CN114039076A - 一种全钒液流电池分散式规模化系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种全钒液流电池分散式规模化系统，属于电池系统制造应用技术领域，包括主电能存储中心、多个功率分布子系统以及控制子系统；对于任一功率分布子系统，若功率分布子系统的功率没有满足预设功率要求和/或功率分布子系统与所述主电能存储中心之间的距离超过预设距离，则功率分布子系统内设置有子电能存储中心；所述子电能存储中心与所述主电能存储中心相连；所述功率分布子系统包括电能负荷点和/或电能接入点；所述主电能存储中心和所述多个功率分布子系统分别与控制子系统电连接。本申请具有满足多个分布式外部负载或供电系统的功率增减需求的效果。

Description

一种全钒液流电池分散式规模化系统

技术领域

本申请涉及电池系统制造应用技术领域，尤其是涉及一种全钒液流电池分散式规模化系统。

背景技术

全钒液流电池是一种以钒性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，其将电能以化学能的方式储存在不同价态钒离子的硫酸电解液中，是新一代的环保能源电池。

在全钒液流电池应用过程中，全钒液流电池需要对多个电能负荷点进行供电。当全钒液流电池处于放电状态时，全钒液流电池的电能负荷点与外部负载电连接，为负载提供所需要的电能；当全钒液流电池处于充电状态时，全钒液流电池的电能接入点与供电系统电连接，从而对电能进行存储。

针对上述中的相关技术，发明人认为当全钒液流电池需要接入多个外部负载或供电系统时，可能会出现不满足供电需求或存储容量不足的情况；并且，当外部负载、供电系统与全钒液流电池相距较远时，会影响全钒液流电池的电解液反应速率，导致无法满足多个分布式外部负载或供电系统的功率需求。

发明内容

为了满足多个分布式外部负载或供电系统的功率增减需求，本申请提供一种全钒液流电池分散式规模化系统。

本申请提供的一种全钒液流电池分散式规模化系统采用如下的技术方案：

一种全钒液流电池分散式规模化系统，包括主电能存储中心、多个功率分布子系统以及控制子系统；

对于任一功率分布子系统，若功率分布子系统的功率没有满足预设功率要求和/或功率分布子系统与所述主电能存储中心之间的距离超过预设距离，则该功率分布子系统内设置有与所述主电能存储中心连接的子电能存储中心；

所述功率分布子系统包括电能负荷点和/或电能接入点；

所述主电能存储中心和所述多个功率分布子系统分别与控制子系统电连接。

通过采用上述技术方案，当功率分布子系统距离主电能存储中心较远和/或没有满足该功率分布子系统的预设功率需求时，子电能存储中心与主电能存储中心相配合，控制子系统将主电能存储中心的电解液调度到子电能存储中心，使主电能存储中心的电解液进入到子电能存储中心，从而对子电能存储中心的电解液进行平衡，进而满足多个外部负载或供电系统的功率需求。

可选的，所述功率分布子系统还包括电池堆栈、PCS子系统和控制模块，所述PCS子系统的输入端与所述电池堆栈电连接，所述PCS子系统的输出端与所述电能负荷点和/或所述电能接入点电连接，所述控制模块分别与所述控制子系统和所述电池堆栈电连接，所述电池堆栈与主电能存储中心通过管道连接；

当功率分布子系统内设置有子电能存储中心时，所述电池堆栈还与所述子电能存储中心通过管道连接；

所述控制模块与所述子电能存储中心电连接。

通过采用上述技术方案，正极电解液和负极电解液在电池堆栈中进行反应，并产生直流电，直流电经过PCS子系统转换成交流电并入到电网中，以满足功率分布子系统的功率需求；控制模块可以采集电池堆栈输出的直流电压，并根据采集的直流电压，控制电解液的流速，从而控制电解液在电池堆栈中的反应速率，灵活的控制输出功率。

可选的，所述主电能存储中心包括主正极电解液罐和主负极电解液罐；所述主正极电解液罐和所述功率分布子系统之间通过管道连接构成主正极循环管路，所述主负极电解液罐和所述功率分布子系统通过管道连接构成主负极循环管路。

通过采用上述技术方案，通过设置主正极循环管路和主负极循环管路，可以将正极电解液和负极电解液分开，二者互不接触，分别进入电池堆栈的两极，并且，可以使正极电解液和负极电解液循环使用，减少资源浪费。

可选的，所述主正极循环管路和所述主负极循环管路之间并联有主参比电池，所述主参比电池包括第二阳极反应区和第二阴极反应区，所述第二阳极反应区与主正极电解液罐通过管道连接构成循环管路；所述第二阴极反应区与主负极电解液罐通过管道连接构成循环管路。

通过采用上述技术方案，主参比电池可以实时监测主电能存储中心的soc状态，及时调节soc状态，进而提高全钒液流电池的使用寿命。

可选的，所述子电能存储中心包括子正极电解液罐和子负极电解液罐，所述子正极电解液罐与主正极电解液罐通过管道连接，所述子负极电解液罐与所述主负极电解液罐通过管道连接，所述子正极电解液罐与所述电池堆栈通过管道连接，构成子正极循环管路，所述子负极电解液罐与所述电池堆栈通过管道连接，构成子负极循环管路。

通过采用上述技术方案，当主电能存储中心无法满足功率分布子系统的充放电需求时，子电能存储中心对当前功率分布点进行补充，以满足功率分布点对全钒液流电池的充放电需求。

可选的，在所述子正极循环管路和子负极循环管路之间并联有子参比电池，所述子参比电池包括第三阳极反应区和第三阴极反应区，所述第三阳极反应区与子正极电解液罐通过管道连接构成循环管路，所述第三阴极反应区与子负极电解液罐通过管道连接构成循环管路。

通过采用上述技术方案，在子正极循环管路和子负极循环管路之间并联子参比电池，子参比电池对子电能存储中心的soc状态进行检测，通过控制模块与控制子系统相配合，对电解液进行平衡，可以使子电能存储中心的soc状态趋于稳定，进而提高全钒液流电池的使用寿命。

可选的，所述功率分布子系统还包括BMS子系统，所述电池堆栈包括多个单片电反应堆；所述BMS子系统的输入端与子参比电池的正负极电连接，所述电池堆栈的输出端以及PCS子系统的输入端均与所述BMS子系统电连接，所述BMS子系统的输出端与所述控制模块电连接。

通过采用上述技术方案，将BMS子系统的输入端与PCS子系统的输入端和子参比电池的正负极之间电连接，可以对电池堆栈的各个单片电反应堆产生的电压以及子电能存储中心的soc状态进行检测，并将检测的结果传输给控制模块，工作人员可以对电池堆栈的内部反应情况以及soc状态进行监控，并根据监控结果对全钒液流电池进行调整，使全钒液流电池处于最佳状态。

可选的，所述控制模块为可编程逻辑控制器。

通过采用上述技术方案，可编程逻辑控制器将采集到的数据进行简单的逻辑计算，并将计算的结果发送至控制子系统，使控制子系统能够对每一个功率分布子系统的运行情况进行检测，减少事故发生的可能性。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.主电能存储中心与功率分布子系统之间管道连接，可以将传统的电缆运输电能转换为管道内的电解液运输，提高了安全性能，并有效缓解区域内的供电问题和大功率的储能需求，当大规模应用全钒液流电池时，可以提供液流DC电网，减少输送功率损失并迅速进行功率支援，并可根据功率分布子系统的功率需求设置二次储能容量；

2.全钒液流电池在充放电的过程中，由于一些电池堆栈没有参与反应，一些电池堆栈一直在反应，产生了一些soc状态的偏差，通过将主参比电池与主电能存储中心并联，子参比电池与子电能存储中心并联，并将主参比电池正负极和子参比电池的正负极接入BMS子系统，可以实时监测主电能存储中心和子电能存储中心的soc状态，并根据监测的数据及时对主电能存储中心和子电能存储中心进行soc平衡。

附图说明

图1是本申请实施例中体现全钒液流电池分散式规模化系统的结构示意图。

图2是本申请实施例中体现功率分布子系统的结构框图。

附图标记说明：1、主电能存储系统；11、主正极电解液罐；111、主正极循环管路；12、主负极电解液罐；121、主负极循环管路；13、主循环泵；14、主参比电池；141、第二阳极反应区；142、第二阴极反应区；2、功率分布子系统；21、电池堆栈；211、第一阳极反应区；212、第一阴极反应区；22、控制模块；23、BMS子系统；24、PCS子系统；25、采集模块；26、显示终端；3、控制子系统；4、供电系统；5、子电能存储中心；51、子正极电解液罐；511、子正极循环管路；52、子负极电解液罐；521、子负极循环管路；53、子循环泵；54、子参比电池；541、第三阳极反应区；542、第三阴极反应区。

具体实施方式

以下结合附图1-2对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种全钒液流电池分散式规模化系统。参照图1，一种全钒液流电池分散式规模化系统包括主电能存储中心1、多个功率分布子系统2以及控制子系统3，主电能存储中心1分别与多个功率分布子系统2通过管道连接；主电能存储中心1与功率分布子系统2均与控制子系统3电连接，电连接可以为通信总线连接。

当功率分布子系统2内部的输出功率不满足预设功率时，控制子系统3接收到功率分布子系统2传输的功率输出不足信号，调度主电能存储中心1的电解液进入功率分布子系统2中，使功率分布子系统2中的电解液增加，以满足功率分布子系统2供电不足的情况。

在对全钒液流电池充电的过程中，功率分布子系统2中的电解液容量不足以满足储能功能时，需要将主电能存储中心1中的电解液调度到功率分布子系统2中，增加功率分布子系统2中的电解液容量，支持电能的存储。

本实施例中，可以在需求功率最大的功率分布子系统2附近设置主电能存储中心1，以满足该功率分布子系统2的功率需求。

主电能存储中心1包括主正极电解液罐11和主负极电解液罐12，主正极电解液罐容量11和主负极电解液罐12均可扩大容量。主正极电解液罐11与功率分布子系统2通过主正极循环管路111连接，主负极电解液罐12与功率分布子系统2通过主负极循环管路121连接，在主正极循环管路111和主负极循环管路121上靠近主电能存储中心1的管道上均设置有主循环泵13，主循环泵13将主电能存储中心1的电解液输送到各个功率分布子系统2内。

另外，在主正极电解液罐11和主负极电解液罐12内还可以设置有温度传感器、液位传感器等装置，温度传感器和液位传感器均与控制子系统3网络连接。

温度传感器和液位传感器将检测的数据实时传输给控制子系统3，控制子系统3将接收到的数据与预设范围进行对比，当检测到的温度低于预设温度最低值时，控制子系统3控制主循环泵13提高转动泵速，进而增加反应速率；当检测到的温度高于预设温度最高值时，控制子系统3控制主循环泵13降低泵速，降低反应速率。当检测到的液位低于预设最低液位和/或高于预设最高液位时，则发出报警信号，及时提醒工作人员进行处理。

参照图1和图2，功率分布子系统2包括电池堆栈21、控制模块22、BMS子系统23以及PCS子系统24。电池堆栈21内设置有第一阳极反应区211和第一阴极反应区212，第一阳极反应区211与主正极电解液罐11通过管道连接构成主正极循环管路111，第一阴极反应区212与主负极电解液罐12通过管道连接构成主负极循环管路121。

在主正极循环管路111上和主负极循环管路121上均设置有电磁阀、手动阀门，电磁阀的信号线与控制模块22电连接，当控制模块22控制电磁阀打开时，通过主循环泵13的驱动，使电解液由主电能存储中心1流入功率分布子系统2。在第一阴极反应区212内与第一阳极反应区211内均设置有采集模块25，采集模块25包括压力传感器和温度传感器，压力传感器和温度传感器与控制模块22电连接，控制模块22连接有显示终端26，显示终端26可以是智能手机、台式计算机、平板电脑、笔记本电脑等终端。

压力传感器和温度传感器将检测到的数据传输给控制模块22，控制模块22将接收到的数据与预设数据进行比对，并将比对结果传输给控制子系统3。当温度传感器采集的温度值低于预设温度值时，控制子系统3控制主循环泵13的速率提高，进而增快电解液的反应速率；当温度传感器采集的温度值高于预设温度值时，控制子系统3控制主循环泵13的速率降低，降低电解液的反应速率；当压力传感器采集的压力值高于预设压力值时，控制子系统3控制主循环泵13的速率降低，进而减小电池堆栈21受到的压力，减小电池堆栈21损坏的可能性。

进一步地，为了减小电解液温度对反应速率的影响，在主正极循环管路111靠近电池堆栈21的位置上以及主负极循环管路121靠近电池堆栈21的位置上均设置有用于调节电解液温度的换热器。当电解液温度过高时，可以在换热器中加入冷水，降低电解液温度，从而控制反应速率；当电解液温度过低时，可以在换热器中加入热水，提高电解液温度，从而控制反应速率。

电池堆栈21的正极和负极与PCS子系统24的输入端电连接，PCS子系统24可以将电池堆栈21内电解液反应放出的直流电转换为功率分布子系统2所需要的交流电；PCS子系统24的输出端与电能负荷点电连接，将交流电接入到外部负载内。

在全钒液流电池分散式规模化系统外设置有供电系统4，PCS子系统24与电能接入点电连接，PCS子系统24与电能负荷点电连接，当供电系统4的输出功率大于功率分布子系统2的功率需求时，供电系统4与电能接入点电连接，供电系统4的电能经过PCS子系统24的转换，将交流电转换为直流电，进行储能。

当全钒液流电池放电时，控制电能负荷点与外部负载导通，从而对外部负载进行输出；当对全钒液流电池充电时，控制电能接入点与供电系统4导通，然后经过PCS子系统24将交流电转换为直流电，之后将直流电输入到电池堆栈21中将电解液电离，进而将电能转化为化学能并储存在主电能存储中心1中。

当电池堆栈21内设置有多个单片电反应堆时，PCS子系统24的输入端与BMS子系统23的输入端电连接，BMS子系统23的输出端与控制模块22电连接，BMS子系统23可以检测每个单片电反应堆的直流输出电压，并将检测到的数据传输给控制模块22，控制模块22将接收到的数据传输给控制子系统3，控制子系统3根据检测数据对电池堆栈21的运行状态进行监测，进而减小电池堆栈21内部存在隐患的可能性。

在本实施例中，对电解液流动速率明显下降和/或没有满足预设功率要求的功率分布子系统2设置子电能存储中心5。子电能存储中心5包括子正极电解液罐51和子负极电解液罐52，子正极电解液罐51和子负极电解液罐52均可以增大容量，子正极电解液罐51与第一阳极反应区211通过管道进行连接，构成子正极循环管路511；子负极电解液罐52与第一阴极反应区212通过管道进行连接构成子负极循环管路521。在子正极循环管路511和子负极循环管路521上靠近子电能存储中心5的管道上均设置有子循环泵53，子循环泵53将子电能存储中心5中的电解液输送到该功率分布子系统2的电池堆栈21中，从而加快电池堆栈21中电解液的反应速率，进而满足该功率分布子系统2的功率需求。

子电能存储中心5还与主电能存储中心1管道连接，其中，子正极电解液罐51与主正极电解液罐11管道连接，子负极电解液罐52与主负极电解液罐12管道连接。当控制子系统3监测到子电能存储中心5的电解液浓度过低或过高时，需要将主电能存储中心1的电解液通过主循环泵13输送到子电能存储中心5，对子电能存储中心5的电解液进行平衡，从而满足功率分布子系统2的功率需求。

进一步地，由于全钒液流电池工作一段时间后，电解液罐中的soc状态会发生变化，所以需要对soc状态进行实时监测。为了对主电能存储中心1和子电能存储中心5的soc状态进行监测，需要在主电能存储中心1和功率分布子系统2之间并联主参比电池14，以及在子电能存储中心5与电池堆栈21之间并联子参比电池54。

主参比电池14包括第二阳极反应区141和第二阴极反应区142，第二阳极反应区141与主正极电解液罐11管道连接，第二阴极反应区142与主负极电解液罐12管道连接，主参比电池14的正极和负极与BMS子系统23电连接。

当利用主电能存储中心1给功率分布子系统2供给电解液时，有一部分正极电解液和负极电解液进入主参比电池14进行反应，放出电能，进而利用BMS子系统23计算出主电能存储中心1的soc状态值，BMS子系统23将主电能存储中心1的soc状态值传输给控制子系统3。当soc状态值偏低时，控制子系统3控制多个功率分布子系统2对主电能存储中心1的电解液进行补充；当全钒液流电池系统的整体soc状态值过低时，及时发出报警信号以提醒工作人员扩大电解液容量，调整soc状态值。

子参比电池54包括第三阳极反应区541和第三阴极反应区542，第三阳极反应区541与子正极电解液罐51管道连接，第三阴极反应区542与子负极电解液罐52管道连接，子参比电池54的正极和负极与BMS子系统23的输入端电连接，BMS子系统23可以将子参比电池54释放的电压进行采集和计算，并将监测数据传输给控制模块22，控制模块22依据接收的数据对子循环泵53的转速进行调节，从而控制电池堆栈21的反应速率，进而保证全钒液流电池的功率输出。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全钒液流电池分散式规模化系统，其特征在于，包括主电能存储中心（1）、多个功率分布子系统（2）以及控制子系统（3）；

对于任一功率分布子系统（2），若功率分布子系统（2）的功率没有满足预设功率要求和/或功率分布子系统（2）与所述主电能存储中心（1）之间的距离超过预设距离，则该功率分布子系统（2）内设置有与所述主电能存储中心（1）连接的子电能存储中心（5）；

所述功率分布子系统（2）包括电能负荷点和/或电能接入点；

所述主电能存储中心（1）和所述多个功率分布子系统（2）分别与控制子系统（3）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池分散式规模化系统，其特征在于，所述功率分布子系统（2）还包括电池堆栈（21）、PCS子系统（24）和控制模块（22），所述PCS子系统（24）的输入端与所述电池堆栈（21）电连接，所述PCS子系统（24）的输出端与所述电能负荷点和/或所述电能接入点电连接，所述控制模块（22）分别与所述控制子系统（3）和所述电池堆栈（21）电连接，所述电池堆栈（21）与主电能存储中心（1）通过管道连接；

当功率分布子系统（2）内设置有子电能存储中心（5）时，所述电池堆栈（21）还与所述子电能存储中心（5）通过管道连接；

所述控制模块（22）与所述子电能存储中心（5）电连接。

3.根据权利要求2所述的一种全钒液流电池分散式规模化系统，其特征在于，所述主电能存储中心（1）包括主正极电解液罐（11）和主负极电解液罐（12）；所述主正极电解液罐（11）和所述功率分布子系统（2）之间通过管道连接构成主正极循环管路（111），所述主负极电解液罐（12）和所述功率分布子系统（2）通过管道连接构成主负极循环管路（121）。

4.根据权利要求3所述的一种全钒液流电池分散式规模化系统，其特征在于，所述主正极循环管路（111）和所述主负极循环管路（121）之间并联有主参比电池（14），所述主参比电池（14）包括第二阳极反应区（141）和第二阴极反应区（142），所述第二阳极反应区（141）与主正极电解液罐（11）通过管道连接构成循环管路；所述第二阴极反应区（142）与主负极电解液罐（12）通过管道连接构成循环管路。

5.根据权利要求3所述的一种全钒液流电池分散式规模化系统，其特征在于，所述子电能存储中心（5）包括子正极电解液罐（51）和子负极电解液罐（52），所述子正极电解液罐（51）与主正极电解液罐（11）通过管道连接，所述子负极电解液罐（52）与主负极电解液罐（12）通过管道连接，所述子正极电解液罐（51）与所述电池堆栈（21）通过管道连接，构成子正极循环管路（511），所述子负极电解液罐（52）与所述电池堆栈（21）通过管道连接，构成子负极循环管路（521）。

6.根据权利要求5所述的一种全钒液流电池分散式规模化系统，其特征在于，在所述子正极循环管路（511）和子负极循环管路（521）之间并联有子参比电池（54），所述子参比电池（54）包括第三阳极反应区（541）和第三阴极反应区（542），所述第三阳极反应区（541）与子正极电解液罐（51）通过管道连接构成循环管路，所述第三阴极反应区（542）与子负极电解液罐（52）通过管道连接构成循环管路。

7.根据权利要求2所述的一种全钒液流电池分散式规模化系统，其特征在于，所述功率分布子系统（2）还包括BMS子系统（23），所述电池堆栈（21）包括多个单片电反应堆；所述BMS子系统（23）的输入端与子参比电池（54）的正负极电连接，所述电池堆栈（21）的输出端以及PCS子系统（24）的输入端均与所述BMS子系统（23）电连接，所述BMS子系统（23）的输出端与所述控制模块（22）电连接。

8.根据权利要求2所述的一种全钒液流电池分散式规模化系统，其特征在于，所述控制模块（22）为可编程逻辑控制器。

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