TWI728857B

TWI728857B - 液流電池電量量測方法與量測系統裝置

Info

Publication number: TWI728857B
Application number: TW109122890A
Authority: TW
Inventors: 古鴻賢; 許寧逸; 謝錦隆; 胡譯心; 陳巧雅
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2021-05-21
Also published as: TW202202866A

Abstract

一種液流電池電量量測方法與量測系統裝置，係包括至少一電池組、至少二個六向閥、二循環泵、二電解液桶槽、一電量量測單電池以及二電解液收集器所構成。本發明透過六向閥的轉向即可量測電解液在整體系統各位置的電量，無需將管路重接，各位置量測之後可以加權數據以對應系統的充電狀態去做加權，演算出更精確的電量，藉此以便控制電池的充放電電壓電流，使其始終運行在高效的充放電狀態，提高電能的轉化效率，降低能量損耗，同時保證電池始終運行在安全的電量範圍內，以免造成安全事故或損壞電池。此外，本發明更可進一步應用於電池組特性監控系統，利用六向閥的切換可針對不同電池組中心端電量即時監控，各位置量測值針對異常電池組提早進行調整或下線更換，以維持系統最佳效能運作。

Description

液流電池電量量測方法與量測系統裝置

本發明係有關於一種液流電池電量量測方法與量測系統裝置，尤指涉及一種利用六向閥切換量測整體系統各位置電解液的電量並可針對不同電池組中心端電量即時監控，特別係指能維持系統最佳效能運作者。

整個液流電池的系統包含電池組、正極的電解液儲槽、負極的電解液儲槽，絕大部分的電解液係儲存在儲槽裡面，僅有少部分的電解液被泵送到電池組裡做電化學反應，反應完之後仍會回到儲槽。然而，目前習知技術的設備大部分都是量測電池組裡電解液的電量，然而液流電池的電量是在電解液裡面，而電解液在整個系統裡面運行，無法僅由一固定點去追蹤它實際上在各個位置的電量，因此所得的電量與儲槽的情形並不一樣。換言之，以習用的設備都是量測固定點的電量而言，並無法取得整體液流電池系統在各位置的電量表現。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種能夠進行即時測量，測量速度快、精度高，可在液流電池的充放電運行過程中，即時量測液流電池電解液桶槽與電池組進料端外側或中心位置電量的系統，利用六向閥的切換進行不同電解液位置的電量即時量測，各位置量測值加權數據處理以對應系統的電量，能不影響電池的工作，便於對電池充放電進行即時控制功效之液流電池電量量測方法與量測系統裝置。

本發明之另一目的係在於，提供一種應用於電池組特性監控系統，利用六向閥的切換可針對不同電池組中心位置電量即時監控，各位置量測值針對異常電池組提早進行調整或下線更換，以維持系統最佳效能運作之液流電池電量量測方法與量測系統裝置。

為達以上之目的，本發明係一種液流電池電量量測方法與量測系統裝置，係包括：至少一電池組，其具有至少二進料端及入料端，用以根據被供給電解液進行電化學反應以產生及/或放出直流電能，並輸出反應後電解液，其中該至少二進料端係包含外側位置與中心位置；至少二個六向閥，係分別連接於該電池組之進料端，每一六向閥具有六個孔道，分別為第一孔道、第二孔道、第三孔道、第四孔道、第五孔道及第六孔道，該六個孔道係每兩個之間相互連通的三進三出孔道，且固定在該六向閥上，並隨著該六向閥一起繞著該六向閥之圓心旋轉，其中該第一孔道、該第三孔道與該第五孔道為電解液輸入口，該第二孔道、該第四孔道與該第六孔道為電解液輸出口；二循環泵，係分別連接於該電池組之入料端與各該六向閥之電解液輸入口；二電解液桶槽，係分別對應連接各該循環泵，用以透過各自對應之循環泵將其內存放之電解液抽出泵送至該電池組；一電量量測單電池，係連接於各該六向閥之第二孔道與第五孔道之間，可在液流電池的充放電運行過程中，即時量測各該電解液桶槽與該電池組進料端外側位置或中心位置的電量，利用各該六向閥之切換進行不同電解液位置的電量即時量測，將各位置量測值加權數據處理以對應系統的電量，並利用各該六向閥之切換可針對不同電池組中心位置電量即時監控，各位置量測值針對異常電池組提早進行調整或下線更換，以維持系統最佳效能運作；以及二電解液收集器，係分別連接於各該六向閥之電解液輸出口，並與各自對應的該電解液桶槽連接，用以收集分流未量測或量測後之電解液，再流入對應的該電解液桶槽進行混合後再利用。

於本發明上述實施例中，各該六向閥具有一第一模式以及一第二模式，當各該六向閥切換為該第一模式時，該電解液的流動方向為自各該電解液桶槽經由對應之循環泵通過各該六向閥往該電量量測單電池之方向，當各該六向閥切換為該第二模式時，該電解液的流動方向為自各該電解液桶槽經由對應之循環泵至該電池組通過各該六向閥往該電量量測單電池之方向。

於本發明上述實施例中，該電解液係藉由各該六向閥控制切換來源電解液，使不同來源電解液得以進入該電量量測單電池。

於本發明上述實施例中，當各該六向閥切換為該第二模式時，該電解液的流動方向為自各該電解液桶槽經由對應之循環泵至該電池組外側位置的進料端通過各該六向閥往該電量量測單電池之方向。

於本發明上述實施例中，該當各該六向閥中一部分切換為該第一模式，另一部分切換為該第二模式時，該電解液的流動方向為自各該電解液桶槽經由對應之循環泵至該電池組中心位置的進料端通過各該六向閥往該電量量測單電池之方向。

請參閱『第１圖～第７圖』所示，係分別為本發明六向閥之結構示意圖、本發明量測電解液桶槽儲存電量之系統架構示意圖、本發明量測電池組電量之系統架構示意圖、本發明之電池組量測位置選擇示意圖、本發明量測電池組中間位置之系統架構示意圖、本發明量測電池組外側位置之系統架構示意圖、及本發明之電解液收集裝置示意圖。如圖所示：本發明係一種液流電池電量量測系統裝置，係包括至少一電池組１、至少二個六向閥２、２ａ、二循環泵３、３ａ、二電解液桶槽４、４ａ、一電量量測單電池５以及二電解液收集器６、６ａ所構成。

上述所提之電池組１具有至少二進料端及入料端，用以根據被供給電解液進行電化學反應以產生及/或放出直流電能，並輸出反應後電解液，其中該至少二進料端係包含外側位置與中心位置。

該至少二個六向閥２、２ａ係分別連接於該電池組１之進料端，每一六向閥２、２ａ具有六個孔道，如第１、２圖所示，分別為第一孔道２１、２１ａ、第二孔道２２、２２ａ、第三孔道２３、２３ａ、第四孔道２４、２４ａ、第五孔道２５、２５ａ及第六孔道２６、２６ａ，該六個孔道係每兩個之間相互連通的三進三出孔道，且固定在該六向閥２、２ａ上，並隨著該六向閥２、２ａ一起繞著該六向閥２、２ａ之圓心旋轉，其中該第一孔道２１、２１ａ、該第三孔道２３、２３ａ與該第五孔道２５、２５ａ為電解液輸入口，該第二孔道２２、２２ａ、該第四孔道２４、２４ａ與該第六孔道２６、２６ａ為電解液輸出口。

該二循環泵３、３ａ係分別連接於該電池組１之入料端與各該六向閥２、２ａ之電解液輸入口。

該二電解液桶槽４、４ａ係分別對應連接各該循環泵３、３ａ，用以透過各自對應之循環泵３、３ａ將其內存放之電解液抽出泵送至該電池組１。

該電量量測單電池５係連接於各該六向閥２、２ａ之第二孔道２２、２２ａ與第五孔道２５、２５ａ之間，可在液流電池的充放電運行過程中，即時量測各該電解液桶槽４、４ａ與該電池組１進料端外側位置或中心位置的電量，利用各該六向閥２、２ａ之切換進行不同電解液位置的電量即時量測，將各位置量測值加權數據處理以對應系統的電量，並利用各該六向閥２、２ａ之切換可針對不同電池組１中心位置電量即時監控，各位置量測值針對異常電池組提早進行調整或下線更換，以維持系統最佳效能運作。

該二電解液收集器６、６ａ係分別連接於各該六向閥２、２ａ之電解液輸出口，並與各自對應的該電解液桶槽４、４ａ連接，用以收集分流未量測或量測後之電解液，再流入對應的該電解液桶槽４、４ａ進行混合後再利用。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之液流電池電量量測方法與量測系統裝置。

當運用時，本系統裝置的設計乃利用六向閥２、２ａ的切換功能來選擇量測對象，如第１、２圖所示，其具有三進三出的孔道，白色部分為電解液輸入口流，斜線部分為電解液輸出口，即該第一孔道２１、２１ａ、該第三孔道２３、２３ａ與該第五孔道２５、２５ａ為電解液輸入口，該第二孔道２２、２２ａ、該第四孔道２４、２４ａ與該第六孔道２６、２６ａ為電解液輸出口，且在該第二孔道２２、２２ａ與該第五孔道２５、２５ａ之間連接該電量量測單電池５。該電量量測單電池５主要係利用電壓，因為不同電量會產生不同電壓，因此透過該電量量測單電池５的電壓就可以得到量測的電量，再利用一標準的迴歸曲線，將電壓與電量做一個迴歸，從而得到電壓就可以得到相對的電量。由第１圖可見，本發明利用該六向閥２切換來選擇量測的對象，轉向就可以分別從虛線切換到實線的位置。當該六向閥２切換在第１圖之(a)的時候，其量測的是虛線，由虛線進到該電量量測單電池５，如果切換至第１圖之(b)，即為實線進到該電量量測單電池５。

以下實施例僅舉例以供了解本發明之細節與內涵，但不用於限制本發明之申請專利範圍。

整個液流電池系統包含電池組１、正極的電解液桶槽４及負極的電解液桶槽４ａ，若要量測電解液桶槽４、４ａ，系統的連接方式如第２圖所示，此系統串接電量量測單電池５輸出電壓，可量測出電解液桶槽４、４ａ所儲存的電量，如第２圖所示，此為一個較好的模式，因為絕大部分的電解液係儲存在電解液桶槽４、４ａ內，只有少部分的電解液被泵送到電池組１裡進行電化學反應，反應完之後還是會回到電解液桶槽４、４ａ。因此，本發明使用該六向閥２、２ａ的模式以量測電解液桶槽４、４ａ中電解液的電量；當然本發明亦可如第３圖所示，將其切換成量測電池組之模式，以量測電池組１中電解液的電量，如此就與現有系統相同，即量測電池組１中電解液的電量，惟本發明透過六向閥２、２ａ一切換就可以更改為量測電解液桶槽４、４ａ中電解液的電量。

於一較佳實施例中，各該六向閥２、２ａ具有一第一模式以及一第二模式，當各該六向閥２、２ａ切換為該第一模式時，該電解液的流動方向為自各該電解液桶槽４、４ａ以對應之循環泵３、３ａ泵送出電解液經由各該第三孔道２３、２３ａ進入各該六向閥２、２ａ，再經由各該第二孔道２２、２２ａ流入該電量量測單電池５中進行電量測量，之後，經由各該第五孔道２５、２５ａ，而由各該第四孔道２４、２４ａ排出各該六向閥２、２ａ之外，最後由各該電解液收集器６、６ａ匯流回各該電解液桶槽４、４ａ中，如第２圖所示。當各該六向閥２、２ａ切換為該第二模式時，該電解液的流動方向為自各該電解液桶槽４、４ａ以對應之循環泵３、３ａ泵送出電解液至該電池組１，經由各該第一孔道２１、２１ａ進入各該六向閥２、２ａ，再經由各該第二孔道２２、２２ａ流入該電量量測單電池５中進行電量測量，之後，經由各該第五孔道２５、２５ａ，而由各該第六孔道２６、２６ａ排出各該六向閥２、２ａ之外，最後由各該電解液收集器６、６ａ匯流回各該電解液桶槽４、４ａ中，如第３圖所示。因此，該電解液係藉由各該六向閥２、２ａ控制切換流向，使該電解液得以順向或逆向方式進入該電量量測單電池５。

由於電池組１之電量量測與電解液進行化學反應程度有關連，反應程度與流經路徑長度有關，故電量的量測與電池組１之位置有關聯。當電池組１大的時候，電池組１本身中心位置還有電池組１兩端位置其電量可能也會有差異，為避免位置量測差異，於另一較佳實施例，本發明設計可對電池組１之位置進行選擇性量測，設計在電池組１中心，如第４圖(a)所示，與外側，如第４圖(b)所示。

於本實施例中，在液流電池的正負極側各增設一六向閥２ｂ、２ｃ，共計四個六向閥２、２ａ、２ｂ及２ｃ。當運用時，中心位置量測正負極反應程度相近時之電量，如第５圖所示之量測電池組１中心位置電量的系統連接架構，當各該六向閥２ｂ、２ｃ切換為該第一模式，各該六向閥２、２ａ切換為該第二模式時，該電解液的流動方向為自各該電解液桶槽４、４ａ經由對應之循環泵３、３ａ至該電池組１中心位置的進料端通過各該六向閥２、２ａ、２ｂ、２ｃ往該電量量測單電池５之方向。外側位置量測正負極反應程度有相差時之電量，如第６圖所示之量測外部兩邊電量的系統連接架構，當各該六向閥２、２ａ、２ｂ及２ｃ切換為該第二模式時，該電解液的流動方向為自各該電解液桶槽４、４ａ經由對應之循環泵３、３ａ至該電池組１外側位置的進料端通過各該六向閥２、２ａ、２ｂ及２ｃ往該電量量測單電池５之方向。

第７圖係上述所有圖式中電解液收集器６、６ａ之構造，該電解液收集器６、６ａ為收集分流未量測或量測後之電解液，再流入各電解液桶槽進行混合後再利用，其設計如第７圖所示。因為有六向閥，最後回來的時候係將所有測試的通道C ₁～C ₄及C ₁’～C ₄’全部匯流回來，因此該電解液收集器６、６ａ係一種將電解液收集之裝置，圖中往下就是將電解液匯流回到各該電解液桶槽內。

由上述可知，本發明透過六向閥的轉向即可量測電解液在各種不同位置的電量，無需將管路重接，其中第２、３圖係一種線路模式，第４圖分中心與外側二種量測位置選擇，第５、６圖係另一種線路模式，利用六向閥轉向切換就可以量測整個系統各位置電解液之電量。鑑於電解液係運行在整個系統中，現有設備很難以去追蹤各位置電解液之電量，藉此，本案利用六向閥轉向切換就可以追蹤到各位置電解液的電量，各位置量測之後可以加權數據以對應系統的充電狀態去做加權，演算出更精確的電量，藉此以便控制電池的充放電電壓電流，使其始終運行在高效的充放電狀態，提高電能的轉化效率，降低能量損耗，同時保證電池始終運行在安全的電量範圍內，以免造成安全事故或損壞電池。此外，本發明更可進一步應用於電池組特性監控系統，利用六向閥的切換可針對不同電池組中心端電量即時監控，各位置量測值針對異常電池組提早進行調整或下線更換，以維持系統最佳效能運作。

綜上所述，本發明係一種液流電池電量量測方法與量測系統裝置，可有效改善習用之種種缺點，能夠進行即時測量，測量速度快、精度高，可在整體系統任何位置中進行量測，不影響電池的工作，便於對電池充放電進行即時控制之功效，更可針對不同電池組中心端電量即時監控，各位置量測值針對異常電池組提早進行調整或下線更換，以維持系統最佳效能運作，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:電池組

2、2a、2b、2c:六向閥

21、21a:第一孔道

22、22a:第二孔道

23、23a:第三孔道

24、24a:第四孔道

25、25a:第五孔道

25、26a:第六孔道

3、3a:循環泵

4、4a:電解液桶槽

5:電量量測單電池

6、6a:電解液收集器

C₁~C₄、C₁’~C₄’:通道

第１圖，係本發明六向閥之結構示意圖。第２圖，係本發明量測電解液桶槽儲存電量之系統架構示意圖。第３圖，係本發明量測電池組電量之系統架構示意圖。第４圖，係本發明之電池組量測位置選擇示意圖。第５圖，係本發明量測電池組中間位置之系統架構示意圖。第６圖，係本發明量測電池組外側位置之系統架構示意圖。第７圖，係本發明之電解液收集裝置示意圖。