专利名称：液流电池测试平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及液流电池测试领域，特别地，涉及一种液流电池测试平台。
背景技术：
全钥;液流储能电池(Vanadium Redox Battery,以下简称I凡电池)是一种基于不同价态金属钒元素的氧化还原反应原理，即通过电化学反应而实现充、放电的电池装置。图 I所示为钒电池的工作原理示意图，钒电池系统主要由电池堆、电解液储液罐311、循环泵 312和管道等组成，钒电池分别以V3+/V2+、V5+/V4+作为电池两极的氧化还原电对，以相应价态的钒离子溶液分别作为两极的电解液，电池堆由若干单电池组成，每个单电池包含两个由质子交换膜314隔开的半电池和电解液流道315。充放电时，两极的电解液在循环泵的作用下流经相应的半电池，并在质子交换膜314附近发生电化学反应而产生电流。由于钒电池具有制造成本低、使用寿命长、符合环保要求等优点，因此近年来逐步成为储能电池研究的重点。电解液参数、电池堆的流道设计、钒电池系统部件的匹配以及电池运行参数如温度、压力等都会对钒电池的性能和效率产生显著影响。因此，在钒电池研发过程中，借助合理的试验方法对钒电池系统及关键部件进行性能测试，我们可以获取各种影响因素与钒电池性能相互关系的高精度数据，为相关的研究和设计提供有力的依据，进而有效地缩短研发周期和降低研发成本。另外，在钒电池产业化阶段，结合市场需求对产品性能进行可靠的测试和评价更是产品走向市场的必经步骤。但是，目前关于钒电池测试平台的研究还比较少，相关的研究工作还有待加强。
发明内容
本发明目的在于提供一种液流电池测试平台，以解决无法测试钒电池堆的结构参数和电解液相关参数与钒电池性能的关系的技术问题。为实现上述目的，本发明提供了一种液流电池测试平台，包括测试区，待测电池设置在测试区；电控区，包括控制系统、电源与负载系统和人工调试面板，控制系统电连接或无线连接电源与负载系统，并且控制系统电连接或无线连接人工调试面板，电源与负载系统电连接或无线连接测试区；化工系统区，包括电解液循环系统，化工系统区与电控区电连接或无线连接，电解液循环系统与测试区通过管道相连通。进一步地，控制系统包括人机界面、控制机及测试设备，控制机分别与人机界面和测试设备电连接或无线连接。进一步地，电源与负载系统中的电源为直流电源。进一步地，电源与负载系统中负载是电子负载。进一步地，电解液循环系统包括电解液储液罐、循环泵、测量仪表，电解液储液罐通过管道与待测电池相连通，循环泵和测量仪表设置在管道上并与管道相连通，测量仪表与电控区电连接或无线连接。
进一步地,化工系统区还包括换热系统,换热系统串联在电解液储液罐和待测电池之间。进一步地，电解液储液罐在垂直方向上的液位位置高于待测电池和循环泵的电解液进口位置。进一步地，电解液循环系统还包括排液泄压装置，排液泄压装置与管道相连通。进一步地，电解液储液罐中设置有加热及保温装置。进一步地，电解液循环系统还包括惰性气体保护装置，惰性气体保护装置的惰性气体进口和惰性气体出口分别与电解液储液罐相连通。进一步地，控制系统设置有多个与外部设备相连接的预留控制接口。进一步地，电解液循环系统、换热系统、和电源与负载系统为并联的多套。本发明具有以下有益效果通过对硬件系统按功能进行分区设计，便于进行模块式加工和安装，整体结构紧凑工整，操作方便，更加准确地测得钒电池堆的结构参数和电解液相关参数与钒电池性能的关系。化工系统及流程的设计充分保证了电池测试过程的准确性、稳定性，具有较宽的工作范围。控制系统采用分层的模块化设计，动态调整速度快，精度高，可靠性好，安全性高， 且便于进行系统的扩展和升级。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I是根据本发明的现有技术的示意图；图2是根据本发明的液流电池测试平台的分区及连接示意图；图3是根据本发明的液流电池测试平台的控制系统的示意图；图4是根据本发明的液流电池测试平台的化工流程示意图；图5是根据本发明的液流电池测试平台的储液罐、循环泵及电池堆的相对位置示意图；图6是根据本发明的液流电池测试平台的测试不同功率液流电池时关键部件匹配方式及系统运行模式示意图；以及图7是根据本发明的液流电池测试平台的整体结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。参见图2至图7，根据本发明的液流电池测试平台，包括测试区10，待测电池40 设置在测试区10 ;电控区20，包括控制系统21、电源与负载系统22和人工调试面板23，控制系统21电连接或无线连接电源与负载系统22，并且控制系统21电连接或无线连接人工调试面板23，电源与负载系统22电连接或无线连接测试区10 ;化工系统区30，包括电解液循环系统，化工系统区30与电控区20电连接或无线连接，电解液循环系统与测试区10通过管道50相连通。液流电池测试平台的配电系统接入外部电源，如市电，经过相应的转换，可为液流电池测试平台的控制系统21和测试设备提供其所需的直流电或交流电。整个测试平台可以做成内部隔开为多个独立空间的橱柜形式，每个分区占据一个独立空间，从而实现分区之间的隔离；同时，每个区域均预留有必要的管道50和线路接口，使得不同分区之间可以通过化工管道和电缆线或无线连接等而实现功能上的联系。进行分区以后，储液罐311 和化工管道50等被设置在相对封闭和独立的空间里，可以避免化工管路系统的电解液泄露对其他的设备如控制元件和试验人员造成伤害，提高了安全性；在测试平台的制造过程中，可以先进行各个模块的外形加工，再进行整体安装，这样可以提高加工效率，降低制造成本；分区以后，由于功能相同或相近的设备被集中安置，因而仪表表盘、调节阀门、开关按钮、显示器和键盘鼠标等监控设备可以被较为紧凑地安装在调试面板上，便于试验人员进行各种操作，非常方便和实用；分区以后，功能相同或相近的设备被集中安置成为结构相对独立的模块，便于安装和拆卸，通过模块的灵活组装可以实现针对不同待测对象的多种测试功能，实用性较强。通过对硬件系统按功能进行分区设计，便于进行模块式加工和安装， 整体结构紧凑工整，操作方便，能够更加准确地测得钒电池堆的结构参数和电解液相关参数与钒电池性能的关系。参见图3，控制系统21包括人机界面211、控制机212及测试设备213，控制机212 分别与人机界面211和测试设备213电连接。上层人机界面211由位于电控区20的控制机显示器和键盘鼠标等人工操控设备组成，中层控制机212由控制器和信号转换装置组成， 下层测试设备213由安置于化工系统区30、电池堆和电源与负载系统22处的各种测试仪器及电控装置组成，三层结构之间可以实现高效的实时通讯。控制系统21主要对钒电池的充放电测试过程进行全方位管理，实现整个系统实时的数据采集、数据分析、过程监控、报警保护、数据储存等功能，具有完善的自我检测和控制功能，能够根据被测钒电池的特性和用户的具体需求制定最佳的充放电测试模式，动态调整速度快，精度高，可靠性好。参见图6，电源与负载系统22中的电源为直流电源。电源与负载系统22中负载是电子负载。直流电源可用于给被测钒电池充电，电子负载用于模拟被测电池的用户端，它与电池堆的正负电极、电气转换装置等共同构成闭合电路。测试过程中可以通过调节电子负载来模拟终端用户的实时用电情况，同时电池堆一侧也通过改变电解液流量等参数来与用户端需求相匹配，因此，该测试平台可以模拟电池的各种不同运行工况，通过实时测量和数据采集来同步获取全面的电池性能指标数据，并可以根据被测电池的特性和用户的具体需求来制定最佳的充放电测试模式。参见图4，电解液循环系统包括电解液储液罐311、循环泵312、测量仪表313，电解液储液罐311通过管道50与待测电池40相连通，循环泵312和测量仪表313设置在管道 50上并与管道50相连通，测量仪表313与电控区20电连接或无线连接。电解液循环系统由电解液储液罐311、循环泵312、阀门60、测量仪表313、换热系统33等组成。电解液从电解液加入口 81加入，在进行测试时，正、负极电解液在管道50中循环流动，流经电池堆时发生电化学反应，使得电极与电子负载组成的封闭电路中形成电流，进而实现持续的充、放电过程，同时测量仪表313和数据采集设备将测量和采集电池运行过程中的温度、压力、流量、液位、电压、电流等数据。参见图4和图5，电解液循环系统还包括惰性气体保护装置，惰性气体保护装置的惰性气体进口 71和惰性气体出口 72分别与电解液储液罐311相连通。惰性气体保护装置主要用于在测试前对整个管道系统进行吹扫以排出空气，以及在电池堆运行过程中维持储液罐311液面上方的惰性气体空间，包括惰性气体进口 71和惰性气体出口 72。本发明的惰性气体保护装置可以避免电解液活性成分被空气氧化，从而减小了测试的误差。惰性气体保护装置可对测试平台中的电解液起到测试前、测试过程中和测试后的全过程保护。例如， 测试前，在向电解液储液罐中加入电解液之前，可以打开管路上相应的阀门，对整个管路进行惰性气体吹扫，以排出系统中的空气。在测试过程中，由储液罐上部空间通入密度较大的惰性气体，由于惰性气体的密度显著大于空气的密度，惰性气体将沉积于液面而空气将上浮，从而实现空气与电解液的基本隔离。参见图4，化工系统区30还包括换热系统33，换热系统33串联在储液罐311和待测电池40之间。换热系统33用于排出电池运行过程中产生的热量，维持电解液的正常工作温度。本发明的换热系统33可以及时、准确定量地排出系统产生的热量，从而精确地调节电解液的工作温度，提高了测试的准确性。本发明所述的换热系统为可调式，即可以根据电池堆的产热情况，例如电解液的堆出口温度，来灵活地调节热交换装置在系统中的接入与断开，以及换热量的大小。通过热交换装置排出的热量，可以直接排放到环境中，也可以进行回收再利用。参见图4，电解液循环系统还包括排液泄压装置，包括多个电解液排出口 82的排液泄压装置与电解液循环系统的管道50相连通。本发明液流电池测试平台具有排液泄压装置，可用于对管路系统或部件进行泄压和排出残液，避免拆卸设备或管路时残液喷出或流出对人员及设施造成伤害。另外，本发明所述测试平台采取了化工系统安全隔离的措施， 即将储液罐和管道等化工相关设备部件布置在相对封闭和独立的空间里，可以避免化工系统的电解液泄露对试验人员和其他设施造成伤害。这两个方面的设计使得本发明所述测试平台具有较好的安全性。参见图4，电解液储液罐311中设置有加热及保温装置311a。储液罐311处，设置了加热及保温装置311a，在低温环境中，可以在测试前对电解液预热以加速测试系统的启动，也可以在非测试阶段结合自动控制元件对电解液起到加热及保温的作用。本发明所述的加热装置具体包括电加热带、热交换器等，保温装置具体包括在储液罐311等设施外部包覆绝热性材料、在储液罐外设置保温罩等形式。参见图5，电解液储液罐311在垂直方向上的液位位置高于待测电池40和循环泵 312的电解液进口位置。这样既便于灌泵，又可以明显减少随电解液夹带至电池堆中的气泡，以及由电池堆中气泡造成的测试误差。如果在系统中增加除泡装置，则电解液储液罐 311在垂直方向上的液位位置与待测电池40和循环泵312的电解液进口位置可以自由设置，但是考虑到经济原因，直接利用物理原理解决此问题，经济简单。在测试过程中，电解液由储液罐311下部出液口向下流往循环泵312，此时电解液中夹带的气泡因密度相对较小而会在浮力作用下沿着管路不断向上运动，最终有相当一部分气泡会上浮至储液罐311上部的气体空间，这样就可以显著减少被夹带至电池堆中的气泡，进而减小气泡对电池堆内电化学反应的影响。在不影响系统其他部分设计和安装的前提下，将储液罐311设计成横截面积较小、垂直高度较大的“细长”形状并将其竖直安装于系统中，可以增大储液罐311 液面与循环泵312和电池堆之间的高度差，进而有利于改善电池堆中的气泡聚集现象。电解液依次流过储液罐311、循环泵312和电池堆，在垂直方向上，储液罐311的液面位置高于循环泵312中心所在水平位置以及电池堆进液口所在水平位置，相应的高度差分别为hi 和h2，在测试过程中，当电解液在如图所示的管路中流动时，电解液中夹带的气泡因密度相对较小而会在浮力作用下沿着管路向上运动，hi越大则气泡有更充足的时间运动到储液罐 311中甚至其液面以上，即继续随电解液流动至电池堆的气泡就越少，同理当h2越小时，则气泡沿着管路上浮至电池堆中的概率就会越小。这样的空间位置设计，可以大大减少电池堆中聚集的气泡，从而改善电解液在电池堆中的流动及电化学反应状况。参见图6，电解液循环系统、换热系统33、和电源与负载系统22为并联的多套。同时共用控制系统21和人工调试面板23，可对多种不同功率的电池进行性能测试。本发明所述测试平台中设计了若干个规格的同类硬件系统部件如储液罐311、循环泵312、管道50、 电源与负载系统22等，将各类部件按照规格参数进行匹配和集成，使得管道50的通流量、 电源与负载系统22的电气指标、系统换热量、仪表的量程等能够满足50W 20kW范围内的不同功率钒电池的运行及性能测试要求。与此同时，本发明的控制系统中包括多个可扩展的控制程序模块和控制端口。针对不同功率电池堆的测试要求，控制系统21可以通过运行程序模块和控制端口等参数的设置，进而实现对待测电池40运行和测试过程的精确调控。 另外，本发明所述测试平台的硬件环境和软件环境还可满足多个电池堆同时运行和测试。 因此，本发明所述的液流电池测试平台可以同时对不同功率钒电池的性能进行测试。控制系统21设置了多个与外部设备相连接的预留控制接口，外部设备包括测量仪表、电源与负载系统22、外部控制器等，且采用模块化编程，便于进行系统的扩展和升级。参见图7，对本发明液流电池测试平台的具体的工作流程及主要功能进行说明。测试平台主要包括测试区10，电控区20和化工系统区30，具体配置了一台控制机、一个人工调试面板、3个不同规格的电源与负载系统22、分别对应50W、3kW、20kW电池堆运行要求的 3个各类化工相关部件(包括不同容量的储液罐311、不同流量的管道50、不同流量及压头的循环泵312、不同参数的电源与负载系统22和不同量程的仪表等)，系统设计的综合裕度系数为1.2，因此该测试系统可满足40W 60W、2. 4kff 3. 6kW、16kff 24kW功率范围内的钒电池堆的运行和测试要求。测试前，首先根据被测电池的设计功率等参数，分析该电池运行过程中对储液罐 311容量、电解液流量、循环泵312性能参数、换热量等方面的要求，并按照图6所示的方法选择适当参数的储液罐311、循环泵312、仪表、电源与负载系统22等系统部件进行管路50 及系统的连接。连接管路后，接着启动惰性气体保护流程对电解液循环流动的整个管路及相关设备进行吹扫，具体流程为开启系统中除619、620、623、624外的所有阀门，调节流量使惰性气体在管路中充分地流动，以排尽其中的空气，吹扫流程进行完毕，及时关闭所有阀门。接下来为电解液加料流程，加料前需保证储液罐的惰性气体进出口阀门621、622、 623、624均处于开启状态，同时使罐内维持一定压力和惰性气体氛围，然后开启加料阀门 619,620向储液罐中加入适量电解液，加料完毕将加料阀门619、620关闭。进行测试时，阀门601至阀门608均处于开启状态，同时换热系统33处的两组阀门609、610和阀门611、612至少有一组为开启状态，电解液在循环泵的作用下沿着管路循环流动，流经电池堆时发生电化学反应，同时在电极与电源与负载系统组成的封闭电路中形成电流，即持续的充电或放电过程。在电池运行过程中，测量仪表313可以同步地测量、 采集和记录电解液流量、电池堆进出口温度、压力等电池运行数据，以及电池堆的开路电压、电流等电气参数；同时监控系统和测试人员可以发出控制信号或者手动地对有关参数进行调节，并记录系统的响应数据，通过整个测试过程可以获取充分的高精度试验数据，通过数据分析就能够对被测电池的性能指标作出较为全面的评价。测试平台中的换热系统，其工作模式可进行自动或手动调节第一种情形，如果被测电池堆的设计功率较小或者环境温度较低系统散热充分，估测测试过程中电解液不会显著升温时，可以手动或自动地调节阀门609、610、611、612的开闭使换热系统33处于断开状态；第二种情形，在测试过程中根据电解液的堆出口温度等实际运行情况来判断是否需要换热和换热量的大小，通过相应阀门的开闭来进行自动或手动调节。例如，当升温达到一定程度时，手动或自动调节阀门609、610、611、612的开闭使换热系统33开始工作，并根据升温程度对换热量进行调控。当测试流程结束需要拆卸管路时，启动管路排液泄压流程如图4所示，停机以后，使阀门601、602、603、604处于关闭状态，同时阀门613至618均处于开启状态，此时除储液罐311以外的其它管路中残留的电解液就会在内部压力及重力的作用下从排液收集口流出，收集的电解液可再行处理。排液泄压以后再进行管路拆卸，就不会发生电解液的喷溅现象，保障了人员及设施的安全。另外，当测试过程中个别设备发生故障需要进行拆卸和检修，或者需要更换被测电池堆时，可以调节相应阀门的开闭对待拆卸设备附近的管路进行排液泄压，而不需要排尽整个系统中的电解液，这样更便于操作。当测试平台需要停运较长时间时，为安全起见，停机以后最好将整个系统中的电解液排出进行保管。在该实施例所述测试平台中，可同时对3个不同功率的钒电池堆进行性能测试。 将系统中的各类部件按规格进行匹配并组合成3个测试单元，同时设置控制系统中相应的控制端口和通道，调用相应的程序模块，就可对设计功率分别在40W 60W、2. 4kff 3. 6kW、 16kff 24kW范围内的3个钒电池同时进行以上所述的测试过程。本发明还可以对钒电池系统进行性能测试包括电解液流量、温度、压力、电压、电流等；将待测的钒电池系统接入本发明的液流电池测试平台，先启动测试平台的控制系统并选择相应的模式，然后启动待测电池系统开始测试。在待测电池系统运行过程中，控制系统将测量、采集各种所需数据，同时对相关参数进行调节，并记录系统的调整后相应数据， 通过测试可以获取被测钒电池系统的全面的性能数据。本发明还可以对钒电池系统部件进行标定或性能测试待测的系统部件可以为循环泵、流量计、换热装置、电源与负载等。将待测部件如循环泵接入本发明的液流电池测试平台的相应的电解液循环回路。启动测试平台的控制系统并选择相应的模式，然后启动电解液循环系统，在运行过程中，控制系统将测量和采集被测循环泵的流量、压头、功耗等运行数据；同时对相关参数进行调节，并记录系统的相应数据。通过测试可以获取被测部件的性能数据或对其进行标定。从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果硬件系统按功能进行分区设计，便于进行模块式加工和安装，整体结构紧凑工整，操作方便。化工系统及流程的设计充分保证了电池测试过程的准确性、稳定性，具有较宽的工作范围，具备针对单电池、钒电池堆、钒电池系统和系统部件等的多样化性能测试功能， 可测试功率范围较宽，实用性强；通过惰性气体保护、及时换热、储液罐保温等措施减小了系统误差，保证测试结果的可靠性和精确性；对电解液过流部件进行集中和封闭设置，以及排液泄压流程的设置，具备较好的安全性；控制系统采用分层的模块化设计，动态调整速度快，精度高，可靠性好，安全性高，且便于进行系统的扩展和升级。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种液流电池测试平台，其特征在于，包括测试区(10)，待测电池(40)设置在所述测试区(10)；电控区(20)，包括控制系统(21)、电源与负载系统(22)和人工调试面板(23)，所述控制系统(21)电连接或无线连接所述电源与负载系统(22)，并且所述控制系统(21)电连接或无线连接所述人工调试面板(23)，所述电源与负载系统(22)电连接或无线连接所述测试区(10)；化工系统区(30)，包括电解液循环系统，所述化工系统区(30)与所述电控区(20)电连接或无线连接，所述电解液循环系统与所述测试区(10)通过管道(50)相连通。
2.根据权利要求I所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述控制系统(21)包括人机界面(211)、控制机(212)及测试设备(213)，所述控制机(212)分别与所述人机界面 (211)和所述测试设备(213)电连接或无线连接。
3.根据权利要求I所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述电源与负载系统(22) 中的电源为直流电源。
4.根据权利要求I所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述电源与负载系统(22) 中的负载是电子负载。
5.根据权利要求I所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述电解液循环系统包括电解液储液罐(311)、循环泵(312)、测量仪表(313)，所述电解液储液罐(311)通过所述管道(50)与所述待测电池(40)相连通，所述循环泵(312)和所述测量仪表(313)设置在所述管道(50)上并与所述管道(50)相连通，所述测量仪表(313)与所述电控区(20)电连接或无线连接。
6.根据权利要求5所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述化工系统区(30)还包括换热系统(33)，所述换热系统(33)串联在所述电解液储液罐(311)和所述待测电池(40)之间。
7.根据权利要求5所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述电解液储液罐(311)在垂直方向上的液位位置高于所述待测电池(40)和所述循环泵(312)的电解液进口的位置。
8.根据权利要求I所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述电解液循环系统还包括排液泄压装置，所述排液泄压装置与所述管道(50)相连通。
9.根据权利要求5所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述电解液储液罐(311)中设置有加热及保温装置(311a)。
10.根据权利要求5所述的液流电池测试平台，其特征在于，还包括惰性气体保护装置，所述惰性气体保护装置的惰性气体进口(71)和惰性气体出口(72)分别与所述电解液储液罐(311)相连通。
11.根据权利要求I所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述控制系统(21)设置有多个与外部设备相连接的预留控制接口。
12.根据权利要求6所述的液流电池测试平台，其特征在于，所述电解液循环系统、所述换热系统(33)和所述电源与负载系统(22)为并联的多套。
全文摘要
本发明提供了一种液流电池测试平台，包括测试区，待测电池设置在测试区；电控区，包括控制系统、电源与负载系统和人工调试面板，控制系统电连接或无线连接电源与负载系统，并且控制系统电连接或无线连接人工调试面板，电源与负载系统电连接或无线连接测试区；化工系统区，包括电解液循环系统，化工系统区与电控区电连接或无线连接，电解液循环系统与测试区通过管道相连通。本发明的液流电池测试平台硬件系统按功能进行分区设计，便于进行模块式加工和安装，整体结构紧凑工整，操作方便，能够更加准确地测得钒电池堆的结构参数和电解液相关参数与钒电池性能的关系。
文档编号G01R31/36GK102608543SQ20121011132
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者李云, 李婷, 殷聪, 汤浩, 陶诗涌, 高建龙 申请人:中国东方电气集团有限公司