釩電池管理系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及釩電池領域，具體為一種釩電池管理系統，尤其是針對釩電池的運行管理系統，解決普通蓄電池管理系統不具備多種參數檢測功能等問題。釩電池管理系統主要包括：電池管理主控制器，以及分別與電池管理主控制器相連的與電壓采集單元、電解液檢測單元、控制單元、報警單元和通訊單元。通過服務器監控管理模塊的人機接口為電池管理主控制器設置工作模式和報警指數，通過INTERNET通信模塊定時或實時向服務器監控管理模塊傳送釩電池實時運行數據，電池管理主控制器根據服務器監控管理單模塊傳送的模式、工作指數和工作指令進行操作。本發明可用于全天候監測單電池電壓、電池堆總壓、充放電電流等，實現釩電池的監控管理。
【專利說明】釩電池管理系統
【技術領域】:
[0001]本發明涉及釩電池領域，具體為一種釩電池管理系統，尤其是針對釩電池的運行
管理系統。
【背景技術】:
[0002]釩電池管理系統是一種將風能、太陽能等能源與化學能進行能量轉換和儲存的系統，管理系統的主要單元是釩電池。與鉛酸電池等傳統電池相比，在電池的內外部結構和運行模式上具有獨特性，在性能上更適用于風能、太陽能等大規模儲能電站及智能電網調峰等應用場合。電池電堆是根據所需電功率大小，由數量不一的單電池按順序排列組裝而成。電池電堆的輸出功率由電池電板的總面積決定，電池的容量由電解溶液的總容量決定。
[0003]普通蓄電池管理裝置僅可測量電池電壓、單電內阻、溫度、充放電電流等數據，可對生成的數據進行存儲，內阻和報警事件可以超限報警，但這些功能遠遠不能滿足釩電池運行管理的需要。
[0004]釩電池(VRB)是一種可以流動的電池，目前正在逐步進入商用化階段。VRB作為一種化學的能源存儲技術，和傳統的鉛酸電池、鎳鎘電池相比，它在設計上有許多獨特之處，性能上也適用于多種工業場合，比如:可以替代油機、備用電源等。釩電池將存儲在電解液中的能量轉換為電能，這是通過兩個不同類型的、被一層隔膜隔開的釩離子之間交換電子來實現的。電解液是由硫酸和釩混合而成的，酸性和傳統的鉛酸電池一樣。由于這個電化學反應是可逆的，所以VRB電池既可以充電，也可以放電。充放電時，隨著兩種釩離子濃度的變化，電能和化學能相互轉換。VRB電池由兩個電解液池和一層層的電池單元組成。電解液池用于盛兩種不同的電解液，每個電池單元由兩個“半單元”組成，中間夾著隔膜和用于收集電流的電極。兩個不同的“半單元”中盛放著不同離子形態的釩的電解液。每個電解液池配有一個泵，用于在封閉的管道中為每一個“半單元”輸送電解液。當帶電的電解液在一層層的電池單元中流動時，電子就流動到外部電路，這就是放電過程。當從外部將電子輸送到電池內部時，相反的過程就發生了，這就是給電池單元中的電解液充電，然后再由泵輸送回電解液池。在VRB中，電解液在多個電池單元間流動，電壓是各單元電壓串聯形成的，標稱電壓是1.2V。電流密度由電池單元內電流收集極的表面積決定，但是電流的供應取決于電解液在電池單元間的流動，而不是電池層本身。VRB電池技術的一個最重要的特點是:峰值功率取決于電池層總的表面積，而電池的電量則取決于電解液的多少。在傳統的鉛酸和鎳福電池中，電極和電解液被放置到一塊，功率和能量強烈地依賴于極板面積和電解液的容量。但VRB電池不是這樣，它的電極和電解液不一定必須放到一塊，這就意味著能量的存放可以不受電池外殼的限制。從電力上來講，不同等級的能量可以為電池層中不同的電池單元或單元組中通過提供足夠的電解液來得到，給電池層充電和放電不一定需要相同的電壓。例如,VRB電池可以用串聯電池層的電壓放電，而充電則可以在電池層的另一部分用不同的電壓進行。
[0005]研究顯示，釩電池組的庫侖效率隨充放電電流的增大而增大，電池級能量隨著放電電流的增加而減小。更多的數據和實驗表明，包括充電電流大小、充電深度、電解液溫度以及流量均會影響釩電池的性能，而普通蓄電池管理系統不具備多種參數的檢測功能。
【發明內容】
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[0006]為了彌補現有電池管理系統的不足，本發明提供一種更全面更完備的釩電池管理系統，解決普通蓄電池管理系統不具備多種參數檢測功能等問題。并期望通過測控和管理電池的電壓、電堆總電壓、充放電電流、電解液液面高度、流量、壓力、溫度等參數，并對采集的數據進行實時監控和對比分析，保證及時對電池工作狀態和工作指數進行調整，自動控制，使釩電池處于最佳工作狀態。
[0007]本發明解決技術問題采用如下技術方案:
[0008]一種釩電池管理系統，釩電池管理系統主要包括:電池管理主控制器，以及分別與電池管理主控制器相連的與電壓采集單元、電解液檢測單元、控制單元、報警單元和通訊單
元。[0009]所述的釩電池管理系統，電壓采集單元包括電池堆I至電池堆N，N≤20。
[0010]所述的釩電池管理系統，每個電池堆分別通過IO接口與單體電壓采集和均衡模塊相連，單體電壓采集和均衡模塊之間通過SPI串行外設接口連接，電壓采集單元的電池堆通過單體電壓采集和均衡模塊與電池管理主控制器相連，單體電壓采集和均衡模塊經轉換器進行電池單體電壓的數據采集，經轉換獲得電池單體電壓的數據和信號。
[0011]所述的釩電池管理系統，在每個單體電壓采集和均衡模塊中設置電池管理芯片，通過電池管理芯片，單體電壓采集和均衡模塊串聯設置，用于對每個電池的電壓進行測量及欠壓和過壓監控，并對過度充電進行放電。
[0012]所述的釩電池管理系統，電解液檢測單元包括分別經AD轉換器與電池管理主控制器輸入端相連的:電解液溫度檢測單元、電解液壓力檢測單元、電解液流量檢測單元、電解液液位檢測單元、電解液濃度檢測單元、電解液漏液檢測單元、電解液SOC檢測單元和泵運行狀態檢測單元，通過傳感模塊經AD轉換器完成各檢測單元的數據采集，通過監測功能獲得監測各功能的數據。
[0013]所述的釩電池管理系統，電解液流量檢測單元為電磁流量計，電解液濃度檢測單元為濃度變送器，電解液漏液檢測單元為漏液檢測儀，濃度和溫度監測為模擬量數字轉換讀取的結果。
[0014]所述的釩電池管理系統，控制單元包括分別與電池管理主控制器輸出端相連的:變頻器啟停控制單元、電池充放電控制單元、變頻器故障復位單元和變頻器頻率設定單元。
[0015]所述的釩電池管理系統，電池充放電控制單元中的充電方式有恒流充電、恒壓充電、脈沖充電或者相互轉換不同的充電方式，讀取充電電壓和充電電流，獲得電池實時運行參數；在充放電控制單元中設置充放電方式、讀取充放電電壓和電流，獲得釩電池運行數據。
[0016]所述的釩電池管理系統，報警單元包括分別與電池管理主控制器輸出端相連的:過充報警單元、過放報警單元、過流報警單元、電池過溫報警單元、通訊故障單元、流速報警單元、壓力報警單元、液位報警單元、濃度報警單元和漏液報警單元。
[0017]所述的釩電池管理系統，通訊單元包括:HMI人機界面、服務器監控管理模塊和雙向變流器，其中:HMI人機界面，通過MODBUS總線與電池管理主控制器串行通信連接；服務器監控管理模塊，通過INTERNET通信模塊與電池管理主控制器通信連接；雙向變流器PCS，通過MODBUS總線與電池管理主控制器串行通信連接。
[0018]與已有技術相比，本發明有益效果體現在:
[0019]1、本發明具有電池運行控制器、電池單體電壓采集器、電解液監控、報警單元、充放電控制單元、INTERNET通信模塊，通過服務器監控管理模塊設置工作模式和報警指數，電池運行控制器根據監控數據判斷是否異常，并進行報警。本發明可用于實時、全天候監控單電池電壓、電堆總電壓、充放電電壓和電流，利用不同的監測模塊的功能設置實時監測電解液的各項指標參數的變化，并對記錄存儲的數據進行分析處理，對電池的工作狀態和參數進行調整，有利于適時的更改均充、浮充、恒壓、恒流等不各種充電方式，實現釩電池的監控管理。
[0020]2、本發明還可以通過設定指標數值，設定報警指數，避免故障，嚴重是可停止系統運行。通過服務器和INTERNET數據的采集傳遞存儲，可對管理的功能參數的數據進行過程監控，并對數據進行圖形和曲線分析顯示，對存儲的數據可自動定期，定項的生成分類報表，以對電池的系統運行進行更充分的掌握和調整。
[0021]【專利附圖】
【附圖說明】:
[0022]圖1為本發明釩電池管理系統框圖。
[0023]圖2為本發明釩電池的工作原理圖。
[0024]圖3為本發明電池管理主控制器的電路示意圖。
[0025]【具體實施方式】:
[0026]如圖1所示，本發明釩電池管理系統主要包括:電池管理主控制器(TMS320F28335單片機)，以及分別與電池管理主控制器相連的與電壓采集單元、電解液檢測單元、控制單元、報警單元和通訊單元等。其中，
[0027]電壓采集單元包括電池堆I至電池堆N(N ( 20)，每個電池堆分別通過IO接口與單體電壓采集和均衡模塊(即電池單體電壓采集器)相連，單體電壓采集和均衡模塊之間通過SPI串行外設接口連接，電壓采集單元的電池堆通過單體電壓采集和均衡模塊與電池管理主控制器相連，單體電壓采集和均衡模塊經轉換器進行電池單體電壓的數據采集，經轉換獲得電池單體電壓的數據和信號。在每個單體電壓采集和均衡模塊中設置電池管理芯片BQ76PL536A (本實施例為5片)，通過電池管理芯片，單體電壓采集和均衡模塊可串聯設置，用于對每個電池的電壓進行測量及欠壓和過壓監控，并對過度充電進行放電。
[0028]電解液檢測單元包括分別與電池管理主控制器輸入端相連的:電解液溫度檢測單元、電解液壓力檢測單元、電解液流量檢測單元、電解液液位檢測單元、電解液濃度檢測單元、電解液漏液檢測單元、電解液SOC檢測單元和泵運行狀態檢測單元，實現溫度、壓力、流量、電解液液面位置、濃度、泄漏、壓力等的監測，通過傳感模塊經AD轉換器完成各檢測單元的數據采集，通過監測功能獲得監測各功能的數據。其中，電解液流量檢測單元為電磁流量計，電解液濃度檢測單元為濃度變送器，電解液漏液檢測單元為漏液檢測儀，濃度和溫度監測為模擬量數字轉換讀取的結果。
[0029]控制單元包括分別與電池管理主控制器輸出端相連的:變頻器啟停控制單元、電池充放電控制單元、變頻器故障復位單元和變頻器頻率設定單元。其中，電池充放電控制單元中的充電方式有恒流充電、恒壓充電或脈沖充電，或者可以相互轉換不同的充電方式，讀取充電電壓和充電電流，獲得電池實時運行參數。在充放電控制單元中設置充放電方式、讀取充放電電壓和電流，獲得釩電池運行數據。
[0030]報警單元包括分別與電池管理主控制器輸出端相連的:過充報警單元、過放報警單元、過流報警單元、電池過溫報警單元、通訊故障單元、流速報警單元、壓力報警單元、液位報警單元、濃度報警單元和漏液報警單元。
[0031]通訊單元包括:HMI人機界面、服務器監控管理模塊和雙向變流器PCS，其中:HMI人機界面，通過MODBUS總線與電池管理主控制器串行通信；服務器監控管理模塊，通過INTERNET通信模塊與電池管理主控制器通信，通過服務器監控管理模塊的人機接口為電池管理主控制器設置工作模式和報警指數，通過INTERNET通信模塊定時或實時向服務器監控管理模塊傳送釩電池實時運行數據；電池管理主控制器根據服務器監控管理單模塊傳送的模式、工作指數和工作指令進行操作，將各項數據和信號與報警指數相對比，判斷是否異常并啟動報警單元；電腦監控將進行數據的顯示、存儲和對比跟蹤。雙向變流器PCS，通過MODBUS總線與電池管理主控制器串行通信。
[0032]如圖2所示，儲液罐(正極電解液)通過管路連接電池組的正極，在所述管路上設有泵；儲液罐(負極電解液)通過管路連接電池組的負極，在所述管路上設有泵。電池組通過模擬量采集模塊連接電池管理系統(充電)，電池管理系統(充電)接收電池組的數據，電池管理系統(充電)輸出端通過充電電源系統與電池組連接，進行充電控制。電池組通過電池管理系統(放電)與用電系統連接，電池管理系統(放電)通過模擬量采集模塊連接電池組，進行放電控制。本發明可用于全天候監測單電池電壓、電池堆總壓、充放電電流等，實現釩電池的監控管理。
[0033]如圖3所示，本發明電池管理主控制器Ul采用TMS320F28335單片機，其中:
[0034]電池管理主控制器Ul的ADA1-ADA8之一連接電壓采集單元的單體電壓采集和均衡模塊。
[0035]電池管理主控制器Ul 的 ADB1、ADB2、ADB3、ADB4、ADB5、ADB6、ADB7、ADB8 端分別連
接電解液檢測單元的:電解液溫度檢測單元、電解液壓力檢測單元、電解液流量檢測單元、電解液液位檢測單元、電解液液位檢測單元、電解液漏液檢測單元、電解液SOC檢測單元、泵運行狀態檢測單元。
[0036]電池管理主控制器Ul 的 KCO、KC1、KC2、KC3、KC4、KC5、KC6、KC7、KC8、KC9 端分別
連接報警單元的:過充報警單元、過放報警單元、過流報警單元、電池過溫報警單元、通訊故障單元、流速報警單元、壓力報警單元、液位報警單元、濃度報警單元、漏液報警單元。
[0037]電池管理主控制器Ul的KR1、KR2、KR3、KR4端分別連接控制單元的:變頻器啟停控制單元、電池充放電控制單元、變頻器故障復位單元、變頻器頻率設定單元。
[0038]電池管理主控制器Ul的TXDl、RXD1、485_EN1連接通訊單元的HMI人機界面或通過轉換模塊連接服務器監控管理模塊；電池管理主控制器Ul的TXD2、RXD2、485_EN2和雙向變流器PCS進行連接。
【權利要求】
1.一種釩電池管理系統，其特征在于，釩電池管理系統主要包括:電池管理主控制器，以及分別與電池管理主控制器相連的與電壓采集單元、電解液檢測單元、控制單元、報警單元和通訊單元。
2.按照權利要求1所述的釩電池管理系統，其特征在于，電壓采集單元包括電池堆I至電池堆N，NS 20。
3.按照權利要求2所述的釩電池管理系統，其特征在于，每個電池堆分別通過IO接口與單體電壓采集和均衡模塊相連，單體電壓采集和均衡模塊之間通過SPI串行外設接口連接，電壓采集單元的電池堆通過單體電壓采集和均衡模塊與電池管理主控制器相連，單體電壓采集和均衡模塊經轉換器進行電池單體電壓的數據采集，經轉換獲得電池單體電壓的數據和信號。
4.按照權利要求3所述的釩電池管理系統，其特征在于，在每個單體電壓采集和均衡模塊中設置電池管理芯片，通過電池管理芯片，單體電壓采集和均衡模塊串聯設置，用于對每個電池的電壓進行測量及欠壓和過壓監控，并對過度充電進行放電。
5.按照權利要求1所述的釩電池管理系統，其特征在于，電解液檢測單元包括分別經AD轉換器與電池管理主控制器輸入端相連的:電解液溫度檢測單元、電解液壓力檢測單元、電解液流量檢測單元、電解液液位檢測單元、電解液濃度檢測單元、電解液漏液檢測單元、電解液SOC檢測單元和泵運行狀態檢測單元，通過傳感模塊經AD轉換器完成各檢測單元的數據采集，通過監測功能獲得監測各功能的數據。
6.按照權利要求5所述的釩電池管理系統，其特征在于，電解液流量檢測單元為電磁流量計，電解液濃度檢測單元為濃度變送器，電解液漏液檢測單元為漏液檢測儀，濃度和溫度監測為模擬量數字轉換讀取的結果。
7.按照權利要求1所述的釩電池管理系統，其特征在于，控制單元包括分別與電池管理主控制器輸出端相連的:變頻器啟停控制單元、電池充放電控制單元、變頻器故障復位單元和變頻器頻率設定單元。
8.按照權利要求7所述的釩電池管理系統，其特征在于，電池充放電控制單元中的充電方式有恒流充電、恒壓充電、脈沖充電或者相互轉換不同的充電方式，讀取充電電壓和充電電流，獲得電池實時運行參數；在充放電控制單元中設置充放電方式、讀取充放電電壓和電流，獲得釩電池運行數據。
9.按照權利要求1所述的釩電池管理系統，其特征在于，報警單元包括分別與電池管理主控制器輸出端相連的:過充報警單元、過放報警單元、過流報警單元、電池過溫報警單元、通訊故障單元、流速報警單元、壓力報警單元、液位報警單元、濃度報警單元和漏液報警單元。
10.按照權利要求1所述的釩電池管理系統，其特征在于，通訊單元包括:HMI人機界面、服務器監控管理模塊和雙向變流器，其中:HMI人機界面，通過MODBUS總線與電池管理主控制器串行通信連接；服務器監控管理模塊，通過INTERNET通信模塊與電池管理主控制器通信連接；雙向變流器PCS，通過MODBUS總線與電池管理主控制器串行通信連接。
【文檔編號】H02J7/00GK103683339SQ201210319476
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年8月31日 優先權日:2012年8月31日
【發明者】陳暉 , 孫猛 申請人:沈陽華鼎能源技術有限公司