CN104124460A - 一种单液流电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单液流电池管理系统，该管理系统包括：监测模块、开关模块、中央处理器模块、电源模块和维护模块，电源模块为管理系统供电，中央处理器模块通过开关模块与监测模块及维护模块相连，监测模块连接单液流电池单体的正、负电极、泵和测温点，维护模块连接单液流电池单体的负电极和维护电极。监测模块监测单体电池和电池组的电压、电流和温度数据并将数据传送中央处理器模块，中央处理器模块接收监测模块的数据结果并对照数据库判断电池单体和电池组的工作状态，根据工作状态指令监测模块监测及均衡电池单体和电池组；当达到维护条件时，中央处理器模通过开关模块指令维护模块对电池单体和电池组进行维护。采用本发明，可以简便的控制、均衡和维护单液流电池单体和电池组，可以提高整组电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种单液流电池管理系统，适用于单液流电池的能量管理和保护。
技术背景
电池管理系统是监测和控制电池状态的装备，是电池安全使用、稳定循环的保证。在电动汽车研发中发现，电池串并联后性能劣化严重，电池管理系统的优劣直接决定了电池组的使用寿命。在可再生能源储能及并网、电网储能调节等电池规模话储能情况下，电池管理系统更为重要。合适的电池管理系统能够充分发回电池优越性能，同时给予电池最佳的保护。目前，电动车等以电池电源为动能的设备大量的电池单体串并联，电池组同时充电进行能量储备，也同时放电。伴随着电池组的充放循环进行，电池单体会逐渐出现充电/放电不均匀的现象，严重时将直接导致某些电池过充或过放，从而降低了整组电池的使用寿命。电池管理系统的加入，可以监控电池单体及电池组的状态，阻止电池过充、过放等异常情况，延长整组电池的使用寿命。
目前，电池管理系统在功能性、可靠性、稳定性及使用性等方面取得了一定的进步，但是主要用于锂离子电池、铅酸电池、金属氢化物镍电池等。如CN102623761公开了一种电池组管理系统及其管理方法，。如CN102673419描述了电动车用锂离子电池的管理系统，改进了电池管理系统难以测试电池内阻及估算SOC不精确的问题。液流电池的管理系统较少、性能不完备。CN102427139公开了一种钒液流电池储能监控系统及其控制方法，能够结合并网设备控制电池工作状态，发布控制信息和工作状态信息。该专利没有对液流电池特征性的溶液推动系统做出监控，也没有维护系统。
液流蓄电池又称液流氧化还原电池，可简称液流蓄电站或液流电池，是1974年Thaller，L.H.(NASA Lewis Research Center，Cleveland，US)提出的一种电化学储能概念。液流蓄电池的核心是活性物质存在于电解液中或需要电解液携带，电极只是作为发生反应的场所，而不是活性物质储存的地点。如全钒液流电池(US006764789)，正极反应是V5+和V4+之间的氧化还原，负极反应是V2+和V3+之间的氧化还原，正负电极的活性物质均溶解在溶液中，正负极的氧化还原反应发生在惰性集流体上(如碳毡)。结构上，液流电池需要溶液流动和推动溶液流动的泵，结构比其他蓄电池如铅酸电池和锂离子电池复杂。2004年，英国Derek Pletcher等(Phys.Chem.Chem.Phys.，2004，6，1773-1778)提出一种新型的铅酸单液流电池体系，采用酸性甲基磺酸铅(II)溶液，充电时溶液中的二价铅在负极上沉积成金属铅，正极上沉积成二氧化铅；放电时正/负极反应形成可溶的二价铅。CN100550479授权了一种锌镍单液流电池，采用锌酸盐碱性电解液和沉积/溶解型锌电极和氧化镍电极储能，也仅需要单液流。单液流电池比全钒液流电池等双液流电池体系在一定程度上简化了结构，但仍需要溶液流动和推动溶液流动的泵。以上单液流电池没有适用的监控系统，电池演示、应用受到限制。
发明内容
为了解决单液流电池没有适用的监控系统、难以规模推广应用的难题，本发明提供一种单液流电池管理系统。本发明的具体实现如下：
一种单液流电池管理系统，由电源模块(1)、中央处理器模块(2)、开关模块(3)、监测模块(4)和维护模块(5)构成，电源模块(1)通过电源线(6)向中央处理器模块(2)、开关模块(3)、监测模块(4)和维护模块(5)供电，电源模块(1)通过数据线(7)连接在中央处理器模块(2)上，中央处理器模块(2)通过数据线(7)连接在开关模块(3)上，监测模块(4)和维护模块(5)通过数据线(7)分别连接在开关模块(3)上，监测模块(4)连接单液流电池单体(8)的正电极(9)、负电极(10)、测温点(11)和泵(12)，维护模块(5)连接电池单体(8)的负电极(10)和维护电极(13)；中央处理器模块(2)、开关模块(3)、监测模块(4)和维护模块(5)之间的通讯采用CAN总线；该管理系统预留基于CAN总线的通讯接口(14)；监测模块(4)监测电池单体(8)和电池组的电压、电流、泵(12)和温度数据并将数据通过开关模块(3)传送中央处理器模块(2)，中央处理器模块(2)接收监测模块(4)的数据结果并对照数据库判断电池单体(8)和电池组的工作状态；中央处理器模块(2)根据工作状态通过开关模块(3)指令监测模块(4)监测或均衡电池单体(8)和电池组；当达到维护条件时，中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令维护模块(5)对电池单体(8)和电池组进行维护。
该管理系统通过通讯接口(14)与外接充电器和外接用电器进行信息指令交换。
该管理系统的中央处理器模块(2)中预置数据库，数据库信息包括电池单体和电池组的工作状态范围、故障类型、故障处理方式、维护条件和维护方式。
该管理系统的中央处理器模块(2)记录电池单体(8)和电池组的电压、电流、温度、循环次数、维护次数、故障类型及次数和不少于一次循环的电压与时间关系。
该管理系统的电源模块(1)接通并工作后，该管理系统(1)监测满足CAN协议的外接充电器和外接用电器；该管理系统与外接充电器交互电池单体(8)和电池组的当前状态，配合外接充电器的指令进行充电；该管理系统与外接用电器交互电池单体(8)和电池组的当前状态，配合外接用电器的指令进行放电。
该管理系统的维护条件为电池库仑效率低于88％或维护后循环次数大于50次。
该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令维护模块(5)调控电流在电池容量的0.1倍率以下直到电池单体(8)的维护电极(13)和负电极(10)之间电压小于50mV。
当电池处于热备用、运行及维护时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)启动、维持并调控泵(12)的流量；当电池处于停运时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)关闭泵(12)；当泵(12)异常时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)监测泵(12)的异常并发出报警。
当电池处于运行时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)监测并限制电池单体(8)的正电极(9)和负电极(10)之间的电压处于2.05V～1.0V，超出范围能够切断回路并发出报警；当电池处于运行时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)监测并限制电池单体(8)和电池组的电流在电池容量的2倍率以下，超出范围能够切断回路并发出报警；当该管理系统处于运行状态时，该管理系统、电池单体(8)和电池组的工作状态能够通过显示器进行显示和调用；当该管理系统处于运行状态时，该管理系统通过中央处理器模块(2)控制开关模块(3)和监测模块(4)监测该管理系统各个组件的运行状态。
本发明提供的单液流电池管理系统及方法，能够实现单液流电池的监控和维护，能够与外接充电器和放电器交互控制信息而实现并网、储能、放能等作用，延长电池使用寿命、扩展电池应用范围。该单液流电池管理系统及方法的应用，可使单液流电池储能系统广泛应用于电力、交通、电子等行业。
附图说明
图1 一种单液流电池管理系统
1.电源模块，2.中央处理器模块，3.开关模块，4.监测模块，5.维护模块，6.电源线，7.数据线，8.电池单体，9.正电极，10.负电极，11.测温点，12.泵，13.维护电极，14.通讯接口
图2 单液流电池单体及其监测点设置
8.电池单体，9.正电极，10.负电极，11.测温点，12.泵，13.维护电极
具体实施方式
实施例1
取24个单液流电池单体，将电池单体串连成电池组，在电池单体的泵、正电极、负电极和电池外表面上设置电压、温度、泵监测点及连接件，如图2。以DC/DC开关电源作为单液流电池管理系统的电源模块，以可监测12个电池单体的终端模块作为监测模块，以可监测低电压的监测12个电池单体的终端模块作为维护模块，以具多路电压、电流监控功能的电池中控模块作为单液流电池管理系统的中央处理器模块，以继电器、断路器和电子软开关系列组成开关模块，如图1所示连接方式组成单液流电池管理系统。单液流电池管理系统各个模块之间采用CAN总线通讯，对应图1连接各个监测点。当电池组中电池个数多于12只时，需要多个可监测12个电池单体的终端模块并行连接在中央处理器模块上。本例采用2个可监测12个电池单体的终端模块并行连接在中央处理器模块上作为监测模块、2个可监测12个电池单体的终端模块并行连接在中央处理器模块上维护模块；监测模块和维护模块为平行结构，两者之间没有物理连接。当电池组中电池个数不是12的倍数时，最后一个终端模块有部分测试线不连接。电源模块通过电源线向中央处理器模块、开关模块、监测模块和维护模块供电，电源模块通过数据线连接在中央处理器模块上，中央处理器模块通过数据线连接在开关模块上，监测模块和维护模块通过数据线分别连接在开关模块上，监测模块连接单液流电池单体的正电极、负电极、测温点和泵，维护模块连接电池单体的负电极和维护电极；电源模块为整个单液流电池管理系统供电，管理系统、电源模块、中央处理器模块、开关模块、监测模块和维护模块有自检功能。中央处理器模块具有运算和存储功能，控制程序和数据库预先写入中央处理器模块。
当单液流电池管理系统与电池组合完成时，接通电源，电源模块、中央处理器模块、开关模块、监测模块和维护模块首先自检并发送自检结果，中央处理器模块记录当前状态、比较数据库信息。根据自检结果，单液流电池管理系统判断电池荷电状态，中央处理器模块与外接充电器、放电器或PCS并网系统交互，确定电池将进行充电、放电、热备用待机、维护等工作状态。根据工作状态指令，单液流电池管理系统记录当前状态、比较数据库信息，通过开关模块发布指令信息来指令监测模块、维护模块进行动作。达到电池维护条件时(电池库仑效率为87％或维护后循环次数为60次)，该管理系统的中央处理器模块通过开关模块指令维护模块接通回路并调控电流在电池容量的0.05倍率，直到电池单体的维护电极和负电极之间电压为45mV(维护电流可以在0.01～0.1倍率之间，与维护电极的制备有关)。维护时，中央处理器模块通过开关模块指令监测模块处于待机状态，充电及放电回路断开。充电及放电时，单液流电池管理系统的中央处理器模块通过开关模块指令监测模块测试并反馈当前状态，比较数据库信息以获得电池荷电状态和放电深度，并计算和保持监测频次或增加、降低监测时间间隔。充电及放电时，中央处理器模块通过开关模块指令维护模块处于待机状态，维护回路断开。
Claims (9)
1.一种单液流电池管理系统，其特征在于该管理系统由电源模块(1)、中央处理器模块(2)、开关模块(3)、监测模块(4)和维护模块(5)构成，电源模块(1)通过电源线(6)向中央处理器模块(2)、开关模块(3)、监测模块(4)和维护模块(5)供电，电源模块(1)通过数据线(7)连接在中央处理器模块(2)上，中央处理器模块(2)通过数据线(7)连接在开关模块(3)上，监测模块(4)和维护模块(5)通过数据线(7)分别连接在开关模块(3)上，监测模块(4)连接单液流电池单体(8)的正电极(9)、负电极(10)、测温点(11)和泵(12)，维护模块(5)连接电池单体(8)的负电极(10)和维护电极(13)；中央处理器模块(2)、开关模块(3)、监测模块(4)和维护模块(5)之间的通讯采用CAN总线；该管理系统预留基于CAN总线的通讯接口(14)；监测模块(4)监测电池单体(8)和电池组的电压、电流、泵(12)和温度数据并将数据通过开关模块(3)传送中央处理器模块(2)，中央处理器模块(2)接收监测模块(4)的数据结果并对照数据库判断电池单体(8)和电池组的工作状态；中央处理器模块(2)根据工作状态通过开关模块(3)指令监测模块(4)监测或均衡电池单体(8)和电池组；当达到维护条件时，中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令维护模块(5)对电池单体(8)和电池组进行维护。
2.根据权利要求1所述的一种单液流电池管理系统，其特征在于该管理系统通过通讯接口(14)与外接充电器和外接用电器进行信息指令交换。
3.根据权利要求1所述的一种单液流电池管理系统，其特征在于该管理系统的中央处理器模块(2)中预置数据库，数据库信息包括电池单体和电池组的工作状态范围、故障类型、故障处理方式、维护条件和维护方式。
4.根据权利要求1所述的一种单液流电池管理系统，其特征在于该管理系统的中央处理器模块(2)记录电池单体(8)和电池组的电压、电流、温度、循环次数、维护次数、故障类型及次数和不少于一次循环的电压与时间关系。
5.根据权利要求1所述的一种单液流电池管理系统，其特征在于当该管理系统的电源模块(1)接通并工作后，该管理系统(1)监测满足CAN协议的外接充电器和外接用电器；该管理系统与外接充电器交互电池单体(8)和电池组的当前状态，配合外接充电器的指令进行充电；该管理系统与外接用电器交互电池单体(8)和电池组的当前状态，配合外接用电器的指令进行放电。
6.根据权利要求3所述的一种单液流电池管理系统，其特征在于维护条件为电池库仑效率低于88％或维护后循环次数大于50次。
7.根据权利要求3所述的一种单液流电池管理系统，其特征在于维护操作时该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令维护模块(5)调控电流在电池容量的0.1倍率以下直到电池单体(8)的维护电极(13)和负电极(10)之间电压小于50mV。
8.根据权利要求1所述的一种单液流电池管理系统，其特征在于当电池处于热备用、运行及维护时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)启动、维持并调控泵(12)的流量；当电池处于停运时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)关闭泵(12)；当泵(12)异常时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)监测泵(12)的异常并发出报警。
9.根据权利要求1所述的一种单液流电池管理系统，其特征在于当电池处于运行时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)监测并限制电池单体(8)的正电极(9)和负电极(10)之间的电压处于2.05V～1.0V，超出范围即切断回路并发出报警；当电池处于运行时，该管理系统的中央处理器模块(2)通过开关模块(3)指令监测模块(4)监测并限制电池单体(8)和电池组的电流在电池容量的2倍率以下，超出范围即切断回路并发出报警；当该管理系统处于运行状态时，该管理系统、电池单体(8)和电池组的工作状态通过显示器进行显示和调用；当该管理系统处于运行状态时，该管理系统通过中央处理器模块(2)控制开关模块(3)和监测模块(4)监测该管理系统各个组件的运行状态。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20141029 |