一種用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，具體涉及一種用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電 管理系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著傳統(tǒng)化石能源不斷的消耗，現(xiàn)有能源產(chǎn)出的高效利用和新的可再生能源的發(fā) 展已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要內(nèi)容。作為主要的能源產(chǎn)出形式，電能的調(diào) 配和有效利用的重要性不言而喻。在我國(guó)構(gòu)建智能電網(wǎng)的過程中，為有效地消除減輕晝 夜間電網(wǎng)峰谷差，平滑負(fù)荷，提高電力設(shè)備運(yùn)行效率，降低供電成本，電力系統(tǒng)需要從傳統(tǒng) 型向清潔、高效、智能型轉(zhuǎn)變，以"微電網(wǎng)"的形式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能與負(fù)載同時(shí)調(diào)節(jié)；另一方面，風(fēng) 電、光電等新能源發(fā)電自身所固有的間歇性、不連續(xù)性和不穩(wěn)定性等特征，使得新能源產(chǎn)業(yè) 空有龐大的裝機(jī)量卻只有極少部分的發(fā)電量可以并網(wǎng)利用。而不論是上述的晝夜間電網(wǎng) 峰谷差減輕或消除，平滑負(fù)荷，還是可再生能源不穩(wěn)定性的消除，真正地并網(wǎng)發(fā)電都需要 有大規(guī)模、低成本的儲(chǔ)能技術(shù)作為支撐。液態(tài)金屬電池作為非常有前景的一項(xiàng)電化學(xué)儲(chǔ) 能技術(shù)，能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境要求低、容量易拓展并且成本低廉，已經(jīng)成為未來智能電 網(wǎng)中大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的首選。（Kim H，Boysen D A，Newhouse J M，et al. Liquid metal batteries:Past, present, and future[J]. Chemical reviews, 2012, 113(3):2075-2099.) [0003] 液態(tài)金屬電池在高溫下運(yùn)行，兩電極均為液態(tài)金屬，電解質(zhì)為熔融態(tài)無機(jī)鹽，電極 與電解質(zhì)由于密度不同且互不混溶而自然分層，電解質(zhì)將兩液態(tài)金屬電極隔開。目前，單體 液態(tài)金屬電池在實(shí)驗(yàn)室的研宄已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但距離真正商業(yè)化還有很多技術(shù)尚 未解決，如在其商業(yè)化進(jìn)程中，電池之間需要串聯(lián)組成電池模組，而模組內(nèi)的單體電池之間 由于自放電能力的差異需要合適的電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)，來調(diào) 節(jié)控制。而針對(duì)液態(tài)金屬電池串聯(lián)電池模組的充放電管理系統(tǒng)的研宄尚屬空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)及方 法，能夠消除液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組隨著循環(huán)數(shù)增加而產(chǎn)生的容量衰減現(xiàn)象，填補(bǔ)了液態(tài) 金屬電池串聯(lián)模組充放電管理系統(tǒng)及方法的空白。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)，包括控制回路、控制系統(tǒng)復(fù) 位模塊F及n個(gè)信號(hào)處理及動(dòng)作回路；n為液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組中液態(tài)金屬電池的總數(shù)， 且液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組中n個(gè)液態(tài)金屬電池依次串聯(lián)，液態(tài)金屬電池Ci的兩端并聯(lián)有信 號(hào)處理及動(dòng)作回路i，i = 1、2、......、n，n彡2;
[0007] 其中，信號(hào)處理及動(dòng)作回路i包括用于測(cè)量并比較液態(tài)金屬電池Ci兩端實(shí)時(shí)電壓 的電壓比較模塊Ai、用于接收電壓比較模塊Ai發(fā)出的信號(hào)并向外發(fā)出持續(xù)延時(shí)信號(hào)的延 時(shí)繼電器Bi、用于在接收延時(shí)繼電器Bi發(fā)出的信號(hào)后閉合的常開大功率繼電器Ki、及用于 在液態(tài)金屬電池Ci滿充后耗散多余充電電壓的耗散電阻氏，且液態(tài)金屬電池Ci與耗散電 阻氏和常開大功率繼電器Ki串聯(lián)構(gòu)成耗散回路i ;
[0008] n個(gè)常開大功率繼電器與用于向外發(fā)出持續(xù)延時(shí)信號(hào)的延時(shí)繼電器Bn+1共同串 聯(lián)構(gòu)成控制回路；
[0009] 控制系統(tǒng)復(fù)位模塊F用于接收延時(shí)繼電器Bn+1發(fā)出的信號(hào)并向外發(fā)出系統(tǒng)復(fù)位 信號(hào)，系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)發(fā)出后n個(gè)常開大功率繼電器打開，同時(shí)n個(gè)電壓比較模塊和n個(gè)延時(shí) 繼電器停止工作。
[0010] 所述的耗散電阻氏的阻值通過式（1)計(jì)算，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)，其特征在于：包括控制回路、 控制系統(tǒng)復(fù)位模塊F及η個(gè)信號(hào)處理及動(dòng)作回路；η為液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組中液態(tài)金屬 電池的總數(shù)，且液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組中η個(gè)液態(tài)金屬電池依次串聯(lián)，液態(tài)金屬電池 Ci的 兩端并聯(lián)有信號(hào)處理及動(dòng)作回路i，i = 1、2、……、η，η彡2 ; 其中，信號(hào)處理及動(dòng)作回路i包括用于測(cè)量并比較液態(tài)金屬電池 Ci兩端實(shí)時(shí)電壓的電 壓比較模塊Ai、用于接收電壓比較模塊Ai發(fā)出的信號(hào)并向外發(fā)出持續(xù)延時(shí)信號(hào)的延時(shí)繼 電器Bi、用于在接收延時(shí)繼電器Bi發(fā)出的信號(hào)后閉合的常開大功率繼電器Ki、及用于在液 態(tài)金屬電池 Ci滿充后耗散多余充電電壓的耗散電阻Ri，且液態(tài)金屬電池 Ci與耗散電阻Ri 和常開大功率繼電器Ki串聯(lián)構(gòu)成耗散回路i ; η個(gè)常開大功率繼電器與用于向外發(fā)出持續(xù)延時(shí)信號(hào)的延時(shí)繼電器Bn+1共同串聯(lián)構(gòu) 成控制回路； 控制系統(tǒng)復(fù)位模塊F用于接收延時(shí)繼電器Bn+1發(fā)出的信號(hào)并向外發(fā)出系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)， 系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)發(fā)出后η個(gè)常開大功率繼電器打開，同時(shí)η個(gè)電壓比較模塊和η個(gè)延時(shí)繼電 器停止工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)，其特征在 于：所述的耗散電阻Ri的阻值通過式（1)計(jì)算，
其中\(zhòng)為液態(tài)金屬電池 Ci的滿充電壓，I為流過液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充電電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)，其特征在 于：所述的常開大功率繼電器Ki的額定通過電流為液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的最大充電電 流的1. 3~5倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)，其特征在 于：所述的延時(shí)繼電器Bi的延時(shí)時(shí)間為：從延時(shí)繼電器Bi被電壓比較模塊Ai觸發(fā)時(shí)開始， 直至接收到系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)或整個(gè)充放電管理系統(tǒng)斷電重啟。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)，其特征在 于：所述的延時(shí)繼電器Bn+1的延時(shí)時(shí)間大于等于從控制回路接通時(shí)起至液態(tài)金屬電池串 聯(lián)模組的總電壓達(dá)到滿充時(shí)所需的時(shí)間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)，其特征在 于：所述的電壓比較模塊Ai的比較電壓基準(zhǔn)為液態(tài)金屬電池 Ci的滿充識(shí)別電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)，其特征在 于：所述的控制系統(tǒng)復(fù)位模塊F為直接控制除延時(shí)繼電器Bn+1電源以外的整個(gè)充放電管理 系統(tǒng)電源通斷和重啟的繼電器，在延時(shí)繼電器Bn+1給出的持續(xù)延時(shí)信號(hào)作用下，使控制整 個(gè)充放電管理系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)。
8. 基于權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的充放電管理系統(tǒng)的液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的 充放電管理方法，其特征在于，包括以下步驟： 1)在液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充電過程中，η個(gè)信號(hào)處理及動(dòng)作回路同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行， 電壓比較模塊Ai實(shí)時(shí)采集液態(tài)金屬電池 Ci兩端的電壓，當(dāng)液態(tài)金屬電池 Ci兩端的電壓大 于等于液態(tài)金屬電池 Ci的滿充電壓時(shí)，電壓比較模塊Ai向延時(shí)繼電器Bi發(fā)出觸發(fā)信號(hào)； 2) 延時(shí)繼電器Bi接收到電壓比較模塊Ai的觸發(fā)信號(hào)后，向常開大功率繼電器Ki發(fā)出 持續(xù)的觸發(fā)信號(hào)，常開大功率繼電器Ki接收到延時(shí)繼電器Bi的觸發(fā)信號(hào)后關(guān)閉，此時(shí)耗散 回路i被導(dǎo)通，由耗散電阻Ri耗散多余的充電電壓； 3) 當(dāng)η個(gè)常開大功率繼電器全部關(guān)閉時(shí)控制回路被導(dǎo)通，此時(shí)延時(shí)繼電器Bn+1向控制 系統(tǒng)復(fù)位模塊F發(fā)出持續(xù)的觸發(fā)信號(hào)，控制系統(tǒng)復(fù)位模塊F接收到延時(shí)繼電器Bn+1的觸發(fā) 信號(hào)后發(fā)出系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，在系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)的作用下η個(gè)常開大功率繼電器同時(shí)打開，且η 個(gè)電壓比較模塊和η個(gè)延時(shí)繼電器停止工作，此時(shí)η個(gè)耗散回路被斷開，串聯(lián)的η個(gè)液態(tài)金 屬電池將會(huì)繼續(xù)充電，直至液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的總電壓達(dá)到滿充時(shí)，整個(gè)充電過程結(jié) 束； 4) 充電過程結(jié)束之后，延時(shí)繼電器Bn+1的延時(shí)結(jié)束，系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)消失，充放電管理 系統(tǒng)重新啟動(dòng)，復(fù)位狀態(tài)結(jié)束。
【專利摘要】一種用于液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組的充放電管理系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括控制回路、控制系統(tǒng)復(fù)位模塊、以及與液態(tài)金屬電池一一對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理及動(dòng)作回路。信號(hào)處理及動(dòng)作回路能保證每個(gè)液態(tài)金屬電池都達(dá)到滿充而不過充，在所有液態(tài)金屬電池都滿充后控制回路被接通，并觸發(fā)控制系統(tǒng)復(fù)位模塊發(fā)出系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，然后所有液態(tài)金屬電池繼續(xù)充電至整個(gè)液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組達(dá)到滿充。本發(fā)明能消除液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組隨著循環(huán)數(shù)增加而產(chǎn)生的容量衰減問題，可顯著提升液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及使用壽命，填補(bǔ)了液態(tài)金屬電池串聯(lián)模組充放電管理系統(tǒng)及方法的空白，能大幅推動(dòng)液態(tài)金屬電池的商業(yè)化進(jìn)程，具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
【IPC分類】H02J7-00
【公開號(hào)】CN104682511
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510079935
【發(fā)明人】寧曉輝, 代濤, 單智偉
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年2月13日