CN112204804A - 用于液流电池的电池管理架构 - Google Patents

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Abstract

利用耦合在液流电池和DC/DC转换器之间的电池管理控制器(BMC)管理液流电池的系统和方法，BMC经由逆变器耦合到电网或光伏装置。逆变器将AC电压转换为第一DC电压，并且DC/DC转换器将第一DC电压降低到第二DC电压。BMC包括第一电源线路，第二电源线路和耦合到第二电源线路的电流源转换器。BMC利用电流源转换器以第三DC电压初始化液流电池，直到感应电路感应到液流电池的电压已达到预定电压为止。感应电路可以包括电容器，该电容器具有小的电容值，并且跨接在液流电池的每个单体上，并且串联耦合在具有非常大的电阻值的两个电阻器之间。

Description

用于液流电池的电池管理架构
相关申请的交叉引用
本申请要求美国申请No.62/682,481的优先权。
技术领域
本公开的技术一般涉及例如结合电能产生和分配系统来管理液流电池。
背景技术
液流电池是一种电化学电池，其化学能由溶解在由膜分开的两种相应的液体中的两种化学成分提供。伴随电流的流动，离子通过膜发生交换，而两种液体在由膜分开的两个相应容器中循环。
液流电池可以像可充电电池一样使用，其中电源驱动燃料的再生。与传统的可充电电池相比，液流电池提供了多种优点，包括灵活的布局，较长的循环寿命，快速的响应时间和无害的排放。由于这些优点，液流电池可用于多种应用中。这种应用包括储存来自可再生资源(例如太阳能)的能量以便在峰值需求时段期间放电和负载平衡，其中液流电池连接到电网以在非峰值时间期间储存过量的电能并且在峰值需求时段期间释放电能。
发明内容
本公开的技术一般涉及管理液流电池。
在一个方面，本公开以一种包括液流电池的系统为特征。该系统还包括将来自电网或光伏器件的AC电压转换为第一DC电压的逆变器。该系统还包括耦合到逆变器的DC/DC转换器。DC/DC转换器将第一DC电压降低到第二DC电压。该系统还包括耦合在DC/DC转换器和液流电池之间的电池管理控制器(BMC)。BMC包括第一电源线路、与第一电源线路并联的第二电源线路以及耦合到第二电源线路的电流源转换器。BMC使用电流源转换器将液流电池初始化为第三DC电压。
在各方面中，本发明的一些实施例可包含以下一个或多个特征。第一DC电压的范围可以在1200伏和1400伏之间。第二DC电压的范围可以在40伏和80伏之间。第三DC电压可以在0伏和80伏之间变化。光伏器件可以是太阳跟踪器。BMC可以包括耦合到BMC的输出的一个或多个功率转换器。BMC可以包括耦合到第一电源线路的半导体开关。当使用电流源转换器将液流电池初始化为第三DC电压时，可以关闭半导体开关。
BMC可以包括耦合到液流电池的相应端子的两个开关。该开关可以在到第一电源线路的连接和到第二电源线路的连接之间切换。当使用电流源转换器将液流电池初始化为第三DC电压时，两个开关可以切换到第二电源线路的连接。当液流电池的电压达到预定电压时，两个开关可以切换到第一电源线路的连接。预定电压可以在40V和65V之间。
该系统还可以包括多个感应电路，其感应液流电池的多个单元的电压。感应电路中的每个感应电路可以包括具有非常大的电阻的第一电阻器，具有小电容的电容器，以及串联耦合在电压轨和地之间的、具有非常大的电阻的第二电阻器。电容器可以跨过液流电池的多个单元中的一个单元的触点连接。所述非常大的电阻可以在1Mohm和10Mohm之间。所述小电容可以在1μF和0.01μF之间。液流电池可以是钒，铁铬，锌溴或锌铁液流电池。
本公开的一个或多个方面的细节在附图和以下描述中阐述。本公开中描述的技术的其它特征、目的和优点将从说明书和附图以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
下面将参考附图描述本公开的各个方面，这些附图被结合到本说明书中并构成本说明书的一部分，其中：
图1是所公开的系统的一个方面的框图；
图2是钒流电池的一个方面的电压和电流工作特性的曲线图；
图3是图1的电池管理控制器(BMC)中的某些部件的一个方面的框图；
图4是图1的BMC的另一方面的框图；和
图5是用于感应液流电池组中的一个单元的电压的感应电路的电路图。
具体实施方式
公开了一种用于集成太阳跟踪器，电池，逆变器和电池管理控制器的系统、结构和方法，以改善性能和成本。该系统可以包括液流电池，例如先进的钒液流电池(VFB)。本公开提供了一种结构，其优化商业，工业，农业和公用事业应用以及其它应用的性能。
本发明涉及无缝地集成太阳能系统(例如，太阳跟踪器系统)和液流电池(例如，钒液流电池)的系统和结构。这种系统的一些方面已公开在例如2018年5月4日提交的美国临时专利申请No.62/667,129和2018年5月7日提交的美国临时专利申请No.62/667,960中，每一个申请的全部内容通过引用并入本文。
本公开的系统包括电池管理控制器(BMC)以提供液流电池系统控制。在各个方面，BMC的职责包括向所有必要功能提供电力以操作钒液流电池。
图1是所公开的系统的一个方面的图，其中包括液流电池102、电池管理控制器(BMC)104、DC/DC转换器106和逆变器108。逆变器108可以耦合到电网112(例如可以提供例如480VAC的工业电网)和/或到光伏(PV)输入114。
下面将更详细地描述液流电池102。一般来说，当正在初始化液流电池102时，图1中的部件102、104、106、108从右到左工作。即，从电网112和/或PV输入114提供电力。逆变器108将来自电网112的AC电压转换为第一DC电压，例如1200-1400VDC，并且DC/DC转换器106将DC电压降低到例如40-80VDC之间。BMC104使用该电压来初始化液流电池102。结合图3更详细的描述该工作。在所示的方面，液流电池102的端子处的电压可以在0和80伏之间的范围内。
钒液流电池102允许完全在液相中进行充电和放电。由于能量以液体形式存储，电池可以有效地管理在充放电循环期间在液流电池102内产生的热量，从而防止意外过热的可能性并延长使用寿命。然而，因为VFB能量为液体形式，所以需要泵来使液体移动以产生电压和电流。
VFB系统具有较少的部件并且具有较低的拥有成本。VFB被设计成在系统的生命周期内不退化。对于传统的电池，电极随着每个充放电循环而退化，并且单体的性能随着时间的推移而降低，以至于必须被替换。然而，VFB的操作时间通常可以和集成了VFB的应用一样长，例如在太阳能发电厂中使用30年或更长时间。
VFB也是灵活的。由于单体和电解质是分离的，VFB可以被设计用于功率或能量应用。随着更多的液流电池组的增加，功率也增加。而且，随着电解质罐的扩大，提供了更多的能量。
图2是钒液流电池的电压和电流工作特性的曲线图。VFB具有电池初始充电阶段201和工作阶段202。如上所述，VFB液体的移动产生电压和电流。在最初没有这种VFB液体移动的情况下，VFB的初始电压可以低至0VDC。图2中的电池初始充电阶段201说明，通过电池初始充电阶段201，需要电流来提高VFB的电压，以达到工作阶段202。因此，在电池初始充电阶段201期间，图1中的功率流从右向左流动，并且从电网112或PV器件114获得功率。
在所示的方面中，从电池初始充电阶段201到工作阶段202，当VFB电压达到约40V时，不需要电流的进一步增加来进一步增加电压并达到工作阶段202。一旦VFB到达工作阶段202，VFB102就可以向BMC104供电，其中，BMC104工作以控制VFB102的工作。在各个方面中，需要至少24V的电压来为BMC104供电并且为BMC104供电以控制液流电池102的工作。
图3是图1中的电池管理控制器104中的某些部件的一个方面的图。左侧端子311，312连接到VFB102，而右侧端子321，322连接到图1中的DC/DC转换器106。电流源转换器302输出具有低至0V电压的电流以在电池初始充电阶段201期间初始化液流电池102。BMC104还包括一个或多个功率转换器304以提供BMC104的各种电压和电流需求。
BMC204包括两个可选择的电源总线或线路——对应于正常充放电阶段202的电源线路323和对应于电池初始充电阶段201的另一个电源线路324。在各方面中，电源线路323，324可由电源总线或任何用于在VFB102与DC/DC转换器106之间传送电力的合适的电导体来实施。
当VFB102处于初始充电阶段201时，电流源转换器302被使能并通过操作开关313，314而连接到VFB102，使得开关313，314连接到电源线路324。在这种模式下，根据PV器件的可用性，来自电网112或PV器件114的功率流入BMC104的右侧，并为电流源转换器302供电，而且该电流源转换器302用于初始化VFB102。在这种模式下，BMC104中的功率转换器304使用来自电网和/或PV设备的功率来为BMC104供电。
一旦完成初始充电阶段201，电流源转换器302被禁用并且通过操作开关313，314来与VFB断开，从而开关313，314从电源线路324断开并且连接到电源线路323。在各个方面中，当VFB102的电压在电池初始充电阶段201中达到约40-65V时，可禁用电流源转换器302。然后VFB102直接连接到DC/DC转换器106。在这种模式下，VFB102可以被充电或者可以放电并向电网112供电。在该工作模式中，例如，VFB102可以由经由PV输入114来自太阳跟踪器的能量来充电，或者VFB102可以放电以向电网112提供能量。根据VFB102是充电还是放电，BMC104内的功率转换器302可以由不同的能量源供电。
图4示出了图1的BMC104的另一方面。当VFB102处于电池初始充电阶段201时，电流源转换器被使能并且半导体开关402(其可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或任何其它合适的晶体管)被断开。一旦电池初始充电阶段201完成，电流源转换器302被禁用，并且半导体开关402被接通，使得VFB102直接连接到DC/DC转换器106。在各个方面，当VFB102的电压在电池初始充电阶段201中达到约40-65V时，半导体开关402可以被接通。
图1，3和4中的结构和部件可能不需要额外的电源来为BMC104供电，也不需要额外的转换器来操作VFB102。
图5示出了用于感应液流电池组中的单体的电压的感应电路500。感应电路500可通过电触点或端子501，502来测量VFB102的一个单体，以感应充电的状态，并且该测量可被BMC104用来控制VFB102。在各个方面中，感应电路500可包含在BMC104中。在各个方面中，感应电路500可在BMC104外部，但可连接到BMC104。
感应电路500包括电压轨504，其可提供低电压，例如3.3VDC。电压轨504处的电压可以由BMC104中的功率转换器(例如，功率转换器302中的一个)提供，所述BMC104可以是隔离电源。感应电路500还包括接地连接506。连接在电压轨504和接地连接506之间的是串联的非常大的电阻值511、小的电容值510和另一个非常大的电阻值512。在所示的方面中，非常大的电阻值511，512是1Mohm，而小的电容值510是0.1μF。电阻值和电容值的其它值和组合也在本公开的范围内。例如，电阻器511，512的非常大的电阻值可以在约1Mohm至10Mohm的范围内，并且电容器510的电容值可以在约1μF至0.01μF的范围内。
当感应电路从VFB单体断开时，电容器两端的电压可以是3.3VDC。当感应电路500接着连接到VFB单元时，电容器510两端的电压将降低到VFB单体的电压，其一般在-0.6到1.6VDC的范围内。在此转变期间，少量电流流入VFB单体。另外，当电容器510两端的电压小于3.3VDC时，少量电流流经对应于电压差的电阻器511，512，且该少量电流也流经VFB单体。当电容器510两端的电压达到VFB单体的电压时，电容器510不提供电流，但是小电流继续流过电阻器511，512并流过VFB单体。因为电阻器511，512的电阻值非常大，所以流过电阻器511，512的电流将非常小并且不会干扰VFB单元。例如，在图5所示的方面，最大电流可以是(3.3-(-0.6))/1000000＝0.0000039＝3.9μA。
在所说明的方面中配置的感应电路500可检测典型VFB单体的电压范围，其可在-0.6到1.6VDC的范围内，同时又不干扰VFB单体。另外，感应电路500可用于检测VFB102被断开，因为电容器两端的电压将是大约3.3VDC。
虽然已经在附图中示出了本公开的几个方面，但是本公开并不旨在限于此，因为本公开的范围旨在与本领域所允许的一样宽，并且同样地阅读说明书。上述方面的任何组合也是可以预见的，并且在所附权利要求的范围内。因此，上述描述不应被解释为限制，而仅应被解释为特定方面的示例。所属领域的技术人员将预见所附权利要求书范围内的其它修改。
尽管上面的描述涉及钒液流电池，但是本公开也可以使用其它类型的液流电池。例如，在本公开中可以使用具有其它化学性质的液流电池，包括但不限于铁铬，锌溴或锌铁。液流电池也可以是氧化还原电池，混合电池或无膜液流电池。

Claims (14)

1.一种系统，其特征在于，包括：
液流电池；
逆变器，所述逆变器被配置为将来自电网或光伏器件的AC电压转换为第一DC电压；
DC/DC转换器，所述DC/DC转换器耦合到所述逆变器并且被配置为将所述第一DC电压降低到第二DC电压；以及
电池管理控制器(BMC)，所述电池管理控制器耦合在所述DC/DC转换器和所述液流电池之间，所述BMC包括第一电源线路、与所述第一电源线路并联的第二电源线路、以及耦合到所述第二电源线路的电流源转换器，所述BMC被配置为使用所述电流源转换器，以第三DC电压来初始化所述液流电池。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一DC电压的范围在1200伏和1400伏之间。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二DC电压的范围在40伏和80伏之间。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三DC电压的范围在0伏和80伏之间。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光伏器件是太阳跟踪器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述BMC包括耦合到所述BMC的输出的一个或多个功率转换器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述BMC包括耦合到所述第一电源线路的半导体开关；其中，
当使用所述电流源转换器用所述第三DC电压来初始化所述液流电池时，所述半导体开关被断开。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述BMC包括两个开关，所述两个开关耦合到所述液流电池的相应端子且被配置为在所述第一电源线路的连接和所述第二电源线路的连接之间切换，并且
其中，所述两个开关被配置为当使用所述电流源转换器以第三DC电压来初始化所述液流电池时，切换到所述第二电源线路的所述连接。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述两个开关被配置成，当所述液流电池的电压达到预定电压时，切换到所述第一电源线路的所述连接。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述预定电压在40V和65V之间。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括多个感应电路，所述多个感应电路被配置成感应所述液流电池的相应多个单体的电压，
其中，所述多个感应电路中的每一个感应电路包括具有非常大的电阻值的第一电阻器，具有小电容值的电容器，以及串联耦合在电压轨与地之间的具有非常大的电阻值的第二电阻器，其中，所述电容器耦合在所述液流电池的所述多个单体中的一个单体的触点两端。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述非常大的电阻值在1Mohm和10Mohm之间。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述小电容值在1μF和0.01μF之间。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液流电池是钒，铁铬，锌溴或锌铁液流电池。
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