牛红涛;余晓曦;杨春生;郭乃理;罗文博led发光模块
【摘 要】碳管炉针对全钒液流电池的测试需求,文章对全钒液流电池的工作原理进行介绍,根据全钒液流电池运行参数,设计了一种用于全钒液流电池容量测试所需的自动充放电测试系统;该系统能对全钒液流电池进行恒压、恒流充电以及恒流放电测试,并具有监测单体电池电压功能,在测试过程对电池提供安全保护功能,并对数据进行保存和查看;使用设计的充放电测试系统对全钒液流电堆进行充放电测试,分析了能量效率与充电电流的关系;实验结果显示,该系统能够完成钒电池容量测试,对钒电池测试系统研究以及钒电池测试标准建立有重要参考意义. 【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2015(023)011
镭射贴【总页数】4页(P3596-3598,3602)
【关键词】全钒液流电池;容量测试;充放电;测试系统;测试标准
【作 者】牛红涛;余晓曦;杨春生;郭乃理;罗文博
【作者单位】中国测试技术研究院,成都610021;中国测试技术研究院,成都610021;中国测试技术研究院,成都610021;中国测试技术研究院,成都610021;四川中测电子科技有限公司,成都610021;中国测试技术研究院,成都610021
【正文语种】中 文
【中图分类】TP273
新能源以及大规模储能技术日益受到重视，锂电池和铅酸电池已取得广泛的应用，电池测试技术也正在逐步发展［14］。然而，大容量锂电池的造价成本相对较高，铅酸电池容易对环境造成污染且循环寿命较差，在大规模风光储能领域的应用前景有限。全钒液流电池（vanadiumredoxflowbattery，VRB）简称钒电池，其特殊性在于钒电池有两个储液罐分别存储隔离正、负极电解液［59］。这种方式使钒电池在大中型储能方面展现出众多优点，如电池的容量、功率便于调整，理论循环寿命长等。与其它电池产业相比，钒电池的测试标准还未形成，电池测试系统也不完善，这在一定程度上影响了钒电池产业的发展。
本文基于钒电池的特点，设计了一种钒电池充放电测试系统，该系统包括直流稳压电源、直流电子负载、计算机控制系统、充放电监测保护装置4个模块，能对钒电池电解液温度、电池组电压、单体电池电压及电流进行检测、记录和保存，并有过压、过流和过温保护功能，实现钒电池容量测试功能，该系统对钒电池容量测试及标准研究具有重要的参考意义。
1.1 钒电池工作原理
钒电池主要由电堆模块、电解液存储器及电解液输送模块、电池控制器等三部分构成，如图1所示。钒电池工作时，正负极电解液不断在电堆内部和储液罐之间循环流动，H+在离子交换膜之间进行交换起到电池内部导电作用。钒电池在5 ~45℃之间的温度范围内正常工作，温度过高或过低会导致电解液内产生沉淀物，从而堵塞循环管，影响电池寿命。因此，对钒电池进行电池容量测试时需要对电解液温度进行检测。本文测试的钒电池电堆有8个单体电池，这些单体电池在电路上串联、液路上并联。
1.2 钒电池充放电系统结构
钒电池充放电测试系统的硬件主要包括计算机控制系统、直流可编程电源、直流可编程电子负载、电池监控保护装置、全钒液流电池5个部分，如图2所示。系统软件主要由计算机主控系统程序和电池监控保护程序构成。在钒电池充放电测试过程中，计算机控制系统按照用户输入的测试参数，首先启动电池监控保护装置和钒电池，钒电池蠕动泵开始运行，电池监控保护装置对电池电压（总电压和各单体电池电压）、电流、温度、两个储液罐的液位、流量、管道液压进行检测，电池正常运行后，启动直流电子负载，按照设置的放电截止电压、电流对电池进行恒流放电预处理，静置1小时后待电池温度恢复到与初始温度偏差小于5℃内，关闭电子负载并启动直流电源对电池进行充电，按设定的充电模式进行充电（恒流充电模式或恒压充电模式），当到达设定的充电截止条件后停止充电，关闭直流电源。静置1小时，当电池温度恢复到与初始温度偏差小于5℃内，启动电子负载对电池进行恒流放电测试，当电池电压达到放电截止电压后停止放电测试并显示和保存电池容量测试结果。整个测试过程中，电池监控保护装置对电池的运行参数进行监控，将数据实时传输到计算机控制系统，当出现过压、过流、过温或电池运行参数异常情况时，及时关闭直流电源、直流负载和钒电池的蠕动泵，保护测试系统和被测电池的安全。
1.2.1 直流电源
直流电源将交流电转换成直流电后，微处理器通过A/D转换电路采集到电压电流信号，并产生所需的PWM控制信号驱动功率开关管以输出直流电压和电流对钒电池进行充电测试［10］。直流电源与计算机控制系统采用RS485数据通信方式获得充电设置所需参数。直流电源输出端通过直流接触器接到电池的正负极上。直流电源的输出电压范围为0~80V，电流范围为0~240A。
1.2.2 直流电子负载
直流电子负载的作用是对电池进行放电测试，微处理器通过D/A转换电路产生电压控制信号，该信号经运算放大电路放大后用来驱动功率管的基极，这样功率管的集电极电流就能按照设定的参数进行控制。功率晶体管是电子负载的核心器件，电子负载包括多个功率管，这些功率管的集电极电流之和就是电子负载的负载电流［11］。直流电子负载与计算机控制系统采用RS485数据通信方式获得放电设置所需参数。直流电子负载的输出端通过直流接触器接到电池的正负极上。直流电子负载的工作电压范围为0~120V，电流范围为0~480A。直流电子负载具有恒流放电、恒压放电、恒电阻放电功能，在容量测试中，常用的是恒流放电测试。
1.2.3 电池监控保护装置
电池监控保护装置采用STM32F407ZGT6型号的32位微处理器作为控制芯片。该芯片基于CortexTM-M4CPU，拥有144个引脚，可用输入/输出引脚（I/O）有一百多个。STM32F407ZGT6处理器的内置Flash容量达1M字节，CPU主频达168MHz，内置3个12位ADC转换器，可以满足实际应用的需求。
电池监控保护装置采用LTC6802-2芯片实现钒电池堆单体电池电压测量［12］，采用两组CD4067B单路16通道模拟多路复用器和AD7705模/数转换芯片，一组实现8个单体电池温度值测量，另一组实现电池电流、储液罐液位、电解液流量、管道压力测量。漏液检测采用开关量检测方式，将漏液检测电路接到stm32单片机的I/O口以中断方式实现漏液报警功能，如果有电解液漏渗，则蜂鸣器发出相应的警报声，同时系统终止测试并停止钒电池泵的工作。采用两组CD4067B和AD7705芯片提高了系统的扩展性和信号采集速度和采样精度。
LTC6802-2电压测量芯片是凌力尔特（lineartechnology）公司生产的多节电池组监控芯片。该芯片内置一个12位AD转换电路，一个精密电压基准、一个高电压输入多路转换电路
和一个SPI串行通信接口。LTC6802-2芯片能够输入的最高电压达60V，每个芯片可以监控12个串联的电池单体，并在约13ms的时间内完成12个单体电池的电压测量。芯片内部为12个检测单元配有相应的MOSFET开关，也支持外部扩展MOSFET开关，可以对过充电池进行放电均衡。该芯片支持串联使用方式，最多可以串联16个芯片。
装饰扣汽油机助力自行车电池监控保护装置采用如下电路对钒电池堆进行电压检测和单体电池过充电均衡控制，如图3所示。其中，cell（n）和cell（n-1）分别接第n个单体钒电池的正、负极，n取值范围是1~8。C（n）和C（n-1）分别连接芯片LTC6802 -2的电压采集输入端，S（n）则连接至LTC6802-2的电池均衡输出端。稳压二极管D2、P沟道型MOSFET管Q1和放电电阻R6组成了单体电池过充电均衡电路。当其中一个单体电池电压高于附近单体电池电压的1％时，STM32F407ZGT6处理器控制电池电压测量芯片LTC6802-2将该单体电池的电压均衡电路的S（n）管脚置为低电平，此时MOSFET管Q1导通，单体电池通过R6进行放电以降低其电压；否则，S（n）管脚被置为高电平，Q1截止。稳压二极管D1用来限制LTC6802-2电压采集输入端的电压范围。
钒电池单体电池电压测量及均衡控制电路采用电压测量芯片LTC6802-2，如图4所示。LTC
6802-2芯片自带一个12 位AD转换芯片用来采集串联电池单体电压及其总电压。该芯片默认设置是采集12个单体电池电压，每个电压采集端最大测量电压为5V，而钒电池单体电池电压最高不超过1.7V，该芯片满足测量要求。测量中需将管脚V+、C12、C11、C10、C9、C8并联以实现对8个串联电池的电压测量。芯片AD-uM1411的作用是将主控芯片STM32F407ZGT6与从机设备LTC6802-2的SPI串行通信口进行抗干扰隔离，保障主机与从机之间能正确进行串行数据传输。钓鱼支架
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