專利名稱：大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及大型儲能設(shè)備的智能在線監(jiān)控管理裝置，尤其是針對全釩離子氧化還原液流電池的運行智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
釩電池是近幾年來興起的大容量高效儲能設(shè)備。目前國內(nèi)外對釩電池的生產(chǎn)技術(shù)主要集中在釩電解液、電堆中的電極板、隔膜等性能方面，尚無針對釩電池專用的智能在線監(jiān)控設(shè)備。市場上的普通蓄電池管理裝置是針對普通鉛酸電池(鋰電池)，由于鉛酸電池 (鋰電池)與釩電池的結(jié)構(gòu)和工作原理明顯不同，采用此種蓄電池管理裝置對釩電池進行運行管理，具有很大的局限性。普通蓄電池管理裝置僅可以測量電池電壓、單電池內(nèi)阻、室內(nèi)溫度、充電電流、放電電流等參數(shù)，可以產(chǎn)生并保存電壓記錄、內(nèi)阻記錄和報警事件記錄，可以越限告警。但僅僅這些功能對于釩電池的運行管理是不夠的。釩電池全稱為全釩氧化還原液流電池(Vanadium Redox Battery，縮寫為VRB)，是一種基于金屬釩元素的氧化還原可再生燃料電池儲能系統(tǒng)，釩電池電能以化學(xué)能的方式存儲在不同價態(tài)釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內(nèi)，在機械動力作用下，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動，采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流，從而使得儲存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。這個可逆的反應(yīng)過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。釩電池系統(tǒng)是由電堆、儲液罐、液體循環(huán)管道、泵和充放電管理系統(tǒng)組成，其中釩電池的充放電管理系統(tǒng)是電池的關(guān)鍵元件之一，其關(guān)系到釩電池的長期穩(wěn)定、可靠運行。研究表明釩電池組的庫侖效率隨著充放電電流的增大而增大，最高可達95. 09%。 電池組的能量效率隨著充放電電流的增加而減小，最高可達81. 32%。釩電解液在過充及貯存過程中容易析出V(V)沉淀，釩溶液過充后，析出的V(V)黃色結(jié)晶會堵塞泵，阻礙電解液的循環(huán)，也會大量附著在碳氈上，降低充放電效率。1989年Skyllas Kazacos發(fā)現(xiàn)充電深度越深，相同的濃度、酸度下電解液在高溫時V(V)越容易沉淀出來。1990年Kazacos等人發(fā)現(xiàn)充電后的正極釩在滿充的狀態(tài)下，如果長期貯存在一個持續(xù)升溫狀態(tài)下，V(V)的晶體化合物會慢慢地從溶液中沉淀出來，沉淀速率和程度取決于釩離子濃度、溫度和硫酸的濃度， 電解液的流量大小對多孔電極內(nèi)部傳質(zhì)有較大影響，流量過小，多孔電極內(nèi)部濃差極化嚴重，電壓效率低。綜上所述，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，而普通蓄電池管理裝置不具備這些參數(shù)的檢測功能。

實用新型內(nèi)容本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，以期通過實時監(jiān)測單電池電壓，電堆總電壓，充電電壓、充電電流、放電電流，電解液液面高度、流量，壓力、溫度等參數(shù)，并對采集的信號進行實時分析處理，對電池的工作狀態(tài)和工作參數(shù)進行調(diào)整，自動選擇均充、浮充、恒壓或恒流等充電方式，以使全釩離子液流電池工作在最佳狀態(tài)。本實用新型解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本實用新型涉及一種大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特點是具有以單片機C8051F340為核心的電池運行控制器、電池單體電壓采集盒、由各監(jiān)測單元構(gòu)成的電解液監(jiān)測系統(tǒng)、由泵和報警單元以及充放電控制單元構(gòu)成的執(zhí)行單元，以及以太網(wǎng)通信單元CP2201 ；通過電池單體電壓采集盒并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器實時獲得電池單體電壓的數(shù)據(jù)采集信號；通過監(jiān)測單元并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器定時獲得各監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)采集信號；通過 RS485接口與執(zhí)行單元中的充電控制單元相連接，用于設(shè)置充電控制單元的充電方式、讀取充電電壓和充電電流，獲得釩電池實時運行參數(shù)；通過以太網(wǎng)通信單元CP2201定時向PC監(jiān)控管理單元發(fā)送釩電池實時運行參數(shù)；設(shè)置PC監(jiān)控管理單元，是采用PowerEdge 2900服務(wù)器，通過PC監(jiān)控管理單元中的人機接口為運行控制器設(shè)置工作模式和報警閾值；所述電池運行控制器根據(jù)PC監(jiān)控管理單元發(fā)送來的工作模式進行相應(yīng)操作，將各數(shù)據(jù)采集信號與報警閾值相比較，在判斷為異常時驅(qū)動報警單元；所述PC監(jiān)控管理單元進行數(shù)據(jù)的顯示和記錄。本實用新型大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)的特點也在于所述充放電控制單元的充電方式包括有恒流充電、恒壓充電和脈沖充電，并且不同的充電方式可以相互轉(zhuǎn)換。在所述電池單體電壓采集盒中采用LTC6802電池管理芯片，多個電池單體電壓采集盒可串聯(lián)設(shè)置，用于對串聯(lián)電池堆中每節(jié)電池的電壓進行測量，并且對串聯(lián)電池堆中每個電池單體進行欠壓和過壓監(jiān)控，利用所述LTC6802電池管理芯片中的MOSFET開關(guān)對于任何過度充電的電池進行放電，所述LTC6802電池管理芯片通過SPI接口與單片機C8051F340
ififn。監(jiān)測單元包括電解液液面位置監(jiān)測單元、電解液流量監(jiān)測單元、電解液壓力監(jiān)測單元、電解液濃度監(jiān)測單元、電解液泄漏監(jiān)測單元和溫度監(jiān)測單元。所述電解液流量監(jiān)測單元為電磁流量計，所述電解液液面監(jiān)測單元為超聲波液位儀，所述電解液壓力監(jiān)測單元為陶瓷電容壓力變送器，所述電解液濃度監(jiān)測單元為濃度變送器；所述電解液泄漏監(jiān)測單元為漏液檢測器，所述溫度監(jiān)測單元中采用溫度變送器。利用電池運行控制器的A/D轉(zhuǎn)換，分時啟動電解液流量監(jiān)測單元、電解液液面位置監(jiān)測單元、電解液壓力監(jiān)測單元、電解液濃度監(jiān)測單元和溫度監(jiān)測單元的各路模擬量數(shù)字轉(zhuǎn)換，并分別讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。利用電池運行控制器的I/O讀取所述電解液泄漏監(jiān)測單元的開關(guān)量。與已有技術(shù)相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在本實用新型可用于實時監(jiān)測單電池電壓、電池堆總電壓、充電電壓、充放電電流等，通過各不同的監(jiān)測單元的設(shè)置還可以實時監(jiān)測電解液液面高度、流量、壓力、溫度和環(huán)境溫度等參數(shù)，并通過對數(shù)據(jù)采集信號進行實時分析處理，從而對電池的工作狀態(tài)和工作參數(shù)進行調(diào)整，用于自動選擇均充、浮充、恒壓、恒流不同的充電方式。通過設(shè)定閥值，在相關(guān)參數(shù)超出報警閥值時自動報警，嚴重故障可停止系統(tǒng)運行；通過以太網(wǎng)通信實現(xiàn)與監(jiān)控管理單元的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控管理功能。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以采用圖形和曲線等多種形式進行顯示，方便查看。對于保存的監(jiān)測數(shù)據(jù)可生成報表并打印，從而實現(xiàn)以報表顯示每節(jié)電池在當(dāng)月運行中電壓變化和報警等情況。

圖1為本實用新型系統(tǒng)框圖。
具體實施方式
參見圖1，本實施例中的大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)具有以單片機C8051F340為核心的運行控制器，電池單體電壓采集盒、由各監(jiān)測單元構(gòu)成的電解液監(jiān)測系統(tǒng)、由泵和報警單元以及充電控制單元構(gòu)成的執(zhí)行單元，以及以太網(wǎng)通信單元 CP2201 ；通過電池單體電壓采集盒并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器實時獲得電池單體電壓的數(shù)據(jù)采集信號；通過傳感單元并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器定時獲得各監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)采集信號；通過RS485接口與執(zhí)行單元中的充電控制單元相連接，用于設(shè)置充電控制單元的充電方式、讀取充電電壓和充電電流，獲得釩電池實時運行參數(shù)；通過以太網(wǎng)通信單元CP2201定時向PC監(jiān)控管理單元發(fā)送釩電池實時運行參數(shù)；設(shè)置PC監(jiān)控管理單元，是采用PowerEdge 2900服務(wù)器，通過PC監(jiān)控管理單元中的人機接口為運行控制器設(shè)置工作模式和報警閾值，運行控制器根據(jù)PC監(jiān)控管理單元發(fā)送來的工作模式進行相應(yīng)操作，將各數(shù)據(jù)采集信號與報警閾值相比較，在判斷為異常時驅(qū)動報警單元；所述PC監(jiān)控管理單元進行數(shù)據(jù)的顯示和記錄。具體實施中，各單元設(shè)置可以采用以下形式。一、電池單體電壓采集盒的設(shè)置釩電池的電池堆是由多個電池單體疊加而成，電池單體電壓采集的路數(shù)較多，如采用傳統(tǒng)的方法為每組電壓設(shè)置采集電路，則會提高成本和復(fù)雜度。因此本實施例以凌力爾特公司(Linear Technology Corporation)高度集成的多節(jié)電池監(jiān)控集成塊LTC6802電池管理芯片為測量器件，以十二路串聯(lián)信號為一組設(shè)置電壓采集盒(voltage detector), 每個電壓采集盒內(nèi)包含一片LTC6802芯片。電壓采集盒安放在電池附近，通過SPI接口與控制芯片通信，電路設(shè)計簡單易于實現(xiàn)，由此控制了成本。并且多個電壓采集盒可以串聯(lián)起來，實現(xiàn)多路串聯(lián)電壓信號的測量，具有強大的擴展性能，能滿足多于十二路的單體電池電壓采集的需求。LTC6802電池管理芯片利用專有的電平移位串行設(shè)計，使得能夠?qū)⒍鄠€LTC6802 在無光耦合器或光隔離器情況下串聯(lián)疊置，可堆疊架構(gòu)實現(xiàn)1000V系統(tǒng)，多個串聯(lián)的 LTC6802可以同時運行，實現(xiàn)對串聯(lián)電池堆中每節(jié)電池的電壓進行快速和精準(zhǔn)的測量。該器件最大準(zhǔn)確度在-40°C至85°C的溫度范圍內(nèi)保證高于99. 75%，并且對串聯(lián)電池堆中每個單體電池進行了欠壓和過壓監(jiān)控，可根據(jù)實際需要配置測量或監(jiān)控方式，同時每節(jié)電池的輸入都有一個MOSFET開關(guān)，MOSFET開關(guān)可用來對任何過度充電的電池放電，以應(yīng)對電池成組均衡的問題。具有數(shù)據(jù)包誤差檢驗功能的IMHz串行接口，該串行接口支持廣播和尋址指令；包括兩個熱敏電阻輸入以測量環(huán)境或電池溫度、兩條GPIO線和一個5V穩(wěn)壓器。同時器件具有很高的抗ESD、抗EMI和抗噪聲性能。二、釩電池電解液的監(jiān)測1、釩電池充電電流采樣電路是由電流霍爾傳感器和信號放大電路組成。2、對于釩電池電解液流量的監(jiān)測是采用SLON 2000型電磁流量計，其可測量范圍為0. I-IOm/s ；量程上限范圍為:0. 5-10m/s，具有4-20mA及頻率輸出，雙向RS485接口。電解液的流量反應(yīng)釩電池電解液的循環(huán)狀態(tài)，如果出現(xiàn)結(jié)晶會大量附著在碳氈上或堵塞泵， 阻礙電解液的循環(huán)，降低充放電效率，對于電解液的流量進行監(jiān)測可以判斷釩電池的運行狀態(tài)是否正常。3、對釩電池電解液液位的監(jiān)測是采用S0NIC-121型的超聲波液位儀，儀表現(xiàn)場安裝方便，調(diào)整簡單，維護量少。量程0-5m，精度0. 25%,分辨率1mm，工作溫度-20°C -+55°C,電源J4VDC，具有繼電器輸出、高精度4-20mA電流輸出、RS-485數(shù)字通信輸出。釩電池的電解液儲存在兩個儲液罐中，通過對兩個儲液罐的液位變化來判斷是否出現(xiàn)電解液泄漏。4、對釩電池電解液壓力的監(jiān)測是采用A0920型陶瓷電容壓力變送器，這是一種無中介液的干式壓力測量結(jié)構(gòu)，其工作環(huán)境溫度為-40°C +85°C，電源J4VDC，輸出為4 20mADC。對于釩電池電解液的壓力進行監(jiān)測，用于判斷電池系統(tǒng)的運行狀態(tài)。5、對釩電池電解液泄漏的監(jiān)測是采用K71-F03漏液檢測器，當(dāng)電解液泄漏到點狀或帶狀檢測器上后，開關(guān)導(dǎo)通發(fā)出報警信號。6、對釩電池電解液濃度的監(jiān)測是采用NDM-99型濃度變送器，通過無接觸式電極測量溶液電導(dǎo)值，從而確定濃度，可以在線連續(xù)檢測釩電池運行過程中電解液的濃度。三、電池溫度的監(jiān)測電池充放電過程中產(chǎn)生熱量，電池溫度會逐漸升高，如果不加以監(jiān)控，會影響電池的使用壽命，電池的溫度需控制在40°C以內(nèi)，當(dāng)溫度過高時，由監(jiān)控單元發(fā)信號調(diào)節(jié)電池的運行狀態(tài)，保證釩電池的正常運行。采用PT100溫度變送器，貼片式溫度探頭受溫度影響產(chǎn)生電阻或電勢效應(yīng)，經(jīng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個電壓信號。此信號經(jīng)過內(nèi)部運放放大，再經(jīng)過電壓-電流變換，輸出4-20mA電流信號。溫度測量范圍-20 70°C，供電電壓MVDC。具體實施中，利用運行控制器的A/D轉(zhuǎn)換，分時啟動電解液流量監(jiān)測單元、電解液液面位置監(jiān)測單元、電解液壓力監(jiān)測單元、電解液濃度監(jiān)測單元和溫度監(jiān)測單元的各路模擬量數(shù)字轉(zhuǎn)換，并分別讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；利用運行控制器的I/O讀取所述電解液泄漏監(jiān)測單元的開關(guān)量。四、釩電池的充電控制釩電池單體的充電電壓原則在1. 7V以下，電流密度控制在各型號釩電池的充電工藝技術(shù)要求范圍內(nèi)，若充電電壓超過1. 7V，可能造成電解液正負極釩離子的不平衡。環(huán)境溫度對充放電特性有較大影響，需根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整各充電門限參數(shù)值，且充電過程中，需實時監(jiān)測電池狀態(tài)，以防止過充。本實施例中的充電控制單元的充電方式包括有恒流充電、 恒壓充電和脈沖充電，并且不同的充電方式可以相互轉(zhuǎn)換。1、恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式先以適當(dāng)電流密度的恒定電流進行充電，同時不斷檢測電池端電壓，在此過程中， 充電電流恒定不變，電池電壓逐漸上升，當(dāng)電池單體電壓上升到1. 7V時，恒流充點狀態(tài)終止，充電器轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電壓的波動應(yīng)控制在50mV以內(nèi)，隨著恒壓充電的進行，充電電流逐漸減小，當(dāng)電池充足電時，終止恒壓充電。2、恒流轉(zhuǎn)脈沖充電方式充電器以適當(dāng)電流密度的恒定電流進行充電，同時不斷檢測電池端電壓，當(dāng)充電電壓達到1. 7V時，恒定充電電流轉(zhuǎn)換為脈沖電流，經(jīng)過一個充電脈沖后，充電停止，電池電壓開始下降，當(dāng)電池電壓低于1. 7V時，電池又開始另一充電脈沖。這里電池充電停止時間是變化的(等于電池電壓下降到1. 7V以下所需要的時間)，當(dāng)電池電壓第一次達到1. 7V 時，停止充電的時間很短，僅為1ms，當(dāng)電池快要充足電時，停止充電時間將大于幾十秒，甚至幾分鐘或幾小時，這時可通過最大停止時間的門限檢測，來判斷充電的終止。監(jiān)控管理軟件的主要功能設(shè)置包括執(zhí)行運行控制器的各種參數(shù)(包括流量、壓力、溫度、電壓的正常值范圍，采集時間間隔等)的設(shè)定；接收運行控制器傳輸?shù)母鞣N運行參數(shù)，對參數(shù)進行分析和處理，向管理人員輸出友好的數(shù)據(jù)顯示界面；發(fā)現(xiàn)有異常情況發(fā)生時，使用警告窗口或者其他圖形界面的方式報警，顯示故障的詳細信息；存儲釩電池運行過程中的原始數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)，存儲時間間隔在Is 1800s內(nèi)可調(diào)。對運行控制器程序和監(jiān)控管理軟件實行模塊化設(shè)計，在主線程內(nèi)根據(jù)系統(tǒng)運行時序調(diào)用各軟件模塊實現(xiàn)運行控制器和監(jiān)控管理單元的相應(yīng)功能。
權(quán)利要求1.一種大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是具有以單片機 C8051F340為核心的電池運行控制器、電池單體電壓采集盒、由各監(jiān)測單元構(gòu)成的電解液監(jiān)測系統(tǒng)、由泵和報警單元以及充放電控制單元構(gòu)成的執(zhí)行單元，以及以太網(wǎng)通信單元 CP2201 ；通過電池單體電壓采集盒并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器實時獲得電池單體電壓的數(shù)據(jù)采集信號；通過監(jiān)測單元并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器定時獲得各監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)采集信號；通過RS485接口與執(zhí)行單元中的充電控制單元相連接，用于設(shè)置充電控制單元的充電方式、讀取充電電壓和充電電流，獲得釩電池實時運行參數(shù)；通過以太網(wǎng)通信單元CP2201定時向PC監(jiān)控管理單元發(fā)送釩電池實時運行參數(shù)；設(shè)置PC監(jiān)控管理單元，是采用PowerEdge 2900服務(wù)器，通過PC監(jiān)控管理單元中的人機接口為運行控制器設(shè)置工作模式和報警閾值；所述電池運行控制器根據(jù)PC監(jiān)控管理單元發(fā)送來的工作模式進行相應(yīng)操作，將各數(shù)據(jù)采集信號與報警閾值相比較，在判斷為異常時驅(qū)動報警單元；所述PC監(jiān)控管理單元進行數(shù)據(jù)的顯示和記錄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是所述充放電控制單元的充電方式包括有恒流充電、恒壓充電和脈沖充電，并且不同的充電方式可以相互轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是在所述電池單體電壓采集盒中采用LTC6802電池管理芯片，多個電池單體電壓采集盒可串聯(lián)設(shè)置，用于對串聯(lián)電池堆中每節(jié)電池的電壓進行測量，并且對串聯(lián)電池堆中每個電池單體進行欠壓和過壓監(jiān)控，利用所述LTC6802電池管理芯片中的MOSFET開關(guān)對于任何過度充電的電池進行放電，所述LTC6802電池管理芯片通過SPI接口與單片機C8051F340通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是所述監(jiān)測單元包括電解液液面位置監(jiān)測單元、電解液流量監(jiān)測單元、電解液壓力監(jiān)測單元、電解液濃度監(jiān)測單元、電解液泄漏監(jiān)測單元和溫度監(jiān)測單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是所述電解液流量監(jiān)測單元為電磁流量計，所述電解液液面監(jiān)測單元為超聲波液位儀，所述電解液壓力監(jiān)測單元為陶瓷電容壓力變送器，所述電解液濃度監(jiān)測單元為濃度變送器；所述電解液泄漏監(jiān)測單元為漏液檢測器，所述溫度監(jiān)測單元中采用溫度變送器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是利用電池運行控制器的A/D轉(zhuǎn)換，分時啟動電解液流量監(jiān)測單元、電解液液面位置監(jiān)測單元、電解液壓力監(jiān)測單元、電解液濃度監(jiān)測單元和溫度監(jiān)測單元的各路模擬量數(shù)字轉(zhuǎn)換，并分別讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是利用電池運行控制器的I/O讀取所述電解液泄漏監(jiān)測單元的開關(guān)量。
專利摘要本實用新型公開了一種大容量全釩離子液流電池智能在線監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是具有以單片機C8051F340為核心的電池運行控制器、電池單體電壓采集盒、由各監(jiān)測單元構(gòu)成的電解液監(jiān)測系統(tǒng)、由泵和報警單元以及充放電控制單元構(gòu)成的執(zhí)行單元，以及以太網(wǎng)通信單元CP2201；設(shè)置PC監(jiān)控管理單元，是采用PowerEdge 2900服務(wù)器，通過PC監(jiān)控管理單元中的人機接口為運行控制器設(shè)置工作模式和報警閾值；電池運行控制器根據(jù)PC監(jiān)控管理單元發(fā)送來的工作模式進行相應(yīng)操作，在判斷為異常時驅(qū)動報警單元。本實用新型可用于實時監(jiān)測單電池電壓、電池堆總電壓、充電電壓、充放電電流等，實現(xiàn)大容量全釩離子液流電池的智能在線監(jiān)控管理。
文檔編號H01M8/04GK202121013SQ20112015334
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者丁克立, 劉程 申請人:安徽碩日光電科技有限公司