CN210837967U

CN210837967U - 一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统

Info

Publication number: CN210837967U
Application number: CN201921778780.7U
Authority: CN
Inventors: 孟青; 牛慧芳; 张文; 冯杰; 王金龙
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2029-10-22

Abstract

本实用新型属于电池技术领域，公开了一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统，包括主控单元、信号采集电路、电源转换电路、逆变器、继电器控制模块、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块，主控单元的核心控制器为型号为STM32的嵌入式芯片，信号采集电路、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块与主控单元电连接；信号采集电路用于采集全钒液电池的电压信号、电流信号以及温度信号后发送给主控单元；主控单元通过光纤通信模块与上位机连接。本实用新型可以实现电池侧实时数据监测及保护，可以广泛应用于电池领域。

Description

一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统

技术领域

本实用新型属于电池技术领域，具体涉及一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统。

背景技术

全钒液流电池（Vanadium Flow Battery,缩写VFB）是绿色的产业化的新型液流电池之一。钒电池具有容量大，功率和容量独立设计，循环寿命长，绿色环保以及安全性高等特点，在光伏发电、后备电源、智能电网、军用蓄电等领域都有宽泛的使用前景。电池管理系统（Battery Management System，缩写BMS）是电池与用户之间的纽带，可以提高电池的利用率，防止电池出现过充和过放，延长电池的寿命。

国内外相关行业对BMS的研究和开发大部分都集中在电动汽车电池上。全钒液流电池由于推广较晚、推广范围较窄、控制设备昂贵以及调试环境欠缺的限制条件，钒电池的BMS研制较晚。随着钒电池的推广，越来越多的研究机构和公司也开始重视钒电池管理系统的研发。大部分研究机构像国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司一样，大多采用西门子 S7-200 型号 PLC 对钒流电池进行实时监控和数据信息的采集，但是PLC端口有限，扩展成本较高且增加智能化接口困难。

实用新型内容

本实用新型克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统，以保证全钒液流电运行可靠。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种全钒液流电池管理系统，包括主控单元、信号采集电路、电源转换电路、逆变器、继电器控制模块、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块，所述主控单元的核心控制器为型号为STM32的嵌入式芯片，所述信号采集电路、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块与所述主控单元电连接；所述信号采集电路用于采集全钒液电池的电压信号、电流信号以及温度信号后发送给所述主控单元；所述电源转换电路用于将系统电源转换为低压直流电为系统供电，所述逆变器用于将系统电源进行逆变转换后为钒电池中的循环泵供电，所述继电器控制模块的输入端与主控单元的输出端连接，输出端分别与所述循环泵和系统电源的控制端连接；所述主控单元通过所述光纤通信模块与上位机连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种基于嵌入式芯片的全钒液流电池管理系统，实现了电压、电流、温度等信号的采集以及工作状态的监测和控制，并能存储和远程上传数据。该系统利用霍尔传感器实现电压电流的采集，系统在设计过程中采用STM32，成本低，扩展空间大；此外，系统在硬件电路设计中采取滤波保证采集数据的精度，采用光耦加继电器双重隔离保证可靠性。系统经过实验室测试和现场联机测试，运行稳定，可投入批量研制和生产。总之，本实用新型不仅可实现电池侧实时数据监测以及保护，还能存储和远程电脑和手机同时访问数据，并且端口扩展简单且成本低。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种全钒液流电池管理系统的结构示意图；

图2为为全钒液流储能电池（VFB）的工作原理图；

图3为信号采集电路和主控单元的电路原理图；

图4为电源转换电路的电路原理图；

图5为保护电路的电路原理图；

图6为继电器控制模块的电路原理图。

图中：1为电堆，2为正极电解液，3为负极电解液，4为正泵，5为负泵。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种全钒液流电池管理系统，包括主控单元、信号采集电路、电源转换电路、备用锂电池、逆变器、继电器控制模块、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块。

其中，所述信号采集电路、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块与所述主控单元电连接；所述信号采集电路用于采集全钒液电池的电压信号、电流信号以及温度信号后发送给所述主控单元；所述电源转换电路用于将系统电源转换为低压直流电为系统供电，所述逆变器用于将系统电源进行逆变转换后为钒电池中的循环泵供电，所述继电器控制模块的输入端与主控单元的输出端连接，输出端分别与所述循环泵和系统电源的控制端连接；所述主控单元通过所述光纤通信模块与上位机连接。故障报警模块包括指示灯和蜂鸣器，其通过指示灯的颜色变化和蜂鸣声提示故障，便于操作人员及时排除故障。

本实施例中，显示模块采用昆仑通泰的屏，基于MCGS组态软件进行上位机开发。上位机软件可以实时的监控电池的工作状态、采集的相关参数、运行曲线、故障点以及进行参数校准。

具体地，本实施例中，所述信号采集电路包括按钮、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器，霍尔电压传感器用于直接监测钒电池的两端电压，电流传感器直接套在电池的供电线路上，用于采集钒电池的电流信号，温度传感器放置钒电池侧，用于钒电池测量温度。

如图2所示，为全钒液流储能电池（VFB）的工作原理图；VFB是一种不同价态钒离子作为正负极电活性物质，活性物质溶解于支持电解质中呈液态循环流动的新型氧化还原储能液流电池。VFB的工作原理图如图1所示，整个储能电池由两个半电池的电解液，外接循环泵，电堆以及相关管路组成。其工作原理：通过外接正负两个交流循环泵，把储液罐中的电解液泵入电堆内部，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，在两个氧化还原电对的电势差的作用下，进入半电池的电解液在电极表面发生氧化还原反应，使电池完成充放电。

如图3所示，本实施例中，所述主控单元的核心控制器为型号为STM32的嵌入式芯片，本实施例中，面向5kW 30kWh的全钒液流储能电池而设计，电池的功率为5KW，电堆电压为48V，容量可达30KWh。本实施例中，对VFB进行端电压采集时，需要将端电压的电压信号转换为0~3V的电压信号，然后系统对0~3V的电压信号进行采集。对VFB进行运行电流采集时，利用霍尔电流传感器也是将电流转换成0~3V的电压信号，然后系统对0~3V的电压信号进行采集。本实施例采用DS18B20进行电堆温度采集，采集的温度值转换成电阻值，再将电阻值转换成电压值输入值系统。STM32自带12位18通道的ADC转换器，因此，采集到的电压、电流和温度信号经过转换后进入STM32内置的ADC中进行转换。

具体地，本实施例中，所述电源转换电路包括第一电源转换模块和第二电源转换模块，所述第一电源转换模块用于将48V直流电压的系统电源转换为24V直流电压后给所述主控模块的继电器控制模块内的继电器供电，所述第二电源转换模块用于将24V直流电压转换为5V直流电压后给所述信号采集电路供电。如图4所示，为电源转换电路的电路原理图。

具体地，如图1所示，本实施例提供的一种全钒液流电池管理系统，还包括保护电路，如图5所示，所述保护电路包括多个独立设置的光耦TLP250，所述主控模块的输出端分别通过一个光耦TLP250与所述继电器控制模块的输入端连接，此外，主控模块的输出端还分别通过一个光耦TLP250与显示模块连接，并通过显示模块连接通讯模块，进而与上位机连接。为了保证VFB的稳定可靠运行，在硬件电路设计过程中要充分考虑其抗干扰性、安全性和可靠性。BMS系统中直交流信号共存，同时还有各种开关信号。为了减少电磁干扰，本实施例中，采用光耦和继电器二级保护设计。主控芯片STM32与光耦tlp250相连进行直交流的隔断，光耦tlp250的输出信号控制继电器控制模块中的继电器HFD27-024-S，进行二次干扰信号隔离。

如图6所示，本实用新型实施例中，所述继电器控制模块包括正负泵的启停控制、钒锂电池的供电控制、手动自动的切换、紧急制动以及上电自锁电路，本模块由17个24V的JRC-27F继电器实现控制。为了提高安全性，自动控制电路与手动控制电路完全分离，手动控制全部由继电器进行控制，尤在钒锂输入处采用两路继电器进行控制，大大提高了系统的可靠性，并对钒锂电池的正负两极同时进行控制，以避免出现不必要的电磁干扰，所述模块留有一个继电器与相应的接口根据控制需求可以进行扩展。

具体地，本实用新型实施例中，所述主控模块用于根据信号采集电路的采集信号，发送控制信号至继电器控制模块控制循环泵的启停，还用于在系统启动完成后将系统电源从备用电池切换为钒电池，以及用于系统的故障检测、显示、SOC估计和校准。

为了验证数据采集精度以及运行的可靠性，对系统进行了模拟试验和联机测试。根据控制逻辑，可以正确的完成泵的启停。供电电源模拟供电和现场联机工作过程中，采集回的电压、电流以及温度，精度满足要求。采用修正卡尔曼滤波进行剩余电荷量估计，精度可达3%以内。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，包括主控单元、信号采集电路、电源转换电路、逆变器、继电器控制模块、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块，

所述主控单元的核心控制器为型号为STM32的嵌入式芯片，所述信号采集电路、显示模块、光纤通信模块和故障报警模块与所述主控单元电连接；所述信号采集电路用于采集全钒液电池的电压信号、电流信号以及温度信号后发送给所述主控单元；所述电源转换电路用于将系统电源转换为低压直流电为系统供电，所述逆变器用于将系统电源进行逆变转换后为钒电池中的循环泵供电，所述继电器控制模块的输入端与主控单元的输出端连接，输出端分别与所述循环泵和系统电源的控制端连接；所述主控单元通过所述光纤通信模块与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述信号采集电路包括按钮、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器，霍尔电压传感器用于直接监测钒电池的两端电压，电流传感器直接套在电池的供电线路上，用于采集钒电池的电流信号，温度传感器放置钒电池侧，用于钒电池测量温度。

3.根据权利要求2所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述温度传感器型号为DS18B20。

4.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，所述电源转换电路包括第一电源转换模块和第二电源转换模块，所述第一电源转换模块用于将48V直流电压的系统电源转换为24V直流电压后给所述主控单元的继电器控制模块内的继电器供电，所述第二电源转换模块用于将24V直流电压转换为5V直流电压后给所述信号采集电路供电。

5.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池管理系统，其特征在于，还包括保护电路，所述保护电路包括多个独立设置的光耦TLP250，所述主控单元的输出端分别通过一个光耦TLP250与所述继电器控制模块的输入端连接。