实验用盐湖提锂供电电源系统的制作方法

本申请涉及电源系统技术领域，尤其是一种实验用盐湖提锂供电电源系统。

背景技术：

金属锂是目前人们发现的最轻的金属，它被广泛应用于能源、化工、冶金等领域。随着能源问题的日益突出，锂离子电池得以快速发展，锂及其化合物占据着不可替代的地位。在自然界，锂主要以矿石和卤水两种形式存在，大部分锂资源存在于卤水尤其是盐湖卤水中，其储量占全部锂资源储量的80％以上。随着市场需求的增长，矿物锂资源显得供不应求，且开采成本高，人们开始开发盐湖卤水中的锂资源。盐湖提锂过程中需要供电电源系统做支撑，对于电化学脱嵌法的盐湖提锂中电源系统需要进行正向过程、换向和反向过程三个过程：

正向过程：在正极加在支持电解液侧(锂脱出富锂液侧)，负极加在卤水侧(锂离子嵌入侧)，在外电场作用下，开始正向恒流充电过程，在正极侧，锂离子开始从磷酸铁锂正极吸附材料(磷酸铁锂正极材料为lifepo4、lixmeyfepo4、lifexmeypo4中的一种或几种的混合物。me为mg、al、ti、ni、co、mn、mo、nb中的一种或几种的混合。0＜x＜1，0＜y＜1)中脱出到富锂液中；在负极侧，锂离子从卤水中嵌入到磷酸磷酸铁离子筛吸附材料(磷酸铁离子筛为fepo4、mexfeypo4中的一种或几种的混合物；me为mg、al、ti、ni、co、mn、mo、nb中的一种或几种的混合；0＜x＜1，0＜y＜1)中，经过一个电解过程，负载满足不了恒流条件，转成恒压充电，直到电流小于设定值，正向电解过程结束，即对于阳极侧，锂脱出过程结束；对于阴极，锂嵌入过程结束。整个正向过程为先恒流再恒压。

换向：把加在电极的电压的极性换向，即:原先加正向电压的电极此刻变成加负向电压；原先加负向电压的电极此刻变成加正向电压。同时外部溶液配合实现交替换位。

反向过程(相对正向过程而言)：在正极(换向前是负极)加在支持电解液侧(锂脱出富锂液侧)，负极(换向前是正极)加在卤水侧(锂离子嵌入侧)，在外电场作用下，开始正向恒流充电过程，在正极侧，锂离子开始从磷酸铁锂吸附材料中脱出到富锂液中，在负极侧，锂离子从卤水中嵌入到磷酸亚铁吸附材料中，经过一个电解过程，负载满足不了恒流条件，转成恒压充电，直到电流小于设定值，负向电解过程结束，或说对于阳极侧，锂脱出过程结束；对于阴极，锂嵌入过程结束，因此，整个反向过程也为先恒流再恒压过程。

现有的电源设备一般可满足正向的先恒流再恒压充电过程，对于反向过程只能进行恒流放电、恒阻放电、恒功率放电，或者说只能反向恒流充电、恒阻充电、恒功率充电。因此在反向过程时不能做到先恒流再恒压的过程。

相关技术中，在进行盐湖提锂实验时利用外部添加机械开关结构来实现对电极电压的调整，但外部添加机械开关结构的技术方案在电化学脱嵌法盐湖提锂技术的应用中，会增加接触电阻而影响系统的工作效率，而且会明显增加整个系统的体积，由于增加机械开关也使故障点增多从而降低系统的可靠性，并且，不利于自动化控制。

技术实现要素：

为至少在一定程度上克服相关技术中，在进行盐湖提锂实验时利用外部添加机械开关结构来实现对电极电压的调整，但外部添加机械开关结构的技术方案在电化学脱嵌法盐湖提锂技术的应用中，会增加接触电阻而影响系统的工作效率，而且会明显增加整个系统的体积，由于增加机械开关也使故障点增多从而降低系统的可靠性，并且，不利于自动化控制的问题，本申请提供一种实验用盐湖提锂供电电源系统，包括：

控制器、开关电源、电子换向装置、电解槽和采集模块；

所述控制器分别与所述电子换向装置和采集模块连接，根据所述采集模块输出的采集参数控制所述电子换向装置开关和/或换向动作；

所述开关电源与所述电子换向装置连接，通过所述电子换向装置改变所述开关电源输出电源极性；

所述采集模块用于从所述电解槽中获取采集参数。

进一步的，所述电子换向装置包括：两个单刀双掷的开关元件。

进一步的，所述电子换向装置包括：四组成桥式连接的电子开关元件。

进一步的，所述电子换向装置还包括控制端口，所述控制端口与所述控制器连接。

进一步的，所述系统还包括供电电源，所述供电电源为所述开关电源提供输入电压。

进一步的，所述系统还包括：整流滤波模块，所述整流滤波模块的输入端与所述供电电源连接，所述整流滤波模块的输出端与所述开关电源连接。

进一步的，所述系统还包括：输出滤波模块，所述输出滤波模块的输入端与所述开关电源连接，所述输出滤波模块的输出端与所述采集模块连接。

进一步的，所述输出滤波模块包括两组电解电容，所述两组电解电容的阴极相连。

进一步的，所述控制器包括电压控制器和电流控制器，所述采集模块包括电压采样电路和电流采样电路；所述电压控制器与所述电压采样电路连接；所述电流控制器与所述电流采样电路连接；

所述电压控制器内预设电压参考值，所述电流控制器内预设电流参考值，当所述电压采样电路采集到电压达到所述电压参考值时，电压控制器调节电流控制器内的电流参考值，通过控制电流控制器的电流参考值改变输出电流以控制恒压输出；

所述电流采样电路采集到电流达到所述电流参考值时，电流控制器调节电压控制器内的电压参考值，通过控制电压控制器的电压参考值改变输出电压以控制恒流输出。

进一步的，所述系统还包括显示交互模块，所述显示交互模块与所述控制器连接，所述显示交互模块用于本地显示盐湖提锂的各个工作过程和统计数据，和/或设定各工作过程的工作条件和参数。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请通过控制器分别与电子换向装置和采集模块连接，根据采集模块输出的采集参数控制电子换向装置开关和/或换向动作；不需额外添加机械开关结构来实现对电极电压的调整，因此可以提高系统的工作效率和可靠性，并且，不会增加系统体积，方便进行实验。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请一个实施例提供的一种实验用盐湖提锂供电电源系统的模块图。

图2是本申请另一个实施例提供的一种实验用盐湖提锂供电电源系统的模块图。

图3是本申请另一个实施例提供的一种实验用盐湖提锂供电电源系统的部分电路图。

图4是本申请另一个实施例提供的一种实验用盐湖提锂供电电源系统的模块图。

图5是本申请另一个实施例提供的一种实验用盐湖提锂供电电源系统的部分电路图。

图6是本申请一个实施例提供的另一种实验用盐湖提锂供电电源系统的部分电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1是本申请一个实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统的模块图。

如图1所示，本实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统，包括：

控制器1、开关电源2、电子换向装置3、电解槽4和采集模块5；

控制器1分别与电子换向装置3和采集模块5连接，根据采集模块5输出的采集参数控制电子换向装置3开关和/或换向动作；

开关电源2与电子换向装置3连接，通过电子换向装置3改变开关电源2输出电源极性；

采集模块5用于从电解槽4中获取采集参数。

盐湖提锂实验中中常使用电化学脱嵌法盐湖提锂技术，基于电化学脱嵌法的实验用盐湖提锂供电电源系统需满足对电解槽电极的电压极性进行自动换向的功能需求，以实现自动正向恒流、恒压充电、反向恒流、恒压充电，正向恒流、恒压充电、反向恒流、恒压充电......周而反复的运行。

该电源系统中开关电源2连接到电解槽4，电子换向装置3与开关电源2连接可切换施加在电解槽4上的电压极性，采集模块5在电子换向装置3与电解槽4间的连线上，采集电解槽4的电压、电流参数，采集模块5通过控制线与控制器1相连，控制器1通过控制线读取采集模块5采集参数数据。采集参数例如为电压参数和电流参数，控制器1通过读取采集模块5采集的电解槽4上的电压、电流数据，在电解槽4的电压、电流达到预设参考值后控制开关电源2输出，实现电化学脱嵌法盐湖提锂应用中先正向恒流充电，再恒压充电的正向过程，正向过程结束后，控制电子换向装置3切换开关电源2切换施加在电解槽4上的电压极性，然后进入反向恒流充电，再恒压充电的反向过程，反向过程结束后控制电子换向装置3再次切换开关电源2施加在电解槽4上的电压极性，再开始正向过程，如此周而反复的运行，以保证电化学脱嵌法的盐湖提锂系统顺利运行。

本实施例中，通过控制器分别与电子换向装置和采集模块连接，根据采集模块输出的采集参数控制电子换向装置开关和换向动作；不需额外添加机械开关结构来实现对电极电压的调整，因此可以提高系统的工作效率和可靠性，并且，通过控制器与采样电路连接，实现电源系统的反向恒流恒压输出，为盐湖提锂实验提供更稳定的电源系统。

图2是本申请另一个实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统的模块图。

如图2所示，本实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统，包括：

作为本发明可选的一种实现方式，所述系统还包括供电电源6，供电电源6为开关电源2提供输入电压。

作为本发明可选的一种实现方式，所述系统还包括：整流滤波模块7，整流滤波模块7的输入端与供电电源6连接，整流滤波模块7的输出端与开关电源2连接。

通过对供电电源6进行整流滤波，以保证开关电源2的输入电压稳定。

作为本发明可选的一种实现方式，所述系统还包括：输出滤波模块7，输出滤波模块7的输入端与开关电源2连接，输出滤波模块8的输出端与采集模块5连接。

作为本发明可选的一种实现方式，输出滤波模块8包括两组电解电容(c1、c2)，两组电解电容的阴极相连。输出滤波模块8采用了共阴极串联的电解电容c1、c2以适应输出极性的改变。

需要说明的是，输出滤波模块8也可以采用无极性电容器来适应输出极性不确定的特性。

本实施例中，通过整流滤波模块对供电电源进行整流滤波，以保证开关电源的输入电压稳定；通过输出滤波模块对开关电源的输出进行滤波，以保证采集模块的输入电压稳定。

图3是本申请另一个实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统的部分电路图。

如图3所示，本实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统，包括：

电子换向装置3采用电子开关器件，可根据条件切换输出电压的极性，以满足盐湖提锂技术应用中对施加在电解槽上电压极性切换的需求。电子换向装置3采用的开关器件可以是单路的或多路并联的mos管、固体继电器、机械继电器或三极管等具有开关功能的电子器件。该装置可以根据控制器1输出的控制信号调整开关电源2施加在电解槽上的电压极性。

作为本发明可选的一种实现方式，电子换向装置3包括：两个单刀双掷的开关元件。

电子换向装置3的1、2接线端口通过线缆连接开关电源41的输出端，3、6接线端口连接到一起，通过线缆连接电解槽4的一个电极，4、5接线端口连接到一起通过线缆连接电解槽4的另一个电极。控制器1通过控制线切换电子换向装置3的开关状态，从而实现施加在电解槽4上的电压极性的转换。当控制器1控制电子换向装置3的开关处于1和3导通，2和5导通时，电解槽两端施加正向电压；当电子换向装置3的开关处于1和4导通，2和6导通时，电解槽4两端施加反向电压。

本实施例中，开关电源不具备调整输出电压极性的功能，开关电源的输出与电子换向装置相连，电子换向装置采用两个单刀双掷的开关元件结构，根据控制器输出的控制信号切换开关状态，调整施加在电解槽上的电压极性。控制器通过电子换向装置可控制开关电源的启、停，切换恒流或恒压输出状态。

图4是本申请另一个实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统的部分电路图。

如图4所示，本实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统，包括：

作为本发明可选的一种实现方式，电子换向装置3包括：四组成桥式连接的电子开关元件。

电子换向装置3的1、2接线端口通过线缆与开关电源41输出相连，3、4接线端口通过线缆与电解槽4极板相连。通过控制器1控制，开关s1、s4闭合导通，s2、s3断开时电解槽4两端施加正向电压；开关s1、s4断开，s2、s3闭合导通时电解槽4两端施加反向电压。

本实施例中，电子换向装置采用四组成桥式连接的电子开关元件，根据控制器输出的控制信号切换开关状态，调整施加在电解槽上的电压极性。控制器通过电子换向装置可控制开关电源的启、停，切换恒流或恒压输出状态。

图5是本申请另一个实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统的模块图。

如图5所示，本实施例提供的一种实验用盐湖提锂供电电源系统，包括：

作为本发明可选的一种实现方式，控制器1包括电压控制器11和电流控制器12，采集模块5包括电压采样电路51和电流采样电路52；电压控制器11与电压采样电路51连接；电流控制器12与电流采样电路52连接；

电压控制器11内预设电压参考值，电流控制器71内预设电流参考值，当电压采样电路51采集到电压达到所述电压参考值时，电压控制器11调节电流控制器12内的电流参考值，通过控制电流控制器12的电流参考值改变输出电流以控制恒压输出；

电流采样电路52采集到电流达到电流参考值时，电流控制器12调节电压控制器11内的电压参考值，通过控制电压控制器11的电压参考值改变输出电压以控制恒流输出。

电流采样电路52为线圈感应检测电路、霍尔电流检测电路和直流分流器检测电路中的一种，需要说明的是，电流采样电路52可以设置在任何能检测到工作电流的位置，可以设定在电解槽4总输出线路上，也可以设置在电解槽4各个支路的线路上。

电流控制器12输出至电子换向装置3后通过输出滤波后进行电流输出，电流采样电路52采集输出的电流，进行电流反馈至电流控制器12，电压控制器11输出至电子换向装置3后通过输出滤波后进行电压输出，电压采样电路51采集输出的电压，进行电压反馈至电压控制器11，形成闭环控制。

本实施例中，采用电压控制器11和电流控制器12并联的环路系统，开关电源2总是正向输出的，通过电子换向装置3调整施加在电解槽3两端的电压极性，为适应电电解槽3两段电压极性调整的情况，反馈环的采样电路采用了通过电子开关元件根据输出电压极性切换采样信号输入采样电路的极性的方案，使得采样信号总是以正极性输入采样电路的，从而实现无论在电解槽上施加的电压极性是正向还是反向，该电源系统都能在输出电压达到设定参考值vref时通过电压控制器调整pwm调节器实现稳压输出，在输出电流达到设定参考值iref时通过电流控制器11实现稳流输出。

电压控制器11和电流控制器12中电压电流设定参考值均可调整，当输出电流达到设定参考值时电流环路起作用，实现恒流输出，当输出电压达到设定参考值时电压环路起作用，实现恒压输出。由于开关电源总是正向输出的，通过电子换向装置调整施加在电解槽两端的电压极性，为适应电解槽两段电压极性调整的情况，电流环路通过调整电流输出使得无论在电解槽上施加的电压极性是正向还是反向，电流输出方向不变。当输出电压达到设定电压参考值vref时，通过电压控制器11实现恒压输出，在输出电流达到设定电流参考值iref时，通过电流控制器12实现恒流输出，从而实现正向和反向输出时都能够按照设定参考值进行恒压或者恒流输出。

本实施例中，采用电压、电流双环控制的环路控制电路，通过电子换向装置调整施加在电解槽两端的电压极性，使该电源系统在正向过程和反向过程中都能实现根据设定参数实现稳定可靠的恒压输出、恒流输出。

图6是本申请另一个实施例提供的实验用盐湖提锂供电电源系统的模块图。

如图6所示，本实施例提供的一种实验用盐湖提锂供电电源系统，包括：

作为本发明可选的一种实现方式，所述系统还包括显示交互模块9，显示交互模块9与控制器1连接，显示交互模块9用于本地显示盐湖提锂的各个工作过程和统计数据，和/或设定各工作过程的工作条件和参数。

显示交互模块9包括触摸屏，触摸屏为7寸大触摸屏，显示效果清晰全面，ui界面设计友好，可清晰的在本地显示和设定各工作过程的工作条件和参数。

控制器1还包括通讯接口，可以与后台系统相连实现远程控制，切换恒压、恒流、恒功率输出模式，方便与应用中的其他部分配合，实现电化学盐湖提锂过程的自动化控制。控制器1通过读取采集模块5数据，判断电解槽4的电压电流状态，根据设定的各过程工作条件，通过通讯控制电子换向装置3控制电源的启、停、电压电流设定的调整以及输出极性的调整，实现电源系统先正向恒流充电，达到条件后再恒压充电，达到条件后停机，切换开关电源施加在电解槽4上的电压极性，待调换溶液完成后再开始反向恒流充电，达到条件后再恒压充电，达到条件后停机，反向过程结束，再切换电源施加在电解槽上的电压极性，再开始正向过程，如此周而反复的运行。

控制器1与电子换向装置3的连接可以选用rs485通讯连接，以保证控制器对电子换向装置3的操控准确可靠。

本实施例中，控制器与显示交互模块连接，可以实现显示效果好、显示数据清晰、交互操作界面友好的显示方案，可以提供较好的操控体验，实现复杂工艺控制。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。