CN107422267A - 全钒液流电池的soc检测装置及方法 - Google Patents

全钒液流电池的soc检测装置及方法 Download PDF

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CN107422267A CN201710230111.5A CN201710230111A CN107422267A CN 107422267 A CN107422267 A CN 107422267A CN 201710230111 A CN201710230111 A CN 201710230111A CN 107422267 A CN107422267 A CN 107422267A
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廖文俊
林友斌
杨霖霖
周禹
汪保国
马绍健
季文姣
苏青
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
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Abstract

本发明公开了一种全钒液流电池的SOC检测装置及方法，所述SOC检测装置包括电解液取样装置、分光光度计及处理单元；电解液取样装置分别取样全钒液流电池的正极电解液及负极电解液，并且进行稀释；分光光度计进行波长扫描，并且分别测量正极电解液的第一波长光的吸光度及负极电解液的第二波长光的吸光度；处理单元根据正极电解液的第一波长光的吸光度来计算出正极一侧的SOC值，还根据负极电解液的第二波长光的吸光度来计算出负极一侧的SOC值。本发明较好地避免了温度因素对SOC检测的干扰，从而提高了全钒液流电池的SOC检测精度，防止了检测误差而导致的成本损失，从而节省了各项成本。

Description

全钒液流电池的SOC检测装置及方法
技术领域
本发明涉及液流电池检测领域，特别涉及一种全钒液流电池的SOC(State ofCharge，荷电状态)检测装置及方法。
背景技术
全钒液流电池被认为目前最适宜于大规模储能的电化学储能装置之一，其采用不同价态的钒离子作为正负极电解液，通过泵驱动正负极电解液在电堆内部互相独立运行。相比于传统电池，全钒液流电池具备以下优势：1、全钒液流电池电解液是在电堆内部循环流动的，所以整个电池系统拥有很好的均一性；2、全钒液流电池电解液为不同价态的钒离子，故不存在电解液交叉污染的情况，所以文献报导其充放电循环可达上万次；3、全钒液流电池的储能容量由电解液的量来决定，而功率的大小由电堆来决定，故其储能容量和功率可独立设计(这种储能容量和功率可分开设计的特点，为后续电池扩容提供了很大的便利，例如，当电池容量需要扩大时，只需要相应的增加电解液的量就可以实现)。
如上所述，全钒液流电池的储能容量是由电解液用量直接决定的，所以对于全钒液流电池的SOC的检测将直接决定全钒液流电池电解液的用量。而对于电池SOC检测的精度，将影响整个系统的建设成本。如以大连融科集团承接的国家百兆瓦级示范项目为例，当SOC检测误差达到1％时，将导致电解液的用量增加一百多立方，而由此所带来的成本增加将在百万元左右。由此可见，对于全钒液流电池SOC的精确监测，对于整个系统的成本控制来说至关重要。
公开号为CN 105425164 A的发明专利“全钒液流电池荷电状态在线监测方法及系统”，提出了通过采集充放电过程正负极电解液中各价态离子浓度获得正负极电解液的荷电状态，通过采集开路电压值及对应荷电状态建立关系方程，随后根据方程测量开路电压以获得正负极电解液的荷电状态。但是，这种方案缺乏对温度等其他不确定因素方面的考虑，关系方程应用具有一定的局限性，因此关系方程本身存在检测误差，如上所述，微少的检测误差也会造成较大的成本损失，导致无法挽回的后果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中对全钒液流电池的SOC检测存在精度差、适用性弱的缺陷，提供一种全钒液流电池的SOC检测装置及方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种全钒液流电池的SOC检测装置，其特点在于，所述SOC检测装置包括电解液取样装置、分光光度计及处理单元；
所述电解液取样装置用于分别取样所述全钒液流电池的正极电解液及负极电解液，并且分别进行稀释；
所述分光光度计用于分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描，并且分别测量正极电解液的第一波长光的吸光度及负极电解液的第二波长光的吸光度；
所述处理单元用于根据正极电解液的第一波长光的吸光度来计算正极电解液中四价钒离子的浓度，并且通过正极电解液中四价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值，所述处理单元还用于根据负极电解液的第二波长光的吸光度来计算负极电解液中三价钒离子的浓度，并且通过负极电解液中三价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值。
较佳地，所述第一波长光的波长范围为760nm～770nm，所述第二波长光的波长范围为400nm～410nm。
较佳地，所述电解液取样装置用于根据第一预设频率分别取样正极电解液及负极电解液；
所述分光光度计用于根据所述第一预设频率分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描。
较佳地，所述SOC检测装置还包括电压监测单元，所述电压监测单元用于根据第二预设频率采集所述全钒液流电池的充电电压及放电电压，并且将所述充电电压及所述放电电压发送至所述处理单元。
在本方案中，处理单元可通过实时接收所述充电电压及所述放电电压来判断电池的充放电状态，可预估SOC值。全钒液流电池理论充放电电压区间一般在1.7V～1V之间，测量电池开路电压值作用是为电控系统提供控制参数。例如，当测量得充电电压为1.7V时，可以认为电池已经充电结束，但往往此时SOC值会与电压测量值所反映出来的数据有一定出入，故对SOC值的测量便可以精确的了解电池所处状况。
较佳地，所述分光光度计为紫外分光光度计；和/或，
所述处理单元用于通过正极电解液中四价钒离子的浓度来计算出正极电解液中五价钒离子的浓度，根据正极电解液中五价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值，所述处理单元还用于通过负极电解液中三价钒离子的浓度来计算出负极电解液中二价钒离子的浓度，根据负极电解液中二价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值。
一种全钒液流电池的SOC检测方法，其特点在于，所述SOC检测方法利用如上述的SOC检测装置来实现，所述SOC检测方法包括以下步骤：
S1、所述电解液取样装置分别取样所述全钒液流电池的正极电解液及负极电解液，并且分别进行稀释；
S2、所述分光光度计分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描，并且分别测量正极电解液的第一波长光的吸光度及负极电解液的第二波长光的吸光度；
S3、所述处理单元根据正极电解液的第一波长光的吸光度来计算正极电解液中四价钒离子的浓度，并且通过正极电解液中四价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值，所述处理单元还根据负极电解液的第二波长光的吸光度来计算负极电解液中三价钒离子的浓度，并且通过负极电解液中三价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值。
较佳地，在步骤S2中，所述第一波长光的波长范围为760nm～770nm，所述第二波长光的波长范围为400nm～410nm。
较佳地，在步骤S1中，所述电解液取样装置根据第一预设频率分别取样正极电解液及负极电解液；
在步骤S2中，所述分光光度计根据所述第一预设频率分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描。
较佳地，所述SOC检测装置还包括电压监测单元；
在步骤S2中，所述电压监测单元根据第二预设频率采集所述全钒液流电池的充电电压及放电电压，并且将所述充电电压及所述放电电压发送至所述处理单元。
较佳地，在步骤S2中，所述分光光度计为紫外分光光度计；和/或，
在步骤S3中，所述处理单元通过正极电解液中四价钒离子的浓度来计算出正极电解液中五价钒离子的浓度，根据正极电解液中五价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值，所述处理单元还通过负极电解液中三价钒离子的浓度来计算出负极电解液中二价钒离子的浓度，根据负极电解液中二价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明较好地避免了温度因素对SOC检测的干扰，从而提高了全钒液流电池的SOC检测精度，防止了检测误差而导致的成本损失，从而节省了各项成本，并且SOC检测装置的结构简单，维护方便，自动化程度高，具有普遍适用性。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的全钒液流电池的SOC检测装置与全钒液流电池的连接示意图。
图2为本发明较佳实施例的全钒液流电池的SOC检测方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池的SOC检测装置2包括电解液取样装置、紫外分光光度计23、电压监测单元25及处理单元24，紫外分光光度计23及电压监测单元25分别与处理单元24电连接，所述电解液取样装置包括正极电解液取样装置21及负极电解液取样装置22，在本实施例中，不具体限定各个部件的型号等，完成相应的功能的前提下，均可根据实际情况来进行选择，全钒液流电池的SOC检测装置2设置于需检测的全钒液流电池1上，全钒液流电池1包括正极电解液11及负极电解液12，正极电解液取样装置21对应设置于正极电解液出液口处，负极电解液取样装置22对应设置于负极电解液出液口处。
具体的，正极电解液取样装置21用于根据第一预设频率来自动取样1ml的正极电解液11，并且利用去离子水稀释25倍，当然，取样量及稀释倍数均可根据实际情况来决定，所述第一预设频率可根据用户需要检测SOC的时间间隔来设定，同样，负极电解液取样装置22用于根据第一预设频率来自动取样1ml的负极电解液12，并且利用去离子水稀释25倍，稀释后的正极电解液11及负极电解液12装在试管中待测。
紫外分光光度计23用于根据第一预设频率来分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描，并且分别测量正极电解液的第一波长光的吸光度及负极电解液的第二波长光的吸光度，在本实施例中，所述第一波长光的波长为767nm，所述第二波长光的波长为406nm，设定正极电解液的第一波长光的吸光度为A767、负极电解液的第二波长光的吸光度为A406，将A767及A406分别发送至处理单元24。单色光辐射穿过被测物质溶液时，被该物质吸收的量与该物质的浓度和液层的厚度(光路长度)成正比，即朗伯-比尔定律，这是吸收光谱法定量的理论依据。不同价态的钒离子溶液可通过紫外分光光度计进行波长扫描。三价钒的吸收峰所在波长为406nm，四价吸收峰所在波长为767nm左右，三价及四价混合溶液吸收峰相互重叠，但吸收峰位置不会发生偏移，若采用单波长扫描会相互干扰，所以本实施例中采取双波长扫描法测定三价钒及四价钒的混合溶液中浓度和比例。在本实施例中，为了提高测量吸光度时的准确性，可分别测量多次A767及A406并且计算出平均值。
检测正极一侧的SOC值时，处理单元24用于根据A767来计算正极电解液中四价钒离子的浓度C4，在本实施例中，通过公示C4＝(0.05657*A767-0.00048)*25(线性范围是0.002M～0.1M)来计算出C4，当然公示可根据变数的改变而调整。正极电解液中五价钒离子的浓度为正极电解液浓度减去正极电解液中四价钒离子的浓度，因此可通过正极电解液中四价钒离子的浓度来计算出正极电解液中五价钒离子的浓度，再根据正极电解液中五价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值。
检测负极一侧的SOC值时，处理单元24还用于根据A406来计算负极电解液中三价钒离子的浓度C3，在本实施例中，通过公示C3＝(0.07951*A406-0.00557)*25(线性范围是0.012M～0.2M)来计算出C3，当然公示可根据变数的改变而调整。负极电解液中二价钒离子的浓度为负极电解液浓度减去负极电解液中三价钒离子的浓度，因此可通过负极电解液中三价钒离子的浓度来计算出负极电解液中二价钒离子的浓度，再根据负极电解液中二价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值，例如，负极一侧，起始电解液浓度为1mol/L，而当监测到负极电解液中二价钒离子的浓度接近0.5mol/L时，可以认为负极一侧的SOC值为50％；当监测到负极电解液中二价钒离子的浓度接近0.8mol/L时，可以认为负极一侧电池SOC值为80％。
电压监测单元25用于根据第二预设频率采集全钒液流电池的充电电压及放电电压，并且将所述充电电压及所述放电电压发送至处理单元24，处理单元24可通过实时接收所述充电电压及所述放电电压来判断电池的充放电状态，可预估SOC值。全钒液流电池理论充放电电压区间一般在1.7V～1V之间，测量电池开路电压值作用是为电控系统提供控制参数。例如，当测量得充电电压为1.7V时，可以认为电池已经充电结束，但往往此时SOC值会与电压测量值所反映出来的数据有一定出入，故对SOC值的测量便可以精确的了解电池所处状况。
如图2所示，本实施例还提供一种全钒液流电池的SOC检测方法，所述SOC检测方法利用如上述的SOC检测装置来实现，所述SOC检测方法包括以下步骤：
步骤101、分别取样正极电解液及负极电解液，并且分别进行稀释。
在本步骤中，正极电解液取样装置根据第一预设频率来自动取样1ml的正极电解液，并且利用去离子水稀释25倍，当然，取样量及稀释倍数均可根据实际情况来决定，所述第一预设频率可根据用户需要检测SOC的时间间隔来设定，同样，负极电解液取样装置根据第一预设频率来自动取样1ml的负极电解液，并且利用去离子水稀释25倍，稀释后的正极电解液及负极电解液装在试管中待测。
步骤102、分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描，并且分别测量正极电解液的第一波长光的吸光度及负极电解液的第二波长光的吸光度；采集全钒液流电池的充电电压及放电电压。
在本步骤中，紫外分光光度计根据第一预设频率来分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描，并且分别测量正极电解液的第一波长光的吸光度及负极电解液的第二波长光的吸光度，在本步骤中，所述第一波长光的波长为767nm，所述第二波长光的波长为406nm，设定正极电解液的第一波长光的吸光度为A767、负极电解液的第二波长光的吸光度为A406，将A767及A406分别发送至处理单元。单色光辐射穿过被测物质溶液时，被该物质吸收的量与该物质的浓度和液层的厚度(光路长度)成正比，即朗伯-比尔定律，这是吸收光谱法定量的理论依据。不同价态的钒离子溶液可通过紫外分光光度计进行波长扫描。三价钒的吸收峰所在波长为406nm，四价吸收峰所在波长为767nm左右，三价及四价混合溶液吸收峰相互重叠，但吸收峰位置不会发生偏移，若采用单波长扫描会相互干扰，所以本实施例中采取双波长扫描法测定三价钒及四价钒的混合溶液中浓度和比例。在本步骤中，为了提高测量吸光度时的准确性，可分别测量多次A767及A406并且计算出平均值。
在本步骤中，电压监测单元根据第二预设频率采集全钒液流电池的充电电压及放电电压，并且将所述充电电压及所述放电电压发送至处理单元，处理单元可通过实时接收所述充电电压及所述放电电压来判断电池的充放电状态，可预估SOC值。全钒液流电池理论充放电电压区间一般在1.7V～1V之间，测量电池开路电压值作用是为电控系统提供控制参数。例如，当测量得充电电压为1.7V时，可以认为电池已经充电结束，但往往此时SOC值会与电压测量值所反映出来的数据有一定出入，故对SOC值的测量便可以精确的了解电池所处状况。
步骤103、根据正极电解液的第一波长光的吸光度计算出正极一侧的SOC值，根据负极电解液的第二波长光的吸光度计算出负极一侧的SOC值。
在本步骤中，检测正极一侧的SOC值时，处理单元根据A767来计算正极电解液中四价钒离子的浓度C4，在本步骤中，通过公示C4＝(0.05657*A767-0.00048)*25(线性范围是0.002M～0.1M)来计算出C4，当然公示可根据变数的改变而调整。正极电解液中五价钒离子的浓度为正极电解液浓度减去正极电解液中四价钒离子的浓度，因此可通过正极电解液中四价钒离子的浓度来计算出正极电解液中五价钒离子的浓度，再根据正极电解液中五价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值。
检测负极一侧的SOC值时，处理单元还根据A406来计算负极电解液中三价钒离子的浓度C3，在本步骤中，通过公示C3＝(0.07951*A406-0.00557)*25(线性范围是0.012M～0.2M)来计算出C3，当然公示可根据变数的改变而调整。负极电解液中二价钒离子的浓度为负极电解液浓度减去负极电解液中三价钒离子的浓度，因此可通过负极电解液中三价钒离子的浓度来计算出负极电解液中二价钒离子的浓度，再根据负极电解液中二价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值，例如，负极一侧，起始电解液浓度为1mol/L，而当监测到负极电解液中二价钒离子的浓度接近0.5mol/L时，可以认为负极一侧的SOC值为50％；当监测到负极电解液中二价钒离子的浓度接近0.8mol/L时，可以认为负极一侧电池SOC值为80％。
本实施例通过实时监测正负极电解液离子浓度来较好地避免了温度因素对SOC检测的干扰，也可避免因方程估算所带来的误差，从而提高了全钒液流电池的SOC检测精度，防止了检测误差而导致的成本损失，从而节省了各项成本，并且SOC检测装置的结构简单，维护方便，自动化程度高，具有普遍适用性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全钒液流电池的SOC检测装置，其特征在于，所述SOC检测装置包括电解液取样装置、分光光度计及处理单元；
所述电解液取样装置用于分别取样所述全钒液流电池的正极电解液及负极电解液，并且分别进行稀释；
所述分光光度计用于分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描，并且分别测量正极电解液的第一波长光的吸光度及负极电解液的第二波长光的吸光度；
所述处理单元用于根据正极电解液的第一波长光的吸光度来计算正极电解液中四价钒离子的浓度，并且通过正极电解液中四价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值，所述处理单元还用于根据负极电解液的第二波长光的吸光度来计算负极电解液中三价钒离子的浓度，并且通过负极电解液中三价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值。
2.如权利要求1所述的SOC检测装置，其特征在于，所述第一波长光的波长范围为760nm～770nm，所述第二波长光的波长范围为400nm～410nm。
3.如权利要求1所述的SOC检测装置，其特征在于，所述电解液取样装置用于根据第一预设频率分别取样正极电解液及负极电解液；
所述分光光度计用于根据所述第一预设频率分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描。
4.如权利要求1所述的SOC检测装置，其特征在于，所述SOC检测装置还包括电压监测单元，所述电压监测单元用于根据第二预设频率采集所述全钒液流电池的充电电压及放电电压，并且将所述充电电压及所述放电电压发送至所述处理单元。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的SOC检测装置，其特征在于，所述分光光度计为紫外分光光度计；和/或，
所述处理单元用于通过正极电解液中四价钒离子的浓度来计算出正极电解液中五价钒离子的浓度，根据正极电解液中五价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值，所述处理单元还用于通过负极电解液中三价钒离子的浓度来计算出负极电解液中二价钒离子的浓度，根据负极电解液中二价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值。
6.一种全钒液流电池的SOC检测方法，其特征在于，所述SOC检测方法利用如权利要求1所述的SOC检测装置来实现，所述SOC检测方法包括以下步骤：
S1、所述电解液取样装置分别取样所述全钒液流电池的正极电解液及负极电解液，并且分别进行稀释；
S2、所述分光光度计分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描，并且分别测量正极电解液的第一波长光的吸光度及负极电解液的第二波长光的吸光度；
S3、所述处理单元根据正极电解液的第一波长光的吸光度来计算正极电解液中四价钒离子的浓度，并且通过正极电解液中四价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值，所述处理单元还根据负极电解液的第二波长光的吸光度来计算负极电解液中三价钒离子的浓度，并且通过负极电解液中三价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值。
7.如权利要求6所述的SOC检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述第一波长光的波长范围为760nm～770nm，所述第二波长光的波长范围为400nm～410nm。
8.如权利要求6所述的SOC检测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述电解液取样装置根据第一预设频率分别取样正极电解液及负极电解液；
在步骤S2中，所述分光光度计根据所述第一预设频率分别对稀释后的正极电解液及负极电解液进行波长扫描。
9.如权利要求6所述的SOC检测方法，其特征在于，所述SOC检测装置还包括电压监测单元；
在步骤S2中，所述电压监测单元根据第二预设频率采集所述全钒液流电池的充电电压及放电电压，并且将所述充电电压及所述放电电压发送至所述处理单元。
10.如权利要求6～9中任意一项所述的SOC检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述分光光度计为紫外分光光度计；和/或，
在步骤S3中，所述处理单元通过正极电解液中四价钒离子的浓度来计算出正极电解液中五价钒离子的浓度，根据正极电解液中五价钒离子的浓度来检测出正极一侧的SOC值，所述处理单元还通过负极电解液中三价钒离子的浓度来计算出负极电解液中二价钒离子的浓度，根据负极电解液中二价钒离子的浓度来检测出负极一侧的SOC值。
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