全釩液流電池充放電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基金項(xiàng)目：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014GZ0085，2014GZ0001）作者簡(jiǎn)介：牛紅濤（1981-），男，河南禹州人，博士，主要從事電池測(cè)試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究。全釩液流電池充放電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*牛紅濤1，余曉曦1，楊春生1，郭乃理12,羅文博1（1. 中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021；2. 四川中測(cè)電子科技有限公司，四川 成都 610021）摘要 針對(duì)全釩液流電池的測(cè)試需求，文章對(duì)全釩液流電池的工作原理進(jìn)行介紹，根據(jù)全釩液流電池運(yùn)行參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于全釩液流電池容量測(cè)試所需的自動(dòng)充放電測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)全釩液流電池進(jìn)行恒壓、恒流充電以及恒流放電測(cè)試，并具有監(jiān)測(cè)單體電

2、池電壓功能，在測(cè)試過程對(duì)電池提供安全保護(hù)功能，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和查看。使用設(shè)計(jì)的充放電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)全釩液流電堆進(jìn)行充放電測(cè)試，分析了能量效率與充電電流的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠完成釩電池容量測(cè)試，對(duì)釩電池測(cè)試系統(tǒng)研究以及釩電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)建立有重要參考意義。關(guān)鍵詞 全釩液流電池 容量測(cè)試 充放電 測(cè)試系統(tǒng) 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中圖法分類號(hào) TP273； 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ADevelopment of Charge and Discharge Test System for Vanadium Redox Flow BatteriesNIU Hong-tao1, YU Xiao-xi1, YANG Chun-sh

3、eng1, GUO Nai-li12, LUO Wen-bo1 (1. National Institute of Measurement and Testing Technology, Chengdu 610021, China;2. SICHUANZHONGCE Electronic Technology CO., LTD, Chengdu 610021，China)Abstract Aiming at the test requirement for vanadium redox flow batteries, the working principle of vanadium redo

4、x flow batteries was introduced. An automatic charging and discharging test system for capacity test of vanadium redox flow batteries was designed according to their operational parameters. The system is able to carry out constant voltage charge test, constant current charge test and constant curren

5、t discharge test on vanadium redox flow batteries. It can monitor the voltage of each battery in a battery stack and provide security protection in the test for the batteries and functions of saving and previewing data. The relationship between the energy efficiency and charging current was analyzed

6、 by applying the designed system to charge and discharge the vanadium redox flow batteries. Experimental results show that the designed system is able to fulfill capacity test of vanadium redox flow batteries. It would be an important reference to the study of vanadium batteries test system and the

7、establishment of vanadium battery test standard.Key words vanadium redox flow batteries; capacity test; charging and discharging; test system; test standard引言新能源以及大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)日益受到重視，鋰電池和鉛酸電池已取得廣泛的應(yīng)用，電池測(cè)試技術(shù)也正在逐步發(fā)展1-4。然而，大容量鋰電池的造價(jià)成本相對(duì)較高，鉛酸電池容易對(duì)環(huán)境造成污染且循環(huán)壽命較差，在大規(guī)模風(fēng)光儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景有限。全釩液流電池（Vanadium Redox Flow Batt

8、ery，VRB）簡(jiǎn)稱釩電池，其特殊性在于釩電池有兩個(gè)儲(chǔ)液罐分別存儲(chǔ)隔離正、負(fù)極電解液5-9。這種方式使釩電池在大中型儲(chǔ)能方面展現(xiàn)出眾多優(yōu)點(diǎn)，如電池的容量、功率便于調(diào)整，理論循環(huán)壽命長(zhǎng)等。與其它電池產(chǎn)業(yè)相比，釩電池的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)還未形成，電池測(cè)試系統(tǒng)也不完善，這在一定程度上影響了釩電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文基于釩電池的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種釩電池充放電測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括直流穩(wěn)壓電源、直流電子負(fù)載、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、充放電監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置四個(gè)模塊，能對(duì)釩電池電解液溫度、電池組電壓、單體電池電壓及電流進(jìn)行檢測(cè)、記錄和保存，并有過壓、過流和過溫保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)釩電池容量測(cè)試功能，該系統(tǒng)對(duì)釩電池容量測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)研究具有重要的參

9、考意義。釩電池充放電測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 釩電池工作原理釩電池主要由電堆模塊、電解液存儲(chǔ)器及電解液輸送模塊、電池控制器等三部分構(gòu)成，如圖1所示。釩電池工作時(shí)，正負(fù)極電解液不斷在電堆內(nèi)部和儲(chǔ)液罐之間循環(huán)流動(dòng)，H+在離子交換膜之間進(jìn)行交換起到電池內(nèi)部導(dǎo)電作用。釩電池在5至45之間的溫度范圍內(nèi)正常工作，溫度過高或過低會(huì)導(dǎo)致電解液內(nèi)產(chǎn)生沉淀物，從而堵塞循環(huán)管，影響電池壽命。因此，對(duì)釩電池進(jìn)行電池容量測(cè)試時(shí)需要對(duì)電解液溫度進(jìn)行檢測(cè)。本文測(cè)試的釩電池電堆有8個(gè)單體電池，這些單體電池在電路上串聯(lián)、液路上并聯(lián)。1.2 釩電池充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)釩電池充放電測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、直流可編程電源、直流

10、可編程電子負(fù)載、電池監(jiān)控保護(hù)裝置、全釩液流電池五個(gè)部分，如圖2所示。系統(tǒng)軟件主要由計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)程序和電池監(jiān)控保護(hù)程序構(gòu)成。在釩電池充放電測(cè)試過程中，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按照用戶輸入的測(cè)試參數(shù)，首先啟動(dòng)電池監(jiān)控保護(hù)裝置和釩電池，釩電池蠕動(dòng)泵開始運(yùn)行，電池監(jiān)控保護(hù)裝置對(duì)電池電壓（總電壓和各單體電池電壓）、電流、溫度、兩個(gè)儲(chǔ)液罐的液位、流量、管道液壓進(jìn)行檢測(cè)，電池正常運(yùn)行后，啟動(dòng)直流電子負(fù)載，按照設(shè)置的放電截止電壓、電流對(duì)電池進(jìn)行恒流放電預(yù)處理，靜置1小時(shí)后待電池溫度恢復(fù)到與初始溫度偏差小于5內(nèi)，關(guān)閉電子負(fù)載并啟動(dòng)直流電源對(duì)電池進(jìn)行充電，按設(shè)定的充電模式進(jìn)行充電（恒流充電模式或恒壓充電模式），當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定

11、的充電截止條件后停止充電，關(guān)閉直流電源。靜置1小時(shí)，當(dāng)電池溫度恢復(fù)到與初始溫度偏差小于5內(nèi)，啟動(dòng)電子負(fù)載對(duì)電池進(jìn)行恒流放電測(cè)試，當(dāng)電池電壓達(dá)到放電截止電壓后停止放電測(cè)試并顯示和保存電池容量測(cè)試結(jié)果。整個(gè)測(cè)試過程中，電池監(jiān)控保護(hù)裝置對(duì)電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)過壓、過流、過溫或電池運(yùn)行參數(shù)異常情況時(shí)，及時(shí)關(guān)閉直流電源、直流負(fù)載和釩電池的蠕動(dòng)泵，保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)電池的安全。圖1釩電池工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of vanadium redox flow batteries圖2釩電池充放電測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schemati

12、c diagram of charge-discharge test for vanadium redox flow batteries直流電源直流電源將交流電轉(zhuǎn)換成直流電后，微處理器通過A/D轉(zhuǎn)換電路采集到電壓電流信號(hào)，并產(chǎn)生所需的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管以輸出直流電壓和電流對(duì)釩電池進(jìn)行充電測(cè)試10。直流電源與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用RS485數(shù)據(jù)通信方式獲得充電設(shè)置所需參數(shù)。直流電源輸出端通過直流接觸器接到電池的正負(fù)極上。直流電源的輸出電壓范圍為(080)V，電流范圍為(0240)A。1.2.2 直流電子負(fù)載直流電子負(fù)載的作用是對(duì)電池進(jìn)行放電測(cè)試，微處理器通過D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電壓控制信號(hào)，

13、該信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大電路放大后用來驅(qū)動(dòng)功率管的基極，這樣功率管的集電極電流就能按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行控制。功率晶體管是電子負(fù)載的核心器件，電子負(fù)載包括多個(gè)功率管，這些功率管的集電極電流之和就是電子負(fù)載的負(fù)載電流11。直流電子負(fù)載與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用RS485數(shù)據(jù)通信方式獲得放電設(shè)置所需參數(shù)。直流電子負(fù)載的輸出端通過直流接觸器接到電池的正負(fù)極上。直流電子負(fù)載的工作電壓范圍為(0120)V，電流范圍為(0480)A。直流電子負(fù)載具有恒流放電、恒壓放電、恒電阻放電功能，在容量測(cè)試中，常用的是恒流放電測(cè)試。1.2.3 電池監(jiān)控保護(hù)裝置電池監(jiān)控保護(hù)裝置采用STM32F407ZGT6型號(hào)的32 位微處理器作為控制

14、芯片。該芯片基于Cortex-M4 CPU，擁有144個(gè)引腳，可用輸入/輸出引腳(I/O)有一百多個(gè)。STM32F407ZGT6處理器的內(nèi)置Flash 容量達(dá)1M字節(jié)，CPU主頻達(dá)168 MHz，內(nèi)置3個(gè)12位ADC轉(zhuǎn)換器，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。電池監(jiān)控保護(hù)裝置采用LTC6802-2芯片實(shí)現(xiàn)釩電池堆單體電池電壓測(cè)量12，采用兩組CD4067B單路16通道模擬多路復(fù)用器和AD7705模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，一組實(shí)現(xiàn)8個(gè)單體電池溫度值測(cè)量，另一組實(shí)現(xiàn)電池電流、儲(chǔ)液罐液位、電解液流量、管道壓力測(cè)量。漏液檢測(cè)采用開關(guān)量檢測(cè)方式，將漏液檢測(cè)電路接到stm32單片機(jī)的I/O口以中斷方式實(shí)現(xiàn)漏液報(bào)警功能，如果有電

15、解液漏滲，則蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)聲，同時(shí)系統(tǒng)終止測(cè)試并停止釩電池泵的工作。采用兩組CD4067B和AD7705芯片提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和信號(hào)采集速度和采樣精度。單體電池電壓采集電路設(shè)計(jì)LTC6802-2電壓測(cè)量芯片是凌力爾特(Linear Technology)公司生產(chǎn)的多節(jié)電池組監(jiān)控芯片。該芯片內(nèi)置一個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換電路，一個(gè)精密電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多路轉(zhuǎn)換電路和一個(gè)SPI串行通信接口。LTC6802-2芯片能夠輸入的最高電壓達(dá)60V，每個(gè)芯片可以監(jiān)控12個(gè)串聯(lián)的電池單體，并在約13ms的時(shí)間內(nèi)完成12個(gè)單體電池的電壓測(cè)量。芯片內(nèi)部為12個(gè)檢測(cè)單元配有相應(yīng)的MOSFET開關(guān)，也支持外部擴(kuò)展

16、MOSFET開關(guān)，可以對(duì)過充電池進(jìn)行放電均衡。該芯片支持串聯(lián)使用方式，最多可以串聯(lián)16個(gè)芯片。電池監(jiān)控保護(hù)裝置采用如下電路對(duì)釩電池堆進(jìn)行電壓檢測(cè)和單體電池過充電均衡控制，如圖3所示。其中，cell(n)和cell(n-1)分別接第n個(gè)單體釩電池的正、負(fù)極，n取值范圍是1-8。C(n)和C(n-1)分別連接芯片LTC6802-2的電壓采集輸入端，S(n)則連接至LTC6802-2的電池均衡輸出端。穩(wěn)壓二極管D2、P溝道型MOSFET管Q1和放電電阻R6組成了單體電池過充電均衡電路。當(dāng)其中一個(gè)單體電池電壓高于附近單體電池電壓的1%時(shí)，STM32F407ZGT6處理器控制電池電壓測(cè)量芯片LTC680

17、2-2將該單體電池的電壓均衡電路的S(n)管腳置為低電平，此時(shí)MOSFET管Q1導(dǎo)通，單體電池通過R6進(jìn)行放電以降低其電壓；否則，S(n)管腳被置為高電平，Q1截止。穩(wěn)壓二極管D1用來限制LTC6802-2電壓采集輸入端的電壓范圍。圖3釩電池單體電池電壓采集及均衡電路Fig.3 Voltage acquisition and external discharge circuit for an individual vanadium redox flow battery釩電池單體電池電壓測(cè)量及均衡控制電路采用電壓測(cè)量芯片LTC6802-2，如圖4所示。LTC6802-2芯片自帶一個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換

18、芯片用來采集串聯(lián)電池單體電壓及其總電壓。該芯片默認(rèn)設(shè)置是采集12個(gè)單體電池電壓，每個(gè)電壓采集端最大測(cè)量電壓為5V，而釩電池單體電池電壓最高不超過1.7V，該芯片滿足測(cè)量要求。測(cè)量中需將管腳V+、C12、C11、C10、C9、C8并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)串聯(lián)電池的電壓測(cè)量。芯片ADuM1411的作用是將主控芯片STM32F407ZGT6與從機(jī)設(shè)備LTC6802-2的SPI串行通信口進(jìn)行抗干擾隔離，保障主機(jī)與從機(jī)之間能正確進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。圖4釩電池單體電池電壓測(cè)量及均衡控制電路Fig.4 Voltage measurement and balance control circuit for vanadi

19、um redox flow batteries電池運(yùn)行參數(shù)采集電路設(shè)計(jì)釩電池進(jìn)行充放電容量測(cè)試過程中的運(yùn)行參數(shù)除了電池電壓外，還包括電流、電池溫度、儲(chǔ)液罐液位、管道壓力和電解液流量，對(duì)這些參數(shù)的檢測(cè)及監(jiān)控能保障釩電池測(cè)試過程的安全進(jìn)行，釩電池運(yùn)行參數(shù)采集電路如圖5所示。系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器對(duì)充放電電流進(jìn)行采集，采用熱敏電阻對(duì)電池溫度進(jìn)行采集，采用超聲波物位變送器來測(cè)量?jī)?chǔ)液罐中的液位，使用電磁流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量，使用管道壓力傳感器檢測(cè)液流管道內(nèi)壓。在信號(hào)采集前端,被測(cè)信號(hào)通過相應(yīng)傳感器被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，再經(jīng)電阻分壓及濾波處理后，輸入到信號(hào)采集端口sig(n)，其中n取值范圍為0到7。采用

20、16選1多路模擬開關(guān)CD4067B對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行選擇。電路采用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器，按16位分辨率對(duì)被測(cè)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并將數(shù)據(jù)送入STM32F407ZGT6處理器進(jìn)行處理計(jì)算。系統(tǒng)采用兩組CD4067B和AD7705芯片對(duì)電流、電池溫度、儲(chǔ)液罐液位、管道壓力和電解液流量等參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)控。主控芯片STM32F407ZGT6控制采樣電路每秒對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行一次采集。圖5電池運(yùn)行參數(shù)采集電路Fig.5 Parameter acquisition circuit for vanadium redox flow batteries軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)釩電池充放電測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括上位機(jī)

21、控制平臺(tái)和基于UCOSII嵌入式系統(tǒng)的電池監(jiān)控保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)。上位機(jī)控制平臺(tái)采用C#程序編寫，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)測(cè)試系統(tǒng)硬件電路控制，包括對(duì)直流電源、直流電子負(fù)載和電池監(jiān)控保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)置，根據(jù)測(cè)試需求對(duì)測(cè)試步驟和測(cè)試參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，保存測(cè)試結(jié)果和顯示相關(guān)圖表曲線，如電壓-時(shí)間-電流曲線?；赨COSII嵌入式系統(tǒng)的電池監(jiān)控保護(hù)平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)容量測(cè)試過程的釩電池運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)電池運(yùn)行參數(shù)和用戶設(shè)置參數(shù)的對(duì)比分析，對(duì)硬件測(cè)試電路模塊進(jìn)行關(guān)斷或?qū)ǎ瑸闇y(cè)試過程提供過壓、過流、過溫保護(hù)以及漏液檢測(cè)功能，保障測(cè)試過程釩電池的安全并根據(jù)異常狀態(tài)進(jìn)行聲音報(bào)警提示。主程序流程圖如圖6所示。圖6主

22、程序流程圖Fig.6 Flow chart of the main program容量測(cè)試結(jié)果分析使用本系統(tǒng)對(duì)釩電池樣機(jī)進(jìn)行恒流充放電容量測(cè)試，測(cè)試中采用的電流密度分別為40/60/80/90 mA/cm2。測(cè)試步驟如下：首先對(duì)釩電池進(jìn)行預(yù)處理，以設(shè)定的電流密度對(duì)被測(cè)釩電池進(jìn)行恒流放電至電池端電壓為0V，再以該電流對(duì)釩電池進(jìn)行恒流充電至電池荷電狀態(tài)SOC為20%時(shí)充電結(jié)束。充放電測(cè)試在電池荷電狀態(tài)20%至80%之間進(jìn)行。按設(shè)定的電流對(duì)釩電池進(jìn)行恒流充電至電池荷電狀態(tài)為80%，然后進(jìn)行恒流放電測(cè)試，以該電流對(duì)釩電池進(jìn)行恒流放電至電池荷電狀態(tài)為20%為止。容量測(cè)試結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，隨著放電

23、電流的減小，釩電池放電容量變化不大，如圖7(a)所示，而釩電池的放電瓦時(shí)與充電瓦時(shí)之比逐漸提高，即釩電池的能量效率的變化與充電電流的變化趨勢(shì)相反，如圖7(b)所示。這是因?yàn)殁C電池的歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化隨著放電電流的減小而減小，電壓效率逐漸提高使能量效率也逐漸提高。根據(jù)結(jié)果可知被測(cè)釩電池的最優(yōu)充放電電流密度不應(yīng)高于80 mA/cm2，另外充放電電流不宜過大或過小，電流過大導(dǎo)致電池升溫從而可能危害電池壽命，電流過小會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)間過長(zhǎng)。本文提出的充放電容量測(cè)試系統(tǒng)在釩電池充放電測(cè)試過程中有效的監(jiān)控電池運(yùn)行參數(shù)，保障釩電池測(cè)試過程安全進(jìn)行并能保存和顯示容量測(cè)試結(jié)果。(a)(b)圖7釩電池恒流

24、放電結(jié)果Fig.7 Results of constant-current discharge of vanadium redox flow batteries結(jié)論全釩液流電池是一種特殊的儲(chǔ)能電池，本文根據(jù)釩電池的特點(diǎn)提出一種用于全釩液流電池容量測(cè)試的充放電測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)試中的釩電池運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控并能完成釩電池充放電容量測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠保障釩電池容量測(cè)試安全進(jìn)行，對(duì)釩電池容量測(cè)試及其標(biāo)準(zhǔn)研究具有重要參考意義。參考文獻(xiàn)HYPERLINK /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=陳超&code=093690

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