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CN104133107A - 一种液流电池堆单电池电压检测电路 - Google Patents

一种液流电池堆单电池电压检测电路 Download PDF

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CN104133107A
CN104133107A CN201410374835.3A CN201410374835A CN104133107A CN 104133107 A CN104133107 A CN 104133107A CN 201410374835 A CN201410374835 A CN 201410374835A CN 104133107 A CN104133107 A CN 104133107A
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relay
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CN201410374835.3A
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方陈
谭明生
张宇
柳劲松
高旭峰
时珊珊
袁加妍
雷珽
刘舒
王立明
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State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Shanghai Shenli Technology Co Ltd
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State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种液流电池堆单电池电压检测电路，连接由N个单体电池E1～EN依次串联构成的电池堆，包括一个单片机U1、N+1个光耦继电器NK1～NKN+1、一个转换电路U2和一个CAN总线收发芯片U3，单片机U1连接光耦继电器NK1～NKN+1的引脚K，光耦继电器NK1～NKN+1的引脚A均连接电源VCC，光耦继电器NK1～NKN的引脚D分别依次连接单体电池E1～EN的正极，光耦继电器NKN+1的引脚D连接单体电池EN的负极，光耦继电器NK1～NKN+1的引脚d交替连接线COMA和线COMB，转换电路U2输入端连接线COMA、线COMB和单片机U1，输出端连接地GND和单片机U1，CAN总线收发芯片U3连接单片机U1。与现有技术相比，本发明具有产品可靠性高，实施难度小，多路采集互不干扰等优点。

Description

一种液流电池堆单电池电压检测电路
技术领域
本发明涉及一种检测电路，尤其是涉及一种液流电池堆单电池电压检测电路。
背景技术
利用风能、太阳能等可再生能源发电是人类将来利用新能源发电的最主要的方式。由于风能、太阳能发电过程受自然因素如天气等影响，具有随机性、不连续特点，难于保持稳定的电能输出，需要和一定规模的电能储存装置相配合，构成完整的供电系统，保证持续稳定的电能供应。因此，开发电能转化效率高、储存容量大、经济性能好的储能系统成为利用新能源发电的技术关键。在与各种形式的储能技术，例如蓄水储能电站、高速飞轮机械储能、超导储能等相比较，电化学储能具有能量转化效率高，可移动性强等特点，在各类储能技术中有独特的优势。在各种电化学储能技术中，液流电池系统具有大容量电能储存与高效转化功能，以及使用寿命长、环保、安全的特点，易于和风能、太阳能发电相匹配，可以大幅度降低设备造价，为新能源发电提供技术保证。用于电网系统储能，适合于中等规模厂矿企业、宾馆饭店、政府部门的不间断电源使用，能够有效改善电网供电质量，完成电网的“移峰填谷”作用。
全钒液流电池(Vanadium Redox Battery，VRB)是一种新型化学电源，通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，使用同种钒元素组成电池系统，从原理上避免了正负半电池间不同种类活性物质相互渗透产生的交叉污染，液流电池堆的结构如图2所示。使用溶解在电解液中不同价态钒离子作为电池正极和负极活性物质，正极电解液和负极电解液分开储存，从原理上避免电池储存过程自放电现象，适合于大规模储能过程应用。正极电解液储罐和负极电解液储罐通过磁力泵为全钒液流电池的正极和负极提供电解液，正极和负极通过离子交换膜隔开，为负载供电。当风能、太阳能发电装置的功率超过额定输出功率时，通过对液流电池的充电，将电能转化为化学能储存在不同价态的离子对中；当发电装置不能满足额定输出功率时，液流电池开始放电，把储存的化学能转化为电能，保证稳定电功率输出。由于液流电池对于风能、太阳能等可再生能源发电过程的重要意义，作为关键技术在国内外得到普遍关注。
全钒液流电池充电/放电运行过程，电极上将发生以下氧化还原反应。
正极反应：
负极反应：
发明内容
液流电池堆在充、放电过程中某个单电池发生故障，如质子交换膜破损、双极板破损、电解液堵塞不流动等都会影响到整个电池堆的整体充、放性能的稳定性，每个单电池工作正常时表现出单电池电压平均、一致，所以对电池堆中的所有单电池电压进行监控非常重要。本发明的目的就是为了克服现有技术存在的缺陷而提供一种液流电池堆单电池电压检测电路，使得液流电池在运行过程中，获得各单电压数据，作为液流电池保护运行的参照数据。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种液流电池堆单电池电压检测电路，连接由N个单体电池E1～EN依次串联构成的电池堆，包括一个单片机U1、N+1个光耦继电器NK1～NKN+1、一个转换电路U2和一个CAN总线收发芯片U3，所述的单片机U1的N+1个输出引脚A1～AN+1分别依次连接对应的光耦继电器NK1～NKN+1的引脚K，所述的光耦继电器NK1～NKN+1的引脚A均连接电源VCC，光耦继电器NK1～NKN的引脚D分别依次连接单体电池E1～EN的正极，光耦继电器NKN+1的引脚D连接单体电池EN的负极，光耦继电器NK1～NKN+1的引脚d交替连接线COMA和线COMB，所述的转换电路U2输入端a连接线COMA，输入端b连接线COMB，输入端p、q分别连接单片机U1的引脚S0、S1，输出端e、f分别连接地GND和单片机U1的引脚AIN0，所述的CAN总线收发芯片U3的CANH端、CANL端分别对应连接单片机U1的CANH端、CANL端；
单片机U1由引脚A1～AN+1向光耦继电器NK1～NKN+1依次发出检测单个单体电池电压E1～EN的控制信号后，对应的光耦继电器NK1～NKN+1将单体电池E1～EN正向电压输入到线COMA或线COMB，同时单片机由引脚S0、S1向转换电路U2发出切换电路信号，转换电路U2将线COMA或线COMB上的正向电压送到单片机U1的A/D转换输入口，即引脚AIN0，单片机U1将采集得到的电池堆内每个单体电池E1～EN的电压值发送给CAN总线收发芯片U3。
所述的转换电路U2包括光耦继电器NKa、光耦继电器NKb、光耦继电器NKc和光耦继电器NKd，所述的光耦继电器NKa的引脚A连接电源VCC，引脚K连接光耦继电器NKb的引脚A，引脚D分别连接线COMA和光耦继电器NKd的引脚D于输入端a，引脚d分别连接光耦继电器NKc的引脚d和单片机U1的引脚AIN0与输出端f，所述的光耦继电器NKb的引脚K连接单片机U1的引脚S1于输入端q，引脚D分别连接光耦继电器NKc的引脚D和线COMB于输入端b，引脚d分别连接光耦继电器NKd的引脚d和地GND于输出端e，所述的光耦继电器NKc的引脚A连接电源VCC，引脚K连接光耦继电器NKd的引脚K，所述的光耦继电器NKd连接单片机U1的引脚S0于输入端p。
该检测电路还包括N+1个分压电阻R1～RN+1，所述的分压电阻R1～RN分别接入单体电池E1～EN的正极与光耦继电器NK1～NKN的引脚D之间，分压电阻RN+1接入单体电池EN的负极与光耦继电器NKN+1的引脚D之间。
所述的分压电阻R1～RN+1采用精密电阻，精度＜0.001。
该检测电路还包括电阻R01、电阻R02、电阻R03、稳压二极管V1、稳压二极管V2、稳压二极管V3、电容C2和电容C3，所述的电阻R01接入光耦继电器NK1～NKN+1的引脚A与电源VCC之间，所述的稳压二极管V1的负极连接线COMB，正极连接稳压二极管V2的正极，所述的稳压二极管V2的负极连接线COMA，所述的电阻R02和电容C2均分别与线COMA和线COMB连接，所述的电阻R03、电容C3和稳压二极管V3均分别连接地GND和单片机U1的引脚AIN0。
所述的单片机U1采用LPC2194 ARM芯片。
所述的光耦继电器采用常开接点类型。
所述的光耦继电器采用AC38F。
所述的CAN总线收发芯片U3采用CTM1050。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过单片机U1控制光耦继电器NK1～NKN+1和转换电路U3，循环切换检测每个单体电池的电路，实现检测电池堆中每个单体电池电压，并总线发送的功能，具有产品可靠性高，多路采集互不干扰等优点。
2)本发明通过增加或减少相应的光耦继电器NK1～NKN+1和分压电阻R1～RN+1，可以方便地针对具有不同数量单体电池的电池堆，进行相应的扩展，具有实施难度小，可扩展性好等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的液流电池堆单电池电压检测电路的结构图；
图2为液流电池堆的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，由34个单体电池E1～E34组成的5KW液流电池堆模块的单电池电压检测电路，包括一个单片机U1、35个光耦继电器NK1～NK35、一个转换电路U2和一个CAN总线收发芯片U3，所述的单片机U1的35个输出引脚A1～A35分别依次连接对应的光耦继电器NK1～NK35的引脚K，光耦继电器NK1～NK35的引脚A均连接电源VCC，光耦继电器NK1～NK34的引脚D分别依次连接单体电池E1～E34的正极，光耦继电器NK35的引脚D连接单体电池E34的负极，光耦继电器NK2n+1的引脚d连接线COMA，光耦继电器NK2n的引脚d连接线COMB，所述的转换电路U2输入端a连接线COMA，输入端b连接线COMB，输入端p、q分别连接单片机U1的引脚S0、S1，输出端e、f分别连接地GND和单片机U1的引脚A1N0，所述的CAN总线收发芯片U3的CANH端、CANL端分别对应连接单片机U1的CANH端、CANL端；单片机U1采用LPC2194 ARM芯片，光耦继电器包括引脚A、K、D和d，采用AC38F，为常开接点类型，则引脚D、d为常开状态，CAN总线收发芯片U3采用CTM1050。
转换电路U2包括光耦继电器NKa、光耦继电器NKb、光耦继电器NKc和光耦继电器NKd，所述的光耦继电器NKa的引脚A连接电源VCC，引脚K连接光耦继电器NKb的引脚A，引脚D分别连接线COMA和光耦继电器NKd的引脚D于输入端a，引脚d分别连接光耦继电器NKc的引脚d和单片机U1的引脚AIN0与输出端f，所述的光耦继电器NKb的引脚K连接单片机U1的引脚S1于输入端q，引脚D分别连接光耦继电器NKc的引脚D和线COMB于输入端b，引脚d分别连接光耦继电器NKd的引脚d和地GND于输出端e，所述的光耦继电器NKc的引脚A连接电源VCC，引脚K连接光耦继电器NKd的引脚K，所述的光耦继电器NKd连接单片机U1的引脚S0于输入端p。
还包括35个分压电阻R1～R35，所述的分压电阻R1～R34分别接入单体电池E1～E34的正极与光耦继电器NK1～NK34的引脚D之间，分压电阻R35接入单体电池E34的负极与光耦继电器NK35的引脚D之间。分压电阻R1～R35采用精密电阻，精度＜0.001。
还包括电阻R01、电阻R02、电阻R03、稳压二极管V1、稳压二极管V2、稳压二极管V3、电容C2和电容C3，所述的电阻R01接入光耦继电器NK1～NK35的引脚A与电源VCC之间，起限流作用，所述的稳压二极管V1的负极连接线COMB，正极连接稳压二极管V2的正极，所述的稳压二极管V2的负极连接线COMA，所述的电阻R02和电容C2均分别与线COMA和线COMB连接，所述的电阻R03、电容C3和稳压二极管V3均分别连接地GND和单片机U1的引脚AIN0。
单片机U1由引脚A1～A35向光耦继电器NK1～NK35依次发出检测单个单体电池电压E1～E34的控制信号后，对应的光耦继电器NK1～NK35将单体电池E1～E34正向电压输入到线COMA或线COMB，同时单片机由引脚S0、S1向转换电路U2发出切换电路信号，转换电路U2将线COMA或线COMB上的正向电压送到单片机U1的A/D转换输入口，即引脚AIN0，单片机U1将采集得到的电池堆内每个单体电池E1～E34的电压值发送给CAN总线收发芯片U3。
以检测单体电池E1和单体电池E2的电压为例，具体控制过程为：
1)检测单体电池E1的电压
单片机U1的引脚A1、A2为低电平，A3～A35全为高电平，光耦继电器NK1的引脚D、d之间导通，燃料电池堆中单体电池E1的正极端串分压电阻R1接通线COMA，光耦继电器NK2的引脚D、d之间导通，单体电池E1的负极端串分压电阻R2接通线COMB，同时单片机U1的引脚S0为高电平，S1为低电平，使得线COMA连通到单片机U1的A/D转换输入口AIN0，线COMB连通到接地点GND，通过A/D转换得到单体电池E1分压电压U1，通过单片机软件计算得到单体电池E1的电压UFC1，UFC1＝U1*(R03+R1+R2)/R0。
2)检测单体电池E2的电压
单片机U1的引脚A2、A3为低电平，A1、A4～A35全为高电平，光耦继电器NK2的引脚D、d之间导通，燃料电池单体电池E2的正极端串分压电阻R2接通线COMB，光耦继电器NK3导通，燃料电池单体电池E2的负极端串分压电阻R3接通线COMA，同时单片机U1的引脚S0为低电平，S1为高电平，使得线COMB连通到单片机U1的A/D转换输入口AIN0，线COMA连通到接地点GND，通过A/D转换得到单体电池E2分压电压U2，通过单片机软件计算得到单体电池E2的电压UFC2，UFC2＝U2*(R03+R2+R3)/R0。
通过上述方式对单体电池E3、E4、……E34进行检测，单体电池E2n+1的控制方式同单体电池E1，单体电池E2n的控制方式同单体电池E2，采用CAN总线通讯方式，将液流电池单电压值进行发送。若堆的单体电池个数大于34，只需增加相应的光耦继电器和分压电阻，光耦继电器、分压电阻、单电压数据通过不同的ID标识符进行辨识。

Claims (9)

1.一种液流电池堆单电池电压检测电路，连接由N个单体电池E1～EN依次串联构成的电池堆，其特征在于，包括一个单片机U1、N+1个光耦继电器NK1～NKN+1、一个转换电路U2和一个CAN总线收发芯片U3，所述的单片机U1的N+1个输出引脚A1～AN+1分别依次连接对应的光耦继电器NK1～NKN+1的引脚K，所述的光耦继电器NK1～NKN+1的引脚A均连接电源VCC，光耦继电器NK1～NKN的引脚D分别依次连接单体电池E1～EN的正极，光耦继电器NKN+1的引脚D连接单体电池EN的负极，光耦继电器NK1～NKN+1的引脚d交替连接线COMA和线COMB，所述的转换电路U2输入端a连接线COMA，输入端b连接线COMB，输入端p、q分别连接单片机U1的引脚S0、S1，输出端e、f分别连接地GND和单片机U1的引脚AIN0，所述的CAN总线收发芯片U3的CANH端、CANL端分别对应连接单片机U1的CANH端、CANL端；
单片机U1由引脚A1～AN+1向光耦继电器NK1～NKN+1依次发出检测单个单体电池电压E1～EN的控制信号后，对应的光耦继电器NK1～NKN+1将单体电池E1～EN正向电压输入到线COMA或线COMB，同时单片机由引脚S0、S1向转换电路U2发出切换电路信号，转换电路U2将线COMA或线COMB上的正向电压送到单片机U1的A/D转换输入口，即引脚AIN0，单片机U1将采集得到的电池堆内每个单体电池E1～EN的电压值发送给CAN总线收发芯片U3。
2.根据权利要求1所述的一种液流电池堆单电池电压检测电路，其特征在于，所述的转换电路U2包括光耦继电器NKa、光耦继电器NKb、光耦继电器NKc和光耦继电器NKd，所述的光耦继电器NKa的引脚A连接电源VCC，引脚K连接光耦继电器NKb的引脚A，引脚D分别连接线COMA和光耦继电器NKd的引脚D于输入端a，引脚d分别连接光耦继电器NKc的引脚d和单片机U1的引脚AIN0与输出端f，所述的光耦继电器NKb的引脚K连接单片机U1的引脚S1于输入端q，引脚D分别连接光耦继电器NKc的引脚D和线COMB于输入端b，引脚d分别连接光耦继电器NKd的引脚d和地GND于输出端e，所述的光耦继电器NKc的引脚A连接电源VCC，引脚K连接光耦继电器NKd的引脚K，所述的光耦继电器NKd连接单片机U1的引脚S0于输入端p。
3.根据权利要求1所述的一种液流电池堆单电池电压检测电路，其特征在于，还包括N+1个分压电阻R1～RN+1，所述的分压电阻R1～RN分别接入单体电池E1～EN的正极与光耦继电器NK1～NKN的引脚D之间，分压电阻RN+1接入单体电池EN的负极与光耦继电器NKN+1的引脚D之间。
4.根据权利要求3所述的一种液流电池堆单电池电压检测电路，其特征在于，所述的分压电阻R1～RN+1采用精密电阻，精度＜0.001。
5.根据权利要求1所述的一种液流电池堆单电池电压检测电路，其特征在于，还包括电阻R01、电阻R02、电阻R03、稳压二极管V1、稳压二极管V2、稳压二极管V3、电容C2和电容C3，所述的电阻R01接入光耦继电器NK1～NKN+1的引脚A与电源VCC之间，所述的稳压二极管V1的负极连接线COMB，正极连接稳压二极管V2的正极，所述的稳压二极管V2的负极连接线COMA，所述的电阻R02和电容C2均分别与线COMA和线COMB连接，所述的电阻R03、电容C3和稳压二极管V3均分别连接地GND和单片机U1的引脚AIN0。
6.根据权利要求1所述的一种液流电池堆单电池电压检测电路，其特征在于，所述的单片机U1采用LPC2194 ARM芯片。
7.根据权利要求1所述的一种液流电池堆单电池电压检测电路，其特征在于，所述的光耦继电器采用常开接点类型。
8.根据权利要求1所述的一种液流电池堆单电池电压检测电路，其特征在于，所述的光耦继电器采用AC38F。
9.根据权利要求1所述的一种液流电池堆单电池电压检测电路，其特征在于，所述的CAN总线收发芯片U3采用CTM1050。
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