CN204479724U - 钒电池充放电测试保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及钒电池检测领域，其公开了一种钒电池充放电测试保护装置，包括被测试钒电池，钒电池电压采集和均衡单元、电流检测单元，电解液检测单元，电解液泵控制单元，充放电回路控制单元，充电电源和放电负载控制单元，报警单元，主控制芯片单元，通讯单元和数据存储单元。本实用新型的有益效果是：具有简化信号处理电路功效；通过对程控直流电源和电子负载工步设置，装置可以自动完成多种模式的充放电测试，提高了充放电测试的自动化。

Description

钒电池充放电测试保护装置

技术领域

本实用新型涉及钒电池领域，尤其涉及一种钒电池充放电测试过程的一种保护装置。

背景技术

由于能源短缺以及环境保护的严峻形势，新型大规模能源存储技术越来越受到各国的重视。储能技术是包括风能、太阳能技术等发展的关键技术。钒电池全名为全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Battery，简称VRB），是风能等清洁可再生能源的首选储能设备。钒电池是一种电解液循环流动的电池，其原理是根据金属钒元素不同化合价离子之间的氧化还原反应而实现能量的转化。钒电池在投入实际应用之前必须要进行大量的充放电测试实验，以确定钒电池的最佳工作参数和钒电池的各项性能参数。钒电池系统的电化学性能受多因素影响，比如电解液温度、浓度、流量等，以及充电电压、电流等。另外，钒电池在充放电过程中是一个封闭的循环过程，如果出现漏液情况，不但污染环境而且可能出现安全隐患，所以还要严格的检测有无漏液出现。因此钒电池在充放电测试过程中需要一套严密的保护装置。

发明内容

为了解决现有技术中钒电池在实际充放电测试中存在安全隐患的问题，本实用新型提供了一套钒电池充放电测试保护装置，对钒电池在充放电过程中的各个环节进行检测和保护控制。

本实用新型在技术上采用如下方案：

一种钒电池充放电测试保护装置，包括被测试钒电池，钒电池电压采集和均衡单元、电流检测单元，电解液检测单元，电解液泵控制单元，充放电回路控制单元，充电电源和放电负载控制单元，报警单元，主控制芯片单元，通讯单元和数据存储单元，所述被测试钒电池分别连接所述钒电池电压采集和均衡单元、电解液检测单元和电流检测单元；所述主控制芯片单元分别连接所述钒电池电压采集和均衡单元、电解液检测单元、电流检测单元、报警单元、充电电源和放电负载控制单元、电解液泵控制单元和通信单元；所述主控制芯片单元通过所述通信单元连接所述数据存储单元。

作为本实用新型的进一步改进： 所述被测试钒电池通过SPI总线与主控制芯片单元连接。

作为本实用新型的进一步改进：所述电流检测单元设有霍尔开环电流传感器，霍尔开环电流传感器连接主控制芯片单元的模数转换模块。

作为本实用新型的进一步改进：电解液检测单元与主控制芯片单元的模数转换模块的并行接口连接。

作为本实用新型的进一步改进：主控制芯片单元连接继电器以控制充放电回路的开闭状态。

作为本实用新型的进一步改进：报警单元为报警闪烁灯和/或蜂鸣器。

作为本实用新型的进一步改进：主控制芯片单元为32位嵌入式单片机。

作为本实用新型的进一步改进：主控制芯片单元与数据存储单元采用RS485转USB串行通讯接口进行双向通讯连接。

作为本实用新型的进一步改进：充电电源为程控直流电源，放电负载为程控电子负载；电源和负载通过RS485转USB与数据存储单元相连。

     本实用新型的有益效果体现在：

   1、本实用新型通过集成芯片LTC6802采集钒电池堆电压信号和实现单体电池均衡单元，采用32位嵌入式单片机STM32作为主控制芯片，其自带多个ADC，针对钒电池充放电测试需要测量大量参数，具有简化信号处理电路功效。装置通过对程控直流电源和电子负载工步设置，装置可以自动完成多种模式的充放电测试，提高了充放电测试的自动化。装置采用RS485转USB串口通讯可以实现较长距离通信，保障检测人员距离钒电池有一定的安全距离。报警单元能够根据检测到的不同的异常情况，闪烁灯报警的同时，通过声音区别异常，相比采用多个报警单元，更加简单，可迅速定位到异常情况。

附图说明

图1为本实用新型钒电池充放电测试保护装置的系统框图。

  具体实施方式

    结合附图，对本实用新型的具体实施方式进一步描述：

一种钒电池充放电测试保护装置，包括被测试钒电池，钒电池电压采集和均衡单元、电流检测单元，电解液检测单元，电解液泵控制单元，充放电回路控制单元，充电电源和放电负载控制单元，报警单元，主控制芯片单元，通讯单元和数据存储单元，所述被测试钒电池分别连接所述钒电池电压采集和均衡单元、电解液检测单元和电流检测单元；所述主控制芯片单元分别连接所述钒电池电压采集和均衡单元、电解液检测单元、电流检测单元、报警单元、充电电源和放电负载控制单元、电解液泵控制单元和通信单元；所述主控制芯片单元通过所述通信单元连接所述数据存储单元。

所述被测试钒电池通过SPI总线与主控制芯片单元连接。

所述电流检测单元设有霍尔开环电流传感器，霍尔开环电流传感器连接主控制芯片单元的模数转换模块。

电解液检测单元与主控制芯片单元的模数转换模块的并行接口连接。

主控制芯片单元连接继电器以控制充放电回路的开闭状态。

报警单元为报警闪烁灯和/或蜂鸣器。 

主控制芯片单元为32位嵌入式单片机。

主控制芯片单元与数据存储单元采用RS485转USB串行通讯接口进行双向通讯连接。

充电电源为程控直流电源，放电负载为程控电子负载；电源和负载通过RS485转USB与数据存储单元相连。

如图1所示，本实用钒电池充放电测试保护装置主要包括：包括被测试钒电池系统，钒电池电压采集和均衡单元、电流检测单元，电解液温度、浓度、流量、液位、液压、SOC状态、漏液检测、液泵运行状态检测单元，电解液泵控制单元，充放电回路控制单元、充电电源和放电负载控制单元、报警单元、主控制器（STM32F407）单元和数据存储单元。

电压采集与均衡单元采用集成电池管理芯片LTC6802芯片，可以同时最多测得12路单体电池电压，将采集的所有单体电池电压之和作为串联电池堆的总电压。在电压采集模块中设计单体电池的电压均衡管理，以最大限度降低在充放电过程中单体电池的差异影响整个串联电池堆的性能。LTC6802通过SPI总线和总控制器芯片进行通信。当被测钒电池堆需要采集多于12个单体电池的电压信号时，可以在SPI总线上扩展额外的LTC6802芯片。

充放电电流检测单元采用霍尔开环电流传感器在串联回路中任何位置进行采集。电流采集只需要将被测电流经过的导线穿过传感器环，就可以采集到电流信息。传感器为有源传感器，需要正负12V电源供电，装置采用开关电源为其供电。最大可以测得600A电流。

电解液参数检测单元包括电解液温度采集、电解液液位采集、液压采集、电解液浓度采集、电解液流量采集、漏液检测、电解液SOC状态检测和液泵的工作状态检测。其中电解液温度信号采集采用单总线数字温度传感器DS18B20，直接与总控制器IO口连接。上述检测模块中液位、流量、浓度、SOC状态和泵的工作状态为模拟量，传感器输出信号经过信号调理后直接与STM32F407自带ADC相连接。其中漏液检测为开关量电平，由于漏液异常为钒电池严重的异常状态，需要及时处理，此开关信号直接与主控制器的中断IO口相连。

报警单元采用闪烁灯和蜂鸣器进行报警，闪烁灯作为总的报警，当主控制器检测到有漏液、过充、过放、温度异常、压力异常、浓度异常时闪烁灯闪烁，根据异常报警来源蜂鸣器发出不同的声音。以迅速定位、处理异常情况，所需要的报警声音来源事先存储在主控制器的存储设备中，并进行编号，异常情况出现是，调用相关编号的声音文件。

控制单元包括直流程控电源系统和直流程控负载控制系统，电解液泵的控制以及充放电回路控制。直流电源采用艾德克斯的IT6532直流电源和IT8818直流电子负载。电源和负载通过RS485转USB串行接口直接与数据存储单元双向通讯。数据存储单元提供充放电的操作界面。通过操作界面可以设计充放电工步，选择模式，设定时间以及充放电结束参数。充放电回路控制是通过控制回路中接入的常闭继电器完成。当检测单元检测到电解液温度过高或有漏液情况出现，STM32F407控制继电器断开，以停止充放电过程。当通过数据存储单元开始充放电时，数据存储单元向STM32单片机发出指令，将继电器闭合。电解液泵控制单元根据泵的工作状态检测和流量监测数据控制电解液泵的工作。

主控制器单片机STM32F407通过RS485通讯接口转USB与上位机控制系统进行通讯。主控制器将采集单元采集到的数据传送到数据存储单元进行存储和计算处理。其中钒电池充放电容量通过实时电流值对时间积分求得。数据存储单元可以设置数据保存的时间间隔，系统默认每隔一秒进行一次数据存储。人机交互界面实时显示当前时刻的电压值、电流值、功率、时间、累计容量值、电解液浓度、温度、液位高度、流量、SOC状态、电解液泵工作状态和漏液检测是否正常。根据计算的容量值，实时显示更新电压-容量-电流曲线。当充放电结束后，根据存储的数据，数据存储单元可以生成充放电测试报表。

具体操作过程为：首先打开数据存储单元，而后配置好充电电源和电子负载，然后设置充放电工步。充放电每一步工步设置内容包括充电/放电、模式（恒流CC，恒压CV，固定电阻CR，固定功率CP）、数值、时间等内容。然后设置结束参数，其中充电时设置参数可以选择上限电压、充电电流和时间设置（小于工步时间），当充电达到上限电压后，充电将自动切换到恒压模式直至到达设置时间结束。放电时设置结束参数包括下限电压、放电电流、放电容量、放电时间，参数优先级下限电压和放电容量（二选一）高于时间放电时间。如果这一步没有设置，则系统默认以工步时间为结束条件。数据存储设置包括设置保存数据文件名称和数据保存时间间隔，文件保存路径为系统默认路径。设置好结束条件后，点击开始充电/放电，程控电源开始对钒电池充电或者钒电池通过电子负载进行放电，各部分检测单元实时检测充放电过程参数，如果一切正常，则依次按照设定工步运行，直至最后结束，最后通过查看数据导出充放电测试数据报表。如果检测到钒电池有异常情况，如前所述的漏液、温度过高等，系统首先报警，然后根据报警定位及时处理异常，然后结束测试。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所做的若干简单推演或替换，都应当被视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：包括被测试钒电池，钒电池电压采集和均衡单元、电流检测单元，电解液检测单元，电解液泵控制单元，充放电回路控制单元，充电电源和放电负载控制单元，报警单元，主控制芯片单元，通讯单元和数据存储单元，所述被测试钒电池分别连接所述钒电池电压采集和均衡单元、电解液检测单元和电流检测单元；所述主控制芯片单元分别连接所述钒电池电压采集和均衡单元、电解液检测单元、电流检测单元、报警单元、充电电源和放电负载控制单元、电解液泵控制单元和通信单元；所述主控制芯片单元通过所述通信单元连接所述数据存储单元。

2.根据权利要求1所述的钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：所述被测试钒电池通过SPI总线与主控制芯片单元连接。

3.根据权利要求1所述的钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：所述电流检测单元设有霍尔开环电流传感器，霍尔开环电流传感器连接主控制芯片单元的模数转换模块。

4.根据权利要求1所述的钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：电解液检测单元与主控制芯片单元的模数转换模块的并行接口连接。

5.根据权利要求1所述的钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：主控制芯片单元连接继电器以控制充放电回路的开闭状态。

6.根据权利要求1所述的钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：报警单元为报警闪烁灯和/或蜂鸣器。

7.根据权利要求1所述的钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：主控制芯片单元为32位嵌入式单片机。

8.根据权利要求1所述的钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：主控制芯片单元与数据存储单元采用RS485转USB串行通讯接口进行双向通讯连接。

9.根据权利要求1所述的钒电池充放电测试保护装置，其特征在于：充电电源为程控直流电源，放电负载为程控电子负载；电源和负载通过RS485转USB与数据存储单元相连。