專利名稱：一種全釩液流儲能電池堆控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)儲能電池，尤其涉及一種全釩液流電池堆控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電能是信息社會最重要的、不可或缺的二次能源，是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會進(jìn)步的保障。風(fēng)能、太陽能和潮汐能等可再生能源被認(rèn)為是未來電能的有效來源，在世界范圍內(nèi)正日益得到關(guān)注。為保證可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，應(yīng)以蓄電儲能的方式加以調(diào)節(jié)。 全釩氧化還原液流電池(簡稱釩電池)是一種新型的綠色環(huán)保儲能電池，它具有耐大電流充放電，容量易于調(diào)整，可以實現(xiàn)瞬間充電，壽命長等諸多優(yōu)點，因此在固定式儲能方面具有廣闊的前景，引起了許多研究機(jī)構(gòu)和能源企業(yè)的關(guān)注。由于釩電池是個電化學(xué)反應(yīng)裝置，其工作狀態(tài)變化較大，原輔料又包含有毒害化學(xué)物質(zhì)，為了滿足負(fù)載對電池功率的要求，提供給負(fù)載性能穩(wěn)定的電源，需要對電池的反應(yīng)電解液的溫度、壓強(qiáng)、流量和儲液罐液位等直接進(jìn)行實時控制，才能保證釩電池可靠有效地運行，和電池堆運行安全。但是，目前還沒有這樣一個有效的控制系統(tǒng)，嚴(yán)重影響了釩電池堆的實用性和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種能夠按照電池功率的運行要求，對電池中反應(yīng)電解液的溫度、 壓強(qiáng)、流量、充放電電壓、電流等直接進(jìn)行實時控制的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)。本發(fā)明主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的
一種全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，所述電池堆由若干個串聯(lián)的全釩液流單電池構(gòu)成，電池堆外設(shè)置有正電解液儲液罐和負(fù)電解液儲液罐，正電解液儲液罐和負(fù)電解液儲液罐分別通過正進(jìn)液管路和負(fù)進(jìn)液管路向單電池輸入電解液、通過正出液管路和負(fù)出液管路將單電池內(nèi)多余的電解液返出，所述控制系統(tǒng)包括主控制器單元、傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、執(zhí)行單元和流體泵
傳感器，用于測量電池堆反應(yīng)時的實時工作參數(shù)；
數(shù)據(jù)采集單元，接受傳感器的實時工作參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后、發(fā)送至主控制單
元；
主控制單元，接收數(shù)字信號、并對其進(jìn)行邏輯運算后，輸出控制信號至執(zhí)行單元； 執(zhí)行單元，接受控制信號，驅(qū)動流體泵工作；
流體泵是兩個、分別設(shè)置在正進(jìn)液管路和負(fù)進(jìn)液管路上，用于控制正電解液和負(fù)電解液的流量。所述單電池由雙極板、正極集電極、質(zhì)子膜、負(fù)極集電極和雙極板構(gòu)成。所述傳感器包括正儲液罐液位傳感器和負(fù)儲液罐液位傳感器，正進(jìn)液管路、負(fù)進(jìn)液管路、正出液管路和負(fù)出液管路上分別設(shè)置有流量傳感器、壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器， 每個單電池上設(shè)置有電壓傳感器。
所述數(shù)據(jù)采集單元包括1)與多個傳感器相連的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；2)與單電池上設(shè)置的電壓傳感器相連的電壓巡檢儀。所述主控制器單元包括作為上位機(jī)的計算機(jī)PC和作為下位機(jī)的可編程控制器 PLC,它們通過專用電纜相連接。所述計算機(jī)PC硬件上至少包括顯示器和數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)如下功能1)與下位機(jī)PLC進(jìn)行實時通訊；2)實時顯示出電池堆運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；3)數(shù)據(jù)邏輯計算；4)保存所有數(shù)據(jù)到文件。所述可編程控制器PLC內(nèi)部需進(jìn)行程序編制，程序功能至少包括1)接收上位機(jī)指令和數(shù)據(jù)交換；2)收集模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)，對收集數(shù)據(jù)平均計算；3)通過收集數(shù)據(jù)與初始設(shè)定值進(jìn)行邏輯運算后，給出相應(yīng)指示報警燈信號；4)在PC機(jī)不通訊或不工作時，也能驅(qū)動電池堆完成充放電基本功能。所述執(zhí)行單元包括1)與流體泵電機(jī)相連的變頻器；2)與多個指示報警燈相連的可編程控制器I/O模塊。所述可編程控制器I/O模塊通過總線方式與變頻器、指示報警燈相連接，該總線方式可以是RS-485總線方式、控制器局域網(wǎng)總線或可編程控制器內(nèi)部總線中一種或多種混合總線方式。本發(fā)明的創(chuàng)新的使用效果是本發(fā)明解決了全釩液流電池堆工作狀態(tài)變化較大， 不能提供給負(fù)載性能穩(wěn)定的電源，無法滿足負(fù)載對電池功率的要求，防范電池堆過充和過放以及單個單電池電壓過高造成電池堆損毀等安全技術(shù)問題。能夠?qū)崟r采集電池堆電壓、 電流和充放電狀態(tài)，以及正負(fù)電解液流量、壓強(qiáng)、進(jìn)出口溫度，由主控制器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析和處理，根據(jù)電池堆實時工作狀態(tài)，作出判斷，發(fā)出控制信號，控制正負(fù)電解液流體泵轉(zhuǎn)速從而控制電解液流量，還控制報警指示燈開關(guān)，使電池堆穩(wěn)定可靠、安全地運行，達(dá)到理想的電池性能，確保提供給負(fù)載性能穩(wěn)定的符合要求的電源，從而提高全釩液流電池堆電池的實用價值和市場價值。


圖1是本發(fā)明的一種系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的一種電連接原理框圖。圖中標(biāo)號表示1-單電池電壓傳感器、2-正液管路進(jìn)液溫度傳感器、3-正液管路壓強(qiáng)傳感器、4-正液管路出液溫度傳感器、5-電池堆、6-正液儲液罐液位傳感器、7-正液流體泵、8-正液管路流量傳感器、9-正液儲液罐、10-負(fù)液儲液罐、11-負(fù)液管路流量傳感器、 12-負(fù)液流體泵、13-負(fù)液儲液罐液位傳感器、14-負(fù)液管路出液溫度傳感器、15-負(fù)液管路進(jìn)液溫度傳感器、16-負(fù)液管路壓強(qiáng)傳感器、17-電壓、18-充放電電流、A-釩正極電解液入口、B-釩負(fù)極液入口、C-釩正極電解液出口、D-釩負(fù)極液出口。
具體實施例方式全釩液流電池堆5包括若干個堆疊起來的相串聯(lián)的全釩液流單電池，每個單電池依次由雙極板、正極集電極、質(zhì)子膜、負(fù)極集電極和雙極板構(gòu)成。電池堆5設(shè)有正負(fù)電解液總管，分別連接正液儲液罐9和負(fù)液儲液罐10，正負(fù)電解液總管在每個單電池處又分解為多根分管，連接單電池上設(shè)置的釩正極電解液入口 A、釩負(fù)極液入口 B、釩正極電解液出口 C、釩負(fù)極液出口 D。正負(fù)電解液總管具體的結(jié)構(gòu)如下正液儲液罐9和負(fù)液儲液罐10分別通過正進(jìn)液管路和負(fù)進(jìn)液管路向單電池輸入電解液、通過正出液管路和負(fù)出液管路將單電池內(nèi)多余的電解液返出。本發(fā)明的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)包括如下單元塊主控制器單元、數(shù)據(jù)采集單元、執(zhí)行單元、傳感器和流體泵(7、12)。具體的
傳感器，用于測量電池堆5反應(yīng)時的實時工作參數(shù)；包括正儲液罐液位傳感器6和負(fù)儲液罐液位傳感器13，正進(jìn)液管路、負(fù)進(jìn)液管路、正出液管路和負(fù)出液管路上分別設(shè)置有 流量傳感器(8、11)、壓強(qiáng)傳感器(3、16)和溫度傳感器(2、15、4、14)，每個單電池上設(shè)置有單電池電壓傳感器1。數(shù)據(jù)采集單元，接受傳感器的實時工作參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后、發(fā)送至主控制單元；包括1)與多個傳感器相連的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；2)與單電池電壓傳感器1相連的電壓巡檢儀。主控制單元，接收數(shù)字信號、并對其進(jìn)行邏輯運算后，輸出控制信號至執(zhí)行單元； 作為上位機(jī)的計算機(jī)PC和作為下位機(jī)的可編程控制器PLC，它們通過專用電纜相連接。執(zhí)行單元，接受控制信號，驅(qū)動流體泵(7、12)工作；1)與流體泵(7、12)電機(jī)相連的變頻器；2)與多個指示報警燈相連的可編程控制器I/O模塊。流體泵(7、12)是兩個、分別為設(shè)置在正進(jìn)液管路的正液流體泵7和設(shè)置在負(fù)進(jìn)液管路上的負(fù)液流體泵12，用于控制正電解液和負(fù)電解液的流量，驅(qū)動正負(fù)液流動。其中
計算機(jī)PC硬件上至少包括顯示器和數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)如下功能1)與下位機(jī)PLC進(jìn)行實時通訊；2)實時顯示出電池堆5運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；3)數(shù)據(jù)邏輯計算；4)保存所有數(shù)據(jù)到文件。可編程控制器PLC內(nèi)部需進(jìn)行程序編制，程序功能至少包括1)接收上位機(jī)指令和數(shù)據(jù)交換；2)收集模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)，對收集數(shù)據(jù)平均計算；3)通過收集數(shù)據(jù)與初始設(shè)定值進(jìn)行邏輯運算后，給出相應(yīng)指示報警燈信號；4)在PC機(jī)不通訊或不工作時，也能驅(qū)動電池堆5完成充放電基本功能。數(shù)據(jù)采集單元和執(zhí)行單元可以合并為一個單元——數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元，包括以下結(jié)構(gòu)1)與多個傳感器相連的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；2)與正負(fù)電解液流體泵(7、12)電機(jī)相連的變頻器；3)與單電池電壓傳感器1相連的電壓巡檢儀；4)與多個指示報警燈相連的可編程控制器I/O模塊，所有上述模塊帶有總線通訊接口，可編程控制器通過總線通訊方式與多個數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元相連接。流體泵(7、12)推動電解液分別從從正負(fù)儲液罐管道出來后經(jīng)流量傳感器(8、 11)、磁力泵、壓強(qiáng)傳感器(3、16)、進(jìn)液溫度傳感器(2、15)、和釩電池堆5入口相連，出電池堆5后經(jīng)出液溫度傳感器(4、14)后分別又回到正負(fù)儲液罐(9、10)，電解液單位流量通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制，控制條件是根據(jù)電池堆5S0C狀態(tài)，充放電電流18、電壓17以及電池堆5單電池電壓數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯運算取得?？删幊炭刂破鱅/O模塊通過總線方式與變頻器、指示報警燈相連接，該總線方式可以是RS-485總線方式、控制器局域網(wǎng)總線或可編程控制器內(nèi)部總線中一種或多種混合總線方式。由于RS-485總線采用差分傳輸方式，具有可多點接入、抗現(xiàn)場干擾能力強(qiáng)特點，市場可選設(shè)備多，所有上述模塊通過RS-485總線相接，PLC的I/O模塊通過內(nèi)部總線通訊， 以保證輸出的及時性和可靠性。保證內(nèi)部反應(yīng)時間小于50ms。使電池堆5工作在最佳溫度
點ο電池堆5每個單電池的連接有單電池電壓傳感器1，單電池電壓傳感器1的輸出與所述的主控制器中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連。單電池進(jìn)行電壓檢測，電壓信號輸送給主控制器中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再輸送給數(shù)字信號處理模塊，經(jīng)過分析，作出判斷，當(dāng)單個電池電壓值大于安全電壓時，發(fā)出控制信號使整個系統(tǒng)停止工作。防止出現(xiàn)電極和集電極損毀現(xiàn)象而燒壞釩電池堆5，確保系統(tǒng)安全運行。下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。本實施例的一種全釩液流儲能電池堆5數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，如圖1所示，本發(fā)明應(yīng)用于一個5kw電池堆5，電池堆5包括40個層疊串聯(lián)的全釩液流單電池，每個單電池依次由雙極板、正極集電極、質(zhì)子膜、負(fù)極集電極和雙極板構(gòu)成，電池堆5內(nèi)設(shè)有正負(fù)電解液總管，每個單電池內(nèi)部上設(shè)有釩正極電解液入口 A、釩負(fù)極液入口 B、釩正極電解液出口 C、釩負(fù)極液出口 D。電池堆5附屬部件和傳感器包括正負(fù)液儲液罐(9、10)，儲液罐液位傳感器 (6、13)、正負(fù)液管路上相同二套系統(tǒng)，都包含流量傳感器(8、11)、壓強(qiáng)傳感器(3、16)、進(jìn)液溫度傳感器(2、15)和出液溫度傳感器(4、14)以及驅(qū)動正負(fù)液流動的流體泵(7、12)；工作時，電解液由流體泵(7、12)推動分別從從正負(fù)儲液罐管道出來后經(jīng)流量傳感器(8、11)、磁力泵、壓強(qiáng)傳感器(3、16)、進(jìn)液溫度傳感器(2、15)、和釩電池堆5入口相連，出電池堆5后經(jīng)出液溫度傳感器(4、14)后分別又回到正負(fù)儲液罐(9、10)，電解液單位流量通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制，控制條件是根據(jù)電池堆5S0C狀態(tài)，充放電電流18、電壓17以及電池堆5單電池電壓數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯運算取得。如圖2所示，控制采集系統(tǒng)包括如下單元塊主控制器單元、數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元、管路傳感器。所述的主控制器單元包括作為上位機(jī)PC和作為下位機(jī)臺達(dá)DVP-20EH型號PLC 二部分構(gòu)成控制系統(tǒng)核心，它們之間通過PC機(jī)RS-232串口與PLC通訊口通過專用電纜相連接。在PC機(jī)上通過VB編制主程序；所述的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元包括1) 二臺八口 A/D模塊，傳感器或變送器信號經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4 20mA后接入A/D模塊；2)與正負(fù)電解液流體泵(7、12)電機(jī)相連的二臺變頻器；3)與電池堆5每個單電池相連的電壓巡檢儀；4) 與多個指示報警燈相連的PLC的I/O模塊。除I/O模塊采取PLC內(nèi)部總線通訊，PLC通過 RS-485總線與多個上述模塊相連接，模塊單元分別指定不同的站號，采取MODBUS通訊協(xié)議交換數(shù)據(jù)。工作過程首先PLC設(shè)備初始化，采集各傳感器數(shù)據(jù)，與內(nèi)置數(shù)據(jù)比較，符合工作條件，啟動流體泵(7、12)。在充放電正常工作狀態(tài)下，PLC給出相應(yīng)工作指示燈信號，PC機(jī)與PLC實時通訊，通過屏幕顯示電池堆5運行圖、采用模糊控制策略，經(jīng)過分析和處理相關(guān)運行數(shù)據(jù)、計算的圖表并將各類數(shù)據(jù)存盤。通過電池堆5采集數(shù)據(jù)計算電池堆5S0C值，結(jié)合電壓和電流值給定最佳電解液流速，通過設(shè)定變頻器值來實現(xiàn)。在故障狀態(tài)時，流體泵(7、 12)停止，給出相應(yīng)故障報警。本例中即便PC沒工作，PLC也能完成電池堆5充放電時啟動和報警功能。通過這些程序，使電池堆5可安全有效地運行，達(dá)到理想的電池堆5性能，確保提供給負(fù)載性能穩(wěn)定的的電源，從而提儲能電池堆5的實用價值和市場價值，便于推廣和應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，所述電池堆由若干個串聯(lián)的全釩液流單電池構(gòu)成， 電池堆外設(shè)置有正電解液儲液罐和負(fù)電解液儲液罐，正電解液儲液罐和負(fù)電解液儲液罐分別通過正進(jìn)液管路和負(fù)進(jìn)液管路向單電池輸入電解液、通過正出液管路和負(fù)出液管路將單電池內(nèi)多余的電解液返出，其特征在于所述控制系統(tǒng)包括主控制器單元、傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、執(zhí)行單元和流體泵傳感器，用于測量電池堆反應(yīng)時的實時工作參數(shù)；數(shù)據(jù)采集單元，接受傳感器的實時工作參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后、發(fā)送至主控制單元；主控制單元，接收數(shù)字信號、并對其進(jìn)行邏輯運算后，輸出控制信號至執(zhí)行單元；執(zhí)行單元，接受控制信號，驅(qū)動流體泵工作；流體泵是兩個、分別設(shè)置在正進(jìn)液管路和負(fù)進(jìn)液管路上，用于控制正電解液和負(fù)電解液的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，其特征在于所述單電池由雙極板、正極集電極、質(zhì)子膜、負(fù)極集電極和雙極板構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器包括正儲液罐液位傳感器和負(fù)儲液罐液位傳感器，正進(jìn)液管路、負(fù)進(jìn)液管路、正出液管路和負(fù)出液管路上分別設(shè)置有流量傳感器、壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器，每個單電池上設(shè)置有電壓傳感ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集單元包括1)與多個傳感器相連的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；2)與單電池上設(shè)置的電壓傳感器相連的電壓巡檢儀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，其特征在于所述主控制器單元包括作為上位機(jī)的計算機(jī)PC和作為下位機(jī)的可編程控制器PLC，它們通過專用電纜相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，其特征在于所述計算機(jī)PC硬件上至少包括顯示器和數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)如下功能1)與下位機(jī)PLC進(jìn)行實時通訊；2)實時顯示出電池堆運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；3)數(shù)據(jù)邏輯計算；4)保存所有數(shù)據(jù)到文件。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，其特征在于所述可編程控制器 PLC內(nèi)部需進(jìn)行程序編制，程序功能至少包括1)接收上位機(jī)指令和數(shù)據(jù)交換；2)收集模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)，對收集數(shù)據(jù)平均計算；3 )通過收集數(shù)據(jù)與初始設(shè)定值進(jìn)行邏輯運算后，給出相應(yīng)指示報警燈信號；4)在PC機(jī)不通訊或不工作時，也能驅(qū)動電池堆完成充放電基本功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，其特征在于所述執(zhí)行單元包括 1)與流體泵電機(jī)相連的變頻器；2)與多個指示報警燈相連的可編程控制器I/O模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求5、7和8中任一項所述的全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，其特征在于所述可編程控制器I/O模塊通過總線方式與變頻器、指示報警燈相連接，該總線方式可以是 RS-485總線方式、控制器局域網(wǎng)總線或可編程控制器內(nèi)部總線中一種或多種混合總線方式。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種全釩液流電池堆控制系統(tǒng)，所述電池堆由若干個串聯(lián)的全釩液流單電池構(gòu)成，電池堆外設(shè)置有正電解液儲液罐和負(fù)電解液儲液罐，正電解液儲液罐和負(fù)電解液儲液罐分別通過正進(jìn)液管路和負(fù)進(jìn)液管路向單電池輸入電解液，所述控制系統(tǒng)包括主控制器單元、傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、執(zhí)行單元和流體泵傳感器測量電池堆反應(yīng)時的實時工作參數(shù)；數(shù)據(jù)采集單元轉(zhuǎn)換實時工作參數(shù)為數(shù)字信號后、發(fā)送至主控制單元；主控制單元對數(shù)字信號進(jìn)行邏輯運算后，輸出控制信號至執(zhí)行單元；執(zhí)行單元驅(qū)動流體泵工作；流體泵是兩個、分別設(shè)置在正進(jìn)液管路和負(fù)進(jìn)液管路上，控制正電解液和負(fù)電解液的流量。本系統(tǒng)可靠地保證電池堆安全穩(wěn)定地運行，達(dá)到理想的電池性能。
文檔編號H01M8/04GK102427140SQ201110430570
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者張建普, 禹爭光, 薛慧婷, 邱述林, 鄭謙, 陳明東 申請人:東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司