CN216872034U - 一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，涉及液流电池技术领域，包括储能变流器、电池系统以及自用电线路，所述储能变流器与电池系统相连；所述电池系统由n个电堆串联形成，每个电堆配套一台DC‑DC模块，n个DC‑DC模块并联后接入一台AC‑DC模块，AC‑DC交流端接入系统自用电线路；所述自用电线路向电池系统补充充电，电池系统通过DC‑DC和AC‑DC模块释放电堆内电解液能量；本实用新型通过构建电堆内电解液自循环，实现了堆内电解液温度的监测，具有更高的可靠性和安全性，采用增设的堆内电解液自循环冷却系统，可有效保障停机后的电解液温度，通过增设充放电回路，在保障温度区间安全的前提下，可进行系统保压，以满足ms级响应的需求。

Description

一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置

技术领域

本实用新型涉及液流电池领域，具体的是一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置。

背景技术

全钒液流电池是一种技术较为年轻的新型储能电池，是目前最为成熟、接近商业化的液流电池体系，特别适用于大容量储能的应用场合。其基本原理为：将具有不同价态的钒离子溶液(正极VO2+/VO2+、负极V2+/V3+)分别储存正极和负极电解液储罐中，通过外接泵单独向电池模块提供正、负极电解液，正负极电解液在电池内部由隔膜隔开，在发生氧化还原反应后，各自返回储罐，如此不断循环，完成电能与化学能的相互转换。

因为电堆内部存在连接各片单电池的电解液公共流道，在各片单电池间构建了离子回路，自发产生了电堆内部的漏电电流；对于液流电池系统，由若干电堆通过串并联方式组成储能模块，各个电堆也共用电解液公共流道，堆与堆间也构建了离子回路，造成电堆外部(堆与堆间)的漏电电流。电堆内外部的漏电电流的存在，导致了电解液温度的上升。当系统停机时，电解液循环泵处于停泵状态，此时堆内电解液静置，电解液温升将进一步加剧，当温度超限时，容易导致电堆内部的材料失效，严重影响电池系统的性能和安全。

专利一《液流电池系统及其停机保护方法和装置》(CN 102354761 B)公开了一种液流电池系统及其停机保护方法和装置。该液流电池系统的保护方法包括：检测液流电池系统的运行状态；判断液流电池系统是否停机；以及在液流电池系统停机后，控制液流电池系统进行放电。通过本发明，在液流电池系统停止运行后，对电堆内残余电解液进行缓慢放电，使其处于安全的电荷态范围，避免由于长时间停机导致电解液变质或析出沉淀物，从而增加了电堆的寿命。

专利二《一种液流电池停机保护方法及液流电池系统》(CN 103199285 A)涉及一种液流电池停机保护方法及一种具有停机保护功能的液流电池系统，所述方法是将液流电池系统停机后电堆中的正极电解液和负极电解液于电堆外部至少一个容器内混合后再输送回液流电池系统电堆中，可快速将电堆内的电能释放，使得电解液寿命更长，容量衰减更慢，保证系统长时间稳定运行。

专利三《液流电池系统漏电保护方法、系统及液流电池系统》(CN 103247814 A)公布了一种液流电池系统漏电保护方法、系统及液流电池系统，所述方法包括：A：开始之后，判断液流电池系统是否停机，是则执行步骤B，否则返回开始；B：控制液流电池系统继续对负载放电，执行步骤C；C：判断液流电池系统是否在对负载放电，是则执行步骤D，否则执行步骤E；D：检测液流电池系统电压和放电功率，执行步骤E；E：判断液流电池系统放电功率是否达到放电功率阈值，是则执行步骤F；F：执行漏电强制保护，即断开相邻电堆直接的接触器，孤立各个电堆。

专利一在系统停机后，通过外接的电阻缓慢释放电堆内电解液的能量，减缓堆内漏电产生的温升，从而保护电堆的安全，但其缺乏堆间漏电的保护措施。

专利二在系统停机后，将电堆内的正极和负极电解液混合后，再输送回电堆，此时电堆内正极和负极电解液状态趋于一致，则电堆电压趋于0，从而避免了堆内和堆间的漏电，起到良好的保护作用。

专利三在系统停机后，通过外接的负载释放电堆内电解液的能量，同时在相邻电堆间加设接触器，在放电功率超限时断开接触器，隔断堆间漏电，从而保护电堆安全。

以上专利是通过主动释放电堆内的电解液能量，从而防止电堆内漏电引发的温度超限，但存在3个问题：1)缺乏堆内的电解液的温度检测手段，难以确保堆内温度不超限；2)无堆内电解液温度的主动控制措施；3)停机后电堆电压急剧下降(甚至下降为0)，下次充放电启动时，需提前启动循环系统，使电解液储罐内的电解液置换堆内电解液后(此时电堆电压上升)，方可进行正常的充放电，导致系统的响应时间较长，难以满足储能大部分领域的响应时间和调度需求。

实用新型内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本实用新型的目的在于提供一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，本实用新型除相邻堆间加设接触器保护外，通过加设单独的堆内电解液温度控制系统，主动控制停机后漏电电流引起的电解液温升，保障电堆的安全性；

本实用新型对于要求ms级快速响应的储能应用场合，通过加设电源模块对电堆进行补充充电，保持电堆电压，实现电池系统的快速响应；对于允许响应时间s级以上的储能应用场合，通过电堆外接系统内自用电负载进行堆内电解液的能量释放，减缓电堆温升。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，包括储能变流器、电池系统以及自用电线路，所述储能变流器与电池系统相连；

所述电池系统由n个电堆串联形成，每个电堆配套一台DC-DC模块，n个DC-DC模块并联后接入一台AC-DC模块，AC-DC交流端接入系统自用电线路；

所述自用电线路向电池系统补充充电，电池系统通过DC-DC和AC-DC模块释放电堆内电解液能量；

在电池系统的正/负极供液主管道引一支路，支路上依次布置电动阀、自循环泵和冷却器，在泵出口布置温度探头，支路末端引回正/负极回液总管。

进一步地，所述相邻的串联的电堆间串联一台接触器，作为停机后切断堆间漏电电流的执行机构。

进一步地，所述正/负极供液主管道和回液总管上布置切断阀，用于实现停机情况下电堆组的隔离，构建电堆内电解液的自循环。

进一步地，所述支路上布置有泄压阀，当压力超限时，通过泄压阀释放压力，释放介质引回对应的储液罐中。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型通过构建电堆内电解液自循环，实现了堆内电解液温度的监测，具有更高的可靠性和安全性；

2、本实用新型采用增设的堆内电解液自循环冷却系统，可有效保障停机后的电解液温度；

3、本实用新型通过增设充放电回路，在保障温度区间安全的前提下，可进行系统保压，以满足ms级响应的需求；当系统无需快速响应时，可通过充放电回路回收部分的电堆内电解液能量，用于系统自用电。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型的电气结构图；

图2是本实用新型的循环系统结构图；

图3是本实用新型的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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。

一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，如图1和图2所示，对于n个电堆串联的电池系统，每个电堆配套一台DC-DC模块，n个DC-DC模块并联后接入一台AC-DC模块，AC-DC交流端接入系统自用电系统。自用电线路可向系统补充充电，系统亦可通过DC-DC和AC-DC模块释放电堆内电解液能量。串联相邻电堆间串联一台接触器，作为停机后切断堆间漏电电流的执行机构。同时，在正/负极供液主管道引一支路，支路上依次布置电动阀、自循环泵和冷却器，在泵出口布置温度探头，支路末端引回正/负极回液总管。在正/负极供液主管道和回液主管道上布置切断阀，可实现停机情况下电堆组的隔离，构建电堆内电解液的自循环。为保障自循环通道内压力的安全性，在支路上布置泄压阀，当压力超限时，可通过泄压阀释放压力，释放介质可引回对应储液罐中。

通过构建电堆内电解液自循环，可实时有限监测堆内电解液的温度，防止电解液温度超限。

通过增设电堆内电解液的自循环冷却系统，主动控制停机后的电解液温度，可有效保障热管理的可靠性。

通过增设双向的AC-DC模块和电堆配套DC-DC模块，系统可根据需要从自用电系统补充电量，维持电压；或向自用电系统释放堆内电解液能量。

能满足快速响应(ms级)需求的电池系统的停机保压和漏电电流保护。

在本实施例中，DC-DC模块为0.5kW DC-DC模块，AC-DC模块为5kWAC-DC模块，0.5kWDC-DC模块并联后接入1台5kWAC-DC模块，冷却器采用四氟换热器，冷源取自电池系统自带冷水机组，自循环泵为小型防腐磁力泵(Q＝3m3/h,H＝4m)，可有效控制堆内电解液温度不超限(＜40℃)，同时具备电池系统保压功能，具有实用价值。

如图3所示，本发明的工作流程如下：

电池管理系统检测系统是否停机，当系统正常停机时，及时断开所有堆间接触器，切断堆间漏电电流，同时关闭正极、负极供液和回液阀，将电堆组隔离，并连锁打开正极、负极冷却阀，启动冷却泵，构建电堆内电解液自循环通道。

当调度系统需要电池系统ms级响应时，启动AC-DC模块，通过DC-DC模块向电堆恒压充电，DC-DC的输出电压设定值与停机前电堆的电压值保持一致。BMS监测电堆电压是否稳定，若不稳定，则发出告警信号，系统退出；若电压稳定，BMS持续监测电解液温度是否正常，若电解液温度超限，则发出告警信号，系统退出；若电解液温度正常，则保持恒压补充充电模式。当调度系统启动下一次充放电时，则闭合所有堆间接触器，关闭AC-DC和DC-DC充电回路，打开正极、负极供液和回液阀，连锁停泵、关闭冷却阀，进入下一充放电循环。

当调度系统不需要电池系统ms级响应时，启动DC-DC和AC-DC模块，电堆内电解液能量向自用电系统放电，BMS监测电解液温度是否正常，若电解液温度超限，则关闭AC-DC模块，切断放电回路，发出告警信号，系统退出；若电解液温度正常，BMS监测电堆电压是否低于设定下限，若低于设定下限，关闭DC-DC和AC-DC模块，切断放电回路，闭合所有堆间接触器，打开正极、负极供液和回液阀，连锁停泵、关闭冷却阀。当调度系统启动下一次充放电时，即可进入下一次充放电循环。

本实用新型通过构建电堆内电解液自循环，实现了堆内电解液温度的监测，具有更高的可靠性和安全性；且采用增设的堆内电解液自循环冷却系统，可有效保障停机后的电解液温度；同时还通过增设充放电回路，在保障温度区间安全的前提下，可进行系统保压，以满足ms级响应的需求；当系统无需快速响应时，可通过充放电回路回收部分的电堆内电解液能量，用于系统自用电。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (9)

1.一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，包括储能变流器、电池系统以及自用电线路，所述储能变流器与电池系统相连；

所述电池系统由n个电堆串联形成，每个电堆配套一台DC-DC模块，n个DC-DC模块并联后接入一台AC-DC模块，AC-DC交流端接入系统自用电线路；

所述自用电线路向电池系统补充充电，电池系统通过DC-DC和AC-DC模块释放电堆内电解液能量。

2.根据权利要求1所述的一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，所述相邻的串联的电堆间串联一台接触器，作为停机后切断堆间漏电电流的执行机构。

3.根据权利要求2所述的一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，正/负极供液主管道和回液总管上布置切断阀，用于实现停机情况下电堆组的隔离，构建电堆内电解液的自循环。

4.根据权利要求3所述的一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，支路上布置有泄压阀，当压力超限时，通过泄压阀释放压力，释放介质引回对应的储液罐中。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，在电池系统的正/负极供液主管道引一支路，支路上依次布置电动阀、自循环泵和冷却器。

6.根据权利要求5所述的一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，在泵出口布置温度探头，支路末端引回正/负极回液总管。

7.根据权利要求1-4任一所述的一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，DC-DC模块为0.5kW DC-DC模块，AC-DC模块为5kWAC-DC模块，0.5kWDC-DC模块并联后接入1台5kWAC-DC模块。

8.根据权利要求5所述的一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，冷却器采用四氟换热器，冷源取自电池系统自带冷水机组。

9.根据权利要求5所述的一种液流电池系统停机保压、漏电电流保护装置，其特征在于，自循环泵为小型防腐磁力泵。

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