery modules 1 is charged faster than the other battery module 1;

- Beim Entladen des Batterie-Systems wird eine Ausgleichseinheit 60 durch die Steuereinrichtung 8 zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls 1 hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein mindestens ein Umrichter 20 so viel elektrische Energie an mindestens einer Schnittstelle zum Batteriemodul 1 überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule 1 schneller entladen wird als das andere Batteriemodul 1. - When discharging the battery system, a compensation unit 60 is controlled by the control device 8 to reduce the difference between a first and second battery module 1 with regard to a controlled variable such that at least one converter 20 transmits so much electrical energy to at least one interface to the battery module 1 that one of the two battery modules 1 is discharged faster than the other battery module 1.

In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 8 die Ausgleichseinheit 60 und den bidirektionalen Umrichter 7 so steuern, dass die Steuereinrichtung 8 mindestens eine Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 mit der Schalteinrichtung 52 ansteuert, dass durch den Wechsel der Polarität der Ausgleichseinheit 60, die Energie nicht zur Energieversorgungseinheit 30 abgeführt wird, sondern im Batteriemodul 1 verbleibt. In one embodiment, the control device 8 can control the balancing unit 60 and the bidirectional converter 7 such that the control device 8 controls at least one unit for increasing the availability 50 with the switching device 52, so that by changing the polarity of the balancing unit 60, the energy is not discharged to the energy supply unit 30, but remains in the battery module 1.

In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 8 die Ausgleichseinheiten 60, den Hauptumrichter 7 und den Elektrolyttransfer in den Batteriemodulen 1 von der Tankeinrichtung 3 zur Zellanordnung 2 steuern, wobei in jedem Batteriemodul 1 durch die Ausgleichseinheit 60 allein oder in Zusammenwirken mit dem Hauptumrichter 7 die Zellanordnung 2 entladen werden kann, wobei ein Elektrolyttransfer oder kein Elektrolyttransfer zur Zellanordnung 2 vorliegen kann und durch die Entladung der Zellanordnung 2 ein Spannungslevel an der betreffenden Zellanordnung in mindestens einem Batteriemodul 1 resultiert, das eine bestimmten Schwellwert unterschreitet und somit eine Außerinbetriebnahme oder Servicearbeiten ohne aufwändigere Schutzmaßnahmen zum Arbeiten unter Spannung unterstützt. In one embodiment, the control device 8 can control the balancing units 60, the main converter 7 and the electrolyte transfer in the battery modules 1 from the tank device 3 to the cell arrangement 2, wherein in each battery module 1 the cell arrangement 2 is discharged by the balancing unit 60 alone or in cooperation with the main converter 7 can, wherein an electrolyte transfer or no electrolyte transfer to the cell arrangement 2 can be present and the discharge of the cell arrangement 2 results in a voltage level at the relevant cell arrangement in at least one battery module 1 which falls below a certain threshold value and thus supports decommissioning or service work without more complex protective measures for working under voltage.

In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 8 die Ausgleichseinheiten 60, den Hauptumrichter 7 und den Elektrolyttransfer in den Batteriemodulen 1 von der Tankeinrichtung 3 zur Zellanordnung 2 steuern, wobei in jedem Batteriemodul 1 in einem Zustand in dem das Spannungspotential der betreffenden Zellanordnung 2 zu gering für eine Aktivierung des Hauptumrichters 7 ist, die betreffende Zellanordnung 2 durch die zugehörige Ausgleichseinheit 60 allein geladen wird, wobei ein Elektrolyttransfer oder kein Elektrolyttransfer zur Zellanordnung 2 vorliegen kann und bis sich mindestens ein Spannungsniveau einstellt das die Aktivierung des Hauptumrichters 7 erlaubt. In one embodiment, the control device 8 can control the equalization units 60, the main converter 7 and the electrolyte transfer in the battery modules 1 from the tank device 3 to the cell arrangement 2, wherein in each battery module 1, in a state in which the voltage potential of the cell arrangement 2 in question is too low for activation of the main converter 7, the cell arrangement 2 in question is charged by the associated equalization unit 60 alone, wherein there may or may not be an electrolyte transfer to the cell arrangement 2 and until at least a voltage level is reached that allows activation of the main converter 7.

In einer Ausführungsform kann ein Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Batteriemoduls 1 eines Redox-Flow-Batterie-Systems gemäß der beschriebenen Art vorgesehen sein, wobei die Steuereinrichtung 8 den Hauptumrichter 7, die Batteriemodule 1 und/oder die Ausgleichseinheiten 60 so steuern kann, dass während des Entladevorgangs des Redox-Flow- Batterie-Systems, in mindestens einem Batteriemodul 1 eine Umkehr der Spannung erfolgt. In one embodiment, a method for restoring the performance of a battery module 1 of a redox flow battery system according to the type described can be provided, wherein the control device 8 can control the main converter 7, the battery modules 1 and/or the balancing units 60 such that a reversal of the voltage takes place in at least one battery module 1 during the discharge process of the redox flow battery system.

In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 8 die Ausgleichseinheiten 60 und den Hauptumrichter 7 so steuern, dass die Steuereinrichtung 8 mindestens eine Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 mit der der zugehörigen Schalteinrichtung 52 so ansteuert, dass durch den Wechsel der Polarität der Ausgleichseinheit 60 in den Ausgleichseinheiten 60 jeweils ein unidirektionaler Umrichter 20 für den Spannungsaufbau und/oder -abbau der zugehörigen Batteriemodule 1 genutzt werden kann. In one embodiment, the control device 8 can control the balancing units 60 and the main converter 7 such that the control device 8 controls at least one unit for increasing availability 50 with the associated switching device 52 such that by changing the polarity of the balancing unit 60 in the balancing units 60, a unidirectional converter 20 can be used for the voltage build-up and/or reduction of the associated battery modules 1.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

1 Batteriemodul 1 battery module

2 Zellanordnung 2 Cell arrangement

3 Tankeinrichtung 3 Tank facility

4 Messeinrichtung zur Bestimmung der Leerlaufspannung4 Measuring device for determining the open circuit voltage

5 Messeinrichtung zur Bestimmung der Klemmenspannung5 Measuring device for determining the terminal voltage

6 Hilfssysteme im Batteriemodul 6 auxiliary systems in the battery module

7 Bidirektionaler Wechselrichter / Hauptumrichter 7 Bidirectional inverter / main converter

8 Steuereinheit 8 Control unit

9 Bypass-Schalter 9 Bypass switch

20 AC-DC-Umrichter 20 AC-DC converters

30 Energieversorgungseinheit 30 power supply unit

40 Schutz- und Isolationseinheit 40 Protection and insulation unit

41 Schutzeinheit 41 Protection Unit

42 Isolationseinheit 42 Isolation Unit

50 Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit 50 units to increase availability

51 Verpolungsschutzschaltung 51 Reverse polarity protection circuit

52 Schalteinrichtung 52 Switching device

53 Schalter 53 switches

54 Schalter 54 switches

54a Schalter 54a switch

55 Schalter 55 switches

55b Schalter 55b switch

56 Schalter 56 switches

57 Schalter 57 switches

58 Schalter 58 switches

59 Schalter 59 switches

60 Ausgleichseinheit 60 balancing units

Claims

Patentansprüche Patent claims 1. Redox-Flow-Batterie-System umfassend wenigstens zwei Batteriemodule (1), einen Hauptumrichter (7), eine Energieversorgungseinheit (30) und eine Steuereinrichtung (8), wobei die Batteriemodule (1) in Serie geschaltet und mit dem Hauptumrichter (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 Elektrolytflüssigkeit und Pumpen zur Versorgung der Zellanordnung (2) mit Elektrolytflüssigkeit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-System für wenigstens zwei Batteriemodule (1) jeweils eine separate Ausgleichseinheit (60) umfasst, und wobei jeweils ein Anschluss von jeder Ausgleicheinheit (60) mit dem zugehörigen Batteriemodul (1) verbunden ist, und ein zweiter Anschluss von jeder Ausgleichseinheit (60) mit der Energieversorgungseinheit (30) verbunden ist, und wobei jede Ausgleichseinheit (60) einen Umrichter (20) umfasst.. 1. A redox flow battery system comprising at least two battery modules (1), a main converter (7), a power supply unit (30), and a control device (8), wherein the battery modules (1) are connected in series and to the main 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 fluid and pumps for supplying the cell arrangement (2) with electrolyte fluid, characterized in that the battery system comprises a separate balancing unit (60) for each of at least two battery modules (1), and wherein one connection of each balancing unit (60) is connected to the associated battery module (1), and a second connection of each balancing unit (60) is connected to the power supply unit (30), and wherein each balancing unit (60) comprises a converter (20). 2. Redox-Flow-Batterie-System nach Anspruch 1, wobei die Umrichter (20) bidirektional oder unidirektional ausgeführt sind und über Gleich- oder Wechselspannung mit der Energieversorgungseinheit (30) verbunden sind. 2. Redox flow battery system according to claim 1, wherein the converters (20) are bidirectional or unidirectional and are connected to the power supply unit (30) via direct or alternating voltage. 3. Redox-Flow-Batterie-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Ausgleichseinheit (60) eine Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit (50) umfasst, die auf einer ersten Seite mit dem zugehörigen Umrichter (20) und auf einer zweiten Seite mit dem zugehörigen Batteriemodul (1) verbunden ist. 3. Redox flow battery system according to claim 1 or 2, wherein each balancing unit (60) comprises an availability enhancement unit (50) connected on a first side to the associated converter (20) and on a second side to the associated battery module (1). 4. Redox-Flow-Batterie-System nach Anspruch 3, wobei die Einheiten zur Erhöhung der Verfügbarkeit (50) jeweils eine Schalteinrichtung (52) umfassen, um das zugehörige Batteriemodul (1) von Beeinflussungen durch die Ausgleichseinheit (60) zu entkoppeln, und wobei jede Schalteinrichtung wenigstens einen, vorzugsweise wenigstens zwei, Schalter (53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59) umfasst; und/oder wobei die Einheiten zur Erhöhung der Verfügbarkeit (50) jeweils eine Schutzeinrichtung (51) umfassen, welche so ausgebildet ist, dass dieselbe den zugehörigen Umrichter (20) vor unzulässigen Polaritätszuständen schützen kann. 4. Redox flow battery system according to claim 3, wherein the units for increasing availability (50) each comprise a switching device (52) to decouple the associated battery module (1) from influences by the balancing unit (60), and wherein each switching device comprises at least one, preferably at least two, switches (53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59); and/or wherein the units for increasing availability (50) each comprise a protective device (51) which is designed such that it can protect the associated converter (20) from impermissible polarity states. 5. Redox-Flow-Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinheit (30) als unterbrechungsfreie Versorgung ausgebildet ist, und wobei vorzugsweise jedes Batteriemodul (1) Hilfssysteme (6) umfasst, und vorzugsweise der Hauptumrichter (7) Hilfssysteme umfasst, und wobei die Hilfssysteme (6) der Batteriemodule (1) und die Hilfssysteme des Hauptumrichters (7) und die Steuereinrichtung (8) durch die Energieversorgungseinheit (30) mit elektrischer Energie versorgt werden. 5. Redox flow battery system according to one of the preceding claims, wherein the energy supply unit (30) is designed as an uninterruptible supply, and wherein preferably each battery module (1) comprises auxiliary systems (6), and preferably the main converter (7) comprises auxiliary systems, and wherein the auxiliary systems (6) of the battery modules (1) and the auxiliary systems of the main converter (7) and the control device (8) are supplied with electrical energy by the power supply unit (30). 6. Redox-Flow-Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinheit (30) eine Wechselspannung bereitstellt, und wobei die Umrichter (20) als AC-DC-Umrichter ausgebildet sind. 6. Redox flow battery system according to one of the preceding claims, wherein the energy supply unit (30) provides an alternating voltage, and wherein the converters (20) are designed as AC-DC converters. 7. Redox-Flow-Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinheit (30) eine Gleichspannung bereitstellt, und wobei die Umrichter (20) als DC-DC-Umrichter ausgebildet sind. 7. Redox flow battery system according to one of the preceding claims, wherein the energy supply unit (30) provides a direct voltage, and wherein the converters (20) are designed as DC-DC converters. 8. Redox-Flow-Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Ausgleichseinheit (60) eine Schutz- und Isolationseinheit (40) umfasst, welche so ausgebildet ist, dass dieselbe das Potential der Energieversorgungseinheit (30) von dem Potential des zugehörigen Batteriemoduls (1) galvanisch trennt. 8. Redox flow battery system according to one of the preceding claims, wherein each balancing unit (60) comprises a protection and insulation unit (40) which is designed such that it galvanically separates the potential of the energy supply unit (30) from the potential of the associated battery module (1). 9. Redox-Flow-Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zumindest abhängig von Anspruch 4, wobei jede Schalteinrichtung (52) wenigstens zwei Schalter (54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59) umfasst, wobei vorzugsweise die Umrichter (20) unidirektional ausgeführt sind und über Gleich- oder Wechselspannung mit der Energieversorgungseinheit (30) verbunden sind. 9. Redox flow battery system according to one of the preceding claims, at least dependent on claim 4, wherein each switching device (52) comprises at least two switches (54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59), wherein preferably the converters (20) are unidirectional and are connected to the energy supply unit (30) via DC or AC voltage. 10. Redox-Flow-Batterie-System nach Anspruch 8, wobei jede Schalteinrichtung (52) so ausgeführt ist, dass dieselbe die Polarität der Ausgleichseinheit (60) bezüglich des zugehörigen Batteriemoduls (1) wechseln kann. 10. Redox flow battery system according to claim 8, wherein each switching device (52) is designed such that it can change the polarity of the balancing unit (60) with respect to the associated battery module (1). 11. Redox-Flow-Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batterie-System für jedes Batteriemodul (1) einen Bypass-Schalter (9) umfasst, wobei der Bypass-Schalter (9) jeweils parallel zu dem zugehörigen Batteriemodul (1) angeordnet ist, und wobei die Steuereinrichtung (8) mit jedem der Bypass-Schalter (9) so verbunden ist, dass dieselbe die jeweilige Schalterstellung der Bypass-Schalter (9) bestimmen kann, um die Batteriemodule (1) in die Serien-Schaltung hinein- oder aus der Serien-Schaltung herauszuschalten. 11. Redox flow battery system according to one of the preceding claims, wherein the battery system comprises a bypass switch (9) for each battery module (1), wherein the bypass switch (9) is arranged in parallel with the associated battery module (1), and wherein the control device (8) is connected to each of the bypass switches (9) in such a way that it can determine the respective switch position of the bypass switches (9) in order to switch the battery modules (1) into or out of the series circuit. 12. Redox-Flow-Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (8) so ausgebildet ist, dass dieselbe die Ausgleichseinheiten (60), die Pumpen in den Batteriemodulen (1) und den Hauptumrichter (7) steuern kann. 12. Redox flow battery system according to one of the preceding claims, wherein the control device (8) is designed such that it can control the balancing units (60), the pumps in the battery modules (1) and the main converter (7). 13. Redox-Flow-Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Redox- Flow Batterie-System n Batteriemodule (1) und wenigstens n-1 separate Ausgleichseinheiten (60) umfasst. 13. Redox flow battery system according to one of the preceding claims, wherein the redox flow battery system comprises n battery modules (1) and at least n-1 separate balancing units (60). 14. Verfahren zur Erhöhung der Verfügbarkeit der Batteriemodule (1) in einem Redox-Flow- Batterie-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zumindest abhängig von Anspruch 4, bei dem die Steuereinrichtung (8) bei mindestens einem Fehler in mindestens einem der Ausgleichseinheiten (60) mindestens einen Schalter (53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59) der zum betroffenen Batteriemodul (1) gehörigen Schalteinrichtung (52) ansteuert, um eine weitere Beeinflussung des betroffenen Batteriemoduls (1) durch Trennen der Verbindung zwischen der zugehörigen Ausgleichseinheit (60) und dem betroffenen Batteriemodul (1) zu unterbinden. 14. Method for increasing the availability of the battery modules (1) in a redox flow battery system according to one of the preceding claims, at least dependent on claim 4, in which the control device (8) in the event of at least one fault in at least one of the compensation units (60) controls at least one switch (53, 54, 55, 54a, 55b, 56, 57, 58, 59) of the switching device (52) belonging to the affected battery module (1) in order to prevent further influencing of the affected battery module (1) by separating the connection between the associated compensation unit (60) and the affected battery module (1). 15. Verfahren zur Verringerung von während des Ladens und Entladens eines Redox-Flow- Batterie-Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 auftretenden Ungleichgewichten, wobei die Steuereinrichtung (8) die Ausgleichseinheiten (60) und den Hauptumrichter (7) steuern kann, und wobei das Verfahren wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst: 15. A method for reducing imbalances occurring during charging and discharging of a redox flow battery system according to one of claims 1 to 13, wherein the control device (8) can control the balancing units (60) and the main converter (7), and wherein the method comprises at least one of the following steps: - Beim Laden des Batterie-Systems wird eine Ausgleichseinheit (60) durch die Steuereinrichtung (8) zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls (1) hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass mindestens ein Umrichter (20) so viel elektrische Energie an ein Batteriemodul (1) überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule (1) weniger schnell geladen wird als das andere Batteriemodul (1); - When charging the battery system, a compensation unit (60) is controlled by the control device (8) to reduce the difference between a first and second battery module (1) with regard to a controlled variable in such a way that at least one converter (20) transmits so much electrical energy to a battery module (1) that one of the two battery modules (1) is charged less quickly than the other battery module (1); - Beim Entladen des Batterie-Systems wird eine Ausgleichseinheit (60) durch die Steuereinrichtung (8) zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls (1) hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein mindestens ein Umrichter (20) ) so viel elektrische Energie von einem Batteriemodul (1) abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule (1) weniger schnell entladen wird als das andere Batteriemodul. - When discharging the battery system, a compensation unit (60) is controlled by the control device (8) to reduce the difference between a first and second battery module (1) with regard to a controlled variable in such a way that at least one converter (20) dissipates so much electrical energy from a battery module (1) that one of the two battery modules (1) is discharged less quickly than the other battery module. 16. Verfahren zur Verringerung von während des Ladens und Entladens eines Redox-Flow- Batterie-Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 auftretenden Ungleichgewichten, dass die Steuereinrichtung (8) den Ausgleichseinheit (60) und bidirektionalen Hauptumrichter (7) steuern kann, und wobei das Verfahren wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst: 16. A method for reducing imbalances occurring during charging and discharging of a redox flow battery system according to one of claims 1 to 13, wherein the control device (8) can control the balancing unit (60) and the bidirectional main converter (7), and wherein the method comprises at least one of the following steps: - Beim Laden des Batterie-Systems wird eine Ausgleichseinheit (60) durch die Steuereinrichtung (8) zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls (1) hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass mindestens ein Umrichter (20) so viel elektrische Energie an ein Batteriemodul (1) abführt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule (1) schneller geladen wird als das andere Batteriemodul (1); - When charging the battery system, a compensation unit (60) is controlled by the control device (8) to reduce the difference between a first and second battery module (1) with regard to a controlled variable in such a way that at least one converter (20) dissipates so much electrical energy to a battery module (1) that one of the two battery modules (1) is charged faster than the other battery module (1); - Beim Entladen des Batterie-Systems wird eine Ausgleichseinheit (60) durch die Steuereinrichtung (8) zur Verringerung des Unterschieds eines ersten und zweiten Batteriemoduls (1) hinsichtlich einer Regelgröße so angesteuert, dass ein mindestens ein Umrichter (20) so viel elektrische Energie an mindestens einer Schnittstelle zum Batteriemodul (1) überträgt, dass dadurch eines der beiden Batteriemodule (1) schneller entladen wird als das andere Batteriemodul (1). - When discharging the battery system, a balancing unit (60) is switched on by the Control device (8) for reducing the difference between a first and second battery module (1) with regard to a controlled variable, controlled in such a way that at least one converter (20) transmits so much electrical energy to at least one interface to the battery module (1) that one of the two battery modules (1) is discharged faster than the other battery module (1). 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Steuereinrichtung (8) die Ausgleichseinheit (60) und den bidirektionalen Umrichter (7) so steuern kann, dass die Steuereinrichtung (8) mindestens eine Einheit zur Erhöhung der Verfügbarkeit (50) mit der Schalteinrichtung (52) ansteuert, sodass durch den Wechsel der Polarität der Ausgleichseinheit (60), die Energie nicht zur Energieversorgungseinheit (30) abgeführt wird, sondern im Batteriemodul (1) verbleibt. 17. The method according to one of claims 15 or 16, wherein the control device (8) can control the balancing unit (60) and the bidirectional converter (7) in such a way that the control device (8) controls at least one unit for increasing the availability (50) with the switching device (52), so that by changing the polarity of the balancing unit (60), the energy is not dissipated to the energy supply unit (30) but remains in the battery module (1). 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17 wobei die Steuereinrichtung (8) die Ausgleichseinheiten (60), den Hauptumrichter (7) und den Elektrolyttransfer in den Batteriemodulen (1) von der Tankeinrichtung (3) zur Zellanordnung (2) steuern kann, und wobei in jedem Batteriemodul (1) durch die Ausgleichseinheit (60) allein oder in Zusammenwirken mit dem Hauptumrichter (7) die Zellanordnung (2) entladen werden kann, wobei ein Elektrolyttransfer oder kein Elektrolyttransfer zur Zellanordnung (2) vorliegen kann und durch die Entladung der Zellanordnung (2) ein Spannungslevel an der betreffenden Zellanordnung in mindestens einem Batteriemodul (1) resultiert, das einen Schwellwert unterschreitet und somit eine Außerinbetriebnahme oder einen Service unterstützt. 18. The method according to any one of claims 14 to 17, wherein the control device (8) can control the equalization units (60), the main converter (7) and the electrolyte transfer in the battery modules (1) from the tank device (3) to the cell arrangement (2), and wherein in each battery module (1) the cell arrangement (2) can be discharged by the equalization unit (60) alone or in cooperation with the main converter (7), wherein there can be an electrolyte transfer to the cell arrangement (2) or no electrolyte transfer, and the discharge of the cell arrangement (2) results in a voltage level at the relevant cell arrangement in at least one battery module (1) which falls below a threshold value and thus supports decommissioning or servicing. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Steuereinrichtung (8) die Ausgleichseinheiten (60), den Hauptumrichter (7) und den Elektrolyttransfer in den Batteriemodulen (1) von der Tankeinrichtung (3) zur Zellanordnung (2) steuern kann, und wobei in jedem Batteriemodul (1) in einem Zustand in dem das Spannungspotential der betreffenden Zellanordnung (2) zu gering für eine Aktivierung des Hauptumrichters (7) ist, die betreffende Zellanordnung (2) durch die zugehörige Ausgleichseinheit (60) allein geladen wird, wobei ein Elektrolyttransfer oder kein Elektrolyttransfer zur Zellanordnung (2) vorliegen kann und bis sich mindestens ein Spannungsniveau einstellt das die Aktivierung des Hauptumrichters (7) erlaubt. 19. The method according to any one of claims 14 to 18, wherein the control device (8) can control the equalization units (60), the main converter (7) and the electrolyte transfer in the battery modules (1) from the tank device (3) to the cell arrangement (2), and wherein in each battery module (1), in a state in which the voltage potential of the cell arrangement (2) in question is too low for activation of the main converter (7), the cell arrangement (2) in question is charged by the associated equalization unit (60) alone, wherein there may or may not be an electrolyte transfer to the cell arrangement (2) and until at least one voltage level is reached which allows activation of the main converter (7). 20. Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit eines Batteriemoduls (1) eines Redox-Flow-Batterie-Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuereinrichtung (8) den Hauptumrichter (7), die Batteriemodule (1) und/oder die Ausgleichseinheiten (60) so steuern kann, dass während des Entladevorgangs des Redox-Flow-Batterie-Systems, in mindestens einem Batteriemodul (1) eine Umkehr der Spannung erfolgt. 20. A method for restoring the performance of a battery module (1) of a redox flow battery system according to one of claims 1 to 13, wherein the control device (8) can control the main converter (7), the battery modules (1) and/or the balancing units (60) such that a reversal of the voltage occurs in at least one battery module (1) during the discharging process of the redox flow battery system.
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