CN103683339B - 钒电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钒电池领域，具体为一种钒电池管理系统，尤其是针对钒电池的运行管理系统，解决普通蓄电池管理系统不具备多种参数检测功能等问题。钒电池管理系统主要包括：电池管理主控制器，以及分别与电池管理主控制器相连的与电压采集单元、电解液检测单元、控制单元、报警单元和通讯单元。通过服务器监控管理模块的人机接口为电池管理主控制器设置工作模式和报警指数，通过INTERNET通信模块定时或实时向服务器监控管理模块传送钒电池实时运行数据，电池管理主控制器根据服务器监控管理单模块传送的模式、工作指数和工作指令进行操作。本发明可用于全天候监测单电池电压、电池堆总压、充放电电流等，实现钒电池的监控管理。
Description
技术领域：
本发明涉及钒电池领域，具体为一种钒电池管理系统，尤其是针对钒电池的运行管理系统。
背景技术：
钒电池管理系统是一种将风能、太阳能等能源与化学能进行能量转换和储存的系统，管理系统的主要单元是钒电池。与铅酸电池等传统电池相比，在电池的内外部结构和运行模式上具有独特性，在性能上更适用于风能、太阳能等大规模储能电站及智能电网调峰等应用场合。电池电堆是根据所需电功率大小，由数量不一的单电池按顺序排列组装而成。电池电堆的输出功率由电池电板的总面积决定，电池的容量由电解溶液的总容量决定。
普通蓄电池管理装置仅可测量电池电压、单电内阻、温度、充放电电流等数据，可对生成的数据进行存储，内阻和报警事件可以超限报警，但这些功能远远不能满足钒电池运行管理的需要。
钒电池（VRB）是一种可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。VRB作为一种化学的能源存储技术，和传统的铅酸电池、镍镉电池相比，它在设计上有许多独特之处，性能上也适用于多种工业场合，比如：可以替代油机、备用电源等。钒电池将存储在电解液中的能量转换为电能，这是通过两个不同类型的、被一层隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现的。电解液是由硫酸和钒混合而成的，酸性和传统的铅酸电池一样。由于这个电化学反应是可逆的，所以VRB电池既可以充电，也可以放电。充放电时，随着两种钒离子浓度的变化，电能和化学能相互转换。VRB电池由两个电解液池和一层层的电池单元组成。电解液池用于盛两种不同的电解液，每个电池单元由两个“半单元”组成，中间夹着隔膜和用于收集电流的电极。两个不同的“半单元”中盛放着不同离子形态的钒的电解液。每个电解液池配有一个泵，用于在封闭的管道中为每一个“半单元”输送电解液。当带电的电解液在一层层的电池单元中流动时，电子就流动到外部电路，这就是放电过程。当从外部将电子输送到电池内部时，相反的过程就发生了，这就是给电池单元中的电解液充电，然后再由泵输送回电解液池。在VRB中，电解液在多个电池单元间流动，电压是各单元电压串联形成的，标称电压是1.2V。电流密度由电池单元内电流收集极的表面积决定，但是电流的供应取决于电解液在电池单元间的流动，而不是电池层本身。VRB电池技术的一个最重要的特点是：峰值功率取决于电池层总的表面积，而电池的电量则取决于电解液的多少。在传统的铅酸和镍福电池中，电极和电解液被放置到一块，功率和能量强烈地依赖于极板面积和电解液的容量。但VRB电池不是这样，它的电极和电解液不一定必须放到一块，这就意味着能量的存放可以不受电池外壳的限制。从电力上来讲，不同等级的能量可以为电池层中不同的电池单元或单元组中通过提供足够的电解液来得到，给电池层充电和放电不一定需要相同的电压。例如，VRB电池可以用串联电池层的电压放电，而充电则可以在电池层的另一部分用不同的电压进行。
研究显示，钒电池组的库仑效率随充放电电流的增大而增大，电池级能量随着放电电流的增加而减小。更多的数据和实验表明，包括充电电流大小、充电深度、电解液温度以及流量均会影响钒电池的性能，而普通蓄电池管理系统不具备多种参数的检测功能。
发明内容：
为了弥补现有电池管理系统的不足，本发明提供一种更全面更完备的钒电池管理系统，解决普通蓄电池管理系统不具备多种参数检测功能等问题。并期望通过测控和管理电池的电压、电堆总电压、充放电电流、电解液液面高度、流量、压力、温度等参数，并对采集的数据进行实时监控和对比分析，保证及时对电池工作状态和工作指数进行调整，自动控制，使钒电池处于最佳工作状态。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种钒电池管理系统，钒电池管理系统主要包括：电池管理主控制器，以及分别与电池管理主控制器相连的与电压采集单元、电解液检测单元、控制单元、报警单元和通讯单元。
所述的钒电池管理系统，电压采集单元包括电池堆1至电池堆N，N≤20。
所述的钒电池管理系统，每个电池堆分别通过IO接口与单体电压采集和均衡模块相连，单体电压采集和均衡模块之间通过SPI串行外设接口连接，电压采集单元的电池堆通过单体电压采集和均衡模块与电池管理主控制器相连，单体电压采集和均衡模块经转换器进行电池单体电压的数据采集，经转换获得电池单体电压的数据和信号。
所述的钒电池管理系统，在每个单体电压采集和均衡模块中设置电池管理芯片，通过电池管理芯片，单体电压采集和均衡模块串联设置，用于对每个电池的电压进行测量及欠压和过压监控，并对过度充电进行放电。
所述的钒电池管理系统，电解液检测单元包括分别经AD转换器与电池管理主控制器输入端相连的：电解液温度检测单元、电解液压力检测单元、电解液流量检测单元、电解液液位检测单元、电解液浓度检测单元、电解液漏液检测单元、电解液SOC检测单元和泵运行状态检测单元，通过传感模块经AD转换器完成各检测单元的数据采集，通过监测功能获得监测各功能的数据。
所述的钒电池管理系统，电解液流量检测单元为电磁流量计，电解液浓度检测单元为浓度变送器，电解液漏液检测单元为漏液检测仪，浓度和温度监测为模拟量数字转换读取的结果。
所述的钒电池管理系统，控制单元包括分别与电池管理主控制器输出端相连的：变频器启停控制单元、电池充放电控制单元、变频器故障复位单元和变频器频率设定单元。
所述的钒电池管理系统，电池充放电控制单元中的充电方式有恒流充电、恒压充电、脉冲充电或者相互转换不同的充电方式，读取充电电压和充电电流，获得电池实时运行参数；在充放电控制单元中设置充放电方式、读取充放电电压和电流，获得钒电池运行数据。
所述的钒电池管理系统，报警单元包括分别与电池管理主控制器输出端相连的：过充报警单元、过放报警单元、过流报警单元、电池过温报警单元、通讯故障单元、流速报警单元、压力报警单元、液位报警单元、浓度报警单元和漏液报警单元。
所述的钒电池管理系统，通讯单元包括：HMI人机界面、服务器监控管理模块和双向变流器，其中：HMI人机界面，通过MODBUS总线与电池管理主控制器串行通信连接；服务器监控管理模块，通过INTERNET通信模块与电池管理主控制器通信连接；双向变流器PCS，通过MODBUS总线与电池管理主控制器串行通信连接。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明具有电池运行控制器、电池单体电压采集器、电解液监控、报警单元、充放电控制单元、INTERNET通信模块，通过服务器监控管理模块设置工作模式和报警指数，电池运行控制器根据监控数据判断是否异常，并进行报警。本发明可用于实时、全天候监控单电池电压、电堆总电压、充放电电压和电流，利用不同的监测模块的功能设置实时监测电解液的各项指标参数的变化，并对记录存储的数据进行分析处理，对电池的工作状态和参数进行调整，有利于适时的更改均充、浮充、恒压、恒流等不各种充电方式，实现钒电池的监控管理。
2、本发明还可以通过设定指标数值，设定报警指数，避免故障，严重是可停止系统运行。通过服务器和INTERNET数据的采集传递存储，可对管理的功能参数的数据进行过程监控，并对数据进行图形和曲线分析显示，对存储的数据可自动定期，定项的生成分类报表，以对电池的系统运行进行更充分的掌握和调整。
附图说明：
图1为本发明钒电池管理系统框图。
图2为本发明钒电池的工作原理图。
图3为本发明电池管理主控制器的电路示意图。
具体实施方式：
如图1所示，本发明钒电池管理系统主要包括：电池管理主控制器（TMS320F28335单片机），以及分别与电池管理主控制器相连的与电压采集单元、电解液检测单元、控制单元、报警单元和通讯单元等。其中，
电压采集单元包括电池堆1至电池堆N（N≤20），每个电池堆分别通过IO接口与单体电压采集和均衡模块（即电池单体电压采集器）相连，单体电压采集和均衡模块之间通过SPI串行外设接口连接，电压采集单元的电池堆通过单体电压采集和均衡模块与电池管理主控制器相连，单体电压采集和均衡模块经转换器进行电池单体电压的数据采集，经转换获得电池单体电压的数据和信号。在每个单体电压采集和均衡模块中设置电池管理芯片BQ76PL536A（本实施例为5片），通过电池管理芯片，单体电压采集和均衡模块可串联设置，用于对每个电池的电压进行测量及欠压和过压监控，并对过度充电进行放电。
电解液检测单元包括分别与电池管理主控制器输入端相连的：电解液温度检测单元、电解液压力检测单元、电解液流量检测单元、电解液液位检测单元、电解液浓度检测单元、电解液漏液检测单元、电解液SOC检测单元和泵运行状态检测单元，实现温度、压力、流量、电解液液面位置、浓度、泄漏、压力等的监测，通过传感模块经AD转换器完成各检测单元的数据采集，通过监测功能获得监测各功能的数据。其中，电解液流量检测单元为电磁流量计，电解液浓度检测单元为浓度变送器，电解液漏液检测单元为漏液检测仪，浓度和温度监测为模拟量数字转换读取的结果。
控制单元包括分别与电池管理主控制器输出端相连的：变频器启停控制单元、电池充放电控制单元、变频器故障复位单元和变频器频率设定单元。其中，电池充放电控制单元中的充电方式有恒流充电、恒压充电或脉冲充电，或者可以相互转换不同的充电方式，读取充电电压和充电电流，获得电池实时运行参数。在充放电控制单元中设置充放电方式、读取充放电电压和电流，获得钒电池运行数据。
报警单元包括分别与电池管理主控制器输出端相连的：过充报警单元、过放报警单元、过流报警单元、电池过温报警单元、通讯故障单元、流速报警单元、压力报警单元、液位报警单元、浓度报警单元和漏液报警单元。
通讯单元包括：HMI人机界面、服务器监控管理模块和双向变流器PCS，其中：HMI人机界面，通过MODBUS总线与电池管理主控制器串行通信；服务器监控管理模块，通过INTERNET通信模块与电池管理主控制器通信，通过服务器监控管理模块的人机接口为电池管理主控制器设置工作模式和报警指数，通过INTERNET通信模块定时或实时向服务器监控管理模块传送钒电池实时运行数据；电池管理主控制器根据服务器监控管理单模块传送的模式、工作指数和工作指令进行操作，将各项数据和信号与报警指数相对比，判断是否异常并启动报警单元；电脑监控将进行数据的显示、存储和对比跟踪。双向变流器PCS，通过MODBUS总线与电池管理主控制器串行通信。
如图2所示，储液罐（正极电解液）通过管路连接电池组的正极，在所述管路上设有泵；储液罐（负极电解液）通过管路连接电池组的负极，在所述管路上设有泵。电池组通过模拟量采集模块连接电池管理系统（充电），电池管理系统（充电）接收电池组的数据，电池管理系统（充电）输出端通过充电电源系统与电池组连接，进行充电控制。电池组通过电池管理系统（放电）与用电系统连接，电池管理系统（放电）通过模拟量采集模块连接电池组，进行放电控制。本发明可用于全天候监测单电池电压、电池堆总压、充放电电流等，实现钒电池的监控管理。
如图3所示，本发明电池管理主控制器U1采用TMS320F28335单片机，其中：
电池管理主控制器U1的ADA1-ADA8之一连接电压采集单元的单体电压采集和均衡模块。
电池管理主控制器U1的ADB1、ADB2、ADB3、ADB4、ADB5、ADB6、ADB7、ADB8端分别连接电解液检测单元的：电解液温度检测单元、电解液压力检测单元、电解液流量检测单元、电解液液位检测单元、电解液液位检测单元、电解液漏液检测单元、电解液SOC检测单元、泵运行状态检测单元。
电池管理主控制器U1的KC0、KC1、KC2、KC3、KC4、KC5、KC6、KC7、KC8、KC9端分别连接报警单元的：过充报警单元、过放报警单元、过流报警单元、电池过温报警单元、通讯故障单元、流速报警单元、压力报警单元、液位报警单元、浓度报警单元、漏液报警单元。
电池管理主控制器U1的KR1、KR2、KR3、KR4端分别连接控制单元的：变频器启停控制单元、电池充放电控制单元、变频器故障复位单元、变频器频率设定单元。
电池管理主控制器U1的TXD1、RXD1、485_EN1连接通讯单元的HMI人机界面或通过转换模块连接服务器监控管理模块；电池管理主控制器U1的TXD2、RXD2、485_EN2和双向变流器PCS进行连接。
Claims (1)
1.一种钒电池管理系统，其特征在于，钒电池管理系统主要包括：电池管理主控制器，以及分别与电池管理主控制器相连的与电压采集单元、电解液检测单元、控制单元、报警单元和通讯单元；
电池管理主控制器U1采用TMS320F28335单片机，其中：
电池管理主控制器U1的ADA1-ADA8之一连接电压采集单元的单体电压采集和均衡模块；
电池管理主控制器U1的ADB1、ADB2、ADB3、ADB4、ADB5、ADB6、ADB7、ADB8端分别连接电解液检测单元的：电解液温度检测单元、电解液压力检测单元、电解液流量检测单元、电解液液位检测单元、电解液液位检测单元、电解液漏液检测单元、电解液SOC检测单元、泵运行状态检测单元；
电池管理主控制器U1的KC0、KC1、KC2、KC3、KC4、KC5、KC6、KC7、KC8、KC9端分别连接报警单元的：过充报警单元、过放报警单元、过流报警单元、电池过温报警单元、通讯故障单元、流速报警单元、压力报警单元、液位报警单元、浓度报警单元、漏液报警单元；
电池管理主控制器U1的KR1、KR2、KR3、KR4端分别连接控制单元的：变频器启停控制单元、电池充放电控制单元、变频器故障复位单元、变频器频率设定单元；
电池管理主控制器U1的TXD1、RXD1、485_EN1连接通讯单元的HMI人机界面或通过转换模块连接服务器监控管理模块；电池管理主控制器U1的TXD2、RXD2、485_EN2和双向变流器PCS进行连接；
电压采集单元包括电池堆1至电池堆N，N≤20；
每个电池堆分别通过IO接口与单体电压采集和均衡模块相连，单体电压采集和均衡模块之间通过SPI串行外设接口连接，电压采集单元的电池堆通过单体电压采集和均衡模块与电池管理主控制器相连，单体电压采集和均衡模块经转换器进行电池单体电压的数据采集，经转换获得电池单体电压的数据和信号；
在每个单体电压采集和均衡模块中设置电池管理芯片，通过电池管理芯片，单体电压采集和均衡模块串联设置，用于对每个电池的电压进行测量及欠压和过压监控，并对过度充电进行放电；
电解液检测单元包括分别经AD转换器与电池管理主控制器输入端相连的：电解液温度检测单元、电解液压力检测单元、电解液流量检测单元、电解液液位检测单元、电解液浓度检测单元、电解液漏液检测单元、电解液SOC检测单元和泵运行状态检测单元，通过传感模块经AD转换器完成各检测单元的数据采集，通过监测功能获得监测各功能的数据；
电解液流量检测单元为电磁流量计，电解液浓度检测单元为浓度变送器，电解液漏液检测单元为漏液检测仪，浓度和温度监测为模拟量数字转换读取的结果；
控制单元包括分别与电池管理主控制器输出端相连的：变频器启停控制单元、电池充放电控制单元、变频器故障复位单元和变频器频率设定单元；
电池充放电控制单元中的充电方式有恒流充电、恒压充电、脉冲充电或者相互转换不同的充电方式，读取充电电压和充电电流，获得电池实时运行参数；在充放电控制单元中设置充放电方式、读取充放电电压和电流，获得钒电池运行数据；
报警单元包括分别与电池管理主控制器输出端相连的：过充报警单元、过放报警单元、过流报警单元、电池过温报警单元、通讯故障单元、流速报警单元、压力报警单元、液位报警单元、浓度报警单元和漏液报警单元；
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