CN102427140A - 一种全钒液流储能电池堆控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全钒液流电池堆控制***,所述电池堆由若干个串联的全钒液流单电池构成,电池堆外设置有正电解液储液罐和负电解液储液罐,正电解液储液罐和负电解液储液罐分别通过正进液管路和负进液管路向单电池输入电解液,所述控制***包括主控制器单元、传感器、数据采集单元、执行单元和流体泵:传感器测量电池堆反应时的实时工作参数;数据采集单元转换实时工作参数为数字信号后、发送至主控制单元;主控制单元对数字信号进行逻辑运算后,输出控制信号至执行单元;执行单元驱动流体泵工作;流体泵是两个、分别设置在正进液管路和负进液管路上,控制正电解液和负电解液的流量。本***可靠地保证电池堆安全稳定地运行,达到理想的电池性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学储能电池,尤其涉及一种全钒液流电池堆控制***。
背景技术
电能是信息社会最重要的、不可或缺的二次能源,是经济可持续发展和社会进步的保障。风能、太阳能和潮汐能等可再生能源被认为是未来电能的有效来源,在世界范围内正日益得到关注。为保证可再生能源发电***的稳定供电,应以蓄电储能的方式加以调节。全钒氧化还原液流电池(简称钒电池)是一种新型的绿色环保储能电池,它具有耐大电流充放电,容量易于调整,可以实现瞬间充电,寿命长等诸多优点,因此在固定式储能方面具有广阔的前景,引起了许多研究机构和能源企业的关注。
由于钒电池是个电化学反应装置,其工作状态变化较大,原辅料又包含有毒害化学物质,为了满足负载对电池功率的要求,提供给负载性能稳定的电源,需要对电池的反应电解液的温度、压强、流量和储液罐液位等直接进行实时控制,才能保证钒电池可靠有效地运行,和电池堆运行安全。但是,目前还没有这样一个有效的控制***,严重影响了钒电池堆的实用性和产业化进程。
发明内容
本发明提供了一种能够按照电池功率的运行要求,对电池中反应电解液的温度、压强、流量、充放电电压、电流等直接进行实时控制的全钒液流电池堆控制***。
本发明主要是通过下述技术方案得以解决的:
一种全钒液流电池堆控制***,所述电池堆由若干个串联的全钒液流单电池构成,电池堆外设置有正电解液储液罐和负电解液储液罐,正电解液储液罐和负电解液储液罐分别通过正进液管路和负进液管路向单电池输入电解液、通过正出液管路和负出液管路将单电池内多余的电解液返出,所述控制***包括主控制器单元、传感器、数据采集单元、执行单元和流体泵:
传感器,用于测量电池堆反应时的实时工作参数;
数据采集单元,接受传感器的实时工作参数,将其转换为数字信号后、发送至主控制单元;
主控制单元,接收数字信号、并对其进行逻辑运算后,输出控制信号至执行单元;
执行单元,接受控制信号,驱动流体泵工作;
流体泵是两个、分别设置在正进液管路和负进液管路上,用于控制正电解液和负电解液的流量。
所述单电池由双极板、正极集电极、质子膜、负极集电极和双极板构成。
所述传感器包括:正储液罐液位传感器和负储液罐液位传感器,正进液管路、负进液管路、正出液管路和负出液管路上分别设置有:流量传感器、压强传感器和温度传感器,每个单电池上设置有电压传感器。
所述数据采集单元包括:1)与多个传感器相连的模/数转换模块;2)与单电池上设置的电压传感器相连的电压巡检仪。
所述主控制器单元包括:作为上位机的计算机PC和作为下位机的可编程控制器PLC,它们通过专用电缆相连接。
所述计算机PC硬件上至少包括显示器和数据储存介质,通过编写程序实现如下功能:1)与下位机PLC进行实时通讯;2)实时显示出电池堆运行状态数据;3)数据逻辑计算;4)保存所有数据到文件。
所述可编程控制器PLC内部需进行程序编制,程序功能至少包括:1)接收上位机指令和数据交换;2)收集模/数转换模块数据,对收集数据平均计算;3)通过收集数据与初始设定值进行逻辑运算后,给出相应指示报警灯信号;4)在PC机不通讯或不工作时,也能驱动电池堆完成充放电基本功能。
所述执行单元包括:1)与流体泵电机相连的变频器; 2)与多个指示报警灯相连的可编程控制器I/O模块。
所述可编程控制器I/O模块通过总线方式与变频器、指示报警灯相连接,该总线方式可以是RS-485总线方式、控制器局域网总线或可编程控制器内部总线中一种或多种混合总线方式。
本发明的创新的使用效果是:本发明解决了全钒液流电池堆工作状态变化较大,不能提供给负载性能稳定的电源,无法满足负载对电池功率的要求,防范电池堆过充和过放以及单个单电池电压过高造成电池堆损毁等安全技术问题。能够实时采集电池堆电压、电流和充放电状态,以及正负电解液流量、压强、进出口温度,由主控制器对这些数据进行综合的分析和处理,根据电池堆实时工作状态,作出判断,发出控制信号,控制正负电解液流体泵转速从而控制电解液流量,还控制报警指示灯开关,使电池堆稳定可靠、安全地运行,达到理想的电池性能,确保提供给负载性能稳定的符合要求的电源,从而提高全钒液流电池堆电池的实用价值和市场价值。
附图说明
图1是本发明的一种***连接结构示意图。
图2是本发明的一种电连接原理框图。
图中标号表示:1-单电池电压传感器、2-正液管路进液温度传感器、3-正液管路压强传感器、4-正液管路出液温度传感器、5-电池堆、6-正液储液罐液位传感器、7-正液流体泵、8-正液管路流量传感器、9-正液储液罐、10-负液储液罐、11-负液管路流量传感器、12-负液流体泵、13-负液储液罐液位传感器、14-负液管路出液温度传感器、15-负液管路进液温度传感器、16-负液管路压强传感器、17-电压、18-充放电电流、A-钒正极电解液入口、B-钒负极液入口、C-钒正极电解液出口、D-钒负极液出口。
具体实施方式
全钒液流电池堆5包括若干个堆叠起来的相串联的全钒液流单电池,每个单电池依次由双极板、正极集电极、质子膜、负极集电极和双极板构成。电池堆5设有正负电解液总管,分别连接正液储液罐9和负液储液罐10,正负电解液总管在每个单电池处又分解为多根分管,连接单电池上设置的钒正极电解液入口A、钒负极液入口B、钒正极电解液出口C、钒负极液出口D。正负电解液总管具体的结构如下:正液储液罐9和负液储液罐10分别通过正进液管路和负进液管路向单电池输入电解液、通过正出液管路和负出液管路将单电池内多余的电解液返出。
本发明的全钒液流电池堆控制***包括如下单元块:主控制器单元、数据采集单元、执行单元、传感器和流体泵(7、12)。具体的:
传感器,用于测量电池堆5反应时的实时工作参数;包括:正储液罐液位传感器6和负储液罐液位传感器13,正进液管路、负进液管路、正出液管路和负出液管路上分别设置有:流量传感器(8、11)、压强传感器(3、16)和温度传感器(2、15、4、14),每个单电池上设置有单电池电压传感器1。
数据采集单元,接受传感器的实时工作参数,将其转换为数字信号后、发送至主控制单元;包括:1)与多个传感器相连的模/数转换模块;2)与单电池电压传感器1相连的电压巡检仪。
主控制单元,接收数字信号、并对其进行逻辑运算后,输出控制信号至执行单元;作为上位机的计算机PC和作为下位机的可编程控制器PLC,它们通过专用电缆相连接。
执行单元,接受控制信号,驱动流体泵(7、12)工作;1)与流体泵(7、12)电机相连的变频器; 2)与多个指示报警灯相连的可编程控制器I/O模块。
流体泵(7、12)是两个、分别为:设置在正进液管路的正液流体泵7和设置在负进液管路上的负液流体泵12,用于控制正电解液和负电解液的流量,驱动正负液流动。
其中:
计算机PC硬件上至少包括显示器和数据储存介质,通过编写程序实现如下功能:1)与下位机PLC进行实时通讯;2)实时显示出电池堆5运行状态数据;3)数据逻辑计算;4)保存所有数据到文件。可编程控制器PLC内部需进行程序编制,程序功能至少包括:1)接收上位机指令和数据交换;2)收集模/数转换模块数据,对收集数据平均计算;3)通过收集数据与初始设定值进行逻辑运算后,给出相应指示报警灯信号;4)在PC机不通讯或不工作时,也能驱动电池堆5完成充放电基本功能。
数据采集单元和执行单元可以合并为一个单元——数据采集和执行单元,包括以下结构:1)与多个传感器相连的模/数转换模块;2)与正负电解液流体泵(7、12)电机相连的变频器;3)与单电池电压传感器1相连的电压巡检仪;4)与多个指示报警灯相连的可编程控制器I/O模块,所有上述模块带有总线通讯接口,可编程控制器通过总线通讯方式与多个数据采集和执行单元相连接。
流体泵(7、12)推动电解液分别从从正负储液罐管道出来后经流量传感器(8、11)、磁力泵、压强传感器(3、16)、进液温度传感器(2、15)、和钒电池堆5入口相连,出电池堆5后经出液温度传感器(4、14)后分别又回到正负储液罐(9、10),电解液单位流量通过变频器控制电机转速来控制,控制条件是根据电池堆5SOC状态,充放电电流18、电压17以及电池堆5单电池电压数据经逻辑运算取得。
可编程控制器I/O模块通过总线方式与变频器、指示报警灯相连接,该总线方式可以是RS-485总线方式、控制器局域网总线或可编程控制器内部总线中一种或多种混合总线方式。由于RS-485总线采用差分传输方式,具有可多点接入、抗现场干扰能力强特点,市场可选设备多,所有上述模块通过RS-485总线相接, PLC的I/O模块通过内部总线通讯,以保证输出的及时性和可靠性。保证内部反应时间小于50ms。使电池堆5工作在最佳温度点。
电池堆5每个单电池的连接有单电池电压传感器1,单电池电压传感器1的输出与所述的主控制器中的模/数转换模块相连。单电池进行电压检测,电压信号输送给主控制器中的模/数转换模块,转换成数字信号后再输送给数字信号处理模块,经过分析,作出判断,当单个电池电压值大于安全电压时,发出控制信号使整个***停止工作。防止出现电极和集电极损毁现象而烧坏钒电池堆5,确保***安全运行。
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本实施例的一种全钒液流储能电池堆5数据采集和控制***,如图1所示,本发明应用于一个5kw电池堆5,电池堆5包括40个层叠串联的全钒液流单电池,每个单电池依次由双极板、正极集电极、质子膜、负极集电极和双极板构成,电池堆5内设有正负电解液总管,每个单电池内部上设有钒正极电解液入口A、钒负极液入口B、钒正极电解液出口C、钒负极液出口D。电池堆5附属部件和传感器包括:正负液储液罐(9、10),储液罐液位传感器(6、13)、正负液管路上相同二套***,都包含流量传感器(8、11)、压强传感器(3、16)、进液温度传感器(2、15)和出液温度传感器(4、14)以及驱动正负液流动的流体泵(7、12);工作时,电解液由流体泵(7、12)推动分别从从正负储液罐管道出来后经流量传感器(8、11)、磁力泵、压强传感器(3、16)、进液温度传感器(2、15)、和钒电池堆5入口相连,出电池堆5后经出液温度传感器(4、14)后分别又回到正负储液罐(9、10),电解液单位流量通过变频器控制电机转速来控制,控制条件是根据电池堆5SOC状态,充放电电流18、电压17以及电池堆5单电池电压数据经逻辑运算取得。
如图2所示,控制采集***包括如下单元块:主控制器单元、数据采集和执行单元、管路传感器。所述的主控制器单元包括:作为上位机PC和作为下位机台达DVP-20EH型号PLC二部分构成控制***核心,它们之间通过PC机RS-232串口与PLC通讯口通过专用电缆相连接。在PC机上通过VB编制主程序;所述的数据采集和执行单元包括:1)二台八口A/D模块,传感器或变送器信号经数据转换成4~20mA后接入A/D模块;2)与正负电解液流体泵(7、12)电机相连的二台变频器;3)与电池堆5每个单电池相连的电压巡检仪;4)与多个指示报警灯相连的PLC的I/O模块。除I/O模块采取PLC内部总线通讯,PLC通过RS-485总线与多个上述模块相连接,模块单元分别指定不同的站号,采取MODBUS通讯协议交换数据。
工作过程:首先PLC设备初始化,采集各传感器数据,与内置数据比较,符合工作条件,启动流体泵(7、12)。在充放电正常工作状态下,PLC给出相应工作指示灯信号,PC机与PLC实时通讯,通过屏幕显示电池堆5运行图、采用模糊控制策略,经过分析和处理相关运行数据、计算的图表并将各类数据存盘。通过电池堆5采集数据计算电池堆5SOC值,结合电压和电流值给定最佳电解液流速,通过设定变频器值来实现。在故障状态时,流体泵(7、12)停止,给出相应故障报警。本例中即便PC没工作,PLC也能完成电池堆5充放电时启动和报警功能。通过这些程序,使电池堆5可安全有效地运行,达到理想的电池堆5性能,确保提供给负载性能稳定的的电源,从而提储能电池堆5的实用价值和市场价值,便于推广和应用。
Claims (9)
1. 一种全钒液流电池堆控制***,所述电池堆由若干个串联的全钒液流单电池构成,电池堆外设置有正电解液储液罐和负电解液储液罐,正电解液储液罐和负电解液储液罐分别通过正进液管路和负进液管路向单电池输入电解液、通过正出液管路和负出液管路将单电池内多余的电解液返出,其特征在于:所述控制***包括主控制器单元、传感器、数据采集单元、执行单元和流体泵:
传感器,用于测量电池堆反应时的实时工作参数;
数据采集单元,接受传感器的实时工作参数,将其转换为数字信号后、发送至主控制单元;
主控制单元,接收数字信号、并对其进行逻辑运算后,输出控制信号至执行单元;
执行单元,接受控制信号,驱动流体泵工作;
流体泵是两个、分别设置在正进液管路和负进液管路上,用于控制正电解液和负电解液的流量。
2.根据权利要求1所述的全钒液流电池堆控制***,其特征在于:所述单电池由双极板、正极集电极、质子膜、负极集电极和双极板构成。
3.根据权利要求1所述的全钒液流电池堆控制***,其特征在于:所述传感器包括:正储液罐液位传感器和负储液罐液位传感器,正进液管路、负进液管路、正出液管路和负出液管路上分别设置有:流量传感器、压强传感器和温度传感器,每个单电池上设置有电压传感器。
4.根据权利要求1所述的全钒液流电池堆控制***,其特征在于:所述数据采集单元包括:1)与多个传感器相连的模/数转换模块;2)与单电池上设置的电压传感器相连的电压巡检仪。
5.根据权利要求1所述的全钒液流电池堆控制***,其特征在于:所述主控制器单元包括:作为上位机的计算机PC和作为下位机的可编程控制器PLC,它们通过专用电缆相连接。
6.根据权利要求5所述的全钒液流电池堆控制***,其特征在于:所述计算机PC硬件上至少包括显示器和数据储存介质,通过编写程序实现如下功能:1)与下位机PLC进行实时通讯;2)实时显示出电池堆运行状态数据;3)数据逻辑计算;4)保存所有数据到文件。
7.根据权利要求5所述的全钒液流电池堆控制***,其特征在于:所述可编程控制器PLC内部需进行程序编制,程序功能至少包括:1)接收上位机指令和数据交换;2)收集模/数转换模块数据,对收集数据平均计算;3)通过收集数据与初始设定值进行逻辑运算后,给出相应指示报警灯信号;4)在PC机不通讯或不工作时,也能驱动电池堆完成充放电基本功能。
8.根据权利要求1所述的全钒液流电池堆控制***,其特征在于:所述执行单元包括:1)与流体泵电机相连的变频器;2)与多个指示报警灯相连的可编程控制器I/O模块。
9.根据权利要求5、7和8中任一项所述的全钒液流电池堆控制***,其特征在于:所述可编程控制器I/O模块通过总线方式与变频器、指示报警灯相连接,该总线方式可以是RS-485总线方式、控制器局域网总线或可编程控制器内部总线中一种或多种混合总线方式。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120425 |