全釩液流電池充放電測試系統(tǒng)設計

1、基金項目：四川省科技支撐計劃項目（項目編號：2014GZ0085，2014GZ0001）作者簡介：牛紅濤（1981-），男，河南禹州人，博士，主要從事電池測試技術(shù)與標準研究。全釩液流電池充放電測試系統(tǒng)設計*牛紅濤1，余曉曦1，楊春生1，郭乃理12,羅文博1（1. 中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021；2. 四川中測電子科技有限公司，四川 成都 610021）摘要 針對全釩液流電池的測試需求，文章對全釩液流電池的工作原理進行介紹，根據(jù)全釩液流電池運行參數(shù)，設計了一種用于全釩液流電池容量測試所需的自動充放電測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對全釩液流電池進行恒壓、恒流充電以及恒流放電測試，并具有監(jiān)測單體電

2、池電壓功能，在測試過程對電池提供安全保護功能，并對數(shù)據(jù)進行保存和查看。使用設計的充放電測試系統(tǒng)對全釩液流電堆進行充放電測試，分析了能量效率與充電電流的關(guān)系。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠完成釩電池容量測試，對釩電池測試系統(tǒng)研究以及釩電池測試標準建立有重要參考意義。關(guān)鍵詞 全釩液流電池 容量測試 充放電 測試系統(tǒng) 測試標準中圖法分類號 TP273； 文獻標志碼 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用，電池測試技術(shù)也正在逐步發(fā)展1-4。然而，大容量鋰電池的造價成本相對較高，鉛酸電池容易對環(huán)境造成污染且循環(huán)壽命較差，在大規(guī)模風光儲能領(lǐng)域的應用前景有限。全釩液流電池（Vanadium Redox Flow Batt

8、ery，VRB）簡稱釩電池，其特殊性在于釩電池有兩個儲液罐分別存儲隔離正、負極電解液5-9。這種方式使釩電池在大中型儲能方面展現(xiàn)出眾多優(yōu)點，如電池的容量、功率便于調(diào)整，理論循環(huán)壽命長等。與其它電池產(chǎn)業(yè)相比，釩電池的測試標準還未形成，電池測試系統(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，設計了一種釩電池充放電測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括直流穩(wěn)壓電源、直流電子負載、計算機控制系統(tǒng)、充放電監(jiān)測保護裝置四個模塊，能對釩電池電解液溫度、電池組電壓、單體電池電壓及電流進行檢測、記錄和保存，并有過壓、過流和過溫保護功能，實現(xiàn)釩電池容量測試功能，該系統(tǒng)對釩電池容量測試及標準研究具有重要的參

9、考意義。釩電池充放電測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計1.1 釩電池工作原理釩電池主要由電堆模塊、電解液存儲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，正負極電解液不斷在電堆內(nèi)部和儲液罐之間循環(huán)流動，H+在離子交換膜之間進行交換起到電池內(nèi)部導電作用。釩電池在5至45之間的溫度范圍內(nèi)正常工作，溫度過高或過低會導致電解液內(nèi)產(chǎn)生沉淀物，從而堵塞循環(huán)管，影響電池壽命。因此，對釩電池進行電池容量測試時需要對電解液溫度進行檢測。本文測試的釩電池電堆有8個單體電池，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)釩電池充放電測試系統(tǒng)的硬件主要包括計算機控制系統(tǒng)、直流可編程電源、直流

10、可編程電子負載、電池監(jiān)控保護裝置、全釩液流電池五個部分，如圖2所示。系統(tǒng)軟件主要由計算機主控系統(tǒng)程序和電池監(jiān)控保護程序構(gòu)成。在釩電池充放電測試過程中，計算機控制系統(tǒng)按照用戶輸入的測試參數(shù)，首先啟動電池監(jiān)控保護裝置和釩電池，釩電池蠕動泵開始運行，電池監(jiān)控保護裝置對電池電壓（總電壓和各單體電池電壓）、電流、溫度、兩個儲液罐的液位、流量、管道液壓進行檢測，電池正常運行后，啟動直流電子負載，按照設置的放電截止電壓、電流對電池進行恒流放電預處理，靜置1小時后待電池溫度恢復到與初始溫度偏差小于5內(nèi)，關(guān)閉電子負載并啟動直流電源對電池進行充電，按設定的充電模式進行充電（恒流充電模式或恒壓充電模式），當?shù)竭_設定

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，當電池溫度恢復到與初始溫度偏差小于5內(nèi)，啟動電子負載對電池進行恒流放電測試，當電池電壓達到放電截止電壓后停止放電測試并顯示和保存電池容量測試結(jié)果。整個測試過程中，電池監(jiān)控保護裝置對電池的運行參數(shù)進行監(jiān)控，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C控制系統(tǒng)，當出現(xiàn)過壓、過流、過溫或電池運行參數(shù)異常情況時，及時關(guān)閉直流電源、直流負載和釩電池的蠕動泵，保護測試系統(tǒng)和被測電池的安全。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，并產(chǎn)生所需的PWM控制信號驅(qū)動功率開關(guān)管以輸出直流電壓和電流對釩電池進行充電測試10。直流電源與計算機控制系統(tǒng)采用RS485數(shù)據(jù)通信方式獲得充電設置所需參數(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 直流電子負載直流電子負載的作用是對電池進行放電測試，微處理器通過D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電壓控制信號，

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

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

15、解液漏滲，則蜂鳴器發(fā)出相應的警報聲，同時系統(tǒng)終止測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)的擴展性和信號采集速度和采樣精度。單體電池電壓采集電路設計LTC6802-2電壓測量芯片是凌力爾特(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12位AD轉(zhuǎn)換電路，一個精密電壓基準、一個高電壓輸入多路轉(zhuǎn)換電路和一個SPI串行通信接口。LTC6802-2芯片能夠輸入的最高電壓達60V，每個芯片可以監(jiān)控12個串聯(lián)的電池單體，并在約13ms的時間內(nèi)完成12個單體電池的電壓測量。芯片內(nèi)部為12個檢測單元配有相應的MOSFET開關(guān)，也支持外部擴展

16、MOSFET開關(guān)，可以對過充電池進行放電均衡。該芯片支持串聯(lián)使用方式，最多可以串聯(lián)16個芯片。電池監(jiān)控保護裝置采用如下電路對釩電池堆進行電壓檢測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個單體釩電池的正、負極，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。當其中一個單體電池電壓高于附近單體電池電壓的1%時，STM32F407ZGT6處理器控制電池電壓測量芯片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MOSFET管Q1導通，單體電池通過R6進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量及均衡控制電路采用電壓測量芯片LTC6802-2，如圖4所示。LTC6802-2芯片自帶一個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。該芯片默認設置是采集12個單體電池電壓，每個電壓采集端最大測量電壓為5V，而釩電池單體電池電壓最高不超過1.7V，該芯片滿足測量要求。測量中需將管腳V+、C12、C11、C10、C9、C8并聯(lián)以實現(xiàn)對8個串聯(lián)電池的電壓測量。芯片ADuM1411的作用是將主控芯片STM32F407ZGT6與從機設備LTC6802-2的SPI串行通信口進行抗干擾隔離，保障主機與從機之間能正確進行串行數(shù)據(jù)傳輸。圖4釩電池單體電池電壓測量及均衡控制電路Fig.4 Voltage measurement and balance control circuit for vanadi

19、um redox flow batteries電池運行參數(shù)采集電路設計釩電池進行充放電容量測試過程中的運行參數(shù)除了電池電壓外，還包括電流、電池溫度、儲液罐液位、管道壓力和電解液流量，對這些參數(shù)的檢測及監(jiān)控能保障釩電池測試過程的安全進行，釩電池運行參數(shù)采集電路如圖5所示。系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器對充放電電流進行采集，采用熱敏電阻對電池溫度進行采集，采用超聲波物位變送器來測量儲液罐中的液位，使用電磁流量計對流量進行測量，使用管道壓力傳感器檢測液流管道內(nèi)壓。在信號采集前端,被測信號通過相應傳感器被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，再經(jīng)電阻分壓及濾波處理后，輸入到信號采集端口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對被測信號進行選擇。電路采用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器，按16位分辨率對被測模擬信號進行采樣并將數(shù)據(jù)送入STM32F407ZGT6處理器進行處理計算。系統(tǒng)采用兩組CD4067B和AD7705芯片對電流、電池溫度、儲液罐液位、管道壓力和電解液流量等參數(shù)進行采集監(jiān)控。主控芯片STM32F407ZGT6控制采樣電路每秒對被測參數(shù)進行一次采集。圖5電池運行參數(shù)采集電路Fig.5 Parameter acquisition circuit for vanadium redox flow batteries軟件系統(tǒng)設計釩電池充放電測試系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法，包括上位機

21、控制平臺和基于UCOSII嵌入式系統(tǒng)的電池監(jiān)控保護平臺設計。上位機控制平臺采用C#程序編寫，主要負責人機交互的實現(xiàn)以及對測試系統(tǒng)硬件電路控制，包括對直流電源、直流電子負載和電池監(jiān)控保護裝置的參數(shù)設置，根據(jù)測試需求對測試步驟和測試參數(shù)進行設置，保存測試結(jié)果和顯示相關(guān)圖表曲線，如電壓-時間-電流曲線。基于UCOSII嵌入式系統(tǒng)的電池監(jiān)控保護平臺負責對容量測試過程的釩電池運行參數(shù)進行監(jiān)控，根據(jù)電池運行參數(shù)和用戶設置參數(shù)的對比分析，對硬件測試電路模塊進行關(guān)斷或?qū)ǎ瑸闇y試過程提供過壓、過流、過溫保護以及漏液檢測功能，保障測試過程釩電池的安全并根據(jù)異常狀態(tài)進行聲音報警提示。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容量測試結(jié)果分析使用本系統(tǒng)對釩電池樣機進行恒流充放電容量測試，測試中采用的電流密度分別為40/60/80/90 mA/cm2。測試步驟如下：首先對釩電池進行預處理，以設定的電流密度對被測釩電池進行恒流放電至電池端電壓為0V，再以該電流對釩電池進行恒流充電至電池荷電狀態(tài)SOC為20%時充電結(jié)束。充放電測試在電池荷電狀態(tài)20%至80%之間進行。按設定的電流對釩電池進行恒流充電至電池荷電狀態(tài)為80%，然后進行恒流放電測試，以該電流對釩電池進行恒流放電至電池荷電狀態(tài)為20%為止。容量測試結(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與充電瓦時之比逐漸提高，即釩電池的能量效率的變化與充電電流的變化趨勢相反，如圖7(b)所示。這是因為釩電池的歐姆極化、濃差極化和電化學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)果可知被測釩電池的最優(yōu)充放電電流密度不應高于80 mA/cm2，另外充放電電流不宜過大或過小，電流過大導致電池升溫從而可能危害電池壽命，電流過小會導致充電時間過長。本文提出的充放電容量測試系統(tǒng)在釩電池充放電測試過程中有效的監(jiān)控電池運行參數(shù)，保障釩電池測試過程安全進行并能保存和顯示容量測試結(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能電池，本文根據(jù)釩電池的特點提出一種用于全釩液流電池容量測試的充放電測試系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)y試中的釩電池運行參數(shù)進行有效監(jiān)控并能完成釩電池充放電容量測試。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠保障釩電池容量測試安全進行，對釩電池容量測試及其標準研究具有重要參考意義。參考文獻HYPERLINK /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=陳超&code=093690

25、41;24326391;00008071;陳超,HYPERLINK /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=謝瑞&code=09369041;24326391;00008071;謝瑞,HYPERLINK /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=何湘寧&code=09369041;24326391;00008071;何湘寧.電動汽車車載鋰電池分段充電策略研究J.機電工程,2011,28(7):887-890,900.HYPERLINK /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=王少龍&code=21495324;24452668;24452669;王少龍,HYPERLINK /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=侯明&code=21495324;24