CN105141004A - 一种针对液态金属电池的均衡充电系统 - Google Patents

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宋政湘
宋有波
王建华
于乔乔
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Abstract

本发明公开了一种针对液态金属电池的均衡充电系统，实现了高温条件下液态金属电池的被动均衡。该系统采用耐600℃高温的SiC或GaN材料的非线性电阻与电池并联，该非线性电阻在其两端电压小于一定值时电阻值很大，电阻所在支路几乎没有电流流过；当电池接近充满时电压会迅速升高，此时非线性电阻阻值迅速减小，大部分充电电流将从电阻支路流过，从而实现防止电池过充现象。外部电池监测系统将以串联电池组作为一个单元，实时监测电池组的电压及充电容量，当以上两个参数任意一个超过额定值时，立即切断充电回路。本发明结构简单，可靠性高，能够较好地实现对液态金属电池的均衡充电。

Description

一种针对液态金属电池的均衡充电系统
技术领域：
本发明应用于电网大规模储能领域，尤其涉及一种针对液态金属电池的均衡充电系统。
背景技术：
目前储能系统中的常见的储能方式比如铅酸电池、锂离子电池等都各自存在着一些问题，比如存储容量小、充放电寿命有限、成本高等。液态金属电池作为一种新型的储能电池，具备运行寿命长、容量大以及倍率高等优点，适合应用于储能系统之中。液态金属电池需要工作在500-600℃高温下，其额定电流可达100A，但工作时电压范围仅为0.55-1.2V，而且在充放电过程末端电压会快速变化。这样，在电池串联充放电时很容易因为电池的特性不完全一致而产生过充或者过放现象，对电池造成损害。传统的电池均衡方式需要对每个电池进行监测，均衡电路复杂，并且无法适应液态金属电池工作的高温环境。
发明内容：
本发明的目的是为解决液态金属电池在串联后充电时产生的不均衡现象，提供了一种针对液态金属电池的均衡充电系统。该系统实现了电池的被动均衡，可以有效防止电池出现过充现象。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：
一种针对液态金属电池的均衡充电系统，包括非线性电阻和电池监测系统；其中，一个非线性电阻与对应一个电池并联组成电池单元，用于限制电池电压超过额定值，若干电池单元串联组成电池组；
电池监测系统，用于实时监测电池组，在电池组充满电后自动切断充电回路。
本发明进一步的改进在于，非线性电阻采用耐600℃高温的SiC或GaN制成。
本发明进一步的改进在于，一个非线性电阻分别与对应一个电池的正极和负极相连，且一个电池的正极和负极之间通过绝缘陶瓷管绝缘。
本发明进一步的改进在于，非线性电阻通过焊接分别与电池的正极和负极相连。
本发明进一步的改进在于，电池监测系统包括数据采集模块、数据处理模块和控制模块；其中，
数据采集模块包括霍尔传感器、信号调理电路和AD转换器件，负责将所测电池组电压和电流信号转换为数字信号送入数据处理模块；
数据处理模块负责根据将所述数据采集模块送入的数据计算出电池组实际电压和电流，当超出设定值范围时向控制模块发出控制信号；
控制模块负责根据接收的控制信号控制充电回路的通断。
本发明进一步的改进在于，电池监测系统采用容量、电压双重判据，将串联电池组作为一个监测单元，当电池组充电容量超过电池组的额定容量或电池组电压超过所有单电池额定电压值之和时，电池监测系统立即切断充电回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用每个液态金属电池均与一个非线性电阻并联的方式，主要有以下两个方面的优势。首先，与传统的电池均衡装置相比，该非线性电阻可以在电池工作的高温环境下长期运行，并不需要再将每个电池用导线引出端子到外部连接额外的设备，这样可以提高加热装置的绝热性能，减少保持高温环境所损耗的能量；其次，该均衡方式为被动式均衡，传统的电池均衡方式是监测每个电池的电压，当发现过充时投入均衡装置，而采用非线性电阻的均衡方式，可以实现在电池发生过充时自动均衡，并不需要监测每个电池的电压，这样可以极大地减少整个均衡装置的复杂度。
进一步的，在电池监测方式上有以下优点：以串联电池组作为一个监测单元，这样可以使监测节点数大大减小；采用电压和容量双重判据，可以提高监测可靠性，在电池充满时立即切断充电回路，减少了在非线性电阻上消耗的能量，提高了电池组的储能效率。
因此，采用该均衡充电系统可以更好地实现液态金属电池的均衡充电。
附图说明：
图1是电池额定电流充放电曲线；
图2是非线性电阻伏安特性曲线；
图3是非线性电阻与电池并联的结构图；
图4是电池监测系统结构示意图；
图5是电池串联结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明一种针对液态金属电池的均衡充电系统，采用耐600℃高温的SiC或GaN材料的非线性电阻并联在每个液态金属电池的正负极两端，该种非线性电阻在不同的电压下呈现不同的电阻值，在电池电压过高时大部分电流将流经非线性电阻，从而防止了电池出现过充现象。
电池监测系统包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块。其中，数据采集模块包括霍尔传感器、信号调理电路和AD转换器件，负责将所测电池组电压和电流信号转换为数字信号送入数据处理模块；数据处理模块负责根据将所述数据采集模块送入的数据计算出电池组实际电压和电流，当超出设定值范围时向控制模块发出控制信号；控制模块负责根据接收的控制信号控制充电回路的通断。
被监测的电池组由多个电池单元串联而成，其中，电池单元由一个电池均与一个非线性电阻并联组成。电池监测系统采用容量、电压双重判据，将串联电池组作为一个监测单元，当电池组充电容量超过电池组的额定容量或电池组电压超过所有单电池额定电压值之和时，电池监测系统立即切断充电回路。
参考图1和图2，液态金属电池电压达到UA时，充电容量可以达到额定容量的95％以上，此时非线性电阻开始导通，电阻支路开始分流，并且随着电压的继续增大，阻值迅速减小。当电压达到UB时，非线性电阻可以流过电池的额定充电电流IN，由于电池存在一定内阻，当流过电池电流减小时，电池充满电所对应电压也会减小，所以在当达到稳定状态时，电池两端电压略小于UB，并且仍有一较小电流流过。
参考图3，液态金属电池的金属外壳为电池正极2，中间凸起圆柱内层为电池负极3，外层为绝缘陶瓷管4，用来进行电池正负极的隔离。非线性电阻1通过焊接方式分别与电池的正极2和负极3相连接。
参考图4，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别测量电池组的充电电压和电流，传感器输出信号送入信号调理电路，经过调理的信号进入A/D转换器；采用多通道A/D转换器或者单通道A/D转换器加多路模拟开关的方式可以实现对多个电池组的同时监测。微控制器实时计算所监测电池组的总电压以及充电安时容量，当电池组总电压超过所有电池额定电压之和或者充电容量超过电池组额定容量时，监测系统判断此电池组已经充满，将会切断充电回路。
参考图5，每个单电池均与非线性电阻并联，之后若干个电池串联组成串联电池组，电池监测系统监测电池组充电过程中的总电压和电流，并实时统计所充电量。当电池组的总电压超过额定电压或者所充容量超过电池的额定容量时，电池监测系统将给出信号切断充电回路。这样可以减少电能的损耗，提高系统效率。

Claims (6)

1.一种针对液态金属电池的均衡充电系统，其特征在于，包括非线性电阻和电池监测系统；其中，
一个非线性电阻与对应一个电池并联组成电池单元，用于限制电池电压超过额定值，若干电池单元串联组成电池组；
电池监测系统，用于实时监测电池组，在电池组充满电后自动切断充电回路。
2.根据权利要求1所述的均衡充电系统，其特征在于，非线性电阻采用耐600℃高温的SiC或GaN制成。
3.根据权利要求1所述的均衡充电系统，其特征在于，一个非线性电阻分别与对应一个电池的正极和负极相连，且一个电池的正极和负极之间通过绝缘陶瓷管绝缘。
4.根据权利要求3所述的均衡充电系统，其特征在于，非线性电阻通过焊接分别与电池的正极和负极相连。
5.根据权利要求1所述的均衡充电系统，其特征在于，电池监测系统包括数据采集模块、数据处理模块和控制模块；其中，
数据采集模块包括霍尔传感器、信号调理电路和AD转换器件，负责将所测电池组电压和电流信号转换为数字信号送入数据处理模块；
数据处理模块负责根据将所述数据采集模块送入的数据计算出电池组实际电压和电流，当超出设定值范围时向控制模块发出控制信号；
控制模块负责根据接收的控制信号控制充电回路的通断。
6.根据权利要求1所述的均衡充电系统，其特征在于，电池监测系统采用容量、电压双重判据，将串联电池组作为一个监测单元，当电池组充电容量超过电池组的额定容量或电池组电压超过所有单电池额定电压值之和时，电池监测系统立即切断充电回路。
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