CN202121013U - 大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特征是具有以单片机C8051F340为核心的电池运行控制器、电池单体电压采集盒、由各监测单元构成的电解液监测系统、由泵和报警单元以及充放电控制单元构成的执行单元，以及以太网通信单元CP2201；设置PC监控管理单元，是采用PowerEdge 2900服务器，通过PC监控管理单元中的人机接口为运行控制器设置工作模式和报警阈值；电池运行控制器根据PC监控管理单元发送来的工作模式进行相应操作，在判断为异常时驱动报警单元。本实用新型可用于实时监测单电池电压、电池堆总电压、充电电压、充放电电流等，实现大容量全钒离子液流电池的智能在线监控管理。

Description

大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统

技术领域

本实用新型涉及大型储能设备的智能在线监控管理装置，尤其是针对全钒离子氧化还原液流电池的运行智能在线监控管理系统。

背景技术

钒电池是近几年来兴起的大容量高效储能设备。目前国内外对钒电池的生产技术主要集中在钒电解液、电堆中的电极板、隔膜等性能方面，尚无针对钒电池专用的智能在线监控设备。市场上的普通蓄电池管理装置是针对普通铅酸电池(锂电池)，由于铅酸电池(锂电池)与钒电池的结构和工作原理明显不同，采用此种蓄电池管理装置对钒电池进行运行管理，具有很大的局限性。

普通蓄电池管理装置仅可以测量电池电压、单电池内阻、室内温度、充电电流、放电电流等参数，可以产生并保存电压记录、内阻记录和报警事件记录，可以越限告警。但仅仅这些功能对于钒电池的运行管理是不够的。

钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery，缩写为VRB)，是一种基于金属钒元素的氧化还原可再生燃料电池储能系统，钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。钒电池系统是由电堆、储液罐、液体循环管道、泵和充放电管理系统组成，其中钒电池的充放电管理系统是电池的关键元件之一，其关系到钒电池的长期稳定、可靠运行。

研究表明钒电池组的库仑效率随着充放电电流的增大而增大，最高可达95.09％。电池组的能量效率随着充放电电流的增加而减小，最高可达81.32％。钒电解液在过充及贮存过程中容易析出V(V)沉淀，钒溶液过充后，析出的V(V)黄色结晶会堵塞泵，阻碍电解液的循环，也会大量附着在碳毡上，降低充放电效率。1989年Skyllas Kazacos发现充电深度越深，相同的浓度、酸度下电解液在高温时V(V)越容易沉淀出来。1990年Kazacos等人发现充电后的正极钒在满充的状态下，如果长期贮存在一个持续升温状态下，V(V)的晶体化合物会慢慢地从溶液中沉淀出来，沉淀速率和程度取决于钒离子浓度、温度和硫酸的浓度，电解液的流量大小对多孔电极内部传质有较大影响，流量过小，多孔电极内部浓差极化严重，电压效率低。综上所述，包括充电电流大小、充电深度、电解液温度以及流量均会影响钒电池的性能，而普通蓄电池管理装置不具备这些参数的检测功能。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，以期通过实时监测单电池电压，电堆总电压，充电电压、充电电流、放电电流，电解液液面高度、流量，压力、温度等参数，并对采集的信号进行实时分析处理，对电池的工作状态和工作参数进行调整，自动选择均充、浮充、恒压或恒流等充电方式，以使全钒离子液流电池工作在最佳状态。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型涉及一种大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特点是具有以单片机C8051F340为核心的电池运行控制器、电池单体电压采集盒、由各监测单元构成的电解液监测系统、由泵和报警单元以及充放电控制单元构成的执行单元，以及以太网通信单元CP2201；通过电池单体电压采集盒并经A/D转换器实时获得电池单体电压的数据采集信号；通过监测单元并经A/D转换器定时获得各监测单元的数据采集信号；通过RS485接口与执行单元中的充电控制单元相连接，用于设置充电控制单元的充电方式、读取充电电压和充电电流，获得钒电池实时运行参数；通过以太网通信单元CP2201定时向PC监控管理单元发送钒电池实时运行参数；

设置PC监控管理单元，是采用PowerEdge 2900服务器，通过PC监控管理单元中的人机接口为运行控制器设置工作模式和报警阈值；

所述电池运行控制器根据PC监控管理单元发送来的工作模式进行相应操作，将各数据采集信号与报警阈值相比较，在判断为异常时驱动报警单元；所述PC监控管理单元进行数据的显示和记录。

本实用新型大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统的特点也在于：

所述充放电控制单元的充电方式包括有恒流充电、恒压充电和脉冲充电，并且不同的充电方式可以相互转换。

在所述电池单体电压采集盒中采用LTC6802电池管理芯片，多个电池单体电压采集盒可串联设置，用于对串联电池堆中每节电池的电压进行测量，并且对串联电池堆中每个电池单体进行欠压和过压监控，利用所述LTC6802电池管理芯片中的MOSFET开关对于任何过度充电的电池进行放电，所述LTC6802电池管理芯片通过SPI接口与单片机C8051F340通信。

监测单元包括：电解液液面位置监测单元、电解液流量监测单元、电解液压力监测单元、电解液浓度监测单元、电解液泄漏监测单元和温度监测单元。

所述电解液流量监测单元为电磁流量计，所述电解液液面监测单元为超声波液位仪，所述电解液压力监测单元为陶瓷电容压力变送器，所述电解液浓度监测单元为浓度变送器；所述电解液泄漏监测单元为漏液检测器，所述温度监测单元中采用温度变送器。

利用电池运行控制器的A/D转换，分时启动电解液流量监测单元、电解液液面位置监测单元、电解液压力监测单元、电解液浓度监测单元和温度监测单元的各路模拟量数字转换，并分别读取转换结果。

利用电池运行控制器的I/0读取所述电解液泄漏监测单元的开关量。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

本实用新型可用于实时监测单电池电压、电池堆总电压、充电电压、充放电电流等，通过各不同的监测单元的设置还可以实时监测电解液液面高度、流量、压力、温度和环境温度等参数，并通过对数据采集信号进行实时分析处理，从而对电池的工作状态和工作参数进行调整，用于自动选择均充、浮充、恒压、恒流不同的充电方式。通过设定阀值，在相关参数超出报警阀值时自动报警，严重故障可停止系统运行；通过以太网通信实现与监控管理单元的数据交换，实现了远程监控管理功能。监测数据可以采用图形和曲线等多种形式进行显示，方便查看。对于保存的监测数据可生成报表并打印，从而实现以报表显示每节电池在当月运行中电压变化和报警等情况。

附图说明

图1为本实用新型系统框图。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统具有以单片机C8051F340为核心的运行控制器，电池单体电压采集盒、由各监测单元构成的电解液监测系统、由泵和报警单元以及充电控制单元构成的执行单元，以及以太网通信单元CP2201；通过电池单体电压采集盒并经A/D转换器实时获得电池单体电压的数据采集信号；通过传感单元并经A/D转换器定时获得各监测单元的数据采集信号；通过RS485接口与执行单元中的充电控制单元相连接，用于设置充电控制单元的充电方式、读取充电电压和充电电流，获得钒电池实时运行参数；通过以太网通信单元CP2201定时向PC监控管理单元发送钒电池实时运行参数；

设置PC监控管理单元，是采用PowerEdge 2900服务器，通过PC监控管理单元中的人机接口为运行控制器设置工作模式和报警阈值，运行控制器根据PC监控管理单元发送来的工作模式进行相应操作，将各数据采集信号与报警阈值相比较，在判断为异常时驱动报警单元；所述PC监控管理单元进行数据的显示和记录。

具体实施中，各单元设置可以采用以下形式。

一、电池单体电压采集盒的设置

钒电池的电池堆是由多个电池单体叠加而成，电池单体电压采集的路数较多，如采用传统的方法为每组电压设置采集电路，则会提高成本和复杂度。因此本实施例以凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)高度集成的多节电池监控集成块LTC6802电池管理芯片为测量器件，以十二路串联信号为一组设置电压采集盒(voltage detector)，每个电压采集盒内包含一片LTC6802芯片。电压采集盒安放在电池附近，通过SPI接口与控制芯片通信，电路设计简单易于实现，由此控制了成本。并且多个电压采集盒可以串联起来，实现多路串联电压信号的测量，具有强大的扩展性能，能满足多于十二路的单体电池电压采集的需求。

LTC6802电池管理芯片利用专有的电平移位串行设计，使得能够将多个LTC6802在无光耦合器或光隔离器情况下串联叠置，可堆叠架构实现1000V系统，多个串联的LTC6802可以同时运行，实现对串联电池堆中每节电池的电压进行快速和精准的测量。该器件最大准确度在-40℃至85℃的温度范围内保证高于99.75％，并且对串联电池堆中每个单体电池进行了欠压和过压监控，可根据实际需要配置测量或监控方式，同时每节电池的输入都有一个MOSFET开关，MOSFET开关可用来对任何过度充电的电池放电，以应对电池成组均衡的问题。具有数据包误差检验功能的1MHz串行接口，该串行接口支持广播和寻址指令；包括两个热敏电阻输入以测量环境或电池温度、两条GPIO线和一个5V稳压器。同时器件具有很高的抗ESD、抗EMI和抗噪声性能。

二、钒电池电解液的监测

1、钒电池充电电流采样电路是由电流霍尔传感器和信号放大电路组成。

2、对于钒电池电解液流量的监测是采用SLON 2000型电磁流量计，其可测量范围为：0.1-10m/s；量程上限范围为：0.5-10m/s，具有4-20mA及频率输出，双向RS485接口。电解液的流量反应钒电池电解液的循环状态，如果出现结晶会大量附着在碳毡上或堵塞泵，阻碍电解液的循环，降低充放电效率，对于电解液的流量进行监测可以判断钒电池的运行状态是否正常。

3、对钒电池电解液液位的监测是采用SONIC-121型的超声波液位仪，仪表现场安装方便，调整简单，维护量少。量程：0-5m，精度：0.25％，分辨率：1mm，工作温度：-20℃-+55℃，电源：24VDC，具有继电器输出、高精度4-20mA电流输出、RS-485数字通信输出。钒电池的电解液储存在两个储液罐中，通过对两个储液罐的液位变化来判断是否出现电解液泄漏。

4、对钒电池电解液压力的监测是采用AO920型陶瓷电容压力变送器，这是一种无中介液的干式压力测量结构，其工作环境温度为：-40℃～+85℃，电源：24VDC，输出为：4～20mADC。对于钒电池电解液的压力进行监测，用于判断电池系统的运行状态。

5、对钒电池电解液泄漏的监测是采用K71-FO3漏液检测器，当电解液泄漏到点状或带状检测器上后，开关导通发出报警信号。

6、对钒电池电解液浓度的监测是采用NDM-99型浓度变送器，通过无接触式电极测量溶液电导值，从而确定浓度，可以在线连续检测钒电池运行过程中电解液的浓度。

三、电池温度的监测

电池充放电过程中产生热量，电池温度会逐渐升高，如果不加以监控，会影响电池的使用寿命，电池的温度需控制在40℃以内，当温度过高时，由监控单元发信号调节电池的运行状态，保证钒电池的正常运行。采用PT100温度变送器，贴片式温度探头受温度影响产生电阻或电势效应，经转换产生一个电压信号。此信号经过内部运放放大，再经过电压-电流变换，输出4-20mA电流信号。温度测量范围：-20～70℃，供电电压24VDC。

具体实施中，利用运行控制器的A/D转换，分时启动电解液流量监测单元、电解液液面位置监测单元、电解液压力监测单元、电解液浓度监测单元和温度监测单元的各路模拟量数字转换，并分别读取转换结果；利用运行控制器的I/O读取所述电解液泄漏监测单元的开关量。

四、钒电池的充电控制

钒电池单体的充电电压原则在1.7V以下，电流密度控制在各型号钒电池的充电工艺技术要求范围内，若充电电压超过1.7V，可能造成电解液正负极钒离子的不平衡。环境温度对充放电特性有较大影响，需根据环境温度调整各充电门限参数值，且充电过程中，需实时监测电池状态，以防止过充。本实施例中的充电控制单元的充电方式包括有恒流充电、恒压充电和脉冲充电，并且不同的充电方式可以相互转换。

1、恒流转恒压充电方式

先以适当电流密度的恒定电流进行充电，同时不断检测电池端电压，在此过程中，充电电流恒定不变，电池电压逐渐上升，当电池单体电压上升到1.7V时，恒流充点状态终止，充电器转入恒压充电，充电电压的波动应控制在50mV以内，随着恒压充电的进行，充电电流逐渐减小，当电池充足电时，终止恒压充电。

2、恒流转脉冲充电方式

充电器以适当电流密度的恒定电流进行充电，同时不断检测电池端电压，当充电电压达到1.7V时，恒定充电电流转换为脉冲电流，经过一个充电脉冲后，充电停止，电池电压开始下降，当电池电压低于1.7V时，电池又开始另一充电脉冲。这里电池充电停止时间是变化的(等于电池电压下降到1.7V以下所需要的时间)，当电池电压第一次达到1.7V时，停止充电的时间很短，仅为1ms，当电池快要充足电时，停止充电时间将大于几十秒，甚至几分钟或几小时，这时可通过最大停止时间的门限检测，来判断充电的终止。

监控管理软件的主要功能设置包括：执行运行控制器的各种参数(包括流量、压力、温度、电压的正常值范围，采集时间间隔等)的设定；接收运行控制器传输的各种运行参数，对参数进行分析和处理，向管理人员输出友好的数据显示界面；发现有异常情况发生时，使用警告窗口或者其他图形界面的方式报警，显示故障的详细信息；存储钒电池运行过程中的原始数据以及处理后的数据，存储时间间隔在1s～1800s内可调。对运行控制器程序和监控管理软件实行模块化设计，在主线程内根据系统运行时序调用各软件模块实现运行控制器和监控管理单元的相应功能。

Claims (7)

1.一种大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特征是具有以单片机C8051F340为核心的电池运行控制器、电池单体电压采集盒、由各监测单元构成的电解液监测系统、由泵和报警单元以及充放电控制单元构成的执行单元，以及以太网通信单元CP2201；通过电池单体电压采集盒并经A/D转换器实时获得电池单体电压的数据采集信号；通过监测单元并经A/D转换器定时获得各监测单元的数据采集信号；通过RS485接口与执行单元中的充电控制单元相连接，用于设置充电控制单元的充电方式、读取充电电压和充电电流，获得钒电池实时运行参数；通过以太网通信单元CP2201定时向PC监控管理单元发送钒电池实时运行参数；

设置PC监控管理单元，是采用PowerEdge 2900服务器，通过PC监控管理单元中的人机接口为运行控制器设置工作模式和报警阈值；

所述电池运行控制器根据PC监控管理单元发送来的工作模式进行相应操作，将各数据采集信号与报警阈值相比较，在判断为异常时驱动报警单元；所述PC监控管理单元进行数据的显示和记录。

2.根据权利要求1所述的大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特征是所述充放电控制单元的充电方式包括有恒流充电、恒压充电和脉冲充电，并且不同的充电方式可以相互转换。

3.根据权利要求1所述的大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特征是在所述电池单体电压采集盒中采用LTC6802电池管理芯片，多个电池单体电压采集盒可串联设置，用于对串联电池堆中每节电池的电压进行测量，并且对串联电池堆中每个电池单体进行欠压和过压监控，利用所述LTC6802电池管理芯片中的MOSFET开关对于任何过度充电的电池进行放电，所述LTC6802电池管理芯片通过SPI接口与单片机C8051F340通信。

4.根据权利要求1所述的大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特征是所述监测单元包括：电解液液面位置监测单元、电解液流量监测单元、电解液压力监测单元、电解液浓度监测单元、电解液泄漏监测单元和温度监测单元。

5.根据权利要求4所述的大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特征是所述电解液流量监测单元为电磁流量计，所述电解液液面监测单元为超声波液位仪，所述电解液压力监测单元为陶瓷电容压力变送器，所述电解液浓度监测单元为浓度变送器；所述电解液泄漏监测单元为漏液检测器，所述温度监测单元中采用温度变送器。

6.根据权利要求4所述的大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特征是利用电池运行控制器的A/D转换，分时启动电解液流量监测单元、电解液液面位置监测单元、电解液压力监测单元、电解液浓度监测单元和温度监测单元的各路模拟量数字转换，并分别读取转换结果。

7.根据权利要求4所述的大容量全钒离子液流电池智能在线监控管理系统，其特征是利用电池运行控制器的I/0读取所述电解液泄漏监测单元的开关量。