CN101859884B - 一种全钒液流储能电池输送电解液的循环泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明专利提供一种全钒液流储能电池输送电解液的循环泵系统。该系统由循环泵、直流永磁无刷电机、无刷电机驱动器、DC-DC转换器、电流-转速函数发生器、电流传感器组成。它采用高效率直流永磁无刷电机作为循环泵的驱动电机，以电池堆自动储存的直流电源通过DC-DC转换器向它供电，并由无刷电机驱动器驱动和控制。利用无刷电机良好的调速特性和电流-转速函数发生器的功能，可根据电池堆的充放电的电流大小来调节循环泵的转速，使通过电池堆的电解液流量能与电池堆充放电的电流相适应，在改善电极浓差极化现象的同时又能降低循环泵机组的能耗。上述技术措施的实施可提高液流储能电池的能量转换效率。

Description

一种全钒液流储能电池输送电解液的循环泵系统
所属技术领域：
本发明专利提供了一种全钒液流储能电池输送电解液的循环泵系统。它属于自动控制技术领域，它可应用于全钒液流储能电池之中。
背景技术：
全钒液流储能电池是最近发展起来的新颖储能电池，它是通过不同价态的钒离子相互转化，实现电能的储存和释放。从原理上避免了正负半电池间不同种类活性物质相互渗透产生的交叉污染。由于它具有能量转换效率高，储电容量大，工作寿命长，可以超深度放电而不引起电池不可逆的损伤，系统设计灵活，电池的功率和容量可以任意组合等优点，深受电池行业的青睐。全钒液流储能电池的电解液为1.6mol/L的V2O5和3mol/L的H2SO4混合溶液，具有较强腐蚀性。目前使用电解液循环泵为离心泵，它选用耐酸耐腐蚀的高分子材料和陶瓷材料制成，而且采用磁力驱动技术，使整台泵组处于全密封状态，无外露输出轴，不存在泄漏，是输送腐蚀介质比较理想的工具。但它大多是由二相交流电机驱动，功率稍大些才采用小功率三相电机驱动，虽然能满足液流储能电池工作的需求，但已经暴露出两个不足之处。首先是驱动循环泵的电机效率低下。因为循环泵机组是从液流储能电池自身系统中汲取能量，若循环泵机组耗功太大会影响液流储能电池的输出功率，也就是降低电池能量转换效率。此外，液流储能电池在充放电过程中在电极附近会出现浓差极化现象，随着充放电电流的增加，此现象将会变得严重，其后果是降低电池充放电能量转换效率。减少电极浓差极化现象的一种办法是增大通过液流储能电池电解液的流量，使电极附近的电解液能及时被“新鲜”电解液所替换，使浓差极化现象得到改善，提高液流储能电池的能量转换效率。但效率的提高是有限度，当电解液流量增加到一定的程度，其效率就不再增加，这个流量上限值与电池堆充放电电流大小有关，不管充放电电流的大小，过多增加电解液流量，使循环泵机组功耗增加，有部分功率白白被浪费，同样会降低液流储能电池能量转换效率。
发明内容
为了提高液流储能电池能量转换效率，本发明专利提供一种全钒液流储能电池输送电解液的循环泵系统，它不仅能提高循环泵机组效率，又能改善电极浓差极化现象，从而提高了电池能量转换效率。
本发明专利解决技术问题所采用的技术方案是：
1.采用高效率直流永磁无刷电机替代二相交流电机或小功率三相电机作为电解液循环泵的驱动电机。该电机具有以下特点：
(1).采用永久磁铁代替励磁绕组，使该电机的综合性能大大提高。效率超过小功率三相电机，比二相交流电机高出30％以上。
(2).无刷化。一般直流电机由于存在电刷和换相器，由于接触不可靠、跳火等给直流电机带来一系列致命的缺点，使电机寿命短，需要经常维护等。由于实现无刷后，使无刷电机的可靠性大大提高。
(3).具有良好的调速特性。为实施电池堆充放电电流与电解液循环泵转速协同调节创造条件。
(4)体积小，结构简单。
2.用液流储能电池自身储存的直流电能通过DC-DC转换器，向直流永磁无刷电机供电。
3.利用直流永磁无刷电机具有良好的调速特性，改变无刷电机驱动器调速指令电压，便能调节无刷电机的转速，此时由它驱动的循环泵输出流量相应变化，达到了调节电解液流量的目的，使液流储能电池电极附近浓差极化现象得到改善。
4.研发电流-转速函数发生器。它是以微控制器芯片为基础的电子组件，实施信号处理和转换。其具体的功能是把电池堆的充放电电流信号转换为控制无刷电机的转速信号，进而控制循环泵的流量。以最小能耗达到有效改善电池堆电极浓差极化现象，从而提高电池能量转换效率。通过试验，获得电池堆充放电电流与无刷电机转速之间最佳函数关系，并把这种最佳函数关系储存在电流-转速函数发生器.的记忆存储器中。在工作时，由电流传感器采集电池堆充放电电流值，把此信号送入电流-转速函数发生器中，通过微控制器的运作，寻找出最佳的无刷电机转速信号，并由D/A转换器输出至相应的无刷电机驱动器调速指令端，控制无刷电机的转速。
本发明专利的有益效果：
本发明专利提供的全钒液流储能电池输送电解液的循环泵系统，它供电方式设计合理，选用高效率、调速特性优良的直流永磁无刷电机，研发新颖的电流-转速函数发生器，采取电解液优化调节，使系统的能耗降低，电池堆的电极浓差极化现象得到改善，能有效提高电池能量转换效率。它的实施无疑对全钒液流储能电池的发展具有促进作用。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为全钒液流储能电池输送电解液的循环泵系统原理图；
图2为电流-转速函数发生器原理图。
图中：1.充放电控制器，2.电池堆，3.储液罐，4.储液罐，5.循环泵，6.循环泵，7.直流永磁无刷电机，8.直流永磁无刷电机，9.无刷电机驱动器，10.无刷电机驱动器，11.电流传感器，12.电流-转速函数发生器，13.DC-DC转换器，14.380V三相电源线，15.导线，16.导线，17.导线，18.导线，19.导线，20.导线，21.导线，22.导线，23.导线，24.电缆，25.电缆，26.管路，27.管路，28.管路，29.管路，30.管路，31.管路，32.A/D转换器，33.D/A转换器，34.D/A转换器，35.记忆存储器，36.中央处理器。
具体实施方式：
1.充放电控制器(1)与380V三相电源线(14)用导线(15)相连接，充放电控制器(1)正极与电池堆(2)正极用导线(16)相连接，充放电控制器(1)的负极与电流传感器(11)的正极用导线(17)相连接，电流传感器(11)的负极与电池堆(2)的负极用导线(18)相连接。完成上述连接构成了电池堆(2)的充放电回路。电池堆(2)的充放电过程由充放电控制器(1)控制，充放电电流由电流传感器(11)检测。
2.正极电解液储存在储液罐(3)内，储液罐(3)用管路(26)与循环泵(5)的进口相连接，循环泵(5)的出口用管路(30)与电池堆(2)正极电解液进液A口相连接，电池堆(2)正极电解液出液B口用管路(28)与储液罐(3)的回油口相连接。正极电解液由1#循环泵(5)从储液罐(3)抽出，由A口输入至电池堆(2)，然后由B口排出至储液罐(3)，完成正极电解液流动循环。
3.负极电解液储存在储液罐(4)内，储液罐(4)用管路(27)与循环泵(6)的进口相连接，循环泵(6)的出口用管路(31)与电池堆(2)负极电解液进液C口相连接，电池堆(2)负极电解液出液D口用管路(29)与储液罐(4)的回油口相连接。负极电解液由2#循环泵(6)从储液罐(4)抽出，由C口输入至电池堆(2)，然后由D口排入至储液罐(4)，完成负极电解液流动循环。
4.直流永磁无刷电机(7)与循环泵(5)直连，直流永磁无刷电机(7)用电缆(24)与无刷电机驱动器(9)相连接，DC-DC转换器(13)用导线(19)与充放电控制器(1)相连接。此时电池堆(2)的输出电压通过DC-DC转换器(13)转换为直流永磁无刷电机(7)所需的电压，用导线(20)与无刷电机驱动器(9)相连接，无刷电机驱动器(9)的调速指令控制端E口用导线(22)与电流-转速函数发生器(12)相连接，E口的电压由电流-转速函数发生器(12)所控制。
5.直流永磁无刷电机(8)与循环泵(6)直连，直流永磁无刷电机(8)用电缆(25)与无刷电机驱动器(10)相连接，无刷电机驱动器(10)用导线(20)与DC-DC转换器(13)相连接。无刷电机驱动器(10)的调速指令控制端F口用导线(23)与电流-转速函数发生器(12)相连接，F口的电压由电流-转速函数发生器(12)所控制。
6.电流-转速函数发生器(12)是以微控制器芯片为基础实施信号处理和转换的电子组件，它由中央处理器(36)、A/D转换器(32)、D/A转换器(33)、D/A转换器(34)、记忆存储器(35)组成。A/D转换器(32)、D/A转换器(33)、D/A转换器(34)、记忆存储器(35)用总线方式与中央处理器(36)相连接。电流-转速函数发生器(12)的输入信号为电池堆的充放电电流，由电流传感器(11)采集获得，用导线(21)与电流-转速函数发生器(12)的A/D转换器(32)相连接，A/D转换器(32)将电流模拟量转换成对应数字量提供给中央处理器(36)，中央处理器(36)利用已存储在记忆存储器(35)中的电流-转速函数关系式，可获得二个无刷电机的转速信号，分别通过D/A转换器(33)和D/A(34)转换器输出。D/A转换器(33)的输出口通过导线(22)与无刷电机驱动器(9)的E口相连接，D/A转换器(34)的输出口通过导线(23)与无刷电机驱动器(10)的F口相连接，完成信号转换回路的连接。

Claims (1)

1.一种全钒液流储能电池输送电解液的循环泵系统，其特征是：输送正极电解液的第一循环泵(5)与第一直流永磁无刷电机(7)直接连接，并由第一直流永磁无刷电机(7)驱动，第一直流永磁无刷电机(7)用第一电缆(24)与第一无刷电机驱动器(9)相连接，由它控制和驱动，第一无刷电机驱动器(9)用第一导线(20)与DC-DC转换器(13)相连接，电池堆(2)用第二导线(19)与DC-DC转换器(13)相连接，电池堆(2)的输出电压通过DC-DC转换器(13)被转换为第一直流永磁无刷电机(7)所需要的电压，向它供电；电流-转速函数发生器(12)用第三导线(22)与第一无刷电机驱动器(9)调速指令端E口相连接；E口电压值是由电流-转速函数发生器(12)提供，调节E口电压则能控制第一直流永磁无刷电机(7)转速；输送负极电解液的第二循环泵(6)与第二直流永磁无刷电机(8)直接连接，并由第二直流永磁无刷电机(8)驱动，第二直流永磁无刷电机(8)用第二电缆(25)与第二无刷电机驱动器(10)相连接，由它控制和驱动，第二无刷电机驱动器(10)用第一导线(20)与DC-DC转换器(13)相连接，电池堆(2)用第二导线(19)与DC-DC转换器(13)相连接，电池堆(2)的输出电压通过DC-DC转换器(13)被转换为第二直流永磁无刷电机(8)所需要的电压，向它供电；电流-转速函数发生器(12)用第四导线(23)与第二无刷电机驱动器(10)调速指令端F口相连接；F口电压值是由电流-转速函数发生器(12)提供，调节F口电压则能控制第二直流永磁无刷电机(8)转速；转速电流传感器(11)用第五导线(21)与电流-转速函数发生器(12)相连接，由电流传感器(11)采集电池堆充放电电流值，并输入至电流-转速函数发生器(12)，通过信号处理和转换，向第一无刷电机驱动器(9)调速指令端E口和第二无刷电机驱动器(10)调速指令端F口输出相应的信号；电流-转速函数发生器(12)是以微控制器芯片为基础，实施信号处理和转换的电子器件，它由中央处理器(36)、A/D转换器(32)、第一D/A转换器(33)、第二D/A转换器(34)、记忆存储器(35)组成；A/D转换器(32)、第一D/A转换器(33)、第二D/A转换器(34)、记忆存储器(35)用总线方式与中央处理器(36)相连接；它的输入信号为电池堆的充放电电流，由电流传感器(11)采集获得，用第五导线(21)与电流-转速函数发生器(12)的A/D转换器(32)相连接，A/D转换器(32)将电流模拟量转换成对应数字量提供给中央处理器(36)，中央处理器(36)利用已存储在记忆存储器(35)中的电流-转速函数关系式，可获得二个直流永磁无刷电机的转速信号，分别通过第一D/A转换器(33)和第二D/A转换器(34)输出；第一D/A转换器(33)的输出口通过第三导线(22)与第一无刷电机驱动器(9)的E口相连接，第二D/A转换器(34)的输出口通过第四导线(23)与第二无刷电机驱动器(10)的F口相连接，完成信号转换回路的连接。 
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