CN220273344U - 用于测试的全钒液流电池充放电控制电路以及测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种用于测试的全钒液流电池充放电控制电路以及测试装置，所述放电控制电路包括充电控制电路、放电控制电路、采样电阻、充电电流放大电路和放电电流放大电路，充电控制电路的控制端用于连接控制器，充电控制电路的输入端用于连接电源端，充电控制电路的输出端用于连接待测电池的正极；放电控制电路的控制端用于连接控制器，放电控制电路的输入端用于连接待测电池的正极，放电控制电路的输出端与所述采样电阻的一端连接，采样电阻的另一端用于连接待测电池的负极；采样电阻的另一端，还分别与充电电流放大电路的输入端和放电电流放大电路的输入端连接；充电电流放大电路的输出端和放电电流放大电路的输出端，用于分别连接控制器。
Description
技术领域
本实用新型涉及全钒液流电池技术领域，具体的说，涉及了一种用于测试的全钒液流电池充放电控制电路以及测试装置。
背景技术
风能、太阳能等清洁能源规模逐渐增加，但其存在不稳定和不连续的问题，需要配置电能储能装置，才可实现连续、稳定的电能输出，因此电力储能装置受到了极大关注。在众多储能技术中，全钒液流电池因具有使用安全、寿命长、容量和功率可独立设计等优点，成为研究热点。
快速高效的测量单体全钒液流电池性能，对电池厂家大规模生产电池有重要意义；其中，充放电测试是一项重要的测试内容。《钒电池充放电测试***及测试方法研究》公开了一种电池充放电测试***，其主要包括上位机、直流电源和电子负载，上位机通过串口与电池监控保护装置、直流电源和负载通信，直流电源直接与全钒液流电池连接进行充电，全钒液流电池直接与电子负载连接进行放电，缺乏充放电控制电路，安全可靠性低。
需要说明的是，市场现有的充放电***，大部分是供锂电池测试使用，无法直接平替到全钒液流电池中。
因此，设计一种可用于全钒液流电池充放电控制的电路十分有必要。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种用于测试的全钒液流电池充放电控制电路以及测试装置，利用MOS管实现全钒液流电池充放电保护及控制，电路结构简单，便于调节。
为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，其包括充电控制电路、放电控制电路、采样电阻、充电电流放大电路和放电电流放大电路，其中，
所述充电控制电路的控制端用于连接控制器，所述充电控制电路的输入端用于连接电源端，所述充电控制电路的输出端用于连接待测电池的正极；
所述放电控制电路的控制端用于连接控制器，所述放电控制电路的输入端用于连接待测电池的正极，所述放电控制电路的输出端与所述采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端用于连接待测电池的负极；
所述采样电阻的另一端，还分别与所述充电电流放大电路的输入端和所述放电电流放大电路的输入端连接；所述充电电流放大电路的输出端和所述放电电流放大电路的输出端，用于分别连接控制器。
为了实现上述目的，本实用新型第二方面提供一种测试装置，其包括控制器以及上述的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，所述控制器与所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路连接，所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路设置在待测电池与电源端之间，用于进行充放电保护及信号检测。
本实用新型的有益效果为：
1）本实用新型提出了一种用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路连接在直流电源与待测电池之间，实现充放电控制及保护，安全可靠性高；
2）本实用新型还可以通过电平高低改变功率MOS管的导通角度，进而调节全钒液流电池的充放电状态和充放电电流；
3）本实用新型还设置有充电电流放大电路和放电电流放大电路，能够实现实时充电/放电电流采样功能；
4）本实用新型的第二充电控制电路与第一充电控制电路为并联的两个充电控制电路，在增加充电电流的同时，不会造成单MOS的因功耗过大而温升高的问题，提高了电路的稳定性；
5）本实用新型电路结构简单、安全可靠、成本低廉，且具有很好的防干扰能力。
附图说明
图1是本实用新型的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路的结构示意图；
图2是本实用新型的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路的电路原理图；
图3是本实用新型的测试装置的结构示意图一；
图4是本实用新型的测试装置的结构示意图二。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
如附图1所示，一种用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，其包括充电控制电路、放电控制电路、采样电阻、充电电流放大电路和放电电流放大电路，其中，
所述充电控制电路的控制端用于连接控制器，所述充电控制电路的输入端用于连接电源端，所述充电控制电路的输出端用于连接待测电池的正极；
所述放电控制电路的控制端用于连接控制器，所述放电控制电路的输入端用于连接待测电池的正极，所述放电控制电路的输出端与所述采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端用于连接待测电池的负极；
所述采样电阻的另一端，还分别与所述充电电流放大电路的输入端和所述放电电流放大电路的输入端连接；所述充电电流放大电路的输出端和所述放电电流放大电路的输出端，用于分别连接控制器。
具体的，所述采样电阻为冲压型采样电阻，作用是采集电路充放电过程中的该电阻两端的电压降；所述冲压型采样电阻的型号为ACR-11.3-7F，或者其他可以实现上述功能的电阻。
在一些实施例中，所述充电控制电路包括第一充电控制电路和第二充电控制电路，所述第一充电控制电路与所述第二充电控制电路并联连接。
如附图2所示，所述第一充电控制电路和所述第二充电控制电路的电路结构相同，均包括功率型MOS管、限流电阻和偏置电阻；所述功率型MOS管的漏极用于连接电源端，所述MOS管的栅极分别与所述偏置电阻的一端和所述限流电阻的一端连接，所述偏置电阻的另一端与所述功率型MOS管的源极连接，所述偏置电阻的另一端还用于与待测电池的正极连接，所述限流电阻的另一端用于连接控制器。
图2中的电源电压3V3、电流80A由电源模块VICOR将外部264W的DC48V降压得到，具体电路结构在此不再赘述；
图2中的电阻R2和电阻R12起限流作用，电阻R4和电阻R13的作用是防止静电损坏功率型MOS管Q1、Q2，并为功率型MOS管Q1、Q2提供固定偏置。
如附图2所示，所述放电控制电路包括功率型MOS管Q3、限流电阻R1、偏置电阻R3、功率电阻R6和功率电阻R7，所述功率电阻R6和所述功率电阻R7并联连接在所述功率型MOS管Q3的源极和接地端之间，所述功率型MOS管Q3的漏极用于与待测电池的正极连接，所述功率型MOS管Q3的栅极分别与所述偏置电阻R3的一端和所述限流电阻R1的一端连接，所述偏置电阻R3的另一端与接地端相连，所述限流电阻R1的另一端用于连接控制器。
图2中的电阻R3能够防止静电损坏MOS管Q3，并为MOS管Q3提供固定偏置；图2中的功率电阻R6、R7作用，为电池放电时电能消耗提供场所。
需要说明的是，通过向CD1输出高电平，使功率型MOS管Q1和Q2工作在放大区的某一放大值，为电池充电；电池充电时，电流的流动方向为：从电源模块VICOR的3V3出发经由功率型MOS管Q1和功率型MOS管Q2的漏极源极，到全钒液流电池的电池1+、电池1－，回到电源模块VICOR的GND1；
通过向FD1输出高电平，使功率型MOS管Q3工作在放大区的某一放大值，为电池放电；电池放电时，电流的流动方式从全钒液流电池的电池1+出发经由功率型MOS管Q3的漏极、源极，功率电阻R6、R7，回到全钒液流电池的电池1－。
需要说明的是，通过改变功率型MOS管Q1、Q2的栅极电压，改变功率型MOS管Q1、Q2的导通角度（导通程度），可以调节充电回路的电流；通过改变功率型MOS管Q3的栅极电压，改变Q3的导通角度（导通程度），可以调节放电回路的电流。
具体的，所述功率型MOS管（Q1、Q2、Q3）的型号为FQP65N06，或者其他可以实现上述功能的MOS管。
如附图2所示，所述充电电流放大电路包括运算放大器U1、电阻R5、电阻R9、电阻R10、电阻R11和电容C1，所述运算放大器U1的正输入端通过电阻R10连接所述采样电阻的另一端，所述运算放大器U1的负输入端通过电阻R9与接地端相连，所述运算放大器U1的两个输入端之间还连接有电阻R11；所述电阻R5和所述电容C1并联连接在所述运算放大器U1的负输入端和所述运算放大器U1的输出端之间，所述运算放大器U1的输出端用于连接控制器。
需要说明的是，电池充电时，所述冲压型采样电阻R8上的电压降经过充电电流放大电路，将充电电路的电流转换成电压信号并放大后进行输出，从而对充电电流进行采样。
可以理解，所述充电电流放大电路的放大倍数与运算放大器及相应电阻参数有关；如，在运算放大器U1采用OPA188AIDBVT、电阻R5的阻值为16KΩ、电阻R9的阻值为1KΩ、电阻R10的阻值为1KΩ、电阻R11的阻值为16KΩ，此时所述充电电流放大电路将充电过程中采样电阻压降放大16倍。
如附图2所示，所述放电电流放大电路包括运算放大器U2、电阻R14、电阻R15和电阻R16，所述运算放大器U2的正输入端通过电阻R15与接地端相连，所述运算放大器U2的负输入端通过电阻R14连接所述采样电阻的另一端，所述电阻R16连接在所述运算放大器U2的负输入端和所述运算放大器U2的输出端之间，所述运算放大器U2的输出端用于连接控制器。
需要说明的是，电池放电时，所述冲压型采样电阻R8上的电压降经过所述放电电流放大电路，将放电电路的电流转换成电压信号并放大后进行输出，从而对放电电流进行采样。
可以理解，所述放电电流放大电路的放大倍数也与运算放大器及相应电阻参数有关；如，在运算放大器U2采用OPA188AIDBVT、电阻R14的阻值为1KΩ、电阻R15的阻值为1KΩ和电阻R16的阻值为16KΩ，此时所述放电电流放大电路将放电过程中采样电阻压降放大16倍。
具体的，所述运算放大器U1、U2的供电24V1、GND1由外部开关电源提供。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例给出了一种全钒液流电池的测试装置的具体实施方式。
如附图3所示，所述测试装置包括控制器以及实施例1中的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，所述控制器与所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路连接，所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路设置在待测电池与电源端之间，用于进行充放电保护及信号检测。
具体的，所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路的数量大于等于1；需要说明的是，实施例1中的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路设置在PCB板上，作为实现电池充放电控制的控制电路板；每个控制电路板上的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路数量，可以根据需要进行设置。
在一些实施例中，所述控制器为PLC控制器，所述PLC控制器还与触摸屏连接，所述触摸屏用于输出调节指令；可以理解，用户通过触摸屏将控制指令发送到PLC控制器，PLC控制器将电平信号发送到控制电路板，控制电路板根据电平高低改变功率MOS管的导通角度，进而控制全钒液流电池的充放电状态和充放电电流。
具体的，所述触摸屏为触摸屏SMART 700 IE V3，所述PLC控制器为西门子PLC，西门子PLC和触摸屏通过以太网连接；可在触摸屏SMART 700 IE V3中设置控制电路板的充放电模式和充放电电流大小。
如附图4所示，一个PLC控制器与n个控制电路板连接，一个控制电路板上设置有3路用于测试的全钒液流电池充放电控制电路（3路充放电控制电路的电路结构相同，如附图2所示），可同时为3n块全钒液流电池进行充放电控制；
图2中的CD1和GND1为一路用于测试的全钒液流电池充放电控制电路的充电电流控制端，接PLC控制器的模拟量输出口AO1+、AO1－，图2中的FD1和GND1为一路用于测试的全钒液流电池充放电控制电路的放电电流控制端，接PLC控制器的模拟量输出口AO2+、AO2－。图2中的电池1+、电池1－分并联两路，一路接全钒液流电池的正负电极为充放电回路提供电流通道，一路接PLC控制器的模拟量输入口AI1+、AI1－实时读取电池电压。充电电流1+、GND1接PLC控制器的模拟量输入口AI2+、AI2－，放电电流1+、GND1接PLC的模拟量输入口AI3+、AI3－；
上述电气符号CD1、电池1+、电池1－、FD1、充电电流1+、放电电流1+、24V1、GND1是控制电路板和PLC控制器的连接部分，电气符号电池1+、电池1－是控制电路板和全钒液流电池的连接部分。
可以理解，利用触摸屏手动设置充放电模式为充电模式，充电电流为I1A时，将指令发送到PLC控制器中，PLC控制器使模拟量输出口AO1输出固定电压值V1，该电压值V1使MOS工作在放大区的某一放大值a。通过控制Q1、Q2的栅极电压，改变Q1、Q2的导通角度，从而改变充电回路的电流。充电模式下电流的流动方式从电源模块VICOR的3V3出发经由Q1和Q2的漏极源极，到全钒液流电池的电池1+、电池1－，回到电源模块VICOR的GND1。充电电流放大电路，将充电电路的电流转换成电压信号并放大后传送到PLC控制器的AI2中。在其他实施例中，PLC控制器还可以将读取到值转换成电流值I2，与触摸屏设置的充电电流I1经过PID控制达到稳定充电电流的作用。
利用触摸屏手动设置充放电模式为放电模式，充电电流为I3A时，将指令发送到PLC控制器中，PLC控制器使模拟量输出口AO2输出固定电压值V2，该电压值V2使MOS管工作在放大区的某一放大值b。通过控制Q3的栅极电压，改变Q3的导通角度，从而改变放电回路的电流。放电模式下电流的流动方式从全钒液流电池的电池1+出发经由Q1的漏极、源极，功率电阻R6、R7，回到全钒液流电池的电池1－。放电电流放大电路，将放电电路的电流转换成电压信号并放大后传送到PLC控制器的AI3中。在其他实施例中，PLC控制器将读取到值转换成电流值I4，与触摸屏设置的放电电流I3经过PID控制达到稳定放电电流的作用。
全钒液流的实时充放电电压值，通过PLC控制器的模拟量输入口AI1+、AI1－读取。该控制电路板可同时供三块全钒液流电池充放电，此***电路中，电气符号GND1与电池1－不能短接，GND1、GND2、GND3等电位，可短接。每路全钒液流电池充放电控制电路，可以为充电电流为20A的电池进行充放电性能测试；可以理解，CD2和GND2为二路全钒液流电池充放电控制电路的充电电流控制端，FD2和GND2为二路全钒液流电池充放电控制电路的放电电流控制端；CD3和GND3为三路全钒液流电池充放电控制电路的充电电流控制端，FD3和GND3为三路全钒液流电池充放电控制电路的放电电流控制端。
在其他实施例中，如果需要为充电电流为60A电流的电池进行充放电性能测试，则需要将三路充放电控制端口CD1、CD2、CD3并联，FD1、FD2、FD3并联，电池接线端口电池1+、电池2+、电池3+并联，电池1－、电池2－、电池3－并联。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，其特征在于：包括充电控制电路、放电控制电路、采样电阻、充电电流放大电路和放电电流放大电路，其中，
所述充电控制电路的控制端用于连接控制器，所述充电控制电路的输入端用于连接电源端，所述充电控制电路的输出端用于连接待测电池的正极；
所述放电控制电路的控制端用于连接控制器，所述放电控制电路的输入端用于连接待测电池的正极，所述放电控制电路的输出端与所述采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端用于连接待测电池的负极；
所述采样电阻的另一端，还分别与所述充电电流放大电路的输入端和所述放电电流放大电路的输入端连接；所述充电电流放大电路的输出端和所述放电电流放大电路的输出端，用于分别连接控制器。
2.根据权利要求1所述的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，其特征在于：所述充电控制电路包括第一充电控制电路和第二充电控制电路，所述第一充电控制电路与所述第二充电控制电路并联连接。
3.根据权利要求2所述的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，其特征在于：所述第一充电控制电路和所述第二充电控制电路的电路结构相同，均包括功率型MOS管、限流电阻和偏置电阻；
所述功率型MOS管的漏极用于连接电源端，所述MOS管的栅极分别与所述偏置电阻的一端和所述限流电阻的一端连接，所述偏置电阻的另一端与所述功率型MOS管的源极连接，所述偏置电阻的另一端还用于与待测电池的正极连接，所述限流电阻的另一端用于连接控制器。
4.根据权利要求1所述的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，其特征在于：所述放电控制电路包括功率型MOS管Q3、限流电阻R1、偏置电阻R3、功率电阻R6和功率电阻R7，
所述功率电阻R6和所述功率电阻R7并联连接在所述功率型MOS管Q3的源极和接地端之间，所述功率型MOS管Q3的漏极用于与待测电池的正极连接，所述功率型MOS管Q3的栅极分别与所述偏置电阻R3的一端和所述限流电阻R1的一端连接，所述偏置电阻R3的另一端与接地端相连，所述限流电阻R1的另一端用于连接控制器。
5.根据权利要求1所述的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，其特征在于：所述充电电流放大电路包括运算放大器U1、电阻R5、电阻R9、电阻R10、电阻R11和电容C1，
所述运算放大器U1的正输入端通过电阻R10连接所述采样电阻的另一端，所述运算放大器U1的负输入端通过电阻R9与接地端相连，所述运算放大器U1的两个输入端之间还连接有电阻R11；
所述电阻R5和所述电容C1并联连接在所述运算放大器U1的负输入端和所述运算放大器U1的输出端之间，所述运算放大器U1的输出端用于连接控制器。
6.根据权利要求1所述的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，其特征在于：所述放电电流放大电路包括运算放大器U2、电阻R14、电阻R15和电阻R16，
所述运算放大器U2的正输入端通过电阻R15与接地端相连，所述运算放大器U2的负输入端通过电阻R14连接所述采样电阻的另一端，所述电阻R16连接在所述运算放大器U2的负输入端和所述运算放大器U2的输出端之间，所述运算放大器U2的输出端用于连接控制器。
7.一种测试装置，其特征在于：包括控制器以及权利要求1至6任一项所述的用于测试的全钒液流电池充放电控制电路，所述控制器与所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路连接，所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路设置在待测电池与电源端之间，用于进行充放电保护及信号检测。
8.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于：所述控制器为PLC控制器。
9.根据权利要求8所述的测试装置，其特征在于：所述PLC控制器还与触摸屏连接，所述触摸屏用于输出调节指令。
10.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于：所述用于测试的全钒液流电池充放电控制电路的数量大于等于1。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |