CN102867975B - 一种减小甚至消除全钒液流储能电池系统漏电电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种减小全钒液流储能电池系统漏电电流的方法。该方法是通过在电解液公用管路上制造电压等压点的方法来减小甚至消除由于连接电池模块的公用管路所引起的漏电电流。此方法可灵活设计，在满足全钒液流储能电池系统所需电压和降低系统复杂程度的要求下，可在系统容忍范围内出现少量的漏电电流，相比于传统的电池系统连接方式，可以明显减小漏电电流对电池系统造成的影响；该方法特别适合由多个子系统构成的全钒液流储能电池系统造成的漏电电流的降低，有利于增加电池系统的电流效率。

Description

一种减小甚至消除全钒液流储能电池系统漏电电流的方法

技术领域

本发明涉及一种减小全钒液流储能电池系统漏电电流的方法。

背景技术

全钒液流储能电池作为一类新型的电能储存装置，至少由以下几部分组成：电池模块、电解液及储罐以及电解液供应系统等。电池模块由数十至数百节单电池按照压滤机方式组装而成；正、负极电解液分别储存在两个储罐中，并分别由泵驱动流经电池的正、负极进行电化学反应，实现充放电。每个电池模块的输出功率由电极面积和单电池节数决定，而电池系统的储能容量由电解液的体积和浓度决定，因此，电池系统的输出功率和储能容量可独立设计。全钒液流储能电池与其他化学储能技术相比在规模化上存在独特的优势：能量转换效率高，可达70％～80％；蓄电容量大，系统设计灵活；可靠性高，可深度放电90％以上，以及运行维护费用低和环境友好，此外在成本、效率和安全等方面也具有突出的优点，因而是大规模储能技术的首选之一。

全钒液流储能电池系统中所有子系统的电池模块之间常常采用串联的电路连接方式来工作，是一种典型的高压体系。一个子系统构成的全钒液流储能电池系统如图1所示，而每个子系统的电池模块的液路连接方式常采用多个电池模块共用一个公用管路供应电解液，这样的电解液供应方式是一种统一供应电解液给各电池模块的方法，即电解液由泵驱动从电解液进口总管流入支路管道进入各电池模块，再从支路管道出口汇流进出口总管返回电解液储罐中。传统的电池模块电路连接方式如图2所示，从图中可知，由于各电池模块之间串联连接，各电池模块之间存在电压差；公用管道和支流部分相互连通且充满电解液，而电解液是离子导体，因此在电池的充放电过程中一部分电流会通过电解液总管和支路，与电池模块一起构成电回路，从而产生漏电电流。由此可知，产生漏电电流主要有两方面因素：一是必须要有充满电解液的公用管路；二是连通电池模块的公用管路内必须有电压。只有同时满足上面两个条件才会产生漏电电流。产生的漏电电流会降低电池的电流效率：在电池的充电过程中，漏电电流通过公用管道在电池内部做无用功。在电池放电时，漏电电流又会消耗一部分能量，削弱电路中的电流。因此人们常常采取各种措施来减小甚至消除漏电电流。在实际使用当中，常采用的方法是消除电解液公用通道或将其打断，但这类方法只能减弱漏电电流，并不能完全将其消除。另外，也有提出在公用管路通入保护电流的方法来消除漏电电流。

如图2和3中所示的由多个子系统构成的大规模全钒液流储能电池系统，通过各子系统内和各子系统之间电池模块不同的电路连接方式来达到系统要求的电压以及功率。这类大规模液流储能电池系统中的漏电电流比单一系统的危害要大，漏电电流可能成倍增加，严重影响电池系统的电流效率。因而在大规模的全钒液流储能电池系统中更应该想方设法消除或者减弱漏电电流造成的不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减小全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，通过在各子系统上连接各电池模块的公用管路上制造电压等压点，来减小甚至消除漏电电流。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种减小全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，在各子系统中连接各电池模块上采用电路上并联的方式制造公用管路上电压等压点。

所述减小全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，由m个完全相同且能够独立完成充放电的电池子系统构成；每个子系统包括正极电解液储罐、负极电解液储罐、循环泵、电池模块和管路，每个子系统中的电池模块均为k个，其中m≥1，k≥2；

当m＝1时，子系统中的各电池模块的电路通过并联方式连接；

当m≥2时，从每个子系统中任取p个电池模块组成串联电路，再在每个子系统的k-p个剩余电池模块中任取p个电池模块，同样组成串联电路，以此类推，每次从每个子系统剩余的电池模块中取出p个电池模块，并将这些电池模块组成串联电路，直至将每个子系统中的电池模块全部用电路连接，最终将这些具有相同电池模块数量的、电路连接方式完全一致的串联电路组成并联电路，其中1≤p≤k，k为p的整数倍。

每个子系统中的正极电解液储罐和负极电解液储罐分别通过各自的循环泵经过管路与电池模块相连通；各子系统之间没有液路上的管路连接，只有电路连接。

电解液供应方式是一种统一供应电解液给各电池模块的方法，即电解液由泵驱动从电解液进口总管流入支路管道进入各电池模块，再从支路管道出口汇流进出口总管返回电解液储罐中。

全钒液流储能电池系统允许的漏电电流大小由系统要求的电流效率决定；

当全钒液流储能电池系统要求完全消除漏电电流时，p取1；

当全钒液流储能电池系统允许存在漏电电流时，p取值范围为2≤p≤k。

相比传统的全钒液流储能电池系统的电路连接方法，漏电电流减小为，同时相比p＝1时全钒液流储能电池系统的组成，子系统的个数减少为。

本发明中的m、k、p均为正整数。

本发明具有如下优点：

1.本发明通过制造公用管路上的电压等压点，来减小由于公用管路所引起的全钒液流储能电池系统的漏电电流。通过采用此方法可提高电池的电流效率。

2.本发明考虑到为满足系统的电压要求，如果采用完全消除漏电电流的方法会增加大规模全钒液流储能电池系统的复杂程度和成本，因此采用折衷办法，允许系统出现少量的漏电电流，既降低了系统的复杂度又有效的控制了漏电电流的大小。

3.本发明为大规模液流储能电池系统的长期高效运行，提供了依据。

4.本发明仅通过电路的不同连接方式来消除漏电电流，相比传统的考虑打断公用管路或者消除公用管路的方法更加简单易行，不增加液路系统的复杂程度。

5.本发明所采用的方法不影响大规模全钒液流储能电池系统的正常运行。

附图说明

图1为液流电池中漏电电流的产生原理图；

其中：1-正极电解液储罐，2-负极电解液储罐，a-正极电解液循环泵，b-负极电解液循环泵，c-电池模块，d-正极电解液供应管路，e-负极电解液供应管路。

图2为传统全钒液流储能电池系统的液路和电路连接方式图；

其中：f-正极电解液储罐出口阀门，g-负极电解液储罐出口阀门。

图3为全钒液流储能电池系统完全消除漏电电流的液路和电路连接图。

图4为由两个全钒液流储能电池子系统构成的全钒液流储能电池系统完全消除漏电电流的液路和电路连接图。

图5为由n(n≥2正整数)个全钒液流储能电池子系统组成的大规模全钒液流储能电池系统完全消除漏电电流的液路和电路连接图；

其中：1a，2a，3a...na为正极电解液储罐，1b，2b，3b...nb为负极电解液储罐。

图6为由两个全钒液流储能电池子系统构成的全钒液流储能电池系统允许少量漏电电流出现的液路和电路连接图。

图7为由m(m≥2正整数)个全钒液流储能电池子系统组成的大规模全钒液流储能电池系统允许少量漏电电流出现的液路和电路连接图；

其中虚线代表液路连接，实线代表电路连接。

具体实施方式

实施例1

全钒液流储能电池系统的液路以及电路连接方式如图3所示，电池系统只包含一个子系统，子系统包括正极电解液储罐1、负极电解液储罐2、正极电解液循环泵a、负极电解液循环泵b、电池模块c、正极电解液供应管路d、负极电解液供应管路e、正极电解液储罐出口阀门f和负极电解液储罐出口阀门g，每个子系统中的电池模块个数为k个，k≥2。

从子系统内各电池模块的液路连接形式可以看出，各电池模块通过公用管路相互连通，电解液供应方式是一种统一供应电解液给各电池模块的方法，即电解液由循环泵驱动从电解液进口总管流入支路管道进入各电池模块，再从支路管道出口汇流进出口总管返回电解液储罐中。由于传统的电池模块之间是通过串联电路连接的，如图2所示，各电池模块之间存在电压，该电压使得充满导电电解液的公用管路内产生离子电流，从而产生漏电电流。减小甚至消除全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，就是通过在连接各电池模块的公用管路上制造电压等压点，来减小甚至消除漏电电流。而制造公用管路上的电压等压点的方法是采用电路上并联的方式。如图3所示，不改变电池子系统的液路形式，只将所有的电池模块在电路上并联连接，借此将电池模块间的高电压体系消除，公用管路内不存在电压，因此也就完全消除了漏电电流。

实施例2

全钒液流储能电池系统的液路以及电路连接方式如图4所示，电池系统包含两个子系统，每个子系统包括正极电解液储罐1、负极电解液储罐2、a.正极电解液循环泵，b.负极电解液循环泵、电池模块c、正极电解液供应管路d、负极电解液供应管路e、正极电解液储罐出口阀门f和负极电解液储罐出口阀门g，每个子系统中的电池模块个数均为k个，k≥2。

从每个子系统内各电池模块的液路连接形式可以看出，各电池模块通过公用管路相互连通，电解液供应方式是一种统一供应电解液给各电池模块的方法，即电解液由循环泵驱动从电解液进口总管流入支路管道进入各电池模块，再从支路管道出口汇流进出口总管返回电解液储罐中。由于传统的电池模块之间是通过串联电路连接的，如图2所示，各电池模块之间存在电压，该电压使得充满导电电解液的公用管路内产生离子电流，从而产生漏电电流。子系统之间由于没有公用管路，液路上不连通，因此构不成电回路，无法产生漏电电流，因此减小甚至消除全钒液流储能电池系统的漏电电流，就是指减小或者消除各子系统内的漏电电流。减小甚至消除全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，是通过在连接各电池模块的公用管路上制造电压等压点，来减小甚至消除漏电电流。而制造公用管路上的电压等压点的方法是采用电路上并联的方式。如图4所示，不改变两个子系统的液路形式，从每个子系统中任取1个电池模块，并将这两个电池模块组成串联电路，再在每个子系统的k-1个剩余电池模块中任取1个电池模块，同样组成串联电路，以此类推，每次从每个子系统中剩余的电池模块中取出1个电池模块，并将这些电池模块组成串联电路，直至将每个子系统中的电池模块取尽，最终将这些具有电池模块数量为2的、电路形式完全一致的k条串联电路组成并联电路。借此将各子系统内电池模块间的高电压体系消除，公用管路内不存在电压，同时各子系统之间也因无公用管路的存在而不产生漏电电流，因此也就完全消除了漏电电流。

实施例3

全钒液流储能电池系统的液路以及电路连接方式如图5所示，电池系统包含m个子系统，每个子系统包括正极电解液储罐1、负极电解液储罐2、a.正极电解液循环泵，b.负极电解液循环泵、电池模块c、正极电解液供应管路d、负极电解液供应管路e、正极电解液储罐出口阀门f和负极电解液储罐出口阀门g，每个子系统中的电池模块个数均为k个，其中m≥1，k≥2。

从每个子系统内各电池模块的液路连接形式可以看出，各电池模块通过公用管路相互连通，电解液供应方式是一种统一供应电解液给各电池模块的方法，即电解液由循环泵驱动从电解液进口总管流入支路管道进入各电池模块，再从支路管道出口汇流进出口总管返回电解液储罐中。由于传统的电池模块之间是通过串联电路连接的，如图2所示，各电池模块之间存在电压，该电压使得充满导电电解液的公用管路内产生离子电流，从而产生漏电电流。子系统之间由于没有公用管路，液路上不连通，因此构不成电回路，无法产生漏电电流，因此减小甚至消除全钒液流储能电池系统的漏电电流，就是指减小或者消除各子系统内的漏电电流。减小甚至消除全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，是通过在连接各电池模块的公用管路上制造电压等压点，来减小甚至消除漏电电流。而制造公用管路上的电压等压点的方法是采用电路上并联的方式。如图5所示，不改变m个子系统的液路形式，从每个子系统中任取1个电池模块，并将这m个电池模块组成串联电路，再在每个子系统的k-1个剩余电池模块中任取1个电池模块，同样组成串联电路，以此类推，每次从每个子系统中剩余的电池模块中取出1个电池模块，并将这些电池模块组成串联电路，直至将每个子系统中的电池模块取尽，最终将这些具有电池模块数量为m的、电路形式完全一致的k条串联电路组成并联电路。借此将各子系统内电池模块间的高电压体系消除，公用管路内不存在电压，同时各子系统之间也因无公用管路的存在而不产生漏电电流，因此也就完全消除了漏电电流。

实施例4

全钒液流储能电池系统的液路以及电路连接方式如图6所示，电池系统包含2个子系统，子系统包括正极电解液储罐1、负极电解液储罐2、a.正极电解液循环泵，b.负极电解液循环泵、电池模块c、正极电解液供应管路d、负极电解液供应管路e、正极电解液储罐出口阀门f和负极电解液储罐出口阀门g，每个子系统中的电池模块个数均为4个。

从子系统内各电池模块的液路连接形式可以看出，各电池模块通过公用管路相互连通，电解液供应方式是一种统一供应电解液给各电池模块的方法，即电解液由循环泵驱动从电解液进口总管流入支路管道进入各电池模块，再从支路管道出口汇流进出口总管返回电解液储罐中。由于传统的电池模块之间是通过串联电路连接的，如图2所示，各电池模块之间存在电压，该电压使得充满导电电解液的公用管路内产生离子电流，从而产生漏电电流。子系统之间由于没有公用管路，液路上不连通，因此构不成电回路，无法产生漏电电流，因此减小甚至消除全钒液流储能电池系统的漏电电流，就是指减小或者消除各子系统内的漏电电流。减小甚至消除全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，是通过在连接各电池模块的公用管路上制造电压等压点，来减小甚至消除漏电电流。而制造公用管路上的电压等压点的方法是采用电路上并联的方式。

本实施例中的电池系统和管路连接可以看作是实施例2的子系统电池模块个数为4的情况，而电路连接方法不同。电池系统的正常运行需要满足外部所需电压和功率要求，尤其是输出电压的要求。如若按照实施例2中方式连接电路，则电池系统的输出电压为从两个子系统中各选出1个电池模块组成的串联电路的电压。如果外部电压要求大于该串联电路的电压输出，为保证整个电池系统不产生漏电电流，只有在原电池系统上继续添加与原子系统完全相同的新的子系统来组成新的电池系统，并且从新的子系统中的k个电池模块中任选其一，用串联电路的方式接入原电池系统已经连接好的k条串联电路中的任意一条，组成新的串联电路。再从新的子系统中剩余的k-1个电池模块中任选其一，同样用串联电路的方式接入原电池系统的剩余k-1条串联电路中的任意一条，组成新的串联电路，以此类推，每次从新的子系统剩余的电池模块中取出1个电池模块，并将这1电池模块用串联电路的方式接入原电池系统的剩余的串联电路的任意一条中，直至将新的子系统中的电池模块取尽，并依次连入原系统的串联电路。最终将这些具有相同电池模块数量的、电路形式完全一致的k条新的串联电路组成并联电路。可以看出所添加新的子系统的个数应由输出电压的要求来决定，如果输出电压的要求很高，则需要添加的新的子系统的个数越多，虽然系统不产生漏电电流，但电池系统繁杂，成本上升。

本实施例可以看作在满足输出电压的同时减少子系统个数的折衷方式。允许每个子系统中出现少量的漏电电流，允许产生漏电电流的大小可以由系统允许的漏电损耗，也就是电流效率决定。如图6所示系统的电路连接方式，从每个子系统中任取两个电池模块，将这四个电池模块用串联电路连接起来，再将剩余的四个电池模块也用串联电路连接起来，最后将两条串联电路并联起来。采用这样的电路连接方式，在输出相同电压情况下，子系统的个数相比不产生漏电电流的连接方式减少为，漏电电流相比传统的所有子系统的电池模块串联电路连接的方式减小为，有效的节约了成本。

实施例5

全钒液流储能电池系统的液路以及电路连接方式如图7所示，电池系统包含m个子系统，每个子系统包括正极电解液储罐1、负极电解液储罐2、a.正极电解液循环泵，b.负极电解液循环泵、电池模块c、正极电解液供应管路d、负极电解液供应管路e、正极电解液储罐出口阀门f和负极电解液储罐出口阀门g，每个子系统中的电池模块个数均为k个，其中m≥1，k≥2。

从子系统内各电池模块的液路连接形式可以看出，各电池模块通过公用管路相互连通，电解液供应方式是一种统一供应电解液给各电池模块的方法，即电解液由循环泵驱动从电解液进口总管流入支路管道进入各电池模块，再从支路管道出口汇流进出口总管返回电解液储罐中。由于传统的电池模块之间是通过串联电路连接的，如图2所示，各电池模块之间存在电压，该电压使得充满导电电解液的公用管路内产生离子电流，从而产生漏电电流。子系统之间由于没有公用管路，液路上不连通，因此构不成电回路，无法产生漏电电流，因此减小甚至消除全钒液流储能电池系统的漏电电流，就是指减小或者消除各子系统内的漏电电流。减小甚至消除全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，是通过在连接各电池模块的公用管路上制造电压等压点，来减小甚至消除漏电电流。而制造公用管路上的电压等压点的方法是采用电路上并联的方式。

本实施例可以看作是实施例4的发展。同样，如若采用电池系统不产生漏电电流的连接形式，子系统个数很多，系统繁杂且成本上升，在大规模全钒液流储能电池系统中表现的尤为明显。因此同样采用满足输出电压的同时减少子系统个数的折衷方式。允许每个子系统中出现少量的漏电电流，允许产生漏电电流的大小可以由系统允许的漏电损耗，也就是电流效率决定。如图7所示，不改变m各子系统的液路连接形式，从每个子系统中任意选取p(p≥2，k为p的整数倍)个电池模块，并将这m×p个电池模块组成串联电路，再在每个子系统k-p个剩余电池模块中任取p个电池模块，同样组成串联电路，以此类推，每次从每个子系统中均取出相同的p个电池模块，并将这些电池模块组成串联电路，最终将这些均具有电池模块数量为m×p的、电路形式完全一致的串联电路组成并联电路。采用这样的电路连接方式，在输出相同电压情况下，子系统的个数相比不产生漏电电流的连接方式减少为，漏电电流相比传统的所有子系统的电池模块串联电路连接的方式减小为，在大规模全钒液流储能电池系统的应用中显著的降低了成本。

Claims (2)

1.一种减小全钒液流储能电池系统漏电电流的方法，其特征在于：由m个完全相同且能够独立完成充放电的电池子系统构成；每个子系统包括正极电解液储罐、负极电解液储罐、循环泵、电池模块和管路，每个子系统中的电池模块均为k个，其中m≥1，k≥2；

当m＝1时，子系统中的各电池模块的电路通过并联方式连接；

当m≥2时，从每个子系统中任取p个电池模块组成串联电路，再在每个子系统的k-p个剩余电池模块中任取p个电池模块，同样组成串联电路，以此类推，每次从每个子系统剩余的电池模块中取出p个电池模块，并将这些电池模块组成串联电路，直至将每个子系统中的电池模块全部用电路连接，最终将这些具有相同电池模块数量的、电路连接方式完全一致的串联电路组成并联电路，其中1≤p≤k，k为p的整数倍；

全钒液流储能电池系统允许的漏电电流大小由系统要求的电流效率决定；

当全钒液流储能电池系统要求完全消除漏电电流时，p取1；

当全钒液流储能电池系统允许存在漏电电流时，p取值范围为2≤p≤k。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每个子系统中的正极电解液储罐和负极电解液储罐分别通过各自的循环泵经过管路与电池模块相连通；各子系统之间没有液路上的管路连接，只有电路连接。