全釩液流電池充放電測試系統(tǒng)設(shè)計

全釩疝電池充放電測試系統(tǒng)設(shè)計牛紅濤;余曉曦;楊春生淳B乃理;羅文博【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(jìn)行介紹,根據(jù)全釩液流電池運(yùn)行參數(shù)，設(shè)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(jìn)行恒壓、恒流充電以及恒流放電測試，并具有監(jiān)測單體電池電壓功能，在測試過程對電池提供安全保護(hù)功能，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和查看;使用設(shè)計的充放電測試系統(tǒng)對全釩液流電堆進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)建立有重要參考意義.【期刊名稱】《計算機(jī)測量與控制》【年(卷)，期】2015(023)011【總頁數(shù)】4頁(P3596-3598,3602)【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(biāo)準(zhǔn)【作者】牛紅濤;余曉曦;楊春生;郭乃理;羅文博【作者單位】中國測試技術(shù)研究院，成都610021;中國測試技術(shù)研究院，成都610021;中國測試技術(shù)研究院，成都610021;中國測試技術(shù)研究院，成都610021;四川中測電子科技有限公司，成都610021;中國測試技術(shù)研究院，成都610021【正文語種】中文【中圖分類】TP273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(yīng)用，電池測試技術(shù)也正在逐步發(fā)展［14］。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(fēng)光儲能領(lǐng)域的應(yīng)用前景有限。全釩液流電池(vanadiumredoxflowbattery,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(fù)極電解液［59］。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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(fù)載、計算機(jī)控制系統(tǒng)、充放電監(jiān)測保護(hù)裝置4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(jìn)行檢測、記錄和保存，并有過壓、過流和過溫保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)研究具有重要的參考意義。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(fù)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(jìn)行交換起到電池內(nèi)部導(dǎo)電作用。釩電池在5~45°C之間的溫度范圍內(nèi)正常工作，溫度過高或過低會導(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，對釩電池進(jìn)行電池容量測試時需要對電解液溫度進(jìn)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(jī)控制系統(tǒng)、直流可編程電源、直流可編程電子負(fù)載、電池監(jiān)控保護(hù)裝置、全釩液流電池5個部分，如圖2所示。系統(tǒng)軟件主要由計算機(jī)主控系統(tǒng)程序和電池監(jiān)控保護(hù)程序構(gòu)成。在釩電池充放電測試過程中，計算機(jī)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(hù)裝置和釩電池，釩電池蠕動泵開始運(yùn)行，電池監(jiān)控保護(hù)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(jìn)行檢測，電池正常運(yùn)行后，啟動直流電子負(fù)載，按照設(shè)置的放電截止電壓、電流對電池進(jìn)行恒流放電預(yù)處理，靜置1小時后待電池溫度恢復(fù)到與初始溫度偏差小于5°C內(nèi)，關(guān)閉電子負(fù)載并啟動直流電源對電池進(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(dāng)電池溫度恢復(fù)到與初始溫度偏差小于5C內(nèi)，啟動電子負(fù)載對電池進(jìn)行恒流放電測試，當(dāng)電池電壓達(dá)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(hù)裝置對電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C(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，及時關(guān)閉直流電源、直流負(fù)載和釩電池的蠕動泵，保護(hù)測試系統(tǒng)和被測電池的安全。1.2.1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(jìn)行充電測試［10］。直流電源與計算機(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0~80V，電流范圍為0~240A。1.2.2直流電子負(fù)載直流電子負(fù)載的作用是對電池進(jìn)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，該信號經(jīng)運(yùn)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(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0~120V，電流范圍為0~480A。直流電子負(fù)載具有恒流放電、恒壓放電、恒電阻放電功能，在容量測試中，常用的是恒流放電測試。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型號的32位微處理器作為控制芯片。該芯片基于CortexTM-M4CPU，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(dá)1M字節(jié)，CPU主頻達(dá)168MHz，內(nèi)置3個12位ADC轉(zhuǎn)換器，可以滿足實際應(yīng)用的需求。電池監(jiān)控保護(hù)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(fù)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(jī)的I/O口以中斷方式實現(xiàn)漏液報警功能，如果有電解液漏滲，則蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)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(kuò)展性和信號采集速度和采樣精度。LTC6802-2電壓測量芯片是凌力爾特(lineartechnology)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(zhǔn)、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(dá)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(yīng)的MOSFET開關(guān)，也支持外部擴(kuò)展MOSFET開關(guān)，可以對過充電池進(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個芯片。電池監(jiān)控保護(hù)裝置采用如下電路對釩電池堆進(jìn)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(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LTC6802-2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(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。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AD-UM1411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。釩電池進(jìn)行充放電容量測試過程中的運(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(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充放電電流進(jìn)行采集，采用熱敏電阻對電池溫度進(jìn)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(jìn)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(yīng)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16選1多路模擬開關(guān)CD4067B對被測信號進(jìn)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(jìn)行采樣并將數(shù)據(jù)送入STM32F407ZGT6處理器進(jìn)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(jìn)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(jìn)行一次采集。釩電池充放電測試系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，包括上位機(jī)控制平臺和基于UCOSII嵌入式系統(tǒng)的電池監(jiān)控保護(hù)平臺設(shè)計。上位機(jī)控制平臺采用C程序編寫，主要負(fù)責(zé)人機(jī)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(fù)載和電池監(jiān)控保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)置，根據(jù)測試需求對測試步驟和測試參數(shù)進(jìn)行設(shè)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?；赨COSII嵌入式系統(tǒng)的電池監(jiān)控保護(hù)平臺負(fù)責(zé)對容量測試過程的釩電池運(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)的對比分析，對硬件測試電路模塊進(jìn)行關(guān)斷或?qū)?，為測試過程提供過壓、過流、過溫保護(hù)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(jìn)行聲音報警提示。主程序流程圖如圖6所示。使用本系統(tǒng)對釩電池樣機(jī)進(jìn)行恒流充放電容量測試，測試中采用的電流密度分別為40/60/80/90mA/cm2。測試步驟如下：1)首先對釩電池進(jìn)行預(yù)處理，以設(shè)定的電流密度對被測釩電池進(jìn)行恒流放電至電池端電壓為0V，再以該電流對釩電池進(jìn)行恒流充電至電池荷電狀態(tài)SOC為20%時充電結(jié)束。2)充放電測試在電池荷電狀態(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)行恒流放電測試，以該電流對釩電池進(jìn)行恒流放電至電池荷電狀態(tài)為20%為止。容量測試結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，隨著放電電流的減小，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