CN201435423Y - 通信用全钒液流电池*** - Google Patents

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Abstract

一种通信用全钒液流电池***替代传统铅酸蓄电池。该***除电池堆外，还配置储液罐、循环泵、温控***和控制器。其工作过程是循环泵把正极电解液从储液罐抽出，通过阀门，注入电池堆，在电池堆内实施电解液的离子交换，完成充放电工作后，进入温控***，使电解液温度保持在0～45℃之间，然后返回至正极储液罐。负极电解液的工作过程与正极相同。循环泵和电池堆采用冗余技术，提高供电***的可靠性。温控***由电解液热交换器和半导体致冷组件组成，通过半导体致冷组件正向或反向通电，对电解液实施冷却或加热。由于该***工作可靠，使用寿命长，允许过充过放，无酸雾泄露，废弃物处理不存在对环境的污染，值得在通信***中推广应用。

Description

通信用全钒液流电池***
所属技术领域
本实用新型涉及一种通信用全钒液流电池***，可应用于通信领域中作为备用电源，来替代目前使用的铅酸蓄电池组，属于电池技术领域。
背景技术
为了保证通信网络的安全、可靠的运行，要求通信***中的供电***具备高可靠性，为此配备了备用电源，以防止交流市电停电时造成的通信中断。当前通信***中的备用电源采用铅酸蓄电池组。
在交流市电停电时，由备用电源向通信主机供电，维持通信网络的正常运行；当交流市电恢复正常时，通过整流器向通信主机供电的同时，向备用电源-蓄电池组充电。
通常铅酸蓄电池充放电寿命大约为1200次，如果每天充放电一次，可用三年左右，由于电力供应不足，很多地区一天因限电而停电多次，特别在高峰用电时段，拉闸限电频繁，许多通信***电池寿命小于2年。而通信运营商要求蓄电池寿命至少在5年以上，蓄电池厂商难以保证，在通信***中因铅酸蓄电池寿命短、维护要求高而成为使用总成本中最高的部分。
铅酸蓄电池不允许深度放电，一旦过放电，铅酸蓄电池内部会形成硫酸铅，蓄电池很快因失效而报废。同时，经常因充电不足，也会造成铅酸蓄电池内部硫化而导致蓄电池提前报废。因此要提高铅酸蓄电池组使用寿命，必须执行正确的运行规程，但往往也是运行管理者难以做到的。为此，通信运营商和铅酸蓄电池厂商一直在研究电池当前容量和对可放电时间的预测，但由于铅酸蓄电池的电化学反应复杂，这种预测误差很大，常常会误导使用者而适得其反。
铅酸蓄电池组在市电正常供电时，处于浮充状态。由于铅酸蓄电池内部自放电现象常使蓄电池实际容量不断下降，导致市电停电时，蓄电池放电时间大为减少，不能满足通信***备用时间要求。
当前通信***铅酸蓄电池用量很大，而且每隔3至5年有一大批需要报废，如何对这些废弃蓄电池实施环保处理，也是当前环保面临解决的课题。
就目前技术水平而言，要克服铅酸蓄电池上述种种缺点尚不可能，因此通信***选用铅酸蓄电池组作为备用电源尽管是不够理想的，但在目前也是不得已的选择。
发明内容
为了克服在通信***中采用铅酸蓄电池组作为备用电源存在的一系列缺点，本实用新型提供了一种通信用全钒液流电池***，该***具有能量转换效率高、工作可靠、使用寿命长、允许过充过放、无酸雾泄露、电池废弃物处理不存在对环境的污染等优点，可替代传统通信用铅酸蓄电池组。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
1.采用全钒液流电池来替代目前传统使用于通信***备用电源之中的铅蓄电池组。全钒液流电池是采用液体电解液作为电池堆储能的活性物质，电解液允许长期储存和循环使用，不变质，不存在传统铅酸蓄电池组在电极反应时涉及到一种固相物质向另一种固相物质的转换，若充放电运行不规范，出现过充过放，铅酸蓄电池均可出现电池堆的损坏，降低使用寿命等不良现象。全钒液流电池从原理上优势胜过了铅酸蓄电池。
2.为了实现全钒液流电池***正常工作，构建工作平台，除了电池堆以外，还需配置正、负电解液储液罐，正、负电解液循环泵，温控***和控制器等。电池***的工作过程是：正极循环泵把储存在正极储液罐中的正极电解液抽出，通过一系列阀门，注入电池堆，在电池堆内实施电解液的离子交换，完成充放电工作后，进入温控***，使电解液保持在最佳工作温度范围内，然后返回至正极储液罐。负极的工作过程与正极相同。
本发明是一种通信用全钒液流电池***，其特征是：正极电解液储液罐(1)分别与正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)的进口端相连，正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)的出口分别与正极电解液单向阀(17)和正极电解液单向阀(18)相连，正极电解液单向阀(17)与正极电解液单向阀(18)的另一端分别连接到阀门(37)和阀门(38)的进口，阀门(37)和阀门(38)的出口合在一起后分别与阀门(39)和阀门(47)一端相连，其阀门(39)和阀门(47)的另一端与全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的A侧进口相连，两个全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的A侧出口与阀门(41)与阀门(49)相连，阀门(41)与阀门(49)另一端合在一起后与阀门(43)和阀门(44)进口相连，阀门(43)另一端与正极电解液热交换器(13)进口相连，阀门(44)的出口和正极电解液热交换器(13)的出口连接后直接排入正极电解液储液罐(1)中，形成了正极电解液循环回路；负极电解液储液罐(2)分别与负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)的进口端相连，负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)的出口分别与负极电解液单向阀(19)和负极电解液单向阀(20)相连，负极电解液单向阀(19)与负极电解液单向阀(20)的另一端分别连接到阀门(45)和阀门(46)的进口，阀门(45)和阀门(46)的出口合在一起后分别与阀门(40)和阀门(48)一端相连，其阀门(40)和阀门(48)的另一端与全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的B侧进口相连，两个全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的B侧出口与阀门(42)与阀门(50)相连，阀门(42)与阀门(50)另一端合在一起后与阀门(51)和阀门(52)进口相连，阀门(51)另一端与负极电解液热交换器(14)进口相连，阀门(52)的出口和正极电解液热交换器(14)的出口连接后直接排入负极电解液储液罐(2)中，形成了负极电解液循环回路。
3.全钒液流电池的电解液需要保持在0～45℃的温度范围内，以防止电解液的沉淀或析出，从而影响全钒液流电池的正常工作。因此在该***内配置温控***，它由电解液热交换器和半导体致冷组件组成。利用半导体致冷组件正向或反向通电来实现电解液的冷却或加热，热量的交换在电解液热交换器中进行。当电解液的温度低于下限温度时，控制器控制半导体致冷组件反向通电作为加热器对***进行加热；当温度高于上限温度时，控制器控制半导体致冷器组件正向通电作为致冷器对***进行冷却；使其能适应不同气候条件的地区和不同使用环境条件下使用。
温度控制技术方案是：正极电解液热交换器(13)的两侧均贴有半导体致冷组件(33)，由开关电源(35)输出的直流电源向半导体致冷组件(33)供电，在半导体致冷组件(33)下面安装正极电解液热交换器风扇(15)，对半导体致冷组件(33)正向通电还是反向通电决定了半导体致冷组件(33)处于制冷工况还是加热工况，这种控制是由控制器(26)通过导线(61)控制继电器(31)来实现的，正极电解液热交换器(13)通过正极电解液热交换器风扇(15)和半导体致冷组件(33)一起实施正极电解液温度控制；负极电解液热交换器(14)的两侧均贴有半导体致冷组件(34)，由开关电源(35)输出的直流电源向半导体致冷组件(34)供电，在半导体致冷组件(34)下面安装负极电解液热交换器风扇(16)，对半导体致冷组件(34)正向通电还是反向通电决定了半导体致冷组件(34)处于制冷工况还是加热工况，这种控制是由控制器(26)通过导线(67)控制继电器(32)来实现的，负极电解液热交换器(14)通过负极电解液热交换器风扇(16)和半导体致冷组件(34)一起实施负极电解液温度控制。
4.信用直流供电***要求工作可靠，不断电，以保证通信畅通。为此，在本全钒液流电池***中采用冗余技术，对一些关键部件如电解液循环泵和电池堆均有备份，当某个部件出现故障时，立即切换以保证***连续工作。
***冗余技术方案是：正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)分别由正极电解液循环泵电机(9)和正极电解液循环泵电机(10)驱动，它们互为备份，它们的启动、停止及故障切换均由控制器(26)通过导线(54)和导线(55)来控制实施；负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)分别由负极电解液循环泵电机(11)和负极电解液循环泵电机(12)驱动，它们互为备份，它们的启动、停止及故障切换均由控制器(26)通过导线(58)和导线(59)来控制实施。
5.实现电池堆正常充放电，保证***可靠供电，在全钒液流电池***中还配备了一个控制器，它的功能如下：
1)控制电池堆的充电和放电过程
2)根据气候环境条件和电池堆工作状态，控制电解液温度，实施温控***的加热或冷却
3)控制电解液循环泵的启停
4)测量储能***的工作状态、告警状态等参数，并显示和告警
5)实现远程遥测、遥信、遥控和遥调
***控制技术方案是：在正极电解液储液罐(1)上分别安装了正极电解液储液罐液位计(21)和正极电解液储液罐温度传感器(23)，它们的输出信号通过导线(68)和导线(53)传给控制器(26)来实现显示和控制；在负极电解液储液罐(2)上分别安装了正极电解液储液罐液位计(22)和正极电解液储液罐温度传感器(24)，它们的输出信号通过导线(69)和导线(57)传给控制器(26)来实现显示和控制。
6.全钒液流电池***采用模块化设计，把整个***设计成机柜形式，其占地面积小于或等于同等容量的铅酸蓄电池组，便于安装、运输和维护。
本实用新型的有益效果是：
1.全钒液流电池***作为通信的***的备用电源，使用寿命长，降低了通信***的供电运行成本；
2.不存在铅酸蓄电池泄漏酸雾的现象和废弃铅酸蓄电池的环保处理问题；
3.能深度放电、过充电以及欠充，均不会造成对全钒液流电池不可逆的损伤；
4.全钒液流电池***采用冗余技术，对重要关键部件采用备份，使工作可靠性更高，使通信***的可靠性得到进一步加强；
5.全钒液流电池***的自动化程度高，运行管理简单。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
图1为通信用全钒液流电池***原理示意图。
图1中：
1.正极电解液储液罐                2.负极电解液储液罐
3.全钒液流电池堆                  4.全钒液流电池堆(备份)
5.正极电解液循环泵                6.正极电解液循环泵(备份)
7.负极电解液循环泵                8.负极电解液循环泵(备份)
9.正极电解液循环泵电机            10.正极电解液循环泵电机(备份)
11.负极电解液循环泵电机           12.负极电解液循环泵电机(备份)
13.正极电解液热交换器             14.负极电解液热交换器
15.正极电解液热交换器风扇         16.负极电解液热交换器风扇
17.正极电解液单向阀               18.正极电解液单向阀(备份)
19.负极电解液单向阀               20.负极电解液单向阀(备份)
21.正极电解液储液罐液位计         22.负极电解液储液罐液位计
23.正极电解液储液罐温度传感器     24.负极电解液储液罐温度传感器
25.室温温度传感器                 26.控制器
27.负载                           28.电流传感器
29.电压传感器                     30.接触器
31.继电器(正极侧)                 32.继电器(负极侧)
33.半导体致冷组件(正极侧)         34.半导体致冷组件(负极侧)
35.开关电源                       36.整流器
37.阀门                           38.阀门
39.阀门                           40.阀门
41.阀门                           42.阀门
43.阀门                           44.阀门
45.阀门                           46.阀门
47.阀门                           48.阀门
49.阀门                               50.阀门
51.阀门                               52.阀门
53.控制线                             54.控制线
55.控制线                             56.控制线
57.控制线                             58.控制线
59.控制线                             60.控制线
61.控制线                             62.控制线
63.控制线                             64.控制线
65.控制线                             66.控制线
67.控制线                             68.控制线
69.控制线
具体实施方式
参照图1，正极电解液储液罐(1)分别与正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)的进口端相连，正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)的出口分别与正极电解液单向阀(17)和正极电解液单向阀(18)相连，正极电解液单向阀(17)与正极电解液单向阀(18)的另一端分别连接到阀门(37)和阀门(38)的进口，阀门(37)和阀门(38)的出口合在一起后分别与阀门(39)和阀门(47)一端相连，其阀门(39)和阀门(47)的另一端与全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的A侧进口相连，两个全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的A侧出口与阀门(41)与阀门(49)相连，阀门(41)与阀门(49)另一端合在一起后与阀门(43)和阀门(44)进口相连，阀门(43)另一端与正极电解液热交换器(13)进口相连，阀门(44)的出口和正极电解液热交换器(13)的出口连接后直接排入正极电解液储液罐(1)中，形成了正极电解液循环回路；正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)分别由正极电解液循环泵电机(9)和正极电解液循环泵电机(10)驱动；正极电解液热交换器(13)的两侧均贴有半导体致冷组件(33)，对致冷组件正向通电还是反向通电来决定了半导体致冷器组件处于制冷工况还是加热工况，这种控制是由继电器(31)来完成的；正极电解液热交换器风扇(15)与半导体致冷组件(33)一起实施正极电解液的温度控制；在正极电解液储液罐(1)上分别安装正极电解液储液罐液位计(21)和正极电解液储液罐温度传感器(23)。
负极电解液储液罐(2)分别与负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)的进口端相连，负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)的出口分别与负极电解液单向阀(19)和负极电解液单向阀(20)相连，负极电解液单向阀(19)与负极电解液单向阀(20)的另一端分别连接到阀门(45)和阀门(46)的进口，阀门(45)和阀门(46)的出口合在一起后分别与阀门(40)和阀门(48)一端相连，其阀门(40)和阀门(48)的另一端与全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的B侧进口相连，两个全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的B侧出口与阀门(42)与阀门(50)相连，阀门(42)与阀门(50)另一端合在一起后与阀门(51)和阀门(52)进口相连，阀门(51)另一端与负极电解液热交换器(14)进口相连，阀门(52)的出口和正极电解液热交换器(14)的出口连接后直接排入负极电解液储液罐(2)中，形成了负极电解液循环回路；负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)分别由负极电解液循环泵电机(11)和负极电解液循环泵电机(12)驱动；负极电解液热交换器(14)的两侧均贴有半导体致冷组件(34)，对致冷组件正向通电还是反向通电决定了半导体致冷器组件处于制冷工况还是加热工况，这种控制是由继电器(32)来完成的；负极电解液热交换器(14)由负极电解液热交换器风扇(16)与半导体致冷组件(34)一起实施负极电解液的温度控制；在负极电解液储液罐(2)上分别安装负极电解液储液罐液位计(22)和负极电解液储液罐温度传感器(24)。
全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的两正极和两负极分别用导线并联，在负极连接线上串联电流传感器(28)，在正、负极之间并联电压传感器(29)；正极和负极连接线分别与整流器(36)和负载(27)相连，构成全钒液流电池电气充放电回路。
开关电源(35)实为直流-直流转换器，把全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的直流电压转换为直流24V。开关电源(35)的输入端与整流器(36)正、负极相连，它的输出端分别与继电器(31)和继电器(32)相连。
室温温度传感器(25)是测量机柜内温度之用。
控制器(26)分别用导线(53)、导线(54)、导线(55)、导线(56)、导线(57)、导线(58)、导线(59)、导线(60)、导线(61)、导线(62)、导线(63)、导线(64)、导线(65)、导线(66)、导线(67)、导线(68)、导线(69)与正极电解液储液罐温度传感器(23)、正极电解液循环泵电机(9)、正极电解液循环泵电机(10)、正极电解液热交换器风扇(15)、负极电解液储液罐温度传感器(24)、负极电解液循环泵电机(11)、负极电解液循环泵电机(12)、负极电解液热交换器风扇(16)、继电器(31)、电压传感器(29)、电流传感器(28)、继电器(32)、室温温度传感器(25)实现电连接，构成电气控制回路。
下面分全钒液流电池***充电和放电两个工况来说明该***的工作原理。
充电工况：
当市电处在正常供电状态时，在控制器(26)控制下，使接触器(30)合闸，使整流器(36)输出直流电源，向负载(27)供电，同时在控制器(26)控制下使全钒液流电池***处在充电状态之下。首先，正极电解液循环泵电机(9)上电运转，驱动正极电解液循环泵(5)，并从正极电解液储液罐(1)中抽出正极电解液，通过正极电解液单向阀(17)和阀门(37)、阀门(39)和阀门(47)将电解液注入全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的A侧；与此过程同时进行的是，负极电解液循环泵电机(11)上电运转，驱动负极电解液循环泵(7)，并从负极电解液储液罐(2)中抽出负极电解液，通过负极电解液单向阀(19)、阀门(45)、阀门(48)和阀门(40)将电解液注入全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的B侧；若全钒液流电池堆的正极和负极处在充电状态，此时全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)内发生下列电化学反应：在A侧(正极端)电解液中的活性物质V+4离子获得正电荷成为V+5离子，而H+通过质子交换膜使处在B侧(负极端)电解液中的活性物质V+3离子因获得电子而成为V+2离子；构成充电回路的同时把电能储存到电解液之中，此时，正负电极之间电位差升高，随着充电过程的进展，电位差进一步升高，当达到规定值，在控制器(26)的控制下充电过程将转入浮充状态。
放电工况：
当市电停电时，接触器(30)因失电自行分闸，使整流器(36)无直流电源输出，此时，全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)立即向负载(27)供电；与此同时，在控制器(26)控制下正极电解液循环泵(5)和负极电解液循环泵(7)在正极电解液循环泵电机(9)和负极电解液循环泵电机(11)的驱动下立即投入工作；电解液循环过程与充电过程循环完全一样，但全钒液流电池堆中的电化学反应却不同，在A侧(正极端)电解液中的活性物质V+5离子获得电子成为V+4离子，B侧(负极端)电解液中的活性物质V+2离子因失去电子而成为V+3离子。电池内部通过H+导电形成放电回路，把储存在电解液中活性物质的电能释放出来，向负载(27)输出电能；此时，正负电极之间电位差下降，随着放电过程的进展，电位差进一步下降，当达到规定值，放电过程将停止；一般来说，电池组的容量设计，是以保证电池组放电时间大于市电中断时间，只有这样才能保证通信***的不间断运行；当市电来电时，在控制器(26)控制下，***立即进入充电状态，全钒液流电池***停止向负载供电。

Claims (4)

1、一种通信用全钒液流电池***，其特征是：正极电解液储液罐(1)分别与正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)的进口端相连，正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)的出口分别与正极电解液单向阀(17)和正极电解液单向阀(18)相连，正极电解液单向阀(17)与正极电解液单向阀(18)的另一端分别连接到阀门(37)和阀门(38)的进口，阀门(37)和阀门(38)的出口合在一起后分别与阀门(39)和阀门(47)一端相连，其阀门(39)和阀门(47)的另一端与全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的A侧进口相连，两个全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的A侧出口与阀门(41)与阀门(49)相连，阀门(41)与阀门(49)另一端合在一起后与阀门(43)和阀门(44)进口相连，阀门(43)另一端与正极电解液热交换器(13)进口相连，阀门(44)的出口和正极电解液热交换器(13)的出口连接后直接排入正极电解液储液罐(1)中，形成了正极电解液循环回路；负极电解液储液罐(2)分别与负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)的进口端相连，负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)的出口分别与负极电解液单向阀(19)和负极电解液单向阀(20)相连，负极电解液单向阀(19)与负极电解液单向阀(20)的另一端分别连接到阀门(45)和阀门(46)的进口，阀门(45)和阀门(46)的出口合在一起后分别与阀门(40)和阀门(48)一端相连，其阀门(40)和阀门(48)的另一端与全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的B侧进口相连，两个全钒液流电池堆(3)和全钒液流电池堆(4)的B侧出口与阀门(42)与阀门(50)相连，阀门(42)与阀门(50)另一端合在一起后与阀门(51)和阀门(52)进口相连，阀门(51)另一端与负极电解液热交换器(14)进口相连，阀门(52)的出口和正极电解液热交换器(14)的出口连接后直接排入负极电解液储液罐(2)中，形成了负极电解液循环回路。
2、根据权利要求1所述的通信全钒液流电池***，其特征是：正极电解液热交换器(13)的两侧均贴有半导体致冷组件(33)，由开关电源(35)输出的直流电源向半导体致冷组件(33)供电，在半导体致冷组件(33)下面安装正极电解液热交换器风扇(15)，对半导体致冷组件(33)正向通电还是反向通电决定了半导体致冷组件(33)处于制冷工况还是加热工况，这种控制是由控制器(26)通过导线(61)控制继电器(31)来实现的，正极电解液热交换器(13)通过正极电解液热交换器风扇(15)和半导体致冷组件(33)一起实施正极电解液温度控制；负极电解液热交换器(14)的两侧均贴有半导体致冷组件(34)，由开关电源(35)输出的直流电源向半导体致冷组件(34)供电，在半导体致冷组件(34)下面安装负极电解液热交换器风扇(16)，对半导体致冷组件(34)正向通电还是反向通电决定了半导体致冷组件(34)处于制冷工况还是加热工况，这种控制是由控制器(26)通过导线(67)控制继电器(32)来实现的，负极电解液热交换器(14)通过负极电解液热交换器风扇(16)和半导体致冷组件(34)一起实施负极电解液温度控制。
3、根据权利要求1所述的通信全钒液流电池***，其特征是：正极电解液循环泵(5)和正极电解液循环泵(6)分别由正极电解液循环泵电机(9)和正极电解液循环泵电机(10)驱动，它们互为备份，它们的启动、停止及故障切换均由控制器(26)通过导线(54)和导线(55)来控制实施；负极电解液循环泵(7)和负极电解液循环泵(8)分别由负极电解液循环泵电机(11)和负极电解液循环泵电机(12)驱动，它们互为备份，它们的启动、停止及故障切换均由控制器(26)通过导线(58)和导线(59)来控制实施。
4、根据权利要求1所述的通信全钒液流电池***，其特征是：在正极电解液储液罐(1)上分别安装了正极电解液储液罐液位计(21)和正极电解液储液罐温度传感器(23)，它们的输出信号通过导线(68)和导线(53)传给控制器(26)来实现显示和控制；在负极电解液储液罐(2)上分别安装了正极电解液储液罐液位计(22)和正极电解液储液罐温度传感器(24)，它们的输出信号通过导线(69)和导线(57)传给控制器(26)来实现显示和控制。
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