CN110336471A - 工业用盐湖提锂电源系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种工业用盐湖提锂电源系统包括控制器、电源换向模块、电解槽、采集模块和供电电源；控制器分别与所述电源换向模块和采集模块连接，根据采集模块输出的采集参数控制电源换向模块开关和换向动作；供电电源与电源换向模块连接，为电源换向模块提供输入电压；电源换向模块为所述电解槽提供电解工作所需电压；采集模块用于从电解槽中获取采集参数。本申请中电源换向模块可以实现低电压大电流控制，适用于工业应用，有利于实现盐湖提锂电源系统中电源换向自动化控制。

Description

工业用盐湖提锂电源系统

技术领域

本申请涉及电源系统技术领域，尤其是一种工业用盐湖提锂电源系统。

背景技术

金属锂是目前人们发现的最轻的金属，它被广泛应用于能源、化工、冶金等领域。随着能源问题的日益突出，锂离子电池得以快速发展，锂及其化合物占据着不可替代的地位。在自然界，锂主要以矿石和卤水两种形式存在，大部分锂资源存在于卤水尤其是盐湖卤水中，其储量占全部锂资源储量的80％以上。随着市场需求的增长，矿物锂资源显得供不应求，且开采成本高，人们开始开发盐湖卤水中的锂资源。盐湖提锂过程中需要供电电源系统做支撑，

现有的电源设备一般可满足正向的先恒流再恒压充电过程，对于反向过程只能进行恒流放电、恒阻放电、恒功率放电，或者说只能反向恒流充电、恒阻充电、恒功率充电。因此在反向过程时不能做到先恒流再恒压的过程。相关技术中，在进行盐湖提锂实现时可使用机械开关结构或电子开关来实现对电极电压的调整，但在工业应用中，电源系统为低电压大电流系统，传统的机械开关或电子开关不能满足工业应用中电源换向要求，以使工业应用中盐湖提锂难以实现自动化控制。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中，在进行盐湖提锂实现时可使用机械开关结构或电子开关来实现对电极电压的调整，但在工业应用中，电源系统为低电压大电流系统，传统的机械开关或电子开关不能满足工业应用中电源换向要求，以使工业应用中盐湖提锂难以实现自动化控制的问题，本申请提供一种工业用盐湖提锂电源系统，包括：

控制器、电源换向模块、电解槽、采集模块和供电电源；

所述控制器分别与所述电源换向模块和采集模块连接，根据所述采集模块输出的采集参数控制所述电源换向模块开关和换向动作；

所述供电电源与所述电源换向模块连接，为所述电源换向模块提供输入电压；

所述电源换向模块为所述电解槽提供电解工作所需电压；

所述采集模块用于从所述电解槽中获取采集参数。

进一步的，所述可换向开关电源包括移相全桥变换器和高频变压器和高频同步整流换向电路。

进一步的，所述同步整流换向电路包括两组同步整流开关管，每组同步整流开关管包括一对反向串联的场效应管组。

进一步的，所述移相全桥变换器包括4组场效应管。

进一步的，所述可换向开关电源的结构为半桥结构，或者，所述可换向开关电源的结构为全桥结构。

进一步的，所述系统还包括：输出滤波模块，所述输出滤波模块的输入端与所述电源换向模块连接，所述输出滤波模块的输出端与所述采集模块连接。

进一步的，所述输出滤波模块包括两组电解电容，所述两组电解电容的阴极相连。

进一步的，所述控制器包括电压控制器和电流控制器；所述电压控制器内预设电压参考值；所述电流控制器内预设电流参考值。

进一步的，所述采集模块包括电压采样电路和电流采样电路；所述电压控制器与所述电压采样电路连接；所述电流控制器与所述电流采样电路连接。

进一步的，所述采集模块还包括信号处理电路，所述信号处理电路分别与电压采样电路和电流采样电路连接。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请通过控制器分别与电源换向模块和采集模块连接，根据采集模块输出的采集参数控制电源换向模块开关和换向动作；电源换向模块可以实现低电压大电流控制，适用于工业应用，有利于实现盐湖提锂电源系统中电源换向自动化控制。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请一个实施例提供的一种工业用盐湖提锂电源系统的模块图。

图2是本申请另一个实施例提供的一种工业用盐湖提锂电源系统的模块图。

图3是本申请一个实施例提供的一种工业用盐湖提锂电源系统的部分电路图。

图4是本申请另一个实施例提供的一种工业用盐湖提锂电源系统的模块图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1是本申请一个实施例提供的工业用盐湖提锂电源系统的模块图。

如图1所示，本实施例提供的工业用盐湖提锂电源系统，包括：

控制器1、电源换向模块2、电解槽3、采集模块4和供电电源5；

控制器1分别与电源换向模块2和采集模块4连接，根据采集模块4输出的采集参数控制电源换向模块2开关和换向动作；

供电电源5与电源换向模块2连接，为电源换向模块2提供输入电压；

电源换向模块2为电解槽提供电解工作所需电压；

采集模块4用于从电解槽3中获取采集参数。

盐湖提锂中常使用电化学脱嵌法盐湖提锂技术，基于电化学脱嵌法的工业用盐湖提锂电源系统需满足低压大电流输出特性的要求以及满足对电解槽电极的电压极性进行自动换向的功能需求，以实现自动正向充电、反向充电，正向充电、反向充电......周而反复的运行。

该电源系统中电源换向模块2连接到电解槽3，电源换向模块2可切换施加在电解槽3上的电压极性，采集模块4在电源换向模块与电解槽间的连线上，采集电解槽的电压、电流参数，采集模块4通过控制线与控制器1相连，控制器1通过控制线读取采集模块4采集参数数据。采集参数例如为电压参数和电流参数，控制器1通过读取采集模块4采集的电解槽3上的电压、电流数据，在电解槽3的电压、电流达到预设参考值后调整电源换向模块2的开关和换向动作，实现电化学脱嵌法盐湖提锂应用中先正向恒流充电，再恒压充电的正向过程，正向过程结束后电源换向模块2切换施加在电解槽3上的电压极性，然后进入反向恒流充电，再恒压充电的反向过程，反向过程结束后电源换向模块2切换施加在电解槽3上的电压极性，再开始正向过程，如此周而反复的运行，以保证电化学脱嵌法的盐湖提锂系统顺利运行。

本实施例中，本申请通过控制器分别与电源换向模块和采集模块连接，根据采集模块输出的采集参数控制电源换向模块开关和换向动作；电源换向模块可以实现低电压大电流控制，适用于工业应用，有利于实现盐湖提锂电源系统中电源换向自动化控制。

图2是本申请另一个实施例提供的工业用盐湖提锂电源系统的模块图。

如图2所示，本实施例提供的工业用盐湖提锂电源系统，包括：

作为本发明可选的一种实现方式，电源换向模块2为可换向开关电源，可换向开关电源包括移相全桥变换器21和高频变压器22和高频同步整流换向电路23。

参考图3，移相全桥变换器21是DC/DC变换器中常用的电路拓扑形式之一，移相全桥变换器21采样PWM控制方式，一般应用于大、中功率单一极性上的恒压、恒流、恒功率输出。本电源系统在传统的移相全桥零电压软开关(ZVS)变换器的基础上，将全波整流的两组肖特基二极管替换为4组场效应管，其中每两组反向串联的场效应管替换一组肖特基二极管，场效应管K5、K6替换一组二极管，场效应管K7、K8替换另一组二极管，正向输出时，每一对反向串联的场效应管中的一组(K5、K7)在控制电路的驱动下处于导通状态，另一组(K6、K8)在控制电路的驱动下进行正常同步整流的高频开关动作；反向输出(相对于正向输出)时，与正向输出时相反，每一对反向串联的场效应管中的另外一组(K6、K8)在控制电路的驱动下处于导通状态，另外一组(K5、K7)在控制电路的驱动下进行正常同步整流的高频开关动作。通过对这4组场效应管的驱动控制，实现变换器全波同步整流以提高在低压、大电流的盐湖提锂电源系统工业应用条件下的运行效率，同时实现对输出极性的调整，以使电源系统能够实现恒压输出、恒流输出或者恒功率输出，以满足电化学脱嵌法盐湖提锂应用中对电解槽进行正向充电、反向充电，周而反复的要求。

需要特别说明的是，对于电化学脱嵌法盐湖提锂系统中的低压大电流回路，肖特基二极管的压降在整个电压输出中占比较大，影响电源效率。采用场效应管输出可以使导通电阻减小为0.2欧姆，压降更小，提高电源效率。

可换向开关电源的结构可以是半桥结构或者为全桥结构，通过高频变压器22进行变压，输出交流电，交流电输入高频同步整流换向电路23，高频同步整流换向电路23包括两组同步整流开关管，每组同步整流开关管包括一对反向串联的场效应管(K1，K2)、(K3，K4)，在通过控制电路驱动其中一组(K1，K2)处于导通状态，另外一组(K3，K4)进行同步整流的高频开关动作，并通过控制电路可以切换这两组开关管的导通状态，也可以实现在同步整流的同时进行大电流电子换向操作，并且在正向输出和反向输出状态下，从而实现电解槽3两端电极自动换向操作。

所述系统还包括第一驱动电路和第二驱动电路，第一驱动电路与移相全桥变换器21连接，用于驱动移相全桥变换器21；第二驱动电路与高频同步整流换向电路23连接，用于驱动高频同步整流换向电路23，从而保证系统正常运行。

作为本发明可选的一种实现方式，所述系统还包括：输出滤波模块6，输出滤波模块7的输入端与电源换向模块2连接，输出滤波模块6的输出端与采集模块4连接。

作为本发明可选的一种实现方式，输出滤波模块6包括两组电解电容(C1、C2)，两组电解电容的阴极相连。输出滤波模块6采用了共阴极串联的电解电容C1、C2以适应输出极性的改变。

需要说明的是，输出滤波模块7也可以采用无极性电容器来适应输出极性不确定的特性。

本实施例中，可换向开关电源针对电化学脱嵌法盐湖提锂技术低压大电流的极端应用条件进行优化设计，采用合适的拓扑方案和同步整流方案以及高频同步整流换向电路技术，以提高电源模块的效率和稳定性，实现工业用盐湖提锂电源系统稳定高效的运行。

图4是本申请另一个实施例提供的工业用盐湖提锂电源系统的模块图。

如图4所示，本实施例提供的一种工业用盐湖提锂电源系统，包括：

作为本发明可选的一种实现方式，控制器1包括电压控制器11和电流控制器12；电压控制器11内预设电压参考值；电流控制器12内预设电流参考值。

作为本发明可选的一种实现方式，采集模块4包括电压采样电路41和电流采样电路42；电压控制器11与电压采样电路41连接；电流控制器12与电流采样电路42连接。

当电压采样电路41采集到电压达到电压参考值时，电压控制器11调节电流控制器12内的电流参考值，通过控制电流控制器12的电流参考值改变输出电流以控制恒压输出；

电流采样电路42采集到电流达到电流参考值时，电流控制器12调节电压控制器11内的电压参考值，通过控制电压控制器11的电压参考值改变输出电压以控制恒流输出。

电流采样电路42为线圈感应检测电路、霍尔电流检测电路和直流分流器检测电路中的一种，需要说明的是，电流采样电路42可以设置在任何能检测到工作电流的位置，可以设定在电解槽总输出线路上，也可以设置在电解槽3各个支路的线路上。

电压采样电路41采用低电压采样电路，保证电压采样精度，电压采样电路41、电流采样电路42通过RS485通讯线缆分别与电压控制器11、电流控制器12连接，以保证数据传输稳定可靠。

控制器1通过调节电源换向模块的控制信号，使该电源系统实现稳定的恒流输出。电解槽3上会交替存在电压极性相反的电压，但输出电流的方向不变，因此，控制器1、电源换向模块2和采样电路4形成一个控制环路，电流采样电路42、电流控制器12与电源换向模块2间形成电流环，电压采样电路41、电压控制器11与电源换向模块2间形成电压环，以使系统在稳定闭环的情况下工作，按设定的参考值实现恒压或恒流输出。

本实施例中采用电流环为内环，电压环为外环的双环控制系统。电压环和电流环的采样电路均采用了先采样放大再精密整流的电路，能够在电源系统正向输出和反向输出时都能正确采集识别输出电压、电流的参数，并实现闭环控制。当电源模块的输出电流达到参考值Iref设定的参数时，电流控制器调整PWM调节器，使系统输出电流稳定，实现恒流输出；当电源模块输出电压达到参考值Vref设定的参数时，电压控制器11调节电流控制器的参考值，通过控制电流控制器12的参考值改变电源系统输出电流来实现恒压输出。并且由于电压环、电流环均采用了输出滤波采样技术，使得该电源模块在正向输出和反向输出时控制环都能正常起作用，实现正向和反向输出时都能够按照设定参数进行恒压或者恒流输出。

作为本发明可选的一种实现方式，采集模块4还包括信号处理电路，信号处理电路分别与电压采样电路41和电流采样电路42连接。

信号处理电路对电压采样电路41和电流采样电路42的输出结果进行处理，以提高采样参数的精度。

所述系统还包括保护电路，保护电路与控制器1连接，用于保护控制器1不受电流或电压过高或过低而损坏。

本实施例中，采用电压、电流双环控制的环路控制电路，而且使该电源系统在正向过程和反向过程中都能实现根据设定参数实现稳定可靠的恒压输出、恒流输出。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，包括：

控制器、电源换向模块、电解槽、采集模块和供电电源；

所述控制器分别与所述电源换向模块和采集模块连接，根据所述采集模块输出的采集参数控制所述电源换向模块开关和换向动作；

所述供电电源与所述电源换向模块连接，为所述电源换向模块提供输入电压；

所述电源换向模块为所述电解槽提供电解工作所需电压；

所述采集模块用于从所述电解槽中获取采集参数。

2.根据权利要求1所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，所述可换向开关电源包括移相全桥变换器和高频变压器和高频同步整流换向电路。

3.根据权利要求2所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，所述同步整流换向电路包括两组同步整流开关管，每组同步整流开关管包括一对反向串联的场效应管组。

4.根据权利要求2所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，所述移相全桥变换器包括4组场效应管。

5.根据权利要求1所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，所述可换向开关电源的结构为半桥结构，或者，所述可换向开关电源的结构为全桥结构。

6.根据权利要求1所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，还包括：输出滤波模块，所述输出滤波模块的输入端与所述电源换向模块连接，所述输出滤波模块的输出端与所述采集模块连接。

7.根据权利要求7所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，所述输出滤波模块包括两组电解电容，所述两组电解电容的阴极相连。

8.根据权利要求1所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，所述控制器包括电压控制器和电流控制器；所述电压控制器内预设电压参考值；所述电流控制器内预设电流参考值。

9.根据权利要求8所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，所述采集模块包括电压采样电路和电流采样电路；所述电压控制器与所述电压采样电路连接；所述电流控制器与所述电流采样电路连接。

10.根据权利要求9所述的工业用盐湖提锂电源系统，其特征在于，所述采集模块还包括信号处理电路，所述信号处理电路分别与电压采样电路和电流采样电路连接。