CN104682511B - 一种用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统及方法，该系统包括控制回路、控制系统复位模块、以及与液态金属电池一一对应的信号处理及动作回路。信号处理及动作回路能保证每个液态金属电池都达到满充而不过充，在所有液态金属电池都满充后控制回路被接通，并触发控制系统复位模块发出系统复位信号，然后所有液态金属电池继续充电至整个液态金属电池串联模组达到满充。本发明能消除液态金属电池串联模组随着循环数增加而产生的容量衰减问题，可显著提升液态金属电池串联模组运行的安全性、稳定性及使用寿命，填补了液态金属电池串联模组充放电管理系统及方法的空白，能大幅推动液态金属电池的商业化进程，具有良好的应用前景和经济价值。

Description

一种用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统及方法

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统及方法。

背景技术

随着传统化石能源不断的消耗，现有能源产出的高效利用和新的可再生能源的发展已经成为各个国家的能源结构升级的重要内容。作为主要的能源产出形式，电能的调配和有效利用的重要性不言而喻。在我国构建智能电网的过程中，为有效地消除减轻昼夜间电网峰谷差，平滑负荷，提高电力设备运行效率，降低供电成本，电力系统需要从传统型向清洁、高效、智能型转变，以“微电网”的形式实现产能与负载同时调节；另一方面，风电、光电等新能源发电自身所固有的间歇性、不连续性和不稳定性等特征，使得新能源产业空有庞大的装机量却只有极少部分的发电量可以并网利用。而不论是上述的昼夜间电网峰谷差减轻或消除，平滑负荷，还是可再生能源不稳定性的消除，真正地并网发电都需要有大规模、低成本的储能技术作为支撑。液态金属电池作为非常有前景的一项电化学储能技术，能量转换效率高、对环境要求低、容量易拓展并且成本低廉，已经成为未来智能电网中大规模储能技术的首选。(Kim H,Boysen DA,Newhouse J M,et al.Liquid metal batteries:Past,present,and future[J].Chemicalreviews,2012,113(3):2075-2099.)

液态金属电池在高温下运行，两电极均为液态金属，电解质为熔融态无机盐，电极与电解质由于密度不同且互不混溶而自然分层，电解质将两液态金属电极隔开。目前，单体液态金属电池在实验室的研究已经取得了巨大的进展，但距离真正商业化还有很多技术尚未解决，如在其商业化进程中，电池之间需要串联组成电池模组，而模组内的单体电池之间由于自放电能力的差异需要合适的电池管理系统BMS(Battery Management System)，来调节控制。而针对液态金属电池串联电池模组的充放电管理系统的研究尚属空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统及方法，能够消除液态金属电池串联模组随着循环数增加而产生的容量衰减现象，填补了液态金属电池串联模组充放电管理系统及方法的空白。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，包括控制回路、控制系统复位模块F及n个信号处理及动作回路；n为液态金属电池串联模组中液态金属电池的总数，且液态金属电池串联模组中n个液态金属电池依次串联，液态金属电池Ci的两端并联有信号处理及动作回路i，i＝1、2、……、n，n≥2；

其中，信号处理及动作回路i包括用于测量并比较液态金属电池Ci两端实时电压的电压比较模块Ai、用于接收电压比较模块Ai发出的信号并向外发出持续延时信号的延时继电器Bi、用于在接收延时继电器Bi发出的信号后闭合的常开大功率继电器Ki、及用于在液态金属电池Ci满充后耗散多余充电电压的耗散电阻R_i，且液态金属电池Ci与耗散电阻R_i和常开大功率继电器Ki串联构成耗散回路i；

n个常开大功率继电器与用于向外发出持续延时信号的延时继电器Bn+1共同串联构成控制回路；

控制系统复位模块F用于接收延时继电器Bn+1发出的信号并向外发出系统复位信号，系统复位信号发出后n个常开大功率继电器打开，同时n个电压比较模块和n个延时继电器停止工作。

所述的耗散电阻R_i的阻值通过式(1)计算，

$R_i=\frac{V_i}{I}---\left(1\right)$

其中V_i为液态金属电池Ci的满充电压，I为流过液态金属电池串联模组的充电电流。

所述的常开大功率继电器Ki的额定通过电流为液态金属电池串联模组的最大充电电流的1.3～5倍。

所述的延时继电器Bi的延时时间为：从延时继电器Bi被电压比较模块Ai触发时开始，直至接收到系统复位信号或整个充放电管理系统断电重启。

所述的延时继电器Bn+1的延时时间大于等于从控制回路接通时起至液态金属电池串联模组的总电压达到满充时所需的时间。

所述的电压比较模块Ai的比较电压基准为液态金属电池Ci的满充识别电压。

所述的控制系统复位模块F为直接控制除延时继电器Bn+1电源以外的整个充放电管理系统电源通断和重启的继电器，在延时继电器Bn+1给出的持续延时信号作用下，使控制整个充放电管理系统处于断电状态。

液态金属电池串联模组的充放电管理方法，包括以下步骤：

1)在液态金属电池串联模组的充电过程中，n个信号处理及动作回路同时独立运行，电压比较模块Ai实时采集液态金属电池Ci两端的电压，当液态金属电池Ci两端的电压大于等于液态金属电池Ci的满充电压时，电压比较模块Ai向延时继电器Bi发出触发信号；

2)延时继电器Bi接收到电压比较模块Ai的触发信号后，向常开大功率继电器Ki发出持续的触发信号，常开大功率继电器Ki接收到延时继电器Bi的触发信号后关闭，此时耗散回路i被导通，由耗散电阻Ri耗散多余的充电电压；

3)当n个常开大功率继电器全部关闭时控制回路被导通，此时延时继电器Bn+1向控制系统复位模块F发出持续的触发信号，控制系统复位模块F接收到延时继电器Bn+1的触发信号后发出系统复位信号，在系统复位信号的作用下n个常开大功率继电器同时打开，且n个电压比较模块和n个延时继电器停止工作，此时n个耗散回路被断开，串联的n个液态金属电池将会继续充电，直至液态金属电池串联模组的总电压达到满充时，整个充电过程结束；

4)充电过程结束之后，延时继电器Bn+1的延时结束，系统复位信号消失，充放电管理系统重新启动，复位状态结束。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，其信号处理及动作回路与液态金属电池一一对应，在液态金属电池串联模组的充电过程中，当一个液态金属电池的电压达到满充后，与其对应的信号处理及动作回路中的耗散回路被接通，多余的充电电流被耗散电阻消耗掉，使得该液态金属电池不会过充，其电压维持在该液态金属电池的满充电压。在液态金属电池串联模组中，充电速度快的液态金属电池对应的耗散电路会先被接通，然后等待剩余耗散电路被依次接通，也就是说先满充的液态金属电池在不继续充电的状态下等待剩余液态金属电池依次满充，等所有液态金属电池都达到满充了，此时所有耗散电路也都接通了，所以控制回路也会瞬时接通，控制系统复位模块会被触发而发出系统复位信号，然后所有耗散回路会被断开，所有液态金属电池同时继续充电，直至整个液态金属电池串联模组达到满充。本发明提供的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，由于设置了与液态金属电池一一对应的信号处理及动作回路，能够保证每个液态金属电池都达到满充，而且能够使先满充的液态金属电池在等待其余液态金属电池满充的过程中不会过充，避免了由于液态金属电池充电速率不一样而导致的电池组在反复充电过程中出现的容量衰减问题。而且本发明提供的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统结构非常简单、成本低廉，在单体液态金属电池自放电电流足够小时有着极高的能量转换效率，可显著提升液态金属电池串联模组运行的安全性、稳定性及使用寿命，填补了液态金属电池串联模组充放电管理系统的空白，能够大幅度推动液态金属电池的商业化进程，具有良好的应用前景和经济价值。

本发明提供的液态金属电池串联模组的充放电管理方法简单、智能、有效，自动化程度高，通过设置好不同的模块和继电器即可自动识别进行，无需人工干预，能够使得每个液态金属电池都达到满充，而且先满充的液态金属电池在等待其余液态金属电池满充的过程中不会过充，因此能够消除液态金属电池串联模组随着循环数增加而产生的容量衰减问题，可显著提升液态金属电池串联模组运行的安全性、稳定性及使用寿命，填补了液态金属电池串联模组充放电管理方法的空白，能够大幅度推动液态金属电池的商业化进程，具有良好的应用前景和经济价值。

附图说明

图1为液态金属电池在放电过程中的自放电示意图。

图2为两个液态金属电池串联后电池组的自放电示意图。

图3为两个液态金属电池串联后电池组的多个充放电循环的自放电示意图。

图4为液态金属电池恒流充放电电压曲线。

图5为简单的两个液态金属电池串联后电池组的充放电管理系统示意图。

图6为简单的多个液态金属电池串联后电池组的充放电管理系统示意图。

图7为两个液态金属电池串联后电池组的充放电管理系统示意图。

图8为多个液态金属电池串联后电池组的充放电管理系统示意图。

图9为两个液态金属电池串联后电池组的测试结果，其中(a)为两个液态金属电池串联后电池组的性能图，(b)为两个相邻循环液态金属电池1(C1)和液态金属电池2(C2)的电压曲线。

图10为将充放电管理系统应用到两个液态金属电池串联后电池组的测试结果，其中(a)为两个液态金属电池串联后电池组的性能图，(b)为两个相邻循环液态金属电池1(C1)和液态金属电池2(C2)的电压曲线。

图11为将充放电管理系统应用到两个液态金属电池串联后电池组的充放电电压曲线的容量校正过程，其中(a)为电池组的充放电电压曲线，(b)为(a)中方框部分的局部放大图。

图12为将充放电管理系统应用到10个液态金属电池串联后电池组的性能图。

图13为将充放电管理系统应用到10个液态金属电池串联后电池组的充放电电压曲线的容量校正过程，其中(a)为电池组的充放电电压曲线，(b)为(a)中方框部分的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

申请人经过大量研究发现：电池组容量衰减的原因为不同大小的电池自放电电流造成的充放电速率不同。若不加任何控制，液态金属电池串联模组的整体容量将随着充放电循环数的增加而急剧减少，这是由于单体液态金属电池的自放电电流不可能完全相同而造成的。液态金属电池的电解质为熔融盐，即负极材料对应的卤族无机盐中的一种或多种的混合物，由于负极金属或负极金属和正极金属形成的金属间化合物在其对应的熔盐中有一定的溶解度，这些微量的金属溶解在熔盐里，带来了一定的电子导电性。液态金属电池的熔盐电解质具有的微量电子导电性会导致电池时时刻刻都有一定的漏电流存在，直至将电池电量全部消耗，图1为液态金属电池在放电过程中的自放电示意图。

以充电为例，如图2所示，假定两个液态金属电池串联充电电流为20A，液态金属电池1(C1)的自放电电流为0.02A，液态金属电池2(C2)的自放电电流是C1的一半，为0.01A，两个单体液态金属电池的实际充电电流分别为I_actual＝19.98A、I_actua2＝19.99A，放电时情况也类似。这说明由于不同的单体液态金属电池在串联的电池组中具有不同的自放电能力，会导致各个单体液态金属电池具有不同的充放电速率。另外，每一个单体液态金属电池的自放电能力(一定电压下的漏电流大小)都不可能完全相同，并且即使是同一个单体液态金属电池在不同的充放电状态下漏电流大小也会有波动，这与液态金属电池的运行温度和熔盐纯度等多因素有关。

考虑整个两液态金属电池串联电池组的多个充放电循环，如图3所示，斜向上和斜向下箭头分别表示充电和放电过程，由于自放电电流的存在，液态金属电池的充电区间被拉长，放电区间被缩短，又由于不同液态金属电池有着不同的自放电电流，所以不同液态金属电池的充放电区间被拉长和缩短的程度也不一样。以两液态金属电池均满充状态开始，在循环的过程中，自放电大的液态金属电池先放电结束，电压急剧下降，整个电池组电压降到全放电设定值，停止放电，此时自放电小的液态金属电池尚未完全放电；接下来的充电过程中，自放电小的液态金属电池先充电结束，电压急剧上升，整个电池组电压达到满充设定值，停止充电，此时自放电大的液态金属电池尚未完全充电；以此循环，两单体液态金属电池的理论充放电区间不断错开，整个电池组的容量不断减少。

因此设计出大电流、低识别电压的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统具有很大意义。由于液态金属电池本身的大电流低电压特性，使得针对于液态金属电池的充放电管理系统需要能识别较低的电压(小于1V)，并且单一回路上通过的电流最小也为几十安培。这需要管理系统能将信号处理回路和动作回路分开，动作回路有可通过大电流的继电器及动作器件，信号处理回路采集单体液态金属电池电压信号，以此来判断液态金属电池的充放电状态。以图4所示的液态金属电池恒流充放电电压曲线为例，充电时电压达到1.2V时即认为到达满充状态，放电时电压低至0.6V时认为放电完成。

充放电管理系统中动作回路只作用于电池组充电阶段。结合液态金属电池串联电池组的容量衰减机理，开始运行时，将各个液态金属电池设定于满充状态，每一循环充电结束时均保证每个单体液态金属电池均处于满充状态即可。

简单的两液态金属电池串联电池组充放电管理系统示意如图5，采用能量耗散型电路设计，结构简单。R1，R2均为耗散电阻，SPST1，SPST2为单刀单掷常开开关，C1，C2均表示单体液态金属电池。假定自放电电流C1<C2，当电池组充电时，C1电压先达到满充电压，SPST1闭合，耗散电阻R1分流，流过C1的电流减小，电压略微下降，随之电压达到某一靠近满充电压的固定值，这一固定值可由耗散电阻R1的阻值大小和液态金属电池C1的自放电电流决定：假定C1的自放电电流为I_{self-discharge}，电池组充电电流为I_total，稳态电压值为U_stable，则有U_stable＝(I_total－I_{self-discharge})×R1；接着C2达到满充电压，SPST1断开，SPST2不动作，电池组充电完成。

当串联电池组中的电池数目增多为n个(n>2)时，控制逻辑不变，只需复制单电池的控制模块即可，如图6所示。

充放电管理系统的能量耗散功率理论上可以无限小，这取决于单体液态金属电池的自放电能力。假定单体液态金属电池的自放电电流为零，或者单体液态金属电池之间的自放电电流相等，此时各个单体液态金属电池之间充放电不同步的情况将不会出现，各个单体液态金属电池将在同一时刻达到满充状态，在这种情况下，充放电管理系统的能量耗散功率为零。由此可见，单体液态金属电池本身的自放电电流越小，单体液态金属电池之间的自放电能力差异越小，电流流过耗散电阻的时间就越短，然而，对于一个完整的充放电循环而言，自放电过程时时刻刻都在进行，并且自放电电流大小也在随着电压和电池的运行健康状况变化，要做到各个单体液态金属电池之间的自放电水平相同是不可能的，唯一可以控制的就是每个单体液态金属电池本身的自放电能力，当单体液态金属电池的自放电电流小到一定值时，如1mA/cm²，充放电管理系统的能量耗散功率几乎可以认为为零。

另一方面，液态金属电池的自放电电流大小直接由熔盐的电子导电性和电池电压决定，而熔盐的电子导电性又与熔盐的纯度、电极材料组分和熔盐中的离子的种类密切相关。因此纯化熔盐、加入不同种类的离子和改变电极材料组分都可以减小液态金属电池的自放电水平。另外，对一个完整的充放电循环而言，自放电电流的大小也直接决定了库伦效率的高低，而库伦效率的大小与液态金属电池整个循环的能量效率息息相关。所以减小单体液态金属电池的自放电能力是一个有着极度重要性又完全可以实现的课题。

液态金属电池的自放电现象只能减弱，不能完全消除，这是由液态金属电池中熔盐电解质本身带有的微量电子导电性决定的。假设去除本发明提供充放电管理系统，考虑到可以尽量地减弱但不能完全消除的自放电现象，单体液态金属电池的理论充放电区间会不断地错开，即使自放电电流极小，这种现象也会不断的积累，导致整个串连电池组的容量不断的衰减。因此本发明设计的充放电管理系统是十分必要的。

以2个液态金属电池串联为例，本发明提供的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，如图7所示，电压比较模块A1、A2分别采集液态金属电池C1、C2两端的实时电压，当C1两端电压高于满充电压时，电压比较模块A1给出触发信号，下级延时继电器B1开始动作，给出持续的触发信号，常开大功率继电器K1同时动作，接通耗散回路；当C2两端电压高于满充电压时，电压比较模块A2给出触发信号，下级延时继电器B2开始动作，给出持续的触发信号，常开大功率继电器K2同时动作，此时串联有常开大功率继电器K1、常开大功率继电器K2和延时继电器B3的回路接通，延时继电器B3收到触发信号，同时给出持续的触发信号，使控制系统复位模块F发出系统复位信号，控制充放电管理系统处于复位状态，在此期间常开大功率继电器K1、K2断开，电池组继续充电，C1和C2电压继续上升，电池组总电压达到满充识别值，充电完成。在延时继电器B3的延时时间内，电池充电结束，整个调节过程结束。

扩展到多个电池组成的电池组，本发明提供的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，如图8所示，包括控制回路、控制系统复位模块F及n个信号处理及动作回路；n为液态金属电池串联模组中液态金属电池的总数，且液态金属电池串联模组中n个液态金属电池依次串联，液态金属电池Ci的两端并联有信号处理及动作回路i，i＝1、2、……、n，n≥2；其中，信号处理及动作回路i包括用于测量并比较液态金属电池Ci两端实时电压的电压比较模块Ai、用于接收电压比较模块Ai发出的信号并向外发出持续延时信号的延时继电器Bi、用于在接收延时继电器Bi发出的信号后闭合的常开大功率继电器Ki、及用于在液态金属电池Ci满充后耗散多余充电电压的耗散电阻R_i，且液态金属电池Ci与耗散电阻R_i和常开大功率继电器Ki串联构成耗散回路i；n个常开大功率继电器与用于向外发出持续延时信号的延时继电器Bn+1共同串联构成控制回路；控制系统复位模块F用于接收延时继电器Bn+1发出的信号并向外发出系统复位信号，系统复位信号发出后n个常开大功率继电器打开，同时n个电压比较模块和n个延时继电器停止工作。

耗散电阻R_i的阻值通过式(1)计算，

$R_i=\frac{V_i}{I}---\left(1\right)$

其中V_i为液态金属电池Ci的满充电压，I为流过液态金属电池串联模组的充电电流。

常开大功率继电器Ki的额定通过电流为液态金属电池串联模组的最大充电电流的1.3～5倍。常开大功率继电器Ki的具体型号为JQX系列：JQX-12F(JL-6)26、JQX-30F27、JQX-38A27、JQX-38F28、JQX-40F-1Z28、JQX-40F-2Z29、JQX-40FT-2Z29、JQX-50F30、JQX-52F30、JQX-53F-2Z31、JQX-53F-3Z31、JQX-58F32、JQX-59F32、JQX-60F33、JQX-62-1Z-80A33、JQX-62F-1Z-80A34、JQX-62F-1Z-120A34、JQX-62F-2Z-80A35、JQX-80A-1Z35或JQX-981F36。具体型号的选用主要由常开大功率继电器Ki的额定通过电流确定。

延时继电器Bi的延时时间为：从延时继电器Bi被电压比较模块Ai触发时开始，直至接收到系统复位信号或整个充放电管理系统断电重启。延时继电器Bn+1的延时时间大于等于从控制回路接通时起至液态金属电池串联模组的总电压达到满充时所需的时间。延时继电器Bi和延时继电器Bn+1的具体型号为AH2-Y/H42、AH3-3/2/1433、AH3-N43、ASTP-Y/N44、ASY-2D/3D44、ATDV-N/Y45、CH5N45、CH48S46、H3BA46、H3BA-847、H3CR47、H3CT48、JS11J48、JS11S49、JS14S49、JSM850、JSZ850、ST2PE51、ST3P51、ST6P-H3Y-52或TRD-N/Y52。其型号的选用主要依据为延时时间应大于充放电管理系统对于液态金属电池串联模组的整个作用时间。

电压比较模块Ai的比较电压基准为液态金属电池Ci的满充识别电压，可采用LM2901，LM139，LM239或LM339等电压比较器。

控制系统复位模块F为直接控制除延时继电器Bn+1电源以外的整个充放电管理系统电源通断和重启的继电器，在延时继电器Bn+1给出的持续延时信号作用下，使控制整个充放电管理系统处于断电状态。控制系统复位模块F具体采用的继电器型号为：AS-2P-U9、AS-3P-U9、G2R-1-S10、G2R-2-S10、HH52P11、HH53P11、HH54P12、JQX-10F-2Z(JTX-2C)12、JQX-10F-3Z(JTX-3C)13、JQX-13F-2Z13、JQX-13FS-1Z14、JQX-53F-2Z14、JQX-53F-3Z15、LY115、LY216、LY3(HH63P)16、LY4(HH64P)17、MK-2P17、MK-3P18、MY218、MY319、MY419、PT52-S20、PT54-S20、TYPE55.0221、TYPE55.0421、TYPE56.0222、TYPE56.0422、TYPE57.0223、TYPE57.0423、TYPE58.0224、TYPE60.224、TYPE60.325、TYPE70.225或TYPE70.326。

本发明提供的液态金属电池串联模组的充放电管理方法，包括以下步骤：

1)在液态金属电池串联模组的充电过程中，n个信号处理及动作回路同时独立运行，电压比较模块Ai实时采集液态金属电池Ci两端的电压，当液态金属电池Ci两端的电压大于等于液态金属电池Ci的满充电压时，电压比较模块Ai向延时继电器Bi发出触发信号；

2)延时继电器Bi接收到电压比较模块Ai的触发信号后，向常开大功率继电器Ki发出持续的触发信号，常开大功率继电器Ki接收到延时继电器Bi的触发信号后关闭，此时耗散回路i被导通，由耗散电阻Ri耗散多余的充电电压；

3)当n个常开大功率继电器全部关闭时控制回路被导通，此时延时继电器Bn+1向控制系统复位模块F发出持续的触发信号，控制系统复位模块F接收到延时继电器Bn+1的触发信号后发出系统复位信号，在系统复位信号的作用下n个常开大功率继电器同时打开，且n个电压比较模块和n个延时继电器停止工作，此时n个耗散回路被断开，串联的n个液态金属电池将会继续充电，直至液态金属电池串联模组的总电压达到满充时，整个充电过程结束；

4)充电过程结束之后，延时继电器Bn+1的延时结束，系统复位信号消失，充放电管理系统重新启动，复位状态结束。

本发明提供的液态金属电池串联模组充放电管理系统能够消除液态金属电池串联模组随着循环数增加而产生的容量衰减，在单体液态金属电池自放电电流足够小时有着极高的能量转换效率，结构非常简单，成本低廉，可以显著提升液态金属电池模组运行的安全性，填补了液态金属电池串联模组充放电管理系统的空白，大幅推动液态金属化电池的商业化进程。

为了验证本发明的效果，首先进行两液态金属电池串联电池模组的测试。如图9所示，(a)为两液态金属电池串连电池组的性能图示，(b)为两个相邻循环C1和C2的电压曲线，可以看到，仅仅在7个循环之后电池组的容量已经下降了大约25％，并且对比两个循环的单体液态金属电池电压曲线可以看出：随着充放电循环的不断进行，C1在充电结束时处于过充状态，C2在充电结束时尚未达到满充电压，两液态金属电池之间的理论充放电区间在不断地错开，串连电池组的放电容量也随着循环数增加不断减小。

随后，为了验证本发明的充放电管理系统的作用，将用于两液态金属电池串联的充放电管理系统应用于上述两液态金属电池串联模组中，结果如图10所示，(a)为两液态金属电池串连电池组的性能图示，(b)为两个相邻循环C1和2的电压曲线，可以看到，加上本发明的充放电管理系统后两液态金属电池串联电池组在700个充放电循环后容量几乎没有衰减，处于不同充放电循环的两单体液态金属电池均同时达到满充电压，两液态金属电池之间的理论充放电区间保持一致，串连电池组的放电容量随着循环数增加没有明显变化。

另外，如图11所示，(a)图中曲线为串连电池组的充放电电压曲线，由局部放大图(b)可明显看到电池组在接近满充状态时的容量校正过程，正是因为这极其短暂的容量校正过程，电池组才能稳定高效的运行。

为了验证本发明提供的充放电管理系统的可扩展性，将液态金属电池充放电管理系统应用于10个液态金属电池串联模组实验，得到的电池模组性能参数如图12所示，图13为相应的容量校准过程，其中(a)为串连电池组的充放电电压曲线，(b)为(a)中方框内容的放大图。图中在第10个循环至第15个循环期间关闭所述的充放电管理系统，在此期间图中显示出明显的放电容量的降低，这又一次印证了本液态金属电池充放电管理系统发明的实用性和重要性。

Claims (7)

1.一种用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，其特征在于：包括控制回路、控制系统复位模块F及n个信号处理及动作回路；n为液态金属电池串联模组中液态金属电池Ci的总数，且液态金属电池串联模组中液态金属电池C1～Cn依次串联，液态金属电池Ci的两端并联有信号处理及动作回路i，i＝1、2、……、n，n≥2；

其中，信号处理及动作回路i包括用于测量并比较液态金属电池Ci两端实时电压的电压比较模块Ai、用于接收电压比较模块Ai发出的信号并向外发出持续延时信号的延时继电器Bi、用于在接收延时继电器Bi发出的信号后闭合的常开大功率继电器Ki、及用于在液态金属电池Ci满充后耗散多余充电电压的耗散电阻R_i，且液态金属电池Ci与耗散电阻R_i和常开大功率继电器Ki串联构成耗散回路i；其中延时继电器Bi的延时时间为：从延时继电器Bi被电压比较模块Ai触发时开始，直至接收到系统复位信号或整个充放电管理系统断电重启；

常开大功率继电器K1～Kn与用于向外发出持续延时信号的延时继电器Bn+1共同串联构成控制回路；

控制系统复位模块F用于接收延时继电器Bn+1发出的信号并向外发出系统复位信号，系统复位信号发出后常开大功率继电器K1～Kn打开，同时电压比较模块A1～An和延时继电器B1～Bn停止工作。

2.根据权利要求1所述的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，其特征在于：所述的耗散电阻R_i的阻值通过式(1)计算，

$R_i=\frac{V_i}{I}---\left(1\right)$

其中V_i为液态金属电池Ci的满充电压，I为流过液态金属电池串联模组的充电电流。

3.根据权利要求1所述的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，其特征在于：所述的常开大功率继电器Ki的额定通过电流为液态金属电池串联模组的最大充电电流的1.3～5倍。

4.根据权利要求1所述的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，其特征在于：所述的延时继电器Bn+1的延时时间大于等于从控制回路接通时起至液态金属电池串联模组的总电压达到满充时所需的时间。

5.根据权利要求1所述的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，其特征在于：所述的电压比较模块Ai的比较电压基准为液态金属电池Ci的满充电压。

6.根据权利要求1所述的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统，其特征在于：所述的控制系统复位模块F为直接控制除延时继电器Bn+1电源以外的整个充放电管理系统电源通断和重启的继电器，在延时继电器Bn+1给出的持续延时信号作用下，控制整个充放电管理系统处于断电状态。

7.基于权利要求1-6任意一项所述的用于液态金属电池串联模组的充放电管理系统的充放电管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在液态金属电池串联模组的充电过程中，n个信号处理及动作回路同时独立运行，电压比较模块Ai实时采集液态金属电池Ci两端的电压，当液态金属电池Ci两端的电压大于等于液态金属电池Ci的满充电压时，电压比较模块Ai向延时继电器Bi发出触发信号；

2)延时继电器Bi接收到电压比较模块Ai的触发信号后，向常开大功率继电器Ki发出持续的触发信号，常开大功率继电器Ki接收到延时继电器Bi的触发信号后关闭，此时耗散回路i被导通，由耗散电阻R_i耗散多余的充电电压；

3)当常开大功率继电器K1～Kn全部关闭时控制回路被导通，此时延时继电器Bn+1向控制系统复位模块F发出持续的触发信号，控制系统复位模块F接收到延时继电器Bn+1的触发信号后发出系统复位信号，在系统复位信号的作用下常开大功率继电器K1～Kn同时打开，且电压比较模块A1～An和延时继电器B1～Bn停止工作，此时n个耗散回路全部被断开，串联的液态金属电池C1～Cn将会继续充电，直至液态金属电池串联模组的总电压达到满充时，整个充电过程结束；

4)充电过程结束之后，延时继电器Bn+1的延时结束，系统复位信号消失，充放电管理系统重新启动，复位状态结束。