一種液流電池堆單電池電壓檢測電路的製作方法
2023-05-29 18:44:26
一種液流電池堆單電池電壓檢測電路的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，連接由N個單體電池E1～EN依次串聯構成的電池堆，包括一個單片機U1、N+1個光耦繼電器NK1～NKN+1、一個轉換電路U2和一個CAN總線收發晶片U3，單片機U1連接光耦繼電器NK1～NKN+1的引腳K，光耦繼電器NK1～NKN+1的引腳A均連接電源VCC，光耦繼電器NK1～NKN的引腳D分別依次連接單體電池E1～EN的正極，光耦繼電器NKN+1的引腳D連接單體電池EN的負極，光耦繼電器NK1～NKN+1的引腳d交替連接線COMA和線COMB，轉換電路U2輸入端連接線COMA、線COMB和單片機U1，輸出端連接地GND和單片機U1，CAN總線收發晶片U3連接單片機U1。與現有技術相比，本發明具有產品可靠性高，實施難度小，多路採集互不幹擾等優點。
【專利說明】一種液流電池堆單電池電壓檢測電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種檢測電路，尤其是涉及一種液流電池堆單電池電壓檢測電路。
【背景技術】
[0002]利用風能、太陽能等可再生能源發電是人類將來利用新能源發電的最主要的方式。由於風能、太陽能發電過程受自然因素如天氣等影響，具有隨機性、不連續特點，難於保持穩定的電能輸出，需要和一定規模的電能儲存裝置相配合，構成完整的供電系統，保證持續穩定的電能供應。因此，開發電能轉化效率高、儲存容量大、經濟性能好的儲能系統成為利用新能源發電的技術關鍵。在與各種形式的儲能技術，例如蓄水儲能電站、高速飛輪機械儲能、超導儲能等相比較，電化學儲能具有能量轉化效率高，可移動性強等特點，在各類儲能技術中有獨特的優勢。在各種電化學儲能技術中，液流電池系統具有大容量電能儲存與高效轉化功能，以及使用壽命長、環保、安全的特點，易於和風能、太陽能發電相匹配，可以大幅度降低設備造價，為新能源發電提供技術保證。用於電網系統儲能，適合於中等規模廠礦企業、賓館飯店、政府部門的不間斷電源使用，能夠有效改善電網供電質量，完成電網的「移峰填谷」作用。
[0003]全I凡液流電池(Vanadium Redox Battery,VRB)是一種新型化學電源,通過不同價態的釩離子相互轉化實現電能的儲存與釋放，使用同種釩元素組成電池系統，從原理上避免了正負半電池間不同種類活性物質相互滲透產生的交叉汙染，液流電池堆的結構如圖2所示。使用溶解在電解液中不同價態釩離子作為電池正極和負極活性物質，正極電解液和負極電解液分開儲存，從原理上避免電池儲存過程自放電現象，適合於大規模儲能過程應用。正極電解液儲罐和負極電解液儲罐通過磁力泵為全釩液流電池的正極和負極提供電解液，正極和負極通過離子交換膜隔開，為負載供電。當風能、太陽能發電裝置的功率超過額定輸出功率時，通過對液流電池的充電，將電能轉化為化學能儲存在不同價態的離子對中；當發電裝置不能滿足額定輸出功率時，液流電池開始放電，把儲存的化學能轉化為電能，保證穩定電功率輸出。由於液流電池對於風能、太陽能等可再生能源發電過程的重要意義，作為關鍵技術在國內外得到普遍關注。
[0004]全釩液流電池充電/放電運行過程，電極上將發生以下氧化還原反應。
[0005]正極反應:
[0006]
V02++2H++e V02++H20 EO=LOOV
[0007]負極反應:
[0008]
V2+ V3++e E0=-0.26V
【發明內容】
[0009]液流電池堆在充、放電過程中某個單電池發生故障，如質子交換膜破損、雙極板破損、電解液堵塞不流動等都會影響到整個電池堆的整體充、放性能的穩定性，每個單電池工作正常時表現出單電池電壓平均、一致，所以對電池堆中的所有單電池電壓進行監控非常重要。本發明的目的就是為了克服現有技術存在的缺陷而提供一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，使得液流電池在運行過程中，獲得各單電壓數據，作為液流電池保護運行的參照數據。
[0010]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0011 ] 一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，連接由N個單體電池E1?En依次串聯構成的電池堆，包括一個單片機U1、N+1個光耦繼電器NK1?NKn+1、一個轉換電路U2和一個CAN總線收發晶片U3，所述的單片機Ul的N+1個輸出引腳A1?An+1分別依次連接對應的光耦繼電器NK1?NKn+i的引腳K，所述的光耦繼電器NK1?NKn+i的引腳A均連接電源VCC，光耦繼電器NK1?NKn的引腳D分別依次連接單體電池E1?En的正極，光耦繼電器NKn+i的引腳D連接單體電池En的負極，光耦繼電器NK1?NKn+1的引腳d交替連接線COMA和線C0MB，所述的轉換電路U2輸入端a連接線C0MA，輸入端b連接線C0MB，輸入端p、q分別連接單片機Ul的引腳S0、S1，輸出端e、f分別連接地GND和單片機Ul的引腳ΑΙΝ0，所述的CAN總線收發晶片U3的CANH端、CANL端分別對應連接單片機Ul的CANH端、CANL端；
[0012]單片機Ul由引腳A1?An+1向光耦繼電器NK1?NKn+i依次發出檢測單個單體電池電壓E1?En的控制信號後，對應的光耦繼電器NK1?NKn+1將單體電池E1?En正向電壓輸入到線COMA或線C0MB，同時單片機由引腳S0、SI向轉換電路U2發出切換電路信號，轉換電路U2將線COMA或線COMB上的正向電壓送到單片機Ul的Α/D轉換輸入口，即引腳AINO，單片機Ul將採集得到的電池堆內每個單體電池E1?En的電壓值發送給CAN總線收發晶片U3。
[0013]所述的轉換電路U2包括光耦繼電器NKa、光耦繼電器NKb、光耦繼電器NKc和光耦繼電器NKd，所述的光耦繼電器NKa的引腳A連接電源VCC，引腳K連接光耦繼電器NKb的引腳A，引腳D分別連接線COMA和光耦繼電器NKd的引腳D於輸入端a，引腳d分別連接光耦繼電器NKc的引腳d和單片機Ul的引腳AINO與輸出端f，所述的光耦繼電器NKb的引腳K連接單片機Ul的引腳SI於輸入端q，引腳D分別連接光耦繼電器NKc的引腳D和線COMB於輸入端b,引腳d分別連接光稱繼電器NKd的引腳d和地GND於輸出端e,所述的光f禹繼電器NKc的引腳A連接電源VCC，引腳K連接光耦繼電器NKd的引腳K，所述的光耦繼電器NKd連接單片機Ul的引腳SO於輸入端P。
[0014]該檢測電路還包括N+1個分壓電阻R1?RN+1，所述的分壓電阻R1?Rn分別接入單體電池E1?En的正極與光耦繼電器NK1?NKn的引腳D之間，分壓電阻Rn+1接入單體電池En的負極與光耦繼電器NKn+1的引腳D之間。
[0015]所述的分壓電阻R1?Rn+1採用精密電阻，精度< 0.001。
[0016]該檢測電路還包括電阻RO1、電阻R02、電阻R03、穩壓二極體Vl、穩壓二極體V2、穩壓二極體V3、電容C2和電容C3，所述的電阻ROl接入光耦繼電器NK1?NKm的引腳A與電源VCC之間，所述的穩壓二極體Vl的負極連接線C0MB，正極連接穩壓二極體V2的正極，所述的穩壓二極體V2的負極連接線C0MA，所述的電阻R02和電容C2均分別與線COMA和線COMB連接，所述的電阻R03、電容C3和穩壓二極體V3均分別連接地GND和單片機Ul的引腳 ΑΙΝ0。
[0017]所述的單片機Ul採用LPC2194 ARM晶片。
[0018]所述的光耦繼電器採用常開接點類型。
[0019]所述的光耦繼電器採用AC38F。
[0020]所述的CAN總線收發晶片U3採用CTM1050。
[0021]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0022]I)本發明通過單片機Ul控制光耦繼電器NK1?NKn+1和轉換電路U3，循環切換檢測每個單體電池的電路，實現檢測電池堆中每個單體電池電壓，並總線發送的功能，具有產品可靠性高，多路採集互不幹擾等優點。
[0023]2)本發明通過增加或減少相應的光耦繼電器NK1?NKn+1和分壓電阻R1?RN+1，可以方便地針對具有不同數量單體電池的電池堆，進行相應的擴展，具有實施難度小，可擴展性好等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例提供的液流電池堆單電池電壓檢測電路的結構圖；
[0025]圖2為液流電池堆的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0027]如圖1所示，由34個單體電池E1?E34組成的5KW液流電池堆模塊的單電池電壓檢測電路，包括一個單片機Ul、35個光耦繼電器NK1?NK35、一個轉換電路U2和一個CAN總線收發晶片U3，所述的單片機Ul的35個輸出引腳A1?A35分別依次連接對應的光耦繼電器NK1?NK35的引腳K，光耦繼電器NK1?NK35的引腳A均連接電源VCC，光耦繼電器NK1?NK34的引腳D分別依次連接單體電池E1?E34的正極，光耦繼電器NK35的引腳D連接單體電池E34的負極，光耦繼電器NK2n+1的引腳d連接線C0MA，光耦繼電器NK2n的引腳d連接線COMB,所述的轉換電路U2輸入端a連接線C0MA，輸入端b連接線C0MB，輸入端p、q分別連接單片機Ul的引腳S0、SI，輸出端e、f分別連接地GND和單片機Ul的引腳A1N0，所述的CAN總線收發晶片U3的CANH端、CANL端分別對應連接單片機Ul的CANH端、CANL端；單片機Ul採用LPC2194 ARM晶片，光耦繼電器包括引腳A、K、D和d，採用AC38F，為常開接點類型，則引腳D、d為常開狀態，CAN總線收發晶片U3採用CTM1050。
[0028]轉換電路U2包括光耦繼電器NKa、光耦繼電器NKb、光耦繼電器NKc和光耦繼電器NKd,所述的光耦繼電器NKa的引腳A連接電源VCC，引腳K連接光耦繼電器NKb的引腳A，引腳D分別連接線COMA和光耦繼電器NKd的引腳D於輸入端a，引腳d分別連接光耦繼電器NKc的引腳d和單片機Ul的引腳AINO與輸出端f，所述的光耦繼電器NKb的引腳K連接單片機Ul的引腳SI於輸入端q，引腳D分別連接光耦繼電器NKc的引腳D和線COMB於輸入端b，引腳d分別連接光耦繼電器NKd的引腳d和地GND於輸出端e，所述的光耦繼電器NKc的引腳A連接電源VCC，引腳K連接光耦繼電器NKd的引腳K，所述的光耦繼電器NKd連接單片機Ul的引腳SO於輸入端P。
[0029]還包括35個分壓電阻R1?R35，所述的分壓電阻R1?R34分別接入單體電池E1?E34的正極與光耦繼電器NK1?NK34的引腳D之間，分壓電阻R35接入單體電池E34的負極與光耦繼電器NK35的引腳D之間。分壓電阻R1?R35採用精密電阻，精度< 0.001。
[0030]還包括電阻ROl、電阻R02、電阻R03、穩壓二極體V1、穩壓二極體V2、穩壓二極體V3、電容C2和電容C3，所述的電阻ROl接入光耦繼電器NK1?NK35的引腳A與電源VCC之間，起限流作用，所述的穩壓二極體Vl的負極連接線C0MB，正極連接穩壓二極體V2的正極，所述的穩壓二極體V2的負極連接線C0MA，所述的電阻R02和電容C2均分別與線COMA和線COMB連接，所述的電阻R03、電容C3和穩壓二極體V3均分別連接地GND和單片機Ul的引腳 AINO0
[0031]單片機Ul由引腳A1-A35向光耦繼電器NK1-NK35依次發出檢測單個單體電池電壓E1?E34的控制信號後，對應的光耦繼電器NK1?NK35將單體電池E1?E34正向電壓輸入到線COMA或線COMB，同時單片機由引腳SO、SI向轉換電路U2發出切換電路信號，轉換電路U2將線COMA或線COMB上的正向電壓送到單片機Ul的Α/D轉換輸入口，即引腳ΑΙΝ0，單片機Ul將採集得到的電池堆內每個單體電池E1?E34的電壓值發送給CAN總線收發晶片U3。
[0032]以檢測單體電池E1和單體電池E2的電壓為例，具體控制過程為:
[0033]I)檢測單體電池E1的電壓
[0034]單片機Ul的引腳ApA2為低電平，A3?A35全為高電平，光耦繼電器NK1的引腳D、d之間導通，燃料電池堆中單體電池E1的正極端串分壓電阻R1接通線C0MA，光耦繼電器NK2的引腳D、d之間導通，單體電池E1的負極端串分壓電阻R2接通線C0MB，同時單片機Ul的引腳SO為高電平，SI為低電平，使得線COMA連通到單片機Ul的Α/D轉換輸入口 ΑΙΝ0，線COMB連通到接地點GND，通過Α/D轉換得到單體電池E1分壓電壓U1，通過單片機軟體計算得到單體電池 E1 的電壓 Ufci，Ufci = U1* (Rc^RJR2)/R。。
[0035]2)檢測單體電池E2的電壓
[0036]單片機Ul的引腳A2、A3為低電平，ApA4?A35全為高電平，光耦繼電器NK2的引腳D、d之間導通，燃料電池單體電池E2的正極端串分壓電阻R2接通線C0MB，光耦繼電器NK3導通，燃料電池單體電池E2的負極端串分壓電阻R3接通線C0MA，同時單片機Ul的引腳SO為低電平，SI為高電平，使得線COMB連通到單片機Ul的Α/D轉換輸入口 AINO，線COMA連通到接地點GND，通過Α/D轉換得到單體電池E2分壓電壓U2,通過單片機軟體計算得到單體電池 E2 的電壓 Ufc2，Ufc2 = U2* (R03+R2+R3) /R0。
[0037]通過上述方式對單體電池E3、E4、......E34進行檢測，單體電池E2n+1的控制方式同單體電池E1,單體電池E2n的控制方式同單體電池E2,採用CAN總線通訊方式，將液流電池單電壓值進行發送。若堆的單體電池個數大於34，只需增加相應的光耦繼電器和分壓電阻，光耦繼電器、分壓電阻、單電壓數據通過不同的ID標識符進行辨識。
【權利要求】
1.一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，連接由N個單體電池E1?En依次串聯構成的電池堆，其特徵在於，包括一個單片機Ul、N+1個光耦繼電器NK1?NKn+1、一個轉換電路U2和一個CAN總線收發晶片U3，所述的單片機Ul的N+1個輸出引腳A1?AN+1分別依次連接對應的光耦繼電器NK1?NKn+i的引腳K，所述的光耦繼電器NK1?NKn+i的引腳A均連接電源VCC，光耦繼電器NK1?NKn的引腳D分別依次連接單體電池E1?En的正極，光耦繼電器NKn+1的引腳D連接單體電池En的負極，光耦繼電器NK1?NKn+i的引腳d交替連接線COMA和線C0MB，所述的轉換電路U2輸入端a連接線C0MA，輸入端b連接線C0MB，輸入端p、q分別連接單片機Ul的引腳S0、S1，輸出端e、f分別連接地GND和單片機Ul的引腳ΑΙΝ0，所述的CAN總線收發晶片U3的CANH端、CANL端分別對應連接單片機Ul的CANH端、CANL端； 單片機Ul由引腳A1?An+1向光耦繼電器NK1?NKn+i依次發出檢測單個單體電池電壓E1?En的控制信號後，對應的光耦繼電器NK1?NKn+1將單體電池E1?En正向電壓輸入到線COMA或線C0MB，同時單片機由引腳S0、SI向轉換電路U2發出切換電路信號，轉換電路U2將線COMA或線COMB上的正向電壓送到單片機Ul的Α/D轉換輸入口，即引腳ΑΙΝ0，單片機Ul將採集得到的電池堆內每個單體電池E1?En的電壓值發送給CAN總線收發晶片U3。
2.根據權利要求1所述的一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，其特徵在於，所述的轉換電路U2包括光耦繼電器NKa、光耦繼電器NKb、光耦繼電器NKc和光耦繼電器NKd，所述的光耦繼電器NKa的引腳A連接電源VCC，引腳K連接光耦繼電器NKb的引腳A，引腳D分別連接線COMA和光耦繼電器NKd的引腳D於輸入端a，引腳d分別連接光耦繼電器NKc的引腳d和單片機Ul的引腳AINO與輸出端f，所述的光耦繼電器NKb的引腳K連接單片機Ul的引腳SI於輸入端q，引腳D分別連接光耦繼電器NKc的引腳D和線COMB於輸入端b，引腳d分別連接光耦繼電器NKd的引腳d和地GND於輸出端e，所述的光耦繼電器NKc的弓I腳A連接電源VCC，引腳K連接光耦繼電器NKd的引腳K，所述的光耦繼電器NKd連接單片機Ul的引腳SO於輸入端P。
3.根據權利要求1所述的一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，其特徵在於，還包括N+1個分壓電阻R1?RN+1，所述的分壓電阻R1?Rn分別接入單體電池E1?En的正極與光耦繼電器NK1?NKn的引腳D之間，分壓電阻Rn+1接入單體電池En的負極與光耦繼電器NKn+1的引腳D之間。
4.根據權利要求3所述的一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，其特徵在於，所述的分壓電阻R1?Rn+1採用精密電阻，精度< 0.001。
5.根據權利要求1所述的一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，其特徵在於，還包括電阻ROl、電阻R02、電阻R03、穩壓二極體V1、穩壓二極體V2、穩壓二極體V3、電容C2和電容C3，所述的電阻ROI接入光耦繼電器NK1?NKn+1的引腳A與電源VCC之間，所述的穩壓二極體Vl的負極連接線C0MB，正極連接穩壓二極體V2的正極，所述的穩壓二極體V2的負極連接線C0MA，所述的電阻R02和電容C2均分別與線COMA和線COMB連接，所述的電阻R03、電容C3和穩壓二極體V3均分別連接地GND和單片機Ul的引腳ΑΙΝ0。
6.根據權利要求1所述的一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，其特徵在於，所述的單片機Ul採用LPC2194 ARM晶片。
7.根據權利要求1所述的一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，其特徵在於，所述的光耦繼電器採用常開接點類型。
8.根據權利要求1所述的一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，其特徵在於，所述的光耦繼電器採用AC38F。
9.根據權利要求1所述的一種液流電池堆單電池電壓檢測電路，其特徵在於，所述的CAN總線收發晶片U3採用CTM1050。
【文檔編號】G01R19/25GK104133107SQ201410374835
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】方陳, 譚明生, 張宇, 柳勁松, 高旭峰, 時珊珊, 袁加妍, 雷珽, 劉舒, 王立明 申請人:國網上海市電力公司, 華東電力試驗研究院有限公司, 上海神力科技有限公司