Sebastian König

Volumetric electrolyte flow rate control in vanadium redox flow batteries using a variable flow factor

In flow batteries, efficient operation is strongly related to a sophisticated volumetric flow rate control of the electrolyte. The optimal flow rate is a compromise between prevented losses caused by concentration over-potential and additional pump losses. Beside experimental approaches, model-based studies are often used for flow rate optimization. Therefore, we first present a multi-physical flow battery model which covers ohmic losses, shunt current losses, concentration over-potential and pump losses. The losses introduced by the energy conversion system for grid connection are included as well. A new method of efficiency determination is proposed, which allows for the determination of system efficiency depending on batterys state of charge and power as an alternative to the round-trip efficiency. With the SOC and power dependent efficiency, we develop an optimal flow rate control. While previous works achieved highest efficiencies with variable flow rates but constant flow factors, we propose to use a variable flow factor. It is demonstrated that this allows for a further increase in efficiency and a reduction of the required pump size. Furthermore, the reduced peak volumetric flow rate enables the use of smaller pipe diameters, which saves space and installation costs. Smaller pipe diameters will also decrease shunt current losses, which occur in the outer circuitry if two or more stacks are electrically connected in series.

Battery Energy Storage System Models for Microgrid Stability Analysis and Dynamic Simulation

With the increasing importance of battery energy storage systems (BESS) in microgrids, accurate modeling plays a key role in understanding their behavior. This paper investigates and compares the performance of BESS models with different depths of detail. Specifically, several models are examined: an average model represented by voltage sources; an ideal dc source behind a voltage source converter; a back-to-back buck/boost and bidirectional three-phase converter, with all models sharing the same control system and parameters; and two additional proposed models where the switches are replaced by dependent sources to help analyze the differences observed in the performance of the models. All these models are developed in PSCAD and their performances are simulated and compared considering various issues such as voltage and frequency stability and total harmonic distortion in a benchmark test microgrid. It is shown through simulation results and eigenvalue studies that the proposed models can exhibit a different performance, especially when the system is heavily loaded, highlighting the need for more accurate modeling under certain microgrid conditions.

Model-based Design and Optimization of Vanadium Redox Flow Batteries

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Steigerung des Wirkungsgrads der Vanadium Redox Flow Batterie (VRFB) mit einem modellbasierten Ansatz. Zu Beginn wird eine detaillierte Anleitung zum Aufbau eines VRFB-Modells auf Systemebene gegeben. Modelliert werden Leerlaufspannung, ohmsche Uberspannung, Konzentrationsuberspannung, Vanadium Crossover, Streustrome (engl. Shunt currents), sowie der Leistungsbedarf der Pumpen. Alle Teilmodelle werden mit numerischen Beispielen illustriert. Das Spannungsmodell wird anschliesend mit Hilfe experimenteller Daten dreier Batteriehersteller validiert. Anhand der auftretenden Abweichungen werden Schwachen im Literaturmodell aufgezeigt. Durch eine korrekte Herleitung der Massentransferkoeffizienten und eine Anpassung der effektiven Elektrodenoberflache werden die Abweichungen beseitigt. Das validierte Batteriemodell wird darauf hin in einer umfangreichen Designstudie eingesetzt. Durch eine Variation der Elektrodenflache zwischen 1000 und 4000 cm² und Veranderungen im Entwurf des Zuleitungskanals werden mittels Finite Element Methode 24 verschiedene Zelldesigns erstellt. Diese werden anschliesend in Stacks mit 40 Zellen in einem System mit einem einzelnen Stack, sowie in einem System mit einem Strang aus drei Stacks simuliert. Dabei werden die Einflusse der verschiedenen Entwurfsparameter auf die verschiedenen Verlustmechanismen untersucht. In der Betriebsphase stellt der Volumenstrom den wichtigsten Betriebsparameter dar. Es wird eine neuartige, modelbasierte Optimierungsstrategie prasentiert und mit den etablierten Betriebsstrategien verglichen. Weiterhin wird ein Spannungsregler vorgestellt, der durch die Regelung des Volumenstroms die Verletzung der Zellspannungsgrenzen so lange hinauszogert, wie es die Kapazitat der installierten Pumpen erlaubt.