CN102460810B - 用于液流电池组的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制液流电池组系统的控制器。该控制器使得所述液流电池组系统在包括电镀状态、充电状态以及放电状态的多种状态下运行。

Description

用于液流电池组的控制系统

技术领域

在此披露的实施方式总体上涉及控制系统，具体而言涉及一种用于液流电池组(flowcellbattery)的控制系统。

背景技术

现在对新颖而创新的电力存储系统的需求日益增加。氧化还原(Redox)液流电池组已经成为用于这种能源存储的具有吸引力的装置。尤其是在来自电网的电力不可靠的区域，氧化还原电池组能够被用作能源备份供应源用于在电力需求低谷时间存储能量而在电力需求高峰时间供应能量的能源负荷变化的情况，以及用于在替代能源(例如，太阳能、风能、潮汐能、或其他能源)不可获得或产量较低时在替代能源系统进行存储以便提供电力。

例如，在氧化还原电池组系统中，电池组电池可包括两个电极，每个电极都浸没在电解液中。两个电极通过隔膜分开。当电流在这两个端子之间流动并且带电离子穿过所述隔膜时该电池组放电，。所述电解液流过所述电池组使得通过电池自身的大小来决定所存储能量的量。在电流被提供到所述端子之间并且带电离子返回穿过所述隔膜对电池的两个分开电解液充电时电池组被充电。电能由此通过对这两个电解液进行适当的充电而被存储起来。

为了提供一致的电力供应，重要的是，液流电池组多个元件之间要正确地工作。例如，液流电池的性能会基于诸如充电状态、温度、电解液液面、电解液浓度的参数以及诸如泄漏、泵送问题以及用用为电子提供动力的电力供应故障之类的故障状态而改变。要作为一个有效的电力存储系统，理想的是，需要使得液流电池组的维护和检测工作量最小化。因此，人们存在一种对用于液流电池组系统的控制和监测系统的需求。

发明内容

如上所述，已期望利用存储器标签用于广阔范围的应用。例如，希望使用存储器标签来增强零售商业产品的便利性。

根据这些实施例，披露了一种用于控制液流电池组系统的控制器。在这些实施例中，所述控制器包括：一个或多个处理器，用于执行状态机，该状态机包括停机(shutdown)状态、当液流电池组系统被开启时从停机状态转变来的初始化状态、从初始化状态转变来电镀(plating)状态、从电镀状态转变来的充电状态、如果充电完成时可从充电状态转变来的浮充电(float)状态、如果检测到发电情况时从充电状态或浮充电状态转变来的放电状态、以及在液流电池组被放电到阈值电平之下时可从放电状态转变来的休眠(hibernate)状态，其中所述休眠状态在检测到充电条件时转变到充电状态。

在一个实施例中，在电镀状态下，所述电极的至少一部分被电镀上一种电镀金属。在充电状态，使得在液流电池组中的所述电解液的至少一部分处于被充电化学状态。在放电状态下，电力被供应到与处于放电状态下的液流电池组系统藕接的负载。

在一个实施例中，如果电极的电镀完成时，所述控制器将所述液流电池组系统切换到充电状态。当到所述液流电池组系统的电力被断开并且负载被藕接到所述液流电池组系统时，所述控制器还将所述液流电池组系统从所述充电状态切换到放电状态。

所述液流电池组系统还可以在浮充电状态下运行。相对于在充电状态期间被提供到电极的电力而言，在浮充电状态下，到液流电池组系统的电力减小。在所述液流电池组系统的电荷的状态大于预定充电设置点时以及在电力被供应到所述液流电池组系统时，所述控制器将所述液流电池组系统从充电状态切换到浮充电状态。在一些实施例中，所述预定充电设置点是超过80％、85％、90％、95％、或99％的电荷的状态。在到所述液流电池组系统的电力被断开并且负载藕接到所述液流电池组系统时，所述控制器还可以将所述液流电池组系统从浮充电状态切换到放电状态。

所述液流电池组系统还可以运行在休眠状态。在所述液流电池组系统的电荷的状态小于一个预定的放电设置点并且没有电力正被供应到所述液流电池组系统时，所述控制器将所述液流电池组系统从放电状态切换到休眠状态。在有些实施例中，所述预定放电设置点是小于20％、15％、10％、5％或1％的电荷的状态。当电力被供应到所述液流电池组系统是，所述控制器还可以将所述液流电池组系统从休眠状态切换到充电状态。在一些实施例中，当在放电状态期间电力被供应到所述液流电池组系统时且当所述液流电池组系统的电荷的状态小于预定的充电设置点时，所述控制将所述液流电池组系统从放电状态切换到充电状态。

所述液流电池组系统还可以在停机状态运行。在检测到故障时，控制器可以将所述液流电池组系统从任何状态切换到停机状态。如果所述停机时由于在所述液流电池组系统的输出部分或在所述液流电池组系统内的短路导致的，那么所述液流电池组系统可以在经过预定的时间后摆脱这种停机。

所述液流电池组系统还可以在初始化状态下运行。当电力被供应到在停机状态下运行的液流电池组系统时，控制器将所述液流电池组系统切换到初始化状态。在初始化状态完成时所述控制器将所述液流电池组系统切换到电镀状态。

附图说明

借助于下面对实施例的详细描述并参见所附的附图，本领域的技术人员能更清楚本发明的有点，其中所述附图为：

图1图解了根据一些实施例的液流电池组系统的特定离子。

图2图解了根据一些实施例的藕接到控制系统的液流电池组。

图3图解了根据一些实施例的容纳液流电池组的舱室(cabinet)以及藕接到控制系统的温度控制系统。

图4图解了根据一些实施例的用于液流电池组系统的外部环境。

图5图解了根据一些实施例的控制系统。

图6图解了用于控制系统运行的状态功能图。

图7和8图解了能够用于液流电池组系统的通信系统。

图9图解了具有继电器(relay)控制板的控制板系统的示意图。

图10描述了继电器控制板的实施例的示意图。

图11描述了DAC对无负载输出电压的曲线。

图12描述了泵送控制算法的示意图。

图13描述了用于再平衡电池的泵送控制校正方案。

尽管本发明可以进行各种形式的修改或替换，但是其具体实施方式在附图中通过举例的的方式进行显示，并且在此进行了详细的描述。所述附图并不是按照比例描绘的。不过需要理解的是，这些附图和详细描述并不是为了将本发明限定为所披露的特定形式，而是恰恰相反，其意图是为了覆盖落入所附权利要求所限定的本发明的构思和范围之内的所有修改形式、等同形式以及替代形式。

具体实施方式

需要理解的是，本发明并不限于特定的装置或系统，这些装置或系统当然可以改变。还需要理解的是，此处所使用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式，而不是为了进行限定。如在本说明书中和所附权利要求书中所用到的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括单数个或复数个指引物，除非该内容明确指出了另外一种情况。

图1图解了一种包括氧化还原电池202的氧化还原液流电池组系统100。如图1所示，电力接收于几个源，包括外部电力线152或发电机154(例如，柴油或天然气电力发电机)。通常，外部电力线可以从任何源提供能量，包括电力网或诸如太阳能、潮汐能、风能或其他形式能量的发电机的专用发电机。整流器102接收AC(交流)电力，该整流器藕接以便向负载164提供DC(直流)电力。当AC电力被供应给整流器102时，DC电力从整流器102提供到液流电池组系统100。在图1所示的实施例中，被供应到氧化还原液流电池组系统100以及负载164的DC电力被供应到参考总线(referencebus)和B总线(Bbus)之间。

如图1所示，氧化还原液流电池组系统100包括氧化还原液流电池202以及再平衡电池228。当切换器167闭合时，氧化还原液流电池202通过C总线(Cbus)向或从降压-升压(buck-boost)电路提供或接收DC电力。与本申请同时提交的、要求于2009年5月28日提交的题目为“降压-升压电路(Buck-BoostControlCircuit)”的申请号为61/182,082的美国临时专利申请的优先权的美国专利申请中描述了降压升压电路110的一个例子。在充电过程中，降压-升压电路110将来自整流器102的充电电流提供给氧化还原液流电池202以便对氧化还原液流电池组系统100进行再充电。在放电过程中，当整流器102没有提供电力时，降压-升压电路在负载164上提供电力。当切换器166闭合时，降压-升压电路110提供或接收电力。

再平衡电池228藕接到氧化还原液流电池202以便在运行期间对电解液进行再平衡。再平衡电池228受到再平衡控制板120的控制。在与本申请同时提交的，要求于2009年5月28提交的题目为“液流电池再平衡(FlowCellRebalancing)”的申请号为61/182,099的美国临时专利申请的优先权的题目为“液流电池再平衡(FlowCellRebalancing)”的美国专利申请中，还描述了再平衡电池228和再平衡控制板120一些实施例，这两篇文献都以引用方式结合在此。如图1所示，当切换器168闭合时，可以通过再平衡控制板120将电力供应到再平衡电池228。

电子设备130监测和控制液流电池组系统100的运行。如图1所示，电子设备130藕接到再平衡控制板120，并且监测Bbus和Cbus。电子设备130还藕接以便控制氧化还原液流电池202中的电解液的流动。电子设备130从C-Bus或B-Bus获取电力，如图所示，以便确保电力得以维持到该控制电子设备。

图2图解了氧化还原液流电池组212，其包括氧化还原液流电池202和再平衡电池228。氧化还原液流电池组一个或多个氧化还原液流电池202，每个电池具有通过隔膜205分隔开的阴极侧和阳极侧。所述电池的末端由电极256和258限定。在氧化还原液流电池组212中，电极256是阳极(anode)电池组端子，而电极258是阴极(cathode)电池组端子。用于阳极的电解液存储在槽204中，用于阴极的电解液储存在槽206中，并且流过氧化还原液流电池202。因此，在存储在电解液中的化学能和氧化还原液流电池202的电能之间进行能量转换。因此，氧化还原液流电池组212上的电荷仅仅通过槽204和206的存储容量进行限制。液流电池层叠组件(stack)的运行以及隔膜的成分(composition)也在于2008年7月1日提交的申请号为12/217,059，题目为“氧化还原液流电池(redoxfowcell)”的美国专利申请中进行了描述，该专利申请通过引用方式结合在本申请中。液流电池层叠组件的构造也在于2009年10月09日提交的申请号为12/577,134，题目为“普通模块层叠组件元件结构(CommonModuleStackComponentDesign)”的美国专利申请中进行了描述，该专利申请通过引用方式结合在本申请中。槽204和206可以包括液位传感器来确定所述槽中液体的液位。液位传感器的例子也在于2009年10月09日提交的申请号为12/577,147，题目为“用于导电性液体的液位传感器(LevelSensorforConductiveLiquids)”的美国专利申请中进行了描述，该专利申请通过引用方式结合在本申请中。电极256和258的例子也在于2009年10月08日提交的申请号为12/576,235，题目为“磁流收集器(MagneticCurrentCollector)”的美国专利申请中进行了描述，该专利申请通过引用方式结合在本申请中。

如图2所示，来自槽206的电解液可通过泵218经过管道220被泵送到氧化还原液流电池202中并且经过管道248返回到槽206中。而且，来自槽204的电解液可通过泵216经过管道214被泵送到氧化还原液流电池202中并且经过管道268返回到槽204中。在一些实施例中，泵216和218可以分别布置在槽204和206内。

在一些实施例中，在液流电池层叠组件202运行过程中，会产生氢气，并且氧化还原液流电池202每个半电池中的电解液变得不平衡。再平衡电池228起到再平衡电解液的作用。如图2所示，再平衡电池228包括有隔膜234分隔开的电极232和236。电解液可以通过管道222被传送到隔舱230中以及通过管道254返回到槽204中。而且，隔舱238可以部分填充(filed)通过管道224从槽204传送过来的电解液。而且，在阀门250开启时，隔舱238可以通过管道252被排干到槽204中。阀门250也可以是一个泵，以便将液体从隔舱238中移送到槽204中。

如图2所示，thelevelofelectrolyte208in隔舱238中的电解液208的液位可以利用低液位传感器248和高液位传感器246来进行控制。因为在隔舱238中的再平衡过程中存在电解液的损耗，当液体的液位到达低液位传感器248时，来自槽204可以用来补充(refill)隔舱238直到液体到达高液位传感器246为止。在经过一定次数的补充之后，需要完全替换隔舱238中的电解液。在这种情况下，当隔舱238中的电解液的液位到达低液位传感器248时，阀门250可以开启，以便使得液体排出到槽204中或被泵送回槽204中，然后从槽204中进行补充隔舱238。在一些实施例中，可以使得电解液流过隔舱238在预定时间段以便在补充新的电解液之前将液体冲刷出隔舱238。

如图2所示，氢气会通过管道212从槽206流进隔舱238。当在电极232和236之间施加电力以及隔舱238被部分填充电解液208时，会产生氯气，使得氯气和氢气的混合物积累在隔舱238中的液面之上。UV光源244安装在隔舱238中的气体区域。来自UV光源244的光使得氢气和氯气形成氯化氢HCl，其被隔舱238中的电解液208的液体吸收。氢离子能够穿过隔膜234与正流过隔舱230的电解液238的成分相互作用。

氢气和氯气在浓度方面存在问题，尤其是存在UV辐射时。为了监测该过程，并且为了最终控制该过程，在隔舱238中提供了传感器240和242。例如，如果温度或压力超过设定的阈值，就可以采用诸如关闭氧化还原液流电池组212的某种措施。传感器242测量氯气和氢气的相对浓度。氯的浓度和氢的浓度的比率可以保持在一个特定的水平，例如，在1和2之间，以便安全地控制氯化氢HCl的形成。传感器242的例子也在与本申请同时提交的，要求于2009年5月28日提交的申请号为61/182,076，题目为“氯化氢水平检测器(HydrogenChlorideLevelDetector)”的美国临时专利申请的、题目为“氯化氢水平检测器(HydrogenChlorideLevelDetector)”的美国专利申请中进行了描述，这两个专利申请通过引用方式结合在本申请中。

图3图解了一个壳体(enclosure)312，其容纳有氧化还原液流电池212。如图3所示，壳体312包括下部306和上部308.下部306容纳保持槽206和204。上部308容纳液流电池层叠组件202、再平衡电池228、控制电子设备302、以及所有其它的配线、管件(plumbing)、阀门、泵、以及氧化还原液流电池组212其它构件。氧化还原液流电池组212可以为任意大小，因此壳体312可以为能够容纳氧化还原液流电池组212的任意尺寸或形状。

氧化还原液流电池组可以在一个温度范围内有效地运行，例如，在大约30℃和大约50℃之间。不过，氧化还原液流电池组也可以在处于在时间上变化较大的热环境条件中。例如，氧化还原液流电池组可以放置在炎热环境中的阳光位置或在寒冷环境中的阴凉位置。尽管如此，thetemperatureoftheelectrolytein保持槽206和204中电解液的温度以及电子设备302、氧化还原液流电池202、以及再平衡电池228的温度也应该维持在氧化还原液流电池组212的有效运行范围之内。氧化还原液流电池组212的热量管理披露在于2009年10月09日提交的申请号为12/577,127，题目为“液流电池组的热量控制(ThermalControlofaflowcellbattery)”的美国专利申请中，该专利申请通过引用方式结合在本申请中。

壳体312可以是氧化还原液流电池组212的热量管理的部分。如图3所示，在下部306中的保持槽206和204周围创建流体垫层(blanket)316。而且，在上部308中的液流电池层叠组件202、电子设备302、以及再平衡电池28周围也存在流体垫层318。流体垫层316和流体垫层318可以是空气垫层，其被用于从热量方面来控制温度。不过，在一些实施例中，流体垫层316或流体垫层318可以是能够用来调整壳体312的内部热量的水、油或其他液体。

温度传感器320和322可以用来监测槽206和204中电解液的温度。温度传感器324可用于监测上部308的温度。而温度传感器326可用于监测c环境(ambient)温度。控制电子设备302接收来自温度传感器320、322、324、以及326的温度读数，随后能够控制风扇、鼓风机、或液体泵以及家加热器来控制电池组112的运行温度。例如，在图3中，鼓风机330和328可以控制垫层316中空气流动。风扇332和334可以控制垫层318中空气流动。

图4图解了到布置在壳体312中的氧化还原液流电池组系统100的某些实施例的输入和输出。如图4所示，液流电池组系统100从整流器102接收DC电力。用户显示面板410可包括指示器412和数字显示器414，用于将氧化还原液流电池组系统100的状态通讯传递给用户。此外，用户显示面板416可以包括输入面板416，来接收来自用户的输入命令。这种输入命令可以包括电源上升(power-up)命令、停机命令、以及各种对信息的请求，其结果可以显示在指示器412或显示器414上。可以提供接口420来使得液流电池组系统100外部设备进行通讯。接口420也可以被藕接以便使得液流电池组系统100通过英特网或者电话有线或无线地与和液流电池组系统100分离的监测和控制系统进行通信。

图5所示的是电子设备160的实施例。电子设备160包括控制系统100的所有方面的控制系统。如图5所示，电子设备160包括系统控制器510。系统控制器510包括一个或多个处理器512、易失性或非易失性存储器514、以及接收和处理各种输入信号并驱动输出信号的信号处理器516。

如图5所示，控制器510接收分别在传感器532和534中的在Bbus上的电压和电流。此外，流向或来自电池层叠组件202的电压和电流被分别提供在传感器536和538中。泄漏检测器输入端540、542、以及544提供关于氧化还原液流电池组系统100中液体泄漏的信息。例如能够区分电解液泄漏的泄漏检测器的实施例在与本申请同时提交的，要求于2009年5月28日提交的申请号为61/182,077，题目为“光学泄漏检测传感器(OpticalLeakDetectionSensor”的美国临时专利申请的、题目为“光学泄漏检测传感器(OpticalLeakDetectionSensor)”的美国专利申请中进行了描述，这两个专利申请通过引用方式结合在本申请中。泄漏传感器可以布置在隔舱312中的各种位置，并且可以提供在泵216和218中。控制器510还接收来自温度传感器546、548、550、552、554、556、以及558的信号，例如，这些温度传感器是位于整个系统的各种位置的温度传感器。而且，可以从压力传感器558接收信号。

也可以从电解液泵216和218接收信号。例如，如图5所示，可以接收每个泵的转速(rpm)和从每个泵抽出的流量。控制器510向每个泵提供信号以便控制所述转速(rpm)，这又反过来控制多快地泵送电解液。

控制器510还从各种风扇或鼓风机560接收和向各种风扇或鼓风机560提供信号以便液流电池组系统100的热量控制。使用温度传感器546-556和风扇和鼓风机560来在热量上管理液流电池组系统100也在于2009年10月09日提交的申请号为12/577,127，题目为“液流电池组的热量控制(ThermalControlofaflowcellbattery)”的美国专利申请中被披露，该专利申请通过引用方式结合在本申请中。

液位传感器562提供关于电解液的液位的信息以及存储在槽204和206中的电解液的情况信息。能够作用液位传562的液位传感器实施例在于2009年10月09日提交的申请号为12/577,147，题目为“用于导电性液体的液位传感器(LevelSensorforConductiveLiquids)”的美国专利申请中进行了描述，该专利申请通过引用方式结合在本申请中。

系统电压监测564向控制器510提供关于供应给控制电路的电压的信号这些电压包括例如5V、10V、15V、以及3.3V供应源。

在一些实施例中，控制器510可以监测再平衡电池228。在该情况下，控制器510接收来自再平衡电池系统电压监测器566、传感器240中的监测再平衡电池228中的各个位置处的温度的再平衡电池热敏电阻(thermisters)568、再平衡电池LED570、再平衡电池液位切换器572的信号、在电极232和236(576)之间供应的再平衡电池电压、在电极232和236(576)之间的再平衡电池电流、以及提供对对再平衡电池阀门226和250(578)的控制。再平衡电池228和再平衡控制板120还被披露在与本申请同时提交的，要求于2009年5月28提交的题目为“液流电池再平衡(FlowCellRebalancing)”的申请号为61/182,099的美国临时专利申请的优先权的、题目为“液流电池再平衡(FlowCellRebalancing)”的美国专利申请中，这两篇文献都以引用方式结合在此。

在一些实施例中，控制器510可以通过设备接口530与一些设备进行通信，该设备接口530可以是I2C接口。例如，控制器510可以通过I2C接口与再平衡控制板120和降压-升压110进行通信。而且，控制器510通过通信设备580与全球监测系统520进行通信，该通信设备580可以无线或直接藕接到网络。

图6图解了能够在用于使得液流电池组系统100运行的控制器510的状态示意图。如图所示6，状态机600起始于初始化状态602。在主要切换器，切换器166，开启时或在经历了短路(short)情况之后经过预定时间短之后，控制器510转变到系统初始化状态602。在一些实施例中，切换器168随切换器166一起闭合。在初始化状态602，负载164可以获得并且液流电池组系统100被上电(poweron)。而且，初始化软件参数。一旦初始化步骤602完成，控制器510就转变到电镀步骤603。

在电镀状态603期间，电力被施加到液流层叠组件202(如图2所示)的电极256和258上以便使用添加到电解液中的用于液流层叠组件202中的电极的电镀金属(例如，铋金属)提供电极的电镀。在一些实施例中，在电极256和258上提供额定电压的小电流。当所述电流降低到电流阈值之下或电压增加到电压阈值之上时，电镀完成。例如，在一些实施例中，电镀电压设置在18.5V，电流为8安培(amps)。如果电流下降(crop)到4安培(amps)以下或电压增加到大约18.5V，则电镀完成。一旦电镀完成，控制器510就转变到充电状态604。

在一些实施例中，尤其是在一个新的液流电阻阻112被置于服务时，少量的电镀金属被添加到电解液208和210中并且在电镀状态603被电镀到液流电池层叠组件202的电极。当液流电池层叠组件202已经被电镀时，在一些实施例中，电镀状态603越过不做。在一些实施例中，电镀状态603在每次从初始化状态602转变来时进行。电镀以低压和低电流进行。为了完成电镀状态603，即使有些已经完成电镀的系统，控制器510也能够检测完成以便转变到充电状态604。

状态机600的几种状态在检测到故障时都转变到停机状601。故障条件包括例如检测到泄漏、检测到高温情形、检测到泵的问题、检测到用于为电子设备供电的电力供应失败、以及检测到低电解液液位。也可以检测其他故障条件。在检测到故障或在不能启用降压-升压110的降压状态时控制器510从电镀状态603转变到停机状态601。在停机状态601，所有泵都关闭，并且所有的降压-升压也关闭。传感器监测开启并且控制器510可以对数据进行采样。而且，发电机组(genset)请求开启。从本质上而言，液流电池组系统100是关闭的。切换器166，如图1所示，可以是断开的(open)，如图1所示，将液流电池组系统100与负载164隔离开。

如果由于存在负载出或Bbus处的短路而造成转变到停机状态601，控制器510被配置成使得所述系统在经过预定时间后转变到初始化状态。该顺序由一个短路所存释放算法来引导。来自降压升压板的电力良好信号被施加(tiedto)中断线INT1，在所述终端出现的时候，所述系统应该产生Bbus故障，并应该进入停机状态。起初，INT1应该被配置为在下降边缘触发。当所述中断出现时，这表示在Bbus存在短路。该错误被报告。中断例程设置一个标志使得系统停机。所述中断应被重新配置为获取在上升边缘的中断。当该中断出现在上升边缘时，重置该错误代码。发送200毫秒宽的锁存释放信号并从所述初始状态重启所述状态机。在下1秒，消隐(blank)所述错误核实。

如所述建议的，在充电状态604器件，液流电池组112被充电。通常，充电包括将电流供应在端子256和258之间，同时使得电解液流过液流电池层叠组件202以便恢复电解液208和210的被充电化学状态。在2008年2月28日提交的美国专利申请12/074,110中从总体上描述了对电解液208和210的充电，该专利申请通过引用被合并到本专利中。

在充电状态604期间，从发电机154或电源152通过整流器102供应电力。在一些实施例中，当整流器102有效(active)时Bbus上的电压大约为54V。降压升压电路110开启在降压模式并向C-bus提供电力，该C-bus用于对液流电池层叠组件202充电。泵控制起作用(active)来控制泵216和218。液位传感器起作用来监测槽206和204中的电解液的液位。充电状态监测起作用并且热量控制开启。

图12描述了泵送控制算法。

1.基于化学计量流速(SFR)的控制电压计算

a.在放电时，SFR＝3*(I*NumCells)/(C*SOC*1608)

b.在充电时，SFR＝3*(I*NumCells)/(C*(1-SOC)*1608)

其中C为电解液的浓度。

2.对槽的液位差的补偿

a.计算液位容限(tolerance)＝ABS(L1-L2)/2*H

电解液的距离槽的底部的液位L1和L2，其中L1在槽的右侧，而L2在槽的左侧，并且H槽的总高度。

b.计算补偿电(Vdelta)＝PUMP_GAIN*tolerance*tolerance*Vmin.

3.计算泵控制电压

PumpVf＝Vmin

PumpVc＝Vmin+Vdelta

用于计算用于再平衡液流电池的泵送控制校正的算法下面参照图13被提出。在下面的公式中，Qf是穿过氧化还原液流电池的Fe侧的流速；Qc是穿过氧化还原液流电池的Cr侧的流速；Qr是穿过再平衡电池的流速；Vf是用于在氧化还原液流电池的Fe侧的泵的泵送控制电压；Vc是用于在氧化还原液流电池的Cr侧的泵的泵送控制电压；Pf是氧化还原液流电池的Fe侧的压力；Pc是氧化还原液流电池的Cr侧的压力；而k、α、β为常数。可以通过如下公式确定校正控制：

如果Qf＝k*Vf，Qc＝k*Vc且Qr＝α*Vf

Q’＝Qf-Qr

Q’＝(k-α)*Vf

如果Pf＝β*Q’且Pc＝β*Qc

pf＝β*(k-α)*Vf

Pc＝β*k*Vc

如果Pf＝Pc

β*(k-α)*Vf＝β*k*Vc

Vf＝k/(k-α)*Vc

因此，如果Qc是15L/min(升/分钟)且Qr是1.5L/min，启动泵送控制的基础电压为：

Vf＝1.1Vc

而且，电解液208和210的充电状态(SOC)可以在充电过程期间得到监测和报告。在与2007年2月12日提交的美国专利申请11/674,101中提供了测量充电状态的描述，该专利通过引用被结合到本专利申请中。在充电过程中，例如像于2009年10月09日提交的申请号为12/577,127，题目为“液流电池组的热量控制(ThermalControlofaflowcellbattery)”的美国专利申请一样完成人量监测和控制，该专利申请通过引用方式结合在本申请中。

在一些实施例中，在电极256和258施加具体的电压和电流，以便对电解液208和210。将电力施加到电极256和258同时电解液流动穿过液流电池组使得至少一部分电解液从放电化学状态进入充电化学状态。在一些实施例中，充电可以在预定充电设置点停止。例如，充电可以在SOC到达基本上100％是停止。在其他实施例中，当SOC大于80％、85％，、90％，、95％，或99％时就到达了预定充电设置点。如果，在那时，依然可以获得来自电源152的电力，控制器510就转变到浮充电状态605。在一些实施例中，例如，充电可以在电极256和258上的电压为大约30伏以及流过液流电池层叠组件202的电流为大约100安培(amps)时进行，尽管控制器510可以采用更多中负载的充电算法。

可以设计一种替代充电算法来快速地达到目标充电电流。该算法包括：

1.读取Cbus电压(Vcell).

2.如果电池的ESR值是已知的，使用它，否则，假设额定值为27mOhms.

3.Vcharge＝Vcell+Icharge*ESR，在上述公式中，Icharge是所需的充电电流。

4.根据用于每个单元的校准曲线，使用用于DAC电压对Vcharge的公式。(图11中描述了样本曲线和公式，DAC值＝-0.0792x+2.9822。x是一个理想的Vcharge电压)。

5.施加DAC电压并等待系统调整(settle).

如果在充电过程中检测到在充电状态604出现的故障，控制器510转变到停机状态601以便使得系统100关闭。否则一旦获得大约100％的SOC，如果降压也被启用，控制器510就转变到浮充电状态605。如果降压-升压110从降压切换到升压(这表示不再从整流器102接收电力)，控制器510就从充电状态604转换到放电状态。

在浮充电状态605过程中，降压被启用并且提供具有具体值的输出电压。在一些实施例中，所述值大约为25伏。在该状态期间，液流电池组112备用并且在整流器102的电力减少时准备向负载164提供电力。在浮充电状态期间，泵送控制开启并且泵216和218运转以便提供小流量的电解液穿过液流电池层叠组件202。而且，在一些实施例中，用于在降压-升压110上提供电压的电力和用于使得泵和其他系统运转的电力可以由充电整流器102提供而不是在电池组112的充电电解液上引出(drawing)。而且，可以关闭SOC的监测。而且如果检测到故障，控制器510就转变到停机状态601。

如果到整流102电力失败，则控制器510从浮充电状态605转换到放电状态606。如果信号En_Buck表示到整流器102的电力已经中断，在SOC为大约100％之前，控制器510也可以从充电状态604转变到放电状态606在放电状态606，来自液流电池组112的电力被供应到负载164。在这种情况下，泵216和218被激活和控制，降压-升压110处于升压模式，槽208和210中的电解液的液位被监测，并且SOC被监测并报告。在一些实施例中，Bbus的电压可被保持在大约50V。一旦SOC下见到某一值，例如10％以下，或者在Cbus上的可获得电力下降到例如大约20V一下，这就意味着液流电池组112基本上处于放电状态，那么控制器510能够从放电状态606转换到休眠状态607。如果在放电期间，检测到故障，那么控制器510就能够从放电状态606转换到停机状态601。而且，例如，来自电源152或来自发电机154的电力保被供应到整流器102，那么控制器510能够从放电状态606转换回充电状态604，降压-升压110从升压模式转换到降压模式，使得液流电池组112能够再次充电。在液流电池组112达到预定放电设置点时，控制器510从放电状态606转换到休眠状态607。例如，液流电池组可以在SOC小于10％时转换到休眠状态。在其他实施例中，当SOC小于20％、15％、10％、5％、或2％时达到预定放电设置点。在休眠状态607，泵216和218关闭，并且降压-升压110关闭。控制器510监测液流电池组系统100直到液流电池层叠组件202上的电荷被耗。如果电流恢复到整流器102，控制器510可以转换脱离休眠状态，在这种情况下，控制器510转换到充电状态604以便对液流电池组112充电。如果检测到故障条件，控制器510也可以从休眠状态607转换到停机状态701。

如果在Bbus上出现电力，控制器510可以从休眠状态607转换到充电状态604。在一些实施例中，如果SOC降低到阈值水平以下，发电机154可以在放电状态606被激活。在一些实施例中，发电机154可以在休眠状态607被激活。在一些实施例中，控制器可以使得系统从休眠状态转换到电镀状态(未示出)。

在处理整个状态机700中出现的任何故障状态中，第一个故障可能被所存以便随后复查(review)，并且状态机600转换到停机状态601。在某些情况下，多级联(cascading)故障条件产生于初始故障条件，因此获取第一故障条件能够有助于服务人员确定什么导致了系统进入停机模式。

如图5所示，控制器510被藕接到通信设备520。图7图解了用于液流电池组系统100的网络连接环境800。如图7所示，任何数量的液流电池组系统100，其中显示了系统100-1到系统100-N，能够被网络连接到服务器808。如图5所示，每个系统100-1到100-N包括相应的通信设备520-1到520-N，藕接到控制器510-1到510-N。在一些实施例中，通信设别520-1到520-N能够分别藕接到通信设备802-1到802-N。通信设备802-1到802-N可以藕接以便将向或从服务器808传输或接收数据。图7显示了藕接到无线收发器804-1到804-N的通信设备802-1到802-N，但是可以使用任何网络连接。例如，收发器804-1到804-N可以是有线连接、因特网连接、或其他用于发送数据的连接。

通过分别通过通信设备812-1到812-N和收发器806-1到806-N藕接的服务器接收数据。服务器808能够从系统100-1到100-N接收数据，并且能够将数据和指令发送到系统100-1到100-N。计算机810藕接到服务器，能够提供用户界面，通过该用户界面，系统100-1到100-N的各个系统可以被监测和控制。

图8还图解了系统800。如图8所示，系统100包括控制电子设备，该设备包括控制器和通信设备。如上所述，控制器监测系统100的各个方面，并且尤其是检测液流电池组，并且提供运行信息用于传输到服务器808，运行信息包括故障信息。服务器808通过收发器从系统接收信息。如块822中所示，从系统100接收的数据可以得到处理和存储。如图中所示，服务器808可以包括跟踪系统824和性能(performance)系统826并在所有时间跟踪系统100的性能。而且，连接到服务器808的用户810(见图7)能够获得报警、能够发起软件更新、以及以其他方式监测或控制系统100。在一些实施例中，系统100利用任何通信方案，例如SMS发送消息，与服务器808通信。在一些实施例中，可以采用数据加密。在一些实施例中，系统100使用具体电话号码来报告由于故障告知的警报。在一些实施例中，SMS消息的长度通常为256字节。例如，可以使用40字节来发送与模拟输入有关的数据到DAS520。可以以SMS消息的进一步字节发送二进制故障标记。所监测的参数可以包括，例如，泄漏检测、温度、液流电池组112的电压以及电流、负载上的电压和电流、泵电流和旋转频率、计时表、电源和/或发电机的可获得性。任何这种数据都可以例如以电子表格的形式被存储在服务器808的数据库中。

服务器808可以执行警报处理，状态报告、软件更新、电话号码更新、以及其他功能。警报处理可包括报警消息决定性人员(criticalpersonal)的处理、验证、记录、传输、确认警报到达系统100、以及向系统100提供用于服务的估计时间。

服务时间是估计用于服务人员到达并解决警报导致的问题的时间量。在一些实施例中，如果警报不是关键性功能所导致的结果，系统100可在接收到服务时间时忽略该警报。在一些实施例中，如果没有接收到服务时间，系统100可以以随后的时间间隔提供警报知道提供服务时间为止。

在一些实施例中，服务器808可以向系统100提交状态请求。在响应中，系统100除了其报告功能外，可以处理状态请求，并提供所请求的数据。在一些实施例中，到达或来自系统100的消息可以被加密。在一些实施例中，服务器808还可以维持服务功能，诸如，客户账单、客户报告、以及其他功能。

在图9中示意性地图示了用于在此披露的控制系统130继电器(relay)控制板的例子。在一个实施例中，理想的是操作一种可常规断开的机械继电器将我们48V的直流(DC)B-Bus隔离开以防止在出现诸如B-Bus输出短路的故障或在升压转换器处存在任何欠电压(这将影响到客户侧BTS电源的功能)时给BTS中的外部负载供电。如图9所示，客户侧电源910也被连接到B-Bus。如果存在短路或由于在客户的电源中的任何故障而在BTS处存在小于30V直流(DC)的欠电压，控制器被设计成使得所述继电器触点开启(open)并使得升压输出隔离开。在电源的那些侧端存在故障的指示可以被显示出来。

继电器控制板920包括电子控制板以及机电继电器。继电器控制板920可以安装在主控制板930上，并且所述机电继电器安装在汇流线(busbar)上，该汇流线将B-Bus连接到客户侧的BTS。在汇流线中设置有切口(cut)以便安装机电继电器的触点(contacts)使得如果在降压/升压调节器的升压转换器的输出端中出现诸如输出短路或输出欠电压的故障时，机械继电器的触点将打开(openup)并使得降压/升压与BTS隔离开。

当降压/升压转换器启动时，在一个实施例中，将可以在所述升压转换器的输出端获得额定电压48V。在控制板中也可以获得来自降压/升压的同样电压48V。所述B-Bus电压被继电器控制板感测到并且将启动(turnon)机电继电器，该机电继电器的N/O触点将关闭并将升压(Boost)输出端连接到BTS。如果在升压(Boost)转换器的输出端存在任何短路或者如果升压(Boost)转换器的输出端下降到30V+/-2V(在某些实施例中，额定电压为48V)时，该故障将被继电器控制板感测并将所述继电器切换关闭(switchoff)，继电器触点将断开(open)；因此将升压(Boost)转换器输出端与BTS隔离开。在另一方面，当升压(Boost)的输出端恢复到40V+/-2V的直流电时，继电器将受到继电器控制板的激励并且其触点将闭合，由此使得升压(Boost)转换器输出端连回到BTS。

图10描绘了继电器控制板的一个实施例的示意图。图10中描绘的所述继电器控制板需要12V的直流(DC)，不过，该电压来自于24V的C-Bus而不是使用来自控制板中的12V调整器(regulator)的12V电压。取自控制板中的5V调整器(regulator)的5VDC电压被连接到继电器控制板以便为比较器电路提供基准(reference)电压。机械继电器具有12V直流线圈，但是可以使用24VDC继电器。为此，调整器U2被用于将24V转换为12V。

在本专利中，美国专利、美国专利申请以及其他素材(例如论文)都通过引用方式结合在本专利申请中。不过，诸如美国专利、美国专利申请以及其他素材的文本通过引用结合在本专利申请中仅仅以在这样的文本与在此所提到的其他表述和附图之间不存在冲突的程度为限，因此，任何在这种通过引用美国专利、美国专利申请以及其他素材而进行结合导致的这种冲突的文本都明确不被引用结合在本专利申请中。

而且，基于本说明，本领域技术人员清楚本发明的各个方面的进一步的修改、替换实施例。因此，本说明书仅仅被认为是说明性的，并且为了教导本领域技术热源实施本发明的基本方式。需要理解的是，在此所描述和现实的本发明的形式应该被当作对实施例的例子。在此描述和阐述的那些与阿年和材料可以进行替换，部件和过程可以反过来，并且本发明的某些特征可以独立使用，所有这些对本领域技术人员而言在得益于本发明的该说明书之后都是清楚的。可以在不夺理附后的权利要求书描述的本发明的构思和范围的情况下对在此描述的元件进行改变。

Claims (21)

1.一种用于控制液流电池组系统的控制器，包括：

一个或多个处理器，使得液流电池组系统在多种状态下运行，所述多种状态包括：

电镀状态，其中在电镀状态中，电镀金属被镀到液流电池组系统的电极的至少一部分上；

充电状态，其中在充电状态中，使得所述液流电池组系统中的电解液的至少一部分处于被充电化学状态；

休眠状态；以及

放电状态，其中电力被供应到与处于放电状态的液流电池组系统耦接的负载，

其中，当通过所述液流电池组系统的电极的电流下降到表示对电极部分的电镀完成的电流阈值以下时，控制器将液流电池组系统从电镀状态切换到充电状态；以及

当液流电池组系统的液流电池组中的电荷的状态小于预定放电设置点并且当没有电力正被供应到所述液流电池组系统时，控制器将液流电池组系统从放电状态切换到休眠状态。

2.如权利要求1所述的控制器，其中，当到液流电池组系统的电力断开以及负载耦接到所述液流电池组系统时，所述控制器就将液流电池组系统从充电状态切换到放电状态。

3.如权利要求1所述的控制器，其中液流电池组系统还包括浮充电状态，其中在所述浮充电状态，供应到电极的电力相对于充电状态期间供应到电极的电力被减小，并且其中当液流电池组的电荷的状态大于预定充电设置点以及当电力被供应到所述液流电池组系统时，控制器将液流电池组系统从充电状态切换到浮充电状态。

4.如权利要求3所述的控制器，其中当到液流电池组系统的所供应的电力断开以及负载耦接到所述液流电池组系统时，控制器将液流电池组系统从浮充电状态切换到放电状态。

5.如权利要求1所述的控制器，其中当电力被供应到所述液流电池组系统时，控制器将液流电池组系统从休眠状态切换到充电状态。

6.如权利要求1所述的控制器，其中当在放电状态期间有电力供应到所述液流电池组系统并且当液流电池组系统的电荷状态小于预定的充电设置点时，控制器将液流电池组系统从放电状态切换到充电状态。

7.如权利要求1所述的控制器，其中所述液流电池组系统还包括停机状态，并且其中当检测到故障时，控制器将所述液流电池组系统从任何状态切换到停机状态。

8.如权利要求7所述的控制器，其中所述液流电池组系统还包括初始化状态，其中当电力被供应到运行于停机状态的液流电池组系统时，控制器将液流电池组系统切换到初始化状态。

9.如权利要求8所述的控制器，其中当初始化状态完成时，控制器将液流电池组系统切换到电镀状态。

10.如权利要求1所述的控制器，其中处理器被配置成基于电解液槽的液位和电解液的电荷的状态来控制泵送流量。

11.如权利要求1所述的控制器，还包括通信设备，其耦接到一个或多个处理器，其中该通信设备向液流电池组系统之外发送数据。

12.如权利要求1所述的控制器，还包括一个或多个处理器，用于控制再平衡电池，并且其中使得液流电池组系统在多种状态下运行的一个或多个处理器与所述使得再平衡电池运行的一个或多个处理器进行通信。

13.一种使得液流电池组系统运行的方法，包括：

使用一种控制器使得液流电池组系统运行，所述控制器能使得液流电池组系统过渡到多种运行状态，所述多种运行状态包括：

电镀状态，其中在电镀状态中，电镀金属被镀到所述液流电池组系统的电极的至少一部分上；

充电状态，其中在充电状态中，使得所述液流电池组系统中的电解液的至少一部分处于被充电化学状态；以及

放电状态，其中电力被供应到与处于放电状态的液流电池组系统耦接的负载；以及

休眠状态；

当液流电池组系统的液流电池组中的电荷的状态小于预定放电设置点并且当没有电力正被供应到所述液流电池组系统时，将液流电池组系统从放电状态切换到休眠状态；以及

当通过所述液流电池组系统的电极的电流下降到表示对电极部分的电镀完成的电流阈值以下时，控制器将液流电池组系统从电镀状态切换到充电状态。

14.如权利要求13所述的方法，还包括：当到液流电池组系统的电流断开以及负载耦接到所述液流电池组系统时，将液流电池组系统从充电状态切换到放电状态。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述运行状态还包括浮充电状态，其中在所述浮充电状态，供应到电极的电力相对于充电状态期间供应到电极的电力被减小，并且其中该方法还包括当液流电池组的电荷的状态大于预定充电设置点以及当电力被供应到所述液流电池组系统时，将液流电池组系统从充电状态切换到浮充电状态。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：当供应到液流电池组系统的电力断开以及负载耦接到所述液流电池组系统时，将液流电池组系统从浮充电状态切换到放电状态。

17.如权利要求13所述的方法，还包括当电力被供应到所述液流电池组系统时，将液流电池组系统从休眠状态切换到充电状态。

18.如权利要求13所述的方法，还包括当在放电状态期间有电力供应到所述液流电池组系统并且当液流电池组系统的液流电池组的电荷状态小于预定的充电设置点时，将液流电池组系统从放电状态切换到充电状态。

19.如权利要求13所述的方法，其中所述运行状态还包括停机状态，并且其中所述方法还包括当检测到故障时，将所述液流电池组系统从任何状态切换到停机状态。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述运行状态还包括初始化状态,其中所述方法还包括当电力被供应到运行于停机状态的液流电池组系统时，将液流电池组系统切换到初始化状态。

21.如权利要求20所述的方法，还包括当初始化状态完成时，将液流电池组系统切换到电镀状态。