连到公共DC总线的ZnBr液流电池的可反转极性操作和切换方法与流程

本申请是申请日为2012年08月22日，申请号为201280040547.3，发明名称为“连到公共dc总线的znbr液流电池的可反转极性操作和切换方法”的申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求于2011年8月22日提交的、标题为“powersystemsformedwithcellstacksincludinganumberofflowingelectrolytebatteriesandmethodsofoperation”的、序列号为61/526,146的美国临时申请的优先权。该申请也是于2011年7月19日提交的、标题为“methodandapparatusforcontrollingahybridpowersystem”的、序列号为13/185,862的美国专利申请的部分继续申请，其进而又是于2009年1月16日提交的、标题为“methodandapparatusforcontrollingahybridpowersystem”的、序列号为12/355,169的美国专利申请的部分继续申请，其于2011年8月30日公布为第8,008,808号美国专利。每一个上述申请的全部内容通过引用并入本文。本发明一般涉及供电系统，并且更具体地涉及包括流动电解质电池的供电系统。发明背景用于某些现有技术的独立的供电系统的电池通常是铅酸电池。然而，铅酸电池在性能和环境安全方面存在局限性。典型的铅酸电池通常在炎热的气候条件下具有极短的寿命，特别是当它们有时候完全放电时。铅酸电池也是危害环境的，因为铅是铅酸电池的主要组分，并且在制造和处理期间也会导致严重的环境问题。流动电解质电池(例如，锌-溴电池、锌-氯电池和钒液流电池)提供了克服铅酸电池的上述局限性的潜能。特别地，流动电解质电池的可用寿命并不受深度放电应用的影响，并且流动电解质电池的能量重量比比铅酸电池高六倍。然而，制造流动电解质电池可能比制造铅酸电池更加困难。流动电解质电池，像铅酸电池一样，包括电池单元堆，用于产生高于单个电池单元电压的特定电压。但与铅酸电池不同的是，流动电解质电池中的电池单元通过电解质循环路径被液压地连接。这会导致问题，因为分路电流从一节串联连接的电池单元到另一电池单元时可流经电解质循环路径，会引起电池单元的单独的充电状态中的能量损耗和不平衡。为防止或减少这种分路电流，流动电解质电池需要电池单元之间的足够长的电解质循环路径，从而增加电池单元之间的电阻。流动电解质电池的另一问题是在每个电池单元中需要均匀的电解质流速，以便将化合物均匀地供应到电池单元内部。为了达到通过电池单元的均匀流速，流动电解质电池限定了复杂的流体分布区域。然而，因为电解质通常具有油性、水性和气态的多相特性，并且由于电池单元的结构限制，通常并不能达到均匀的流速。这些类型的电池(其中电池使用电池单元堆的阵列)中的另一个问题是这些堆共享共用的流动电解质。由于这些堆共享电解质，堆两端的开路电压的测量仅仅表示该堆是否存储一定的非零电荷量，而并非表示该堆相对于系统中的其它堆的电荷状态。此外，堆间的开路电压差通常用于表示改变堆的内电阻的一些内部异常。例如，在锌-溴流动电解质电池中，多个堆共享液态溴化锌电解质，并具有它们自己的电极，用于在充电、放电周期中沉积和溶解锌元素。在这种类型的电池中，可通过不适当地放置锌沉淀物来阻止电解质流向堆。另外，电极上的成核现象可导致电池单元之间形成枝状晶体和分枝。这两种情况都会使受影响的堆的内电阻或堆两端的开路电压降低。流动电解质电池系统中的并联连接的堆间的开路电压差可影响堆的充电、放电周期，并且潜在地影响到电池的操作。例如，在上述的锌-溴电池中，特定堆中的降低的开路电压导致在充电周期中故障堆中的锌沉积速率增加，而在放电周期中故障堆中的锌溶解速率减小。此外，存储在故障堆中的额外的锌典型地来自于通常由相邻堆使用的电解质。锌的可用性降低的结果是，可能降低相邻堆的储能容量。另一结果是，具有增大的锌沉积的堆在放电过程中无法完全耗尽锌，从而最终导致锌沉积在故障堆的电极上达到这样一种程度，即，其导致堆的电池单元间的内部短路。这可潜在地破坏堆，还可能破坏整个电池系统。进一步的结果是，增加的锌沉积可以限制电解质流动的通道。由于电解质流动起到冷却堆的作用，因此流动的受限可导致堆的过热。为了将开路电压恢复到更均匀的值，可以执行均衡过程。均衡过程包括完全“剥离(stripping)”，即，完全放电电池中的每个堆，从所有堆的所有电池单元中完全去除任何存储的电量。理想情况下，该过程消除最初造成堆间的开路电压差的异常。例如，完全剥离通常溶解位于极板之间的枝状晶体和/或阻止电解质流动的沉积物。然而，电池中的每个电池单元堆的完全剥离通常致使电池对于电气应用完全不可用或者在显著降低的容量下可用，从而需要购买和安装额外的冗余电池系统。此外，由于通常电池中的少数堆非正常工作，因此常常不需要完全剥离。另外，剥离流动电解质电池中的电池单元堆的现有方法通常是耗时的，并且由于问题的重现而不得不隔几天就重复操作。当剥离时，即，完全放电电池单元堆时，必须小心避免电池单元反向，其中堆中的一个的极性变得与其它堆的极性相反。在这样的情况下，具有反向极性的电池单元堆成为负载，其从其它堆汲取电流。因此，在放电期间，以较高的电流将电池单元堆首先放电到低电压电平。当电池单元堆达到低电压电平时，电流的大小被降低以使放电速率变慢。当电压电平继续下降时，随着电压电平接近零，电流的大小被重复地逐步降低以减小放电速率。通过以低速率接近零电压电平，当达到零电压时，中断电池单元堆的放电。虽然这种放电电流的逐步降低避免了电池反向，但它也是剥离电池中的电池单元堆所需的时间中的重要因素。因此，需要一种用于对流动电解质电池中的电池单元进行控制、监控、充电和/或放电的改进的电解质液流电池设计、方法和装置。发明简述已经开发了本发明的各个方面来克服或减少现有技术的一个或多个限制，包括提供电池单元堆和单个电池单元的改进的结构以降低制造成本，并且改进流动电解质电池的电池单元堆的结构及提供对电池和与其相连的公共总线之间的电力流的改进的控制以减少均衡电池系统中的单个堆所需的时间量。因此，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种改进的电池单元堆，其包括用来降低制造成本并用来改进流动电解质电池的电池单元堆的结构、实现以及操作的模块化电池单元。根据本发明的另一个方面，本发明通过在各种实施例中提供用于对流动电解质电池进行控制、监控、充电和/或放电(总称为“控制”)的改进的方法、系统和特征来解决现有技术中的不足。根据一个方面，本发明通过提供用于对流动电解质电池中的单独的电池单元堆进行控制的方法、系统和特征来解决现有技术中的不足。在进一步的实施例中，本发明提供了用于对流动电解质电池中的单独的电池单元堆进行控制的方法、系统和特征。除了其它优点，本发明还增加了可对电池单元堆充电和剥离的灵活性；使得无需使电池脱机就可对其进行常规的和实时的维护；使电池维持为可预测并且一致的充电容量；减小由于例如电解质流动阻塞、热量的散逸和/或枝状晶体的形成而导致堆出现故障的可能性；减小不均匀的电池单元电镀的风险；增加可用的充电/放电的周期数；以及减小涉及到维持冗余的电池系统的花费。根据本发明的又一方面，提供了一种改进的电解质电池，其包括：适于保持一定量的阳极电解液和阴极电解液的槽组件；可操作地连接到槽组件上的多个电池单元堆，每个电池单元堆都由设置在端盖之间的多个液流框架和可操作地连接到电池单元堆上的多个电力变换器形成。该电池单元堆形成有多个液流框架，每个液流框架都包括用于阳极电解液和阴极电解液流体的各自的入口和出口及设置在液流框架之间的分离器，其限定了每对液流框架之间的阳极和阴极半电池单元。电力变换器被配置成将电池以正向或反向极性连接到dc电源(例如，dc总线)上。阳极和阴极半电池单元根据电池连接到dc电源上的极性进行切换。根据本发明的一个实施例，用于调节dc总线和能量存储设备之间的电流流动的电力变换器包括：第一组端子，其被配置成连接到dc总线上；第二组端子，其被配置成连接到能量存储设备上。第一组端子具有第一电极性，并且第二组端子具有第二极性。多个开关，其选择性地将所述第一组端子连接到第二组端子上。存储设备，其存储多个指令；和处理器，其被配置成执行用于在第一操作模式和第二操作模式操作的多个指令。在第一操作模式期间，第一电极性和第二电极性是相同的，并且在第二操作模式期间，第一电极性和第二电极性是相反的。根据本发明的另一个方面，多个开关可以还包括：第一组开关，其被配置成调节dc总线和能量存储设备之间的电流流动；和第二组开关，其被配置成选择第一操作模式和第二操作模式中的一个。该能量储存设备可以是具有至少一个电池单元堆的液流电池。电力变换器然后调节dc总线和液流电池的任一个电池单元堆或液流电池的多个电池单元堆之间的电流流动。根据本发明的另一个方面，电力变换器还包括传感器，该传感器产生对应于在所述第二组端子处呈现的电压的幅值的信号，其中，处理器还可以被配置成以开关频率产生多个选通信号，每个选通信号可以控制开关中的一个的操作，以及开关频率可以随在所述第二组端子处呈现的电压和期望的电力损耗中的一个而变。处理器还可以被配置成当在第二组端子处呈现的电压小于预定阈值时保持接通开关中的至少一个。根据本发明的另一个实施例，通过电力变换器控制连接到dc总线的电池上的充电水平的方法包括以下步骤：在电力变换器处接收开始对电池进行放电的命令，通过在电力变换器内产生多个开关信号来控制多个开关选择性地将电池连接到dc总线上来以第一幅值调节电池和dc总线之间的电流流动，并监控在电池上呈现的电压的幅值。当在电池上呈现的电压的幅值达到第一阈值时，增加产生开关信号的频率，并且以第二幅值调节电池和dc总线之间的电流流动。当在电池上呈现的电压的幅值达到第二阈值时，至少一个开关被保持接通(latchedon)，并且当在电池上呈现的电压的幅值实质上为零时，禁止使电池进行放电。根据本发明的另一个方面，以第一幅值调节电池和dc总线之间的电流流动时伴随有电池上的第一极性的电压。在禁止使电池进行放电之后，该方法还包括以下步骤：通过在电力变换器内产生多个开关信号来控制多个开关选择性地按照第二极性将电池连接到dc总线上，来调节电池和dc总线之间的电流流动，其中第二极性与第一极性相反。根据本发明的另一个方面，产生开关信号的频率可以随在电池处呈现的电压和期望的电力损耗中的一个而变。根据本发明的再一个实施例，通过电力变换器控制连接到dc总线的电池上的充电水平的方法包括以下步骤：在电力变换器处接收开始对电池进行放电的命令，通过在电力变换器内产生多个开关信号来控制多个开关选择性地按照第一极性将电池连接到dc总线，来调节电池和dc总线之间的电流流动，并监控在电池上呈现的电压的幅值。当在电池上呈现的电压的幅值实质上为零时禁止使电池进行放电，并且通过在电力变换器内产生多个开关信号来控制多个开关选择性地按照第二极性将电池连接到dc总线上来调节电池和dc总线之间的电流流动，其中第二极性与第一极性相反。根据本发明的再一方面并且在监控电池上呈现的电压的幅值的步骤之后，该方法还包括以下步骤：以第一幅值调节电池和dc总线之间的电流流动，当在电池上呈现的电压的幅值达到第一阈值时增加产生开关信号的频率，当在电池上呈现的电压的幅值达到第一阈值时以第二幅值调节电池和dc总线之间的电流流动，并且当在电池上呈现的电压的幅值达到第二阈值时保持接通至少一个开关。根据本发明的另一个方面，产生开关信号的频率可以随在电池处呈现的电压和期望的电力损耗中的一个而变。根据详细描述和附图，本领域技术人员应该清楚本发明的这些和其它目的、优点和特征。然而，应该理解的是，虽然所述详细描述和附图示出了本发明的优选实施例，但这种描述和附图只是示例性而不是限制性的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内作出许多改变和修改，而且本发明包括所有的这种修改。附图简述本文所公开的主题的各种示例性实施例示出在附图中，其中相同的附图标记从始至终代表相同的部件，并且其中：图1是根据本公开构造的电池模块的等距视图；图2是图1的模块的正视平面图；图3是图1的模块的局部正视平面正视图；图4是图3的模块的分解等距视图；图5是图1的模块的阳极电解液液流系统的等距视图；图6是图5的液流系统的分解等距视图；图7是图5的液流系统的正视平面图；图8是图5的液流系统的侧视平面图；图9是图5的液流系统的俯视平面图；图10是图1的模块的阴极电解液液流系统的分解等距视图；图11是图10的液流系统的正视平面图；图12是图10的液流系统的侧视平面图；图13是图10的液流系统的俯视平面图；图14是图1的模块的局部分解等距视图；图15是图14的模块的正视平面图；图16是图14的模块的俯视平面图；图17是图14的模块的右侧平面图；图18是图1的模块的局部分解等距视图；图19是图18的模块的正视平面图；图20是图18的模块的俯视平面图；图21是图18的模块的右侧平面图；图22是用在图1的模块中的电池单元堆的等距视图；图23是在图22的电池单元堆中采用的液流框架的正视平面图；图24是图22的电池单元堆的端盖的正视平面图；图25是图24的端盖的后视平面图；图26是在图22的电池单元堆中使用的垫片材料的第一实施例的局部分离的正视平面图；图27是图26的垫片材料的第二实施例的局部分离的正视平面图；图27a是图27的垫片材料的局部分离的正视平面图；图28是图1的模块的充电状态的测量的图形表示；图29是用在图1的模块中的dc/dc变换器的一个实施例的示意性表示；图30是图29的dc/dc变换器的第一操作模式的框图表示；图31是图29的dc/dc变换器的第二操作模式的框图表示；图32是图29的dc/dc变换器的第三操作模式的框图表示；图33是图29的dc/dc变换器的第四操作模式的框图表示；图34是示出图29的dc/dc变换器的操作的流程图；图35是示出图34的流程图的放电步骤的流程图；及图36是示出图34的流程图的高损耗切换操作的流程图。在描述附图所示的本发明的优选实施例中，为清楚起见，采用了特定的术语。然而，并非意在将本发明限制于这样选择的特定术语，并且应当理解每个特定术语包括以类似方式工作以实现类似目的的全部技术等效物。例如，常常会用到词语“连接”、“附接”或与之类似的术语。这些词语不局限于直接连接而是包括通过其他元件的连接，而这样的连接被本领域技术人员视为等效的。优选实施方式的详细描述现参考附图，其中，在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的部件，在图1-4和图14-21中，根据本发明的一个实施例的电解质电池模块和系统整体以附图标记10表示。电池系统10包括通用部件机壳12、置于机壳12内的电池单元堆14的组件、置于机壳12内的槽组件16。槽组件16包括阳极电解液液流系统18(图5-9)和阴极电解液液流系统20(图10-13)，其每一个都具有泵19和可操作地连接到电池单元堆14上的合适的管道21。阳极电解液是阳极或电池中的负电池单元附近的电解液的一部分，而阴极电解液是阴极或电池中的正电池单元附近的电解液的一部分。在放电状态，在每个系统18、20中的电解质基本上是相同的。在电池单元堆14被充电时，在阳极电解液液流系统18中的电解质变成带负电荷的而在阴极电解液液流系统中的电解质变成带正电荷的。如下文将要详细讨论的那样，电池系统10被配置成使得电池单元堆14的极性可以被反向。因此，根据电池单元堆14的极性，液流系统18和20中的每一个可互换作为阳极电解液或阴极电解液液流系统。位于机壳12内的dc/dc变换器壳体22包括可操作地连接到电池单元堆14的一个或多个dc/dc变换器24。母线28可操作地连接到dc/dc变换器24并且电力可以通过dc/dc变换器24在电池单元堆14和母线28之间双向传送。热交换器26设置在机壳12内，并且风机(未示出)可以附接到机壳12上的风机安装部27上。电池系统10还包括可操作地连接到电池系统10的各种部件的控制器100，包括泵19和变换器24等。参看图5-9，阳极电解液液流系统18具有泵19、管道21和三通阀30。从槽组件16的部分引出的管道21(其中阳极电解液被保持到泵19上)用于将阳极电解液分布到电池单元堆14中。阳极电解液通过附加的管道21从电池单元堆14返回到槽组件16并且可以通过操作三通阀30由热交换器26转移。现将参考图10-13，阴极电解液液流系统20的形成类似于阳极电解液液流系统18，并且也具有泵19、管道21和四通阀32。从槽组件16的部分引出的管道21(其中阴极电解液被保持到泵19上)用于将阴极电解液分布到电池单元堆14中。阴极电解液通过附加的管道21从电池单元堆14返回到槽组件16并且通过堆的流动方向可以通过操作四通阀32来反转。下面将参考图22-25，其示出了电池单元堆14。该电池单元堆14由设置在一对端盖36之间的多个液流框架34形成。每个液流框架34都被模制成包括一半的流动路径和在液流框架34的每一侧上的其它特征。分离器被包括在每一对液流框架34和相邻的液流框架34之间，并且例如分离器通过超声波焊接、振动焊接、或任何其它合适的接合方法接合来限定液流框架34之间的流动路径。每个端盖36都被模制成包括在端盖36的一侧上的流动路径，其向内朝向电池单元堆14使得端盖36与相邻的液流框架34类似地限定流动路径。端盖36的另一侧被模制成包括电池单元堆14的结构特征，并且以便有助于使电池单元堆14彼此连接。然后参考每个液流框架34的一侧和每个端盖36的面向内部侧，以下特征被模制成液流框架34和端盖36。为了便于参考，该特征将参考液流框架34的一侧来讨论，但也可类似地应用到液流框架34的两侧和端盖36的一侧。液流框架34包括上边缘62、下边缘64、和在上边缘62和下边缘64之间延伸的一对侧边缘66。靠近液流框架34的每个角部的开口37提供了用于电解质进入/离开电池单元堆14的入口/出口或在液流框架34之间引导电解质的流动通道。根据本发明的一个实施例，靠近上边缘62或下边缘64的一个开口37提供了流体入口，而靠近相对的边缘62或64的一个开口37提供了用于电解质经过包含在每个液流框架34和分离器之间的电极的流体出口。靠近上边缘62和下边缘64中的每一个的其它开口37限定了允许电解质通过液流框架34或分离器的通道，但没有被引导到包含于其间的电极上。开口37被配置成使得阳极电解液液流系统18中的电解质被沿着液流框架34的一侧向下引导，而在阴极电解液液流系统20中的电解质被沿着液流框架34的另一侧向下引导。分离器隔离了相邻的液流框架34之间的阳极电解液和阴极电解液。然而，可能会在分离器上发生的离子转移允许电流流入电池单元堆14。以这种方式，流经电池单元堆的电解质被分到两个流动路径以经过在液流框架34的交替侧上的电极。内部集管系统38被限定为分别靠近上边缘62和下边缘64中的每一个以限定用于在液流框架34之间分布电解质的流动通道。内部集管系统38从阳极电解液液流系统18或阴极电解液液流系统中接收电解质，并通过第一通道引导它大致经过靠近上边缘62的液流框架34的宽度。内部集管系统38然后通过返回通道引导电解质到液流框架34的中心部分。电解质被随后在液流框架34的每一侧66之间以大致均匀的间隔分成多个流动路径以形成用于电极的电解质分布的流动通道。所述内部集管系统38还包括靠近每一个入口开口和出口开口37的集成过滤器39以防止大颗粒进入和可能堵塞集管系统38中的流动路径。混合v形凸起41包括在流动通道中以当多相电解质流经液流框架34时将其混合到连续乳液中。内部集管系统38也增加了电解质流动路径，从而增大了内阻和降低了流经电池单元堆14的分路电流，又创建了液流框架34之间的电解质的更均匀的分布。根据所示的实施例，液流框架34进一步包括用于接合液流框架和分离器以形成电池单元堆14的部件。振动焊珠40被模塑到每个液流框架34中。振动焊珠40用于连接液流框架34来组装电池单元堆14和在压力下保持电池单元堆14的刚性。液流框架34还包括溢料收集器以容纳在振动焊接过程中产生的溢料。液流框架或分离器框架由嵌件或包覆成型材料制成，并结合插入部分的外缘周围的销以将嵌件推到一侧。这允许完整的液流框架34或分离器框架能够完全地组装在模具中，消除了许多手工组装操作。焊接对准部件38包括但不限于显示的销和销孔。在堆组装之前以及堆组装之后，内置的可视检查部件确保适当的组装。参照图23和图24，每个端盖36的内部侧与液流框架34的一侧具有类似的结构。端盖36包括具有集成滤波器48和混合v形凸起50的内部集管系统47。端盖36还包括结构元件(例如，振动焊珠49和内置可视检查部件53)以确保适当的组装。端盖36还包括在一个角上的o形环槽和在相对角上的实体表面用于将堆密封在一起。端盖可以插入和包覆成型在端子电极55的周围用于模内装配，密封封闭的电池单元堆14，包括在插入部分的外缘周围结合销以将嵌件推到一侧的材料和成型方法。锌溴电池在每个电解质半电池单元中使用垫片网格材料以保持恒定的电池单元间隙厚度并防止电极和分离器膜相互接触。该垫片需要提供尺寸稳定性，而无需防止电解质流经流动通道。在图26所示的一个实施例中，垫片设计使用了双轴取向的聚丙烯网，其在控制条件下在两个方向上被拉伸以产生坚固、有柔性、重量轻的网。在图27和图27a所示的第二实施例中，在菱形(双平面)结构中产生的挤压网提供了改进的电池性能。流动试验示出了在电极表面内的溴电解质的改善的分布，并且电池性能测试也示出了半电池单元堆之间的显著改善的电流分布，其又提供了改善的能量效率。电池系统10使用双平面聚丙烯网格来改善电池单元间隙的一致性和电解质和溴在有效的电池单元区域上的分布。网格由两层平行的线组成，其中每层中的线相对于彼此成一定角度地设置，例如，彼此垂直定向。此外，网格可以被定向在电池单元中，以便每层的线相对于电解质的流动方向成一定角度，例如相对于电解质流动方向成45度角。根据本发明的一个实施例，独立的dc/dc变换器24单独地操作和控制液流电池系统10中的每个电池单元堆14。先前的试验表明，电池单元堆14可以单独地进行操作而不影响剩余的电池单元堆14的性能。同样，当电池单元堆14被并联电连接时，该电池单元堆14将在公共dc电压下工作，但从每个电池单元堆14中传送的或通过每个电池单元堆14接收的电流可以显著变化以保持在每个电池单元堆上的公共dc电压。进一步地，通过为每个电池单元堆14提供独立的dc/dc变换器24，在剩余的电池单元堆14在标准充电/放电配置中保持工作的同时可以剥离一个电池单元堆14。根据本发明的一个实施例，电池系统10配备有8个电池单元堆14，每个电池单元堆14都独立地连接到dc/dc变换器24。这种结构允许模块10使用dc总线电压作为设定点进行充电和放电，来优化到单个电池单元堆14的能量流动。这种结构的一个实例在序列号为13/185,862的共同未决的美国专利申请中示出，其全部内容通过引用并入本文。本申请讨论了滞后控制方法，利用该方法，电力通过相应的dc/dc变换器24以双向方式在dc总线28和每个电池单元堆14之间传送。每个dc/dc变换器24都包括单独的设定点，电池单元堆14在该设定点处被充电或放电。例如，具有较低的充电状态的电池单元堆可以使它们的dc/dc变换器24设置为在较低的dc总线设定点(例如，351v)处充电，而具有较高的充电状态的电池单元堆可以使它们的dc/dc变换器24设置为在较高的dc总线设定点(例如，355v)处充电。因此，dc总线28上的能量得以首先存储在具有较低的充电状态的电池单元堆14中。所述设置点可以类似地交错排列用于对电池单元堆14进行放电。具有较高的充电状态的电池单元堆14可以使它们的dc/dc变换器24设置为在较高的dc总线设定点(例如，330v)处对电池进行放电，而具有较低的充电状态的电池单元堆14可以使它们的dc/dc变换器24设置为在较低的dc总线设定点(例如，325v)处对电池进行放电。因此，能量首先从具有较高的充电状态的电池单元堆14供应到dc总线28。还可以想到，一个dc/dc变换器24可以连接到两个或多个电池单元堆14。多个电池单元堆14可以串联连接、并联连接或其组合，导致能量存储设备具有所需的电压和储能量。连接到dc/dc变换器24的一组电池单元堆14以与上面讨论的单独的电池单元堆14类似的方式被控制。根据本发明的另一个方面，dc/dc变换器24被配置成使用在电池单元堆14上呈现的任一极性进行操作。在第一操作模式中，电池单元堆14上的极性与dc总线28上的极性相同。在第二操作模式中，电池单元堆14的极性与dc总线28上的极性相反。下面参照图29，其示出了示例性极性反向的dc/dc变换器24。dc/dc变换器包括与存储设备202通信的处理器200。处理器200可以是但不限于微处理器、现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、逻辑电路、或它们的任意组合，并且可以进一步包括一个或多个上述串联或并联操作的设备。存储设备202可以类似地以单个设备或多个设备来实现，并且可以包括静态存储器、动态存储器、或其组合。存储设备202被配置成例如用来存储操作参数和程序，或由处理器200执行的一系列指令。处理器204还与选通驱动器204通信。选通驱动器204可以是但不限于微处理器、现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、逻辑电路，并且也可以与处理器200集成到单个设备中。处理器200从传感器接收对应于在整个dc/dc变换器24的各个点处的电压和/或电流的幅值的反馈信号。位置取决于在处理器200内执行的特定的控制程序。例如，dc总线传感器200可以提供在dc总线212上呈现的电压的幅值。任选地，dc总线传感器200可操作地连接以提供在dc/dc变换器24的内部的dc总线214上传导的电流的幅值。类似地，电流传感器和/或电压传感器250和252可操作地连接以提供在连接到dc/dc变换器24的电池单元堆14处的电流和/或电压的幅值。dc/dc变换器24进一步包括一对输入端子210，其被配置成连接到电池系统10的dc总线28上。然后每个端子210都被连接到dc/dc变换器24内的内部dc总线212上。内部dc总线212包括正供电轨214和负供电轨216。如本领域中所理解的，正供电轨214和负供电轨216可以传导相对于公共电压或中性电压的任何合适的dc电压电势，并且不限于正或负的dc电压电势。进一步地，正供电轨214或负供电轨216可以连接到中性电压电势。正供电轨214典型地传导具有比负供电轨216更大的电势的dc电压。电容218连接在内部dc总线212的正供电轨214和负供电轨216之间。根据系统要求，电容218可以是单个电容器或串联或并联连接的任何数量的电容器。多个开关器件230、240选择性地将内部dc总线212连接到输出端子260。开关器件230、240通常是固态电力器件，包括但不限于双极结型晶体管(bjt)、场效应晶体管(fet)、晶闸管或可控硅整流器(scr)。任选地，开关器件230、240可以是机电器件或根据应用需求配置的任何其他合适的开关器件。二极管232、242并联连接到每个开关器件230、240上用于当开关器件230、240被断开时根据需要在开关器件230、240之间反向导通。第一组开关器件230用来控制在输出端子260处的电压的极性。第一组开关器件230中的每一个都接收相应的第一组选通信号206中的一个。第二组开关器件240用于调节内部dc总线212和输出端子260之间的电流的幅值和方向。第二组开关器件240中的每一个都接收相应的第二组选通信号208中的一个。电感器246和248串联地包括在第二组开关器件240和输出端子260之间以便有助于调节内部dc总线212和输出端子260之间的电流。在操作中，dc/dc变换器24被配置成调节在dc总线28和连接到dc/dc变换器24上的一个或多个电池单元堆14之间的双向电流流动。dc/dc变换器24也被配置成以相对于dc总线28的正向或反向极性连接到电池单元堆14，并且在保持对dc总线28连接处的恒定极性的同时，在电池单元堆14的极性之间进行切换。再次参照图29，处理器200被配置成执行存储在存储设备202中的一系列指令。处理器200产生所述选通驱动器204的参考信号，其反过来又产生选通信号206、208来控制开关器件230、240的操作。可选地，选通驱动器204被集成在处理器200中并且所述处理器200被进一步配置成产生选通信号206、208。根据所示的实施例，第一组选通信号206控制第一组开关器件230的操作，并且第一组开关器件230被配置成控制在输出端子260处的电压的极性。第一组开关器件230被配置成使得一次仅启用晶体管1(ql)或晶体管2(q2)中的一个。当启用晶体管1(ql)时，输出端子260的极性相对于dc总线212的极性被反转。当启用晶体管2(q2)时，输出端子260的极性与dc总线212的极性相同。第二组选通信号208控制第二组开关器件240的操作，而第二组开关器件240被配置成控制dc总线212和输出端子260之间的电流。如图所示，包括两对第二组开关器件240。第一对开关器件包括晶体管3(q3)、和晶体管4(q4)；而第二对开关器件包括晶体管5(q5)，和晶体管6(q6)。任选地，可以包括单对第二组开关器件240。当启用晶体管1(q1)时，使得输出端子260的极性与dc总线212的极性相反，分别进行切换晶体管4和6、q4和q6的操作来对连接到dc/dc变换器24的电池单元堆14进行充电。相反地，当启用晶体管1(q1)时使得输出端子260的极性与dc总线212的极性相反，分别进行切换晶体管3和5、q3和q5的操作来对连接到dc/dc变换器24的电池单元堆14进行放电。当启用晶体管2(q2)时使得输出端子260的极性与dc总线212的极性相同，分别进行切换晶体管3和5、q3和q5的操作来对连接到dc/dc变换器24的电池单元堆14进行充电。相反，当启用晶体管2(q2)时使得输出端子260的极性与dc总线212的极性相同，分别进行切换晶体管4和6、q4和q6的操作来对连接到dc/dc变换器24的电池单元堆14进行放电。还应考虑的是可以以不同的组合控制开关器件230、240并且根据不同的控制程序来控制在输出端子260处的电压的极性和对电池单元堆14进行充电/放电。还请参照图30-33，其公开了在使用电池端子55上呈现的正向和反向电压极性充电和放电时的电力变换器24的操作。在标准操作期间(即，除了电池单元堆14的均衡或剥离)，处理器204从存储设备202中检索dc/dc变换器24用来对电池单元堆14进行充电或放电的电压设定点。dc/dc变换器24根据目前在电池端子55处命令的极性按照图30和图31或图32和图33进行操作。如果要求极性反转，那么dc/dc变换器24对电池单元堆14进行完全放电，反转施加到电池单元堆14上的电压的极性，并开始对电池单元堆14再充电。dc/dc变换器24然后根据目前在电池端子55处命令的新的极性要求的按照图30和图31或图32和图33重新开始标准操作。在标准操作下执行dc/dc变换器24时，处理器200维持操作的记录。任选地，模块控制器100维持每个dc/dc变换器24的操作的记录并根据操作的持续时间命令每个dc/dc变换器24的所需的操作模式。在预定的时间间隔之后，dc/dc变换器24进入电池单元均衡例程。需要该电池单元均衡过程，以防止电池单元堆14中破坏性锌枝状晶体的形成。根据本发明的一个实施例，利用点系统来跟踪dc/dc变换器24的操作。dc/dc变换器24或模块控制器100监控dc总线28和电池单元堆14之间的电流流动和作为预测电池系统10中的每个特定的电池单元堆14的方法的其它操作条件。电流和其他监控条件被转换成整数值或点。当这些点的总和达到用户确定的最大值时，dc/dc变换器24被命令仅进入放电模式并开始电池均衡过程。监控条件可以包括但不限于以下因素，例如，电池单元堆14的总的充电量和放电量(以安培小时计)，电池单元堆14的充电速率和放电速率，以及电池单元堆14从剥离循环之间的充电状态到放电状态已经循环的次数。模块控制器100可以进一步限制一次进入均衡例程中的电池单元堆14的数目，从而保持最小存储容量。因此，通过dc/dc变换器24累积的点的数量可以在进入均衡例程时变化。点的数目可以用于确定剥离循环的类型和电池单元堆14将在剥离循环中的时间长度。通过跟踪电池单元堆14的使用，只有那些需要均衡的电池单元堆14被命令进入均衡例程而不是进行整个电池系统10的剥离，从而优化整个系统的可用性。可选地，仅根据操作时间dc/dc变换器可以被命令进入剥离循环。还应该想到的是仍然可以利用跟踪电池单元堆14中的充电/放电循环的持续时间的其它方法而不偏离本发明的范围。下面参照图34，其示出了改进的均衡例程300中的步骤。在步骤302中，dc/dc变换器24接收进入均衡例程的命令。该命令可以根据监控连接的电池单元堆14的充电/放电周期的操作在内部产生。任选地，可以从模块控制器100接收该命令。例如通过改变滞后控制的设定点，dc/dc变换器24进入放电模式。如果滞后控制的放电设定点被设置成大于dc总线28上的电压的所需值的值，dc/dc变换器24开始将其各自的电池单元堆14放电到dc总线28。dc总线28上呈现的负载或剩余的电池单元堆14从dc总线28中汲取能量以维持dc总线28上所需的电压电平。在步骤306，均衡例程继续返回到放电步骤304，直到dc/dc变换器24已经将其各自的电池单元堆14进行放电，并且电池上呈现的电压已经达到0伏。在达到0伏时，dc/dc变换器24将在电池端子55上呈现的极性反转，如步骤308所示。然后dc/dc变换器24使用在电池端子554上呈现的反转的极性开始对电池单元堆14进行充电。因为均衡例程300没有涉及到电池单元反向，可以继续以较块速率降至零伏对电池单元堆14进行放电，而不是要求在连续降低电流的步骤中发生放电。下面参照图35，其更详细地示出了均衡过程300的放电步骤304。在放电期间，dc/dc变换器24监控在电池单元堆14上呈现的电压的幅值，如步骤320所示。在步骤322中，将电压的幅值与初始阈值进行比较。如果电压的幅值大于初始阈值，则dc/dc变换器24继续调节从电池单元堆14到dc总线28的电流，对电池单元堆14进行放电，如步骤324所示。如果电压的幅值下降到低于初始阈值，则在步骤326中放电程序检查电压的幅值是否达到0伏。在电压的幅值保持低于初始阈值但大于0伏时，启用高损耗开关模块，如步骤328所示。当电压的幅值达到零伏，高损耗开关模块被禁用，如步骤330所示。因此，dc/dc变换器24可操作地自动反转在连接到电池单元堆14的输出端子260上呈现的电压的极性，同时保持连接到dc总线28的输入端子210上的极性，并且同时以双向的方式连续地调节dc电流。这种反转电池单元堆14上的电压的极性的能力加速了液流电池的电池单元均衡，并允许对液流电池模块进行反向充电，同时保持在dc/dc变换器24的输入处的通过电池系统10的其余部分看到的公共极性。下面参照图36，高损耗开关模块350控制调制例程的开关频率，如步骤352所示，产生开关设备230、240(见图29)的选通信号206、208以起到“有源电阻器”的作用。与传统的放电方法相比，其中能量可以在所连接的电阻器中耗散，高损耗开关模块350使得能量在开关设备230、240中耗散。通过增加调制例程的开关频率，开关设备230、240被更频繁地接通/断开，导致与所述开关相关联的损耗增加。通过等待直到在电池端子55处的电压已经降低到初始阈值以下，开关设备230、240两端的电压以及因此功率被降低。在步骤354中也可以减少电流参考，从而进一步降低在开关设备230、240的每次转换中的功率损耗。作为另一优点，开关频率可以在正常操作频率和上限之间线性地变化。根据本发明的一个实施例，开关频率可以增加由dc/dc变换器24所使用的原始开关频率的4-16倍之间。相比之下，电阻器的传统连接导致单个电阻或一系列分段电阻，导致在电池单元堆14放电时从电池单元堆14中汲取电流的有限步骤。尽管在图36中示出，从方框358返回到放电方框356，高损耗开关模块350可以被配置成使得它从方框358返回到改变开关频率方框352，并且可实现连续可变的开关频率。在步骤356中，高损耗开关模块350以选择的开关频率和参考电流进行操作来使电池单元堆14进行放电。在步骤358中监控电池单元堆14两端的电压电平。当电池单元堆14两端的电压电平已经下降到低于较低的第二阈值时，可以保持接通多个开关设备中的一个或多个，产生短路以对电池单元堆14进行完全放电。电池单元堆14的内部电阻限制了在这种短路操作条件下的电流。通过用作有源电阻，高损耗开关模块350提供了利用电阻方式的均衡电池单元的方法，与典型的固定的无源电阻方案相比，其在广泛的操作频率中是线性变化的。dc/dc变换器24具有能够策略性地实现极性反转的能力，高损耗开关模块350或这两者在每个范围设置中都具有完全的灵活性。尽管参考图29中所示的dc/dc变换器24已经讨论了本发明，但是进一步设想，只要电力变换器被配置成用来调节dc总线212和输出端子260之间的双向电流流动，并控制在输出端子260处的电压的极性，可以采用电力变换器的许多其它配置而不脱离本发明的范围。以下是模块10的部件的各个属性和模块10的操作的进一步描述。模块电解质槽16-复杂的溴存储、控制和水位管理设计涉及使用都在顶部连接用于溢出保护的三个独立的槽16。槽内的水位是通过泵速度和由于槽中的流体高度引起的压头差控制的。槽被旋转模塑出用于泵和管道的凹陷区域。电池单元和液流框架设计-给出在非常宽范围的流体参数下的一致的流动分布。对于其它流动化学电池是有效的和合适的。在液流框架34增压室中应用了一些方法以通过连续的分支实现2p分布(即，两(2)参数分布函数)。设计了一种解决方法，其在每个分支处实现了均匀的水平流动速率和足够的浊度以均匀地分布单相或多相流体。电池充电状态指示器2p槽底部的压力被使用浸入式压力传感器记录下来。参照图28，如在充电期间(开始在3个电池单元堆上设置为1小时、100a)2p建立，压力呈线性函数增加，因此与soc成比例。在放电期间，每5-15分钟变化4wv，使得在电池单元堆中建立的2p以快速的2p水平下降。通过测量用于液流电池的电解质储存槽中的电解质压力测量电池soc是本发明的目的。为了通过记录槽压力来记录电解质密度中的变化可能是新的，并且可以通过用于锌溴液流电池中的溴相的单独的储存槽来实现。用于最大效率、长期关闭和脱气过程的模块电解质流动控制模块控制器100被设计成控制液流系统、热管理和保护并监控模块的所有方面。模块控制器100监控八个(8)电池单元堆来确定硬件应该处于什么模式。例如，如果正在对任何一个电池单元堆进行放电，模块将会打开用于放电的二相阀。该模块控制器还使用风机和热交换器的系统保持电池温度。也处理了故障和系统消息。例如，如果模块具有硬件故障，则控制器采取适当的行动来安全地关闭所述电池并且将故障通知给系统控制器。模块控制器管理剥离功能和所有操作模式。已经开发了一种关闭程序来从电池单元堆中除去富溴第二相，使得电池可以无限期地处于部分充电状态。2p槽在这一程序中起着不可或缺的作用，如包含分离溴相和水相的特征，使得溴存储在2p槽中用于控制调度。在关闭程序期间，4通阀32旋转到向前(从电池单元堆的顶部到底部)位置，关闭二相阀以使进入电池单元堆的溴的量减到最小，泵19以降低的速度操作或被脉冲调制来使电解质循环通过电池单元堆和清除溴相。该电池随后被放电以除去电池单元堆中任何残留的活性化学物质。一旦电池达到安全电压，停止泵并且电池能够无限期地保持在该状态。使用特种热交换器26的模块热管理和调节为了防止电解质的温度超过允许的操作范围，使用空气冷却热交换器26在电池模块上直接冷却阳极电解液。为了防止电解质的腐蚀，该热交换器的管侧是使用高纯度的钛材料制成的。该热交换器的空气侧采用铝散热片并且环境空气被风机迫使通过该交换器以提供冷却。该热交换器26也被电隔离使得它在电解质电压处浮动，并且没有会加速腐蚀的泄漏电流。双(ac/dc)电力供给单一设备用于提供控制和/或辅助电力，其中电力源是从冗余源中获得的。其中电源利用电池模块输出和/或pecc公共dc总线和来自pecc系统中的逆变器的ac侧的ac源或外部ac源的高压调节的dc总线电压。从而提供具有或不具有连接的ac源(例如，公用电网)的完整的操作系统的能力，并且其中初级/优选源被建立为dc输入，因为它被连接到dc总线上，用于在可能时利用优先可再生能源发电的目的，并且当不可用时只利用电网电源。双电源保持与控制/辅助输出的完全无缝衔接。该设备使得它可以具有用于所期望的冗余度的多个源输入并提供一个或多个输出。使用公共dc总线28为辅助设备提供电力一种单个全包式设备(辅助电源和控制模块(apc))，其为液流电池设备(泵、控制器、风机、加热器等)的辅助电源提供多个调节和隔离的dc电压和对所有辅助设备和仪器的控制(并包括基于完整的dsp的控制)，以及在液流电池中的液流电池充电和放电控制，或本质上对液流电池需要操作的一切事物进行控制。此外，该设备包括外部通信以提供对液流电池中的机械和电力的所有方面的设置和控制以及完整的监控。该设备(辅助电源和控制模块)应封装在具有安装支架、电源、i/o和通信的单板上。并且其中该设备在液流电池模块或其它能量存储设备或可以连接到公共dc总线(例如，pecc公共总线)上的源的输出处从共同调节的dc总线获得其源。导致自我维持的液流电池模块，甚至在没有替代的生成源的情况下。重要性在于，只要能量被存储并且从液流电池本身可获得，并且不依赖于任何外部源或间接源来操作和控制液流电池，所有的环境和操作功能可以被保持。用于包覆成型电池部件的方法和材料在电池单元堆14中，薄膜、电极和端子电极(te)被插入模制到其各自的“框架”中，即电池壳体(这些通常被称为薄膜和电极组件的液流框架和用于te组件的端盖)。电极和框架塑料被改性以提高在这些材料之间的嵌件成型结合。这两种材料都含有于230℃、2.16kg的压力下60-120gm/10min范围内的高mfi聚丙烯。这两种材料还含有一种聚烯烃弹性体(乙烯-辛烯共聚物)。这些添加剂增加了塑料的流动性和可混合性，从而导致在嵌件和注入的框架之间的更大的内聚力。该嵌件在嵌件成型过程之前也被立即预热到至少200华氏度。这有两个目的，首先，它减少了熔化嵌件的表面所需的来自注入的塑料的热量传递，从而增加了这两种材料处于熔融状态下的时间，因此，创造一个更混杂和一致的结合。其次，当成型后的框架材料收缩时它减小了嵌件上的压缩。减小的压缩导致平坦和低应力部件，从而提高了电池单元间隙和整体尺寸的一致性。用于将活性层应用到电极材料的制造技术目前有三种技术用于将活性层应用到电极材料。第一种技术用于应用颗粒状活性碳，第二和第三个工艺用于应用薄片形式(例如纸、毛毡、气体扩散层)的碳材料。1)使用多孔辊将导电胶应用于电极片。然后将该薄片立即浸入到颗粒状活性炭的流化床中。该薄片在压力和热量下被按压之前将其静置干燥以至于碳颗粒被部分地浸入电极片中。这导致碳和塑料片之间形成了永久性的机械结合。2)碳活性层片在层压过程中在电极挤出期间被应用于电极片。取决于活性层的类型，在传输过程中可能需要或不需要用于稳定的传输片。3)活性层被置于(或按照过程1粘合)电极片上，然后在压力和热量下按压。由于按照过程1，这将激活层部分地浸入到电极中，创建了机械连接。端子电极55的制造过程端子电极是锌溴电池的电流收集点。当前的设计使用了金属凸耳或母线，其使用焊接或金属焊接过程连接到金属网格材料。金属网格被嵌入到导电碳塑料薄片上以形成端子电极。对于目前的生产方法，铝电流收集器(包括超声波焊接的延展网格和母线的组件)被沿着被切割以配合te模具的电极材料薄片放置在压缩模具中。然后该模具使用wabash压机在压力下加热。然后塑料熔化并形成所期望的te形状。然后将模具在压力下冷却，并且可以将模具打开而该部分被去除。然后去除多余的材料(毛边)。这部分可被用作阳极te但如果它要作为阴极te的话，必须涂以活性层。端子电极55的制造过程。注塑成型的te新开发的包覆成型过程已经被开发出来用于提供平的端子电极并且将包覆成型的液流框架材料结合到端子电极的导电碳塑料片。开发出了双射注塑成型工艺和导电性电极材料以在单个模具中形成具有包覆模制的端盖的端子电极。该研制计划的一个因素是实现具有可接受的导电性的碳填充的塑料材料和注塑成型的能力。这可以通过使用超低分子量的塑料材料(例如，聚丙烯蜡)来实现。这个过程导致模制的、双射多部件电极/端盖。对于多射(multi-shot)过程，铝电流收集器被插入到注塑模具中，而电极材料在它周围注塑成型。该电极材料需要在230℃、2.16kg的压力下mfi>1gm/10min的注塑级材料。虽然te仍处于模具中，框架材料在它周围注入以制成完整的端盖组件。然后通过加热和加压过程在后面的步骤中应用活性层(用于阴极端盖)。电池电极55材料制剂和生产过程v3电池的电极是挤出级、碳和玻璃填充的聚丙烯，所述制剂如下表1所示。材料重量百分比组成低mfi聚丙烯35-65％高mfi聚丙烯5-15％玻璃纤维3-10％碳纤维2-10％石墨5-15％碳黑7-20％弹性体2-10％表1：电极制剂其中；·mfi：熔体流动指数为于230℃、5kg下的gm/10min，·低mfi聚丙烯(pp)具有的mfi在于230℃、2.16kg下1-10gm/10min之间。需要这种材料以实现挤出级材料，并提高碳填料的分散性，其增加了材料的导电性。·高mfi的聚丙烯(pp)具有的mfi在于230℃、2.16千克下10-130gm/10min之间。这种材料用于改善嵌件成型过程。·需要玻璃纤维来提高材料的稳定性和抗溴腐蚀和热膨胀。·石墨用于材料的稳定性和导电性。·炭黑用于导电性并允许电极材料达到体电阻<2ω、表面电阻率<10ω/cm2。·聚烯烃弹性体用于提高嵌件成型过程。电极55的一个更具体的制剂如下面表2所示，其中mfi小于1。材料重量百分比组成低mfi聚丙烯50％高mfi聚丙烯10％玻璃纤维5％碳纤维5％石墨10％碳黑12％弹性体5％表2：电极制剂上述材料并非全部需要存在于制剂中，但它们示出了制剂的特定实施例。电池电极材料的替代成分包括：碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、微石墨、嵌件成型粘合促进剂、玻璃珠、滑石、云母，偶联剂、稳定剂填料、结晶促进剂和抗氧化剂。电池液流框架24材料制剂和生产过程电池的框架材料是注塑级、玻纤填充的聚丙烯。该制剂在如下表3中示出，其中mfi在约25和50之间。材料重量百分比组成聚丙烯65-90％玻璃纤维5-15％偶联剂0.5-7.0％弹性体3-15％表3：电池框架材料的制剂其中：·最终化合物的mfi(熔体流动指数)是在于230℃、2.16kg下的12-50gm/10min之间，·pp(聚丙烯)可以是单一类型的或混合的以达到最终所需的mfi。·玻璃纤维用于减少材料收缩。·偶联剂(马来酸酐改性聚丙烯)用于将玻璃结合到聚丙烯，这提高了材料强度、稳定性和抗溴腐蚀性。·聚烯烃弹性体(乙烯-辛烯共聚物)被用于改善嵌件成型过程。液流框架24的一种更具体的制剂显示于下表4中，其中mfi约为40。材料重量百分比组成聚丙烯70％玻璃纤维15％偶联剂5％弹性体10％表4：电池框架材料的制剂上述材料并非需要全部存在于制剂中，但它们显示了制剂的一个特定实施例。框架材料的替代成分包括:嵌件成型粘合促进剂、玻璃珠、滑石、云母、偶联剂、稳定剂填料、结晶促进剂和抗氧化剂。应当理解，本发明不是将其应用限制于这里说明的结构细节和部件的布置细节。本发明具有其他实施例且以多种方式实践或实施。上述内容的各种变化和修改都在本发明的范围内。还应当理解，这里公开和限定的发明可扩展到从正文和/或附图中提到的或明显看出的两个或多个单独的特征的所有替代组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种替代方面。本文所述的实施例说明了实现本发明的最佳方式，并能够使本领域技术人员运用本发明。当前第1页12