CN114204164B - 一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统及方法，属于电网储能电池技术领域。本发明一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统针对市面现有温控器无法适用于液态金属电池组的问题，利用低成本、高精度器件完成温度传感器阵列电路搭建，在此基础上设计液态金属电池组温度控制系统的多温度输入电路结构，可以避免市面现有温控系统导致的电池组温度差异或加热能耗过高/过低的问题，将电池组温差和加热能耗都控制在理想区间内，为单片机控制电路提供精确的多温度输入。本发明不仅对温度传感器阵列电路进行设计，并且对过零检测模块、可控硅驱动模块电路结构均进行了优化，简化电路结构，降低成本，继而提升控温稳定性。

Description

一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统及方法

技术领域

本发明属于电网储能电池技术领域，更具体地，涉及一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统及方法。

背景技术

现阶段，可再生能源的规模利用和储能技术成为世界各国的研究和发展热点。目前比较成熟的电池有锂离子电池、钠硫电池和液流电池等，但它们并未广泛应用于电网储能，主要原因是成本过高，储能寿命较短，无法满足大规模储能市场的需求。

液态金属电池是近年来提出的一种廉价高效的电化学储能技术，为电网级储能提供了新的选择。液态金属电池运行时，正负极金属呈液态，电解质为熔融态熔盐。电池运行时，基于密度差异和不互溶特性，正极、负极、电解质熔盐自动分层。由于电池的全液态结构，液态金属电池呈现出与一般电池不一样的特点：储能成本低、电池结构简单、充放电倍率高、循环寿命长。

根据电极/电解质体系的不同，液态金属电池的工作温度一般维持在300-700℃的高温下。因此，液态金属电池需要预加热至正常工作温度才能进行充放电操作。为保证电池组中电池单体的一致性，液态金属电池组工作时的横纵向温差不宜过大。

现有的对液态金属电池组加热的控制系统存在以下问题：一套液态金属电池组加热系统通常只采用一个温度传感器，导致控制系统只能根据单一温度进行加热，最后造成电池组内局部温度过高或过低，无法维持在一个合适的温度区间；市面上现有的诸多加热系统封装严密，只提供用户少数输入、输出端，无法优化内部电路结构与底层程序，因此无法利用并改进市面现有的加热系统以实现液态金属电池组的多点测温和温度控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统及方法，其目的在于增加现有温度控制系统的温度输入以更适用于液态金属电池组。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统，包括：市电电源、过零检测模块、温度传感器、单片机控制电路和可控硅驱动模块；

其中，过零检测模块输入端连接市电电源，输出端连接单片机控制电路输入端；温度传感器输入端连接液态金属电池组不同位置的测温点，输出端连接单片机控制电路；可控硅驱动模块输入端连接市电电源、单片机控制电路，输出端连接液态金属电池组加热电阻丝；

市电电源，用于提供220V交流电；

温度传感器，用于多点测量液态金属电池组不同位置的温度；

过零检测模块，用于将220V交流电转化为过零触发脉冲；

单片机控制电路，用于在接收到过零触发脉冲时，读取温度传感器输出的液态金属电池组不同位置的温度，输出不同加热模式对应的控制脉冲；

可控硅驱动模块，根据单片机控制电路输出的控制脉冲控制220V交流电对液态金属电池组进行加热。

进一步地，单片机控制电路输出不同加热模式对应的控制脉冲具体过程为，

01.当T_change-T_weight>a℃时，采用最大功率进行加热；其中，a为电池组温度与预期温度最大容忍差值；T_change表示变化温度，在加热时间内从起始温度T₀线性增长至目标温度T_set；T_weight＝∑T_iw_i表示电池组温度加权值；i表示不同测温点；

02.当T_weight-T_change>a℃时，停止加热；

03.当|T_change-T_weight|<a℃时，采用PID模式进行加热。

进一步地，所述温度传感器包括多个温度传感单元；每个温度传感单元由K型热电偶和模数转换器构成。

进一步地，所述模数转换器型号为MAX6675；所述K型热电偶的正极与模数转换器的3脚连接，负极与模数转换器的2脚连接；所述模数转换器的1脚接地，4脚接+5V，5、6、7脚与单片机控制电路连接。

进一步地，所述过零检测模块由电阻R1～R4、二极管D1～D2以及双运算放大器U3构成。

进一步地，所述双运算放大器U3型号为LM358；

第一电阻R1一端与市电电源火线连接，另一端与二极管D1阴极、D2阳极、双运算放大器U3的3脚连接；

第二电阻R2一端与市电电源零线连接，另一端与二极管D1阳极、D2阴极、双运算放大器U3的2脚连接；

所述双运算放大器U3的2脚和3脚串联第三电阻R3、第四电阻R4，4脚接地，8脚接+5V。

进一步地，所述可控硅驱动模块由电阻R5～R7、光电耦合器U4以及双向可控硅U5构成。

进一步地，光电耦合器U4型号为MOC3051；双向可控硅U5型号为BTA100A；

第五电阻R5一端与单片机控制电路输出端连接，另一端与光电耦合器U4的1脚连接；

所述光电耦合器U4的2脚接地，所述光电耦合器U4的4脚与第六电阻R6一端、双向可控硅U5的G脚连接，所述光电耦合器U4的6脚与第七电阻R7一端连接，所述第六电阻R6另一端与可控硅U5的T1脚连接，所述电阻R7另一端与可控硅U5的T2脚连接。

按照本发明的另一方面提供了一种基于上述温度控制系统的液态金属电池组温度控制方法，包括：

S1.在单片机控制电路中设置起始温度T₀、目标温度T_set、加热时间t_set、以及多个探测点温度的权重，并设置变化温度T_change在加热时间内从起始温度T₀线性增长至目标温度T_set；

S2.单片机控制电路在接收到过零检测模块输出的过零触发脉冲时，通过温度传感器获取电池组内各探测点温度并计算温度加权值T_current，根据变化温度T_change与电池组温度加权值T_weight，动态调整液态金属电池组的加热功率，输出对应的控制脉冲；

S3.可控硅驱动模块根据单片机控制电路输出的控制脉冲控制220V交流电对液态金属电池组进行加热。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统针对市面现有温控器无法适用于液态金属电池组的问题，利用低成本、高精度器件完成温度传感器阵列电路搭建，在此基础上设计液态金属电池组温度控制系统的多温度输入电路结构，可以避免市面现有温控系统导致的电池组温度差异或加热能耗过高/过低的问题，将电池组温差和加热能耗都控制在理想区间内，为单片机控制电路提供精确的多温度输入。

本发明不仅对温度传感器阵列电路进行设计，并且对过零检测模块、可控硅驱动模块电路结构均进行了优化，简化电路结构，降低成本，继而提升控温稳定性。

附图说明

图1是一种市面现有温控系统的实物图；

图2是一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统的原理图；

图3是一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统的电路图；

图4(a)是现有过零检测装置输出波形；

图4(b)是本发明过零检测电路输出波形；

图5是一种现有可控硅驱动电路的电路图；

图6是本发明实施例提供的液态金属电池组的结构正视示意图；

图7是本发明实施例提供的液态金属电池组的结构侧视及温度探测点示意图；

图8是本发明实施例提供的液态金属电池组的结构俯视及温度探测点示意图；

图9是本发明实施例一的电池组温度变化曲线图及加热功率变化曲线图；

图10是本发明实施例二的电池组温度变化曲线图及加热功率变化曲线图；

图11是本发明实施例三的电池组温度变化曲线图及加热功率变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，市面上现有温控系统是一个封装严密的封闭式结构，仅仅提供给用户若干个输入输出接口。以图1所示某温控系统为例，温度输入接口仅有18、19号接口，只能用于单个热电偶测温输入，这显然不能满足液态金属电池组需要综合控制不同区域温度的要求。本发明一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统针对这一问题，利用低成本、高精度器件完成温度传感器阵列电路搭建，在此基础上设计适用于液态金属电池组的多温度输入电路结构。本发明的电路结构可以同时测量液态金属电池组不同区域的温度，并用于精确控温，将电池组内温差和能耗平衡在理想区间内。本发明不仅对温度传感器阵列电路进行设计，并且对过零检测模块、可控硅驱动模块电路结构均进行了优化，简化电路结构，降低成本，继而提升控温稳定性。

请参阅图2，一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统，用于提供220V交流电的市电电源，用于采集液态金属电池组温度的温度传感器，用于将交流电转化为过零触发信号的过零检测模块，用于综合平衡电池组温度并调节加热功率的单片机控制电路，用于控制加热的可控硅驱动模块。所述市电电源连接过零检测模块、可控硅驱动模块，过零检测模块、温度传感器连接单片机控制电路，单片机控制电路连接可控硅驱动模块，可控硅驱动模块连接液态金属电池组。

具体电路如图3所示，所述市电电源由220V交流电所构成，温度传感器由K型热电偶、模数转换器U1、U2所构成，过零检测模块由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、二极管D2、双运算放大器U3所构成，单片机控制电路由STM32F407ZGT6构成，可控硅驱动模块由电阻R5、电阻R6、电阻R7、光电耦合器U4、双向可控硅U5所构成。

所述K型热电偶的正极与模数转换器U1、U2的3脚连接，所述K型热电偶的负极与模数转换器U1的2脚连接，所述模数转换器U1、U2的1脚接地，所述模数转换器U1、U2的4脚接+5V，所述模数转换器U1、U2的5、6、7脚与单片机控制电路连接。

所述电阻R1与220V火线连接，所述电阻R2与220V零线连接，所述整流二极管D1阴极、D2阳极、双运算放大器U3的3脚与电阻R1另一端连接，所述整流二极管D1阳极、D2阴极、双运算放大器U3的2脚与电阻R2另一端连接，所述双运算放大器U3的2脚和3脚串联电阻R3～R4，所述双运算放大器U3的4脚接地，所述双运算放大器U3的8脚接+5V。

所述电阻R5与单片机控制电路输出连接，所述光电耦合器U4的1脚与电阻R5另一端连接，所述光电耦合器U4的2脚接地，所述光电耦合器U4的4脚与电阻R6、双向可控硅U5的G脚连接，所述光电耦合器U4的6脚与电阻R7连接，所述电阻R6另一端与可控硅U5的T1脚连接，所述电阻R7另一端与可控硅U5的T2脚连接。

图4(a)为现有过零检测装置输出波形，交流电过零点时产生尖锐的脉冲，以便单片机控制电路捕捉交流电过零点。但由于脉冲高电平时间过短、波形过于尖锐，导致单片机控制电路捕捉过零点过程中出现遗漏，最终导致整个控温电路工作效率偏低。图4(b)为本发明中采用的过零检测电路输出波形，将交流电过零点产生尖锐脉冲更改为随交流电同频率波动的稳定方波，延长高电平时间，使得单片机控制电路后续捕捉过零点更加稳定，保证每次过零点都能被精准捕捉，基本不出现遗漏，提高温度控制系统的工作效率。

图5为市面现有可控硅驱动电路，通常采用2个单向可控硅构成驱动电路，这要求单片机控制电路需要输出2路触发脉冲，增大了单片机控制电路误触发的可能性。图3中所示本发明的可控硅驱动电路采用1个双向可控硅替代2个单向可控硅，降低元器件成本的同时也减小单片机控制电路输出紊乱的可能性，增强控温系统的稳定性。其次，本发明利用光电耦合器将单片机控制电路与220V交流电隔离开来，有效地保护单片机控制电路。

为了更清楚地说明本发明的目的，本发明的具体实施例均以容量为0.6kWh的Li-Bi液态金属电池组为实施对象，其正常工作温度为550℃，升温时间为1.5h。图6为本发明实施例提供的液态金属电池组的结构示意图，如图所示，液态金属电池组由内而外分别为：电池、空气、保温层。电池的排布：电池组内排布18个电池；垂直方向上，电池被分为3层，每一层电池数量为6；水平方向上，电池3×2等间隔均匀分布。本例中在液态金属电池组内布置2个温度探测点，用于探测温度作为温度传感器的输入。2个温度传感器的布置位置“×”如图7、8所示，位于第一层和第三层电池组的中心。

本发明的工作原理是：当多路温度采集智能控制电路通电后，用户通过上位机在单片机控制电路中设置起始温度(T₀＝20℃)、目标温度(T_set＝550℃)、加热时间(t_set＝1.5h)和2个探测点温度的权重，K型热电偶将液态金属电池组内空气温度信号转换成电压信号输出给模数转换器U1、U2，模数转换器U1、U2将数字信号输出给单片机控制电路，市电电源经过电阻R1、电阻R2降压和二极管D1、二极管D2整流输出给双运算放大器U3(LM358)，双运算放大器U3输出过零触发脉冲给单片机控制器。当变化温度T_change-加权温度T_weight>10℃时，单片机接收过零触发脉冲后立即将触发脉冲输出给光电耦合器U4(MOC3051)，光电耦合器U4闭合，双向可控硅U5(BTA100A)导通，液态金属电池组加热模块在全功率状态下工作；当加权温度T_weight-变化温度T_change>10℃时，单片机控制电路接收过零脉冲后不输出触发脉冲，光电耦合器U4断开，双向可控硅U5断开，液态金属电池组降温；加权温度T_weight与变化温度T_change差异小于10℃(|加权温度T_weight-变化温度T_change|<10℃)时，单片机控制电路接收过零触发脉冲后执行预设PID程序，延时输出触发脉冲，光电耦合器U4延时闭合，双向可控硅U5延时闭合，液态金属电池组在控制电路PID控制模式下工作。

实施例1：将2个探测点温度的权重分别设置为(w₁＝1、w₂＝0)，液态金属电池组在该温控电路控制下的温度变化曲线图及加热功率变化曲线图如图9所示，加热阶段结束时，电池组内最大温差和加热能耗分别为57.8℃、5.98kWh。

实施例2：与实施例1相似，不同的是，将2个探测点温度的权重分别改为w₁＝0、w₂＝1。液态金属电池组在该温控电路控制下的温度变化曲线图及加热功率变化曲线图如图10所示，加热阶段结束时，电池组内最大温差和加热能耗分别为48.9℃、6.37kWh。

实施例3：与实施例1相似，不同的是，将2个探测点温度的权重分别改为w₁＝0.5、w₂＝0.5。液态金属电池组在该温控电路控制下的温度变化曲线图及加热功率变化曲线图如图11所示，加热阶段结束时，电池组内最大温差和加热能耗分别为54.5℃、6.19kWh。

上述实施例1和实施例2为市面现有温控系统通常采用的加热控制手段，因为受限于控制电路结构的设计，所以只能通过采集单一区域内的温度实现控温，导致实施例1中，虽然加热能耗偏小，但是电池组内最大温差达到57.8℃；实施例2中，虽然电池组内最大温差偏小，但是电池组内加热能耗达到6.37kWh。为了将最大温差与加热能耗两个指标都平衡在理想区域内，采用实施例3与本设计一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统，将最大温差降低至54.5℃、加热能耗降低至6.19kWh，可以实现将两个指标平衡在最理想的状态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统，其特征在于，包括：市电电源、过零检测模块、温度传感器、单片机控制电路和可控硅驱动模块；

其中，过零检测模块输入端连接市电电源，输出端连接单片机控制电路输入端；温度传感器输入端连接液态金属电池组不同位置的测温点，输出端连接单片机控制电路；可控硅驱动模块输入端连接市电电源、单片机控制电路，输出端连接液态金属电池组加热电阻丝；

市电电源，用于提供220V交流电；

温度传感器，用于多点测量液态金属电池组不同位置的温度；所述温度传感器包括多个温度传感单元；每个温度传感单元由K型热电偶和模数转换器构成；所述模数转换器型号为MAX6675；所述K型热电偶的正极与模数转换器的3脚连接，负极与模数转换器的2脚连接；所述模数转换器的1脚接地，4脚接+5V，5、6、7脚与单片机控制电路连接；

过零检测模块，用于将220V交流电转化为过零触发脉冲；

单片机控制电路，用于在接收到过零触发脉冲时，读取温度传感器输出的液态金属电池组不同位置的温度，输出不同加热模式对应的控制脉冲；

可控硅驱动模块，根据单片机控制电路输出的控制脉冲控制220V交流电对液态金属电池组进行加热；

其中，单片机控制电路输出不同加热模式对应的控制脉冲具体过程为：

01.当T_change-T_weight>a℃时，采用最大功率进行加热；其中，a为电池组温度与预期温度最大容忍差值；T_change表示变化温度，在加热时间内从起始温度T₀线性增长至目标温度T_set；T_weight＝∑T_iw_i表示电池组温度加权值；i表示不同测温点；

02.当T_weight-T_change>a℃时，停止加热；

03.当|T_change-T_weight|<a℃时，采用PID模式进行加热。

2.根据权利要求1所述的一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统，其特征在于，所述过零检测模块由电阻R1～R4、二极管D1～D2以及双运算放大器U3构成。

3.根据权利要求2所述的一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统，其特征在于，所述双运算放大器U3型号为LM358；

第一电阻R1一端与市电电源火线连接，另一端与二极管D1阴极、D2阳极、双运算放大器U3的3脚连接；

第二电阻R2一端与市电电源零线连接，另一端与二极管D1阳极、D2阴极、双运算放大器U3的2脚连接；

所述双运算放大器U3的2脚和3脚串联第三电阻R3、第四电阻R4，4脚接地，8脚接+5V。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统，其特征在于，所述可控硅驱动模块由电阻R5～R7、光电耦合器U4以及双向可控硅U5构成。

5.根据权利要求4所述的一种在液态金属电池组中应用的智能温度控制系统，其特征在于，光电耦合器U4型号为MOC3051；双向可控硅U5型号为BTA100A；

第五电阻R5一端与单片机控制电路输出端连接，另一端与光电耦合器U4的1脚连接；

所述光电耦合器U4的2脚接地，所述光电耦合器U4的4脚与第六电阻R6一端、双向可控硅U5的G脚连接，所述光电耦合器U4的6脚与第七电阻R7一端连接，所述第六电阻R6另一端与可控硅U5的T1脚连接，所述电阻R7另一端与可控硅U5的T2脚连接。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述温度控制系统的液态金属电池组温度控制方法，其特征在于，包括：

S1.在单片机控制电路中设置起始温度T₀、目标温度T_set、加热时间t_set、以及多个探测点温度的权重，并设置变化温度T_change在加热时间内从起始温度T₀线性增长至目标温度T_set；

S2.单片机控制电路在接收到过零检测模块输出的过零触发脉冲时，通过温度传感器获取电池组内各探测点温度并计算温度加权值T_current，根据变化温度T_change与电池组温度加权值T_weight，动态调整液态金属电池组的加热功率，输出对应的控制脉冲；

S3.可控硅驱动模块根据单片机控制电路输出的控制脉冲控制220V交流电对液态金属电池组进行加热。