CN1842718A - 用于对选定的电池单元组进行监控和充电的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于在流动电解质电池(flowing electrolytebattery) (100)中对单独的组(stack)进行控制(200)的系统，该系统包括组控制器(200)，用于在流动电解质电池(100)中与多个电池单元组(104)中的至少一个组可操作地互连；传感器(400)，用于提供关于至少一个组(104)的工作状态的信息；以及来自组控制器(200)的控制输入，用于至少部分地根据工作状态来单独控制至少一个组(104)的充电状态。

Description

用于对选定的电池单元组进行监控和充电的装置
相关申请的引用
本申请涉及并要求了第60/485,871号美国临时专利申请的权益，该申请名为“涉及流动电解质电池和使用流动电解质电池的不间断电源的特征、控制和方法”，其全部内容作为参考合并到本发明中。
发明领域
本发明一般涉及流动电解质电池(flowing electrolyte battery)的操作。特别地，一方面，本发明涉及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”)的方法和系统。
背景技术
断电和其它的电源不相容性给电源使用者带来问题。即使是数秒的故障停机或电源质量方面的轻微失常，都可能造成数百万美元的商业损失。美国电力研究协会(EPRI)估计，电源故障每年给工业造成4千亿美元的损失。
公用事业电网(grid)没有设计成和配置成可不间断地供电。同时，它缺乏调制、整理和改善供电的能力，这就使得用户将承受更大的风险，即电涌、电垂(sag)以及其它电源质量的不相容性。进一步来说，从国家主电网输送电力的大于250万英里的电线很容易受到各种类型危险的破坏。恶劣的天气可能引起大范围的断电，即使是偶尔的线路故障或是电极(pole)损坏也可能造成生产中断、工人停工和/或是通信中断。
信任公用事业电网的可选方案包括分布式发电系统，其一旦安装在用户位置，就可提高用于连续不断和备用电源的发电能力，缓解传输和分配瓶颈，以及通过产生临时的备用电源来支援电力系统的维护。分布式电力模型还为用户提供了可根据他们的个人需求定制电力系统的灵活性，并且，设置和安装分布式电力模型比对传统的集中式发电系统进行升级所花费的时间要少得多。
然而，现有的可选方案仍然不能让公司对分布式发电系统完全满意。举例来说，燃料电池在适用于分布式发电之前还需要更多的改进。其它可供选择的包括太阳能，风能，往复式发动机和微汽轮机(microturbine)。然而，所有这些选择要想有效工作都需进行本地储能。太阳能和风能是机会能源，意味着它们不是每天都能整天地获得。燃料电池和微汽轮机是可利用天然气的稳态装置。但是，这些技术没有负荷跟踪。因此，需要由存储区来提供瞬变电流。使用这些技术需要有效和稳定的存储系统的有效性。
一种类型的储能系统是电解质电池。这种电池可配置成电池单元(cell)组(stack)的阵列(通常是铅酸电池单元)，每个电池单元组具有其自身的电解质。由于每个组是封闭的系统，因此，组内的开路电压(VOC)指示存储在特定的组中的充电量。组间的开路电压差可用于确定系统中哪些组是完全充电，而哪些仅仅部分充电。
第二种类型的电解质电池是流动电解质电池。一个这种电池使用电池单元组的阵列，这些组共享共用的流动电解质。由于组共享电解质，因此组内开路电压的测量仅仅表示该组是否存储一定的非零充电量，而并非表示该组相对于系统中的其它组的充电状态。此外，组间的开路电压差通常用于表示降低组的内电阻的一些内部异常。
举例来说，在溴化锌流动电解质电池中，多个组共享液态溴化锌电解质，并具有它们自己的电极，可在充、放电周期中沉积和溶解锌元素。在此类电池中，可通过简单地放置锌沉淀物来阻止电解质流向组。此外，在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组的内电阻降低，从而使得组内的开路电压相应地降低。
流动电解质电池系统中的组间的开路电压差可影响组的充、放电周期，并且潜在地影响到电池的操作。举例来说，在上面提到的溴化锌电池中，特定组中的降低的开路电压导致在充电周期中故障组中的锌沉积率增加，而在放电周期中故障组中的锌溶解率减小。此外，存储在故障组中的额外的锌来自于通常由相邻组使用的电解质。锌的可用性降低的结果是，可能降低相邻组的储能容量。另一后果是，具有增大的锌沉积的组在放电过程中无法完全剥离，从而最终导致沉积在故障组的电极上的锌到达这样一种程度，即，导致组的电池单元间的内部短路。这可潜在地破坏组，还可能破坏整个电池。进一步的后果是，增加的锌沉积限制了电解质流动的通道。由于电解质流起到冷却组的作用，因此流动的受限可导致组的过热以及关键部件的熔毁。
现有技术中对于问题的解决方案涉及到完全“剥离”，即，电池中的每个组完全放电，从所有组的所有电池单元中完全去除存储的电量。在理想情况下，该方法可消除最初造成组间的开路电压差的异常。举例来说，完全剥离通常溶解位于极板之间的枝状结晶和/或阻止电解质流动的沉积物。然而，流动电解质电池的完全剥离通常是耗时的(经常要花一天或两天来完成)，并且由于问题的重现而不得不隔几天就重复操作。电池的完全剥离通常致使其对于电子应用来说不可用或者具有显著降低的性能，从而需要购买和安装额外的多余电池系统。此外，由于通常电池中的少数组是非正常工作的，因此常常不需要完全剥离。
因此，需要改进的方法和装置，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。
发明内容
本发明通过在各种实施方案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组进行控制的方法、系统和特征来解决现有技术中的不足。在另外的实施方案中，本发明提供用于控制流动电解质电池中单独的电池单元的方法、系统和特征。本发明的有益效果在于，本发明提高了对电池单元组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可兼容的充电容量；减小由于例如电解质流动阻塞、热量的散逸和/或枝状结晶的形成而导致组出现故障的可能性；减小不均匀电池单元电镀的风险；增加可用的充/放电的周期数；以及减小涉及到维持冗余电池系统的花费。
一方面，本发明提供用于对具有多个电池单元组的流动电解质电池中的电池单元组进行单独控制的系统和方法。优选地，该电池是流动溴化锌电池。然而，本发明可与任何适当的流动电解质电池一起使用。根据一种配置，本发明包括组控制器，用于与电池中的多个电池单元组中的一个可操作地互连。根据一个特征，组控制器对通过电池单元组流动的电流进行单独控制。根据一个实施方案，该系统包括多个组控制器，每个组控制器为了与多个电池单元组中的相关的一个可操作地互连而与之相关联。在一个优选配置中，电池单元组和组控制器之间的互连可通过电互连实现。然而，在其它配置中，该互连可以是光学的、电学和光学的组合或者任何适当的直接或电隔离互连的方法。
根据一种可选的实施方案，单个主控制器而不是配备单独的电池单元组控制器来控制单独的电池单元组。在这种单独的控制器的情况下，单个主控制器在逐组的基础上控制流向每个电池单元组的电流；因此，其具有单独的组控制器的所具有的所有重要的有益效果。在另一个可选的实施方案中，数目少于电池单元组的多个控制器而不是配备单个主控制器来控制单独的电池单元组。在另一个的可选实施方案中，本发明提供多等级组控制器结构，其中，主控制器提供对一个或多个附加组控制器的控制，从而提供对单独的组的控制。
在一些实施方案中，对每个电池单元组的电流控制基本上或完全不受对另一电池单元组的电流控制的影响。然而，在一些实施方案中，对特定组的电流控制允许影响对另一组的电流控制，但这是以可预测和可控制的方式来进行的。
在一个实施方案中，组控制器为一个或多个固态开关提供控制信号，以控制流向电池单元组(例如，充电)和/或从电池单元组流出(例如，放电)的电流。根据一种方法，主控制器和/或单独的控制器调节一个或多个固态开关的控制信号的占空比，从而控制当前的电池单元组。
根据一个可选的实施方案，本发明为每个电池单元组提供了单独的dc/dc转换器/控制器。优选地，dc/dc转换器/控制器控制流向电池单元组和从电池单元组流出的电流。根据一个特征，每个dc/dc转换器/控制器可基本上或完全独立于每个其它dc/dc转换器/控制器工作，例如，对相关的电池单元组进行充电、放电、电极电镀、电极剥离、电解质流动以及电池单元组维护控制。根据另一特征，每个dc/dc转换器/控制器提供用于相关的电池单元组的电压、电流、电解质流动以及温度监控。根据另一特征，dc/dc转换器/控制器响应于(例如)欠电流、过电流、欠电压、过电压、充电不足、过充电和/或温度过高状态，可在总体上基本不影响电池工作的情况下，使得相关的单独电池单元组脱机(例如，用于维护)。
随着讨论的进行，术语“组控制器”可包括上述组控制器的任意配置，包括可对单独的电池单元组进行控制的dc/dc转换器/控制器或其它合适的控制器配置。
根据另一特征，本发明监控通过每个电池单元组的电流，并根据所测量的电流而改变流入电池单元组或从电池单元组流出的电流。在一个实施方案中，组控制器计算通过每个电池单元组的电流的平均值，接着根据所监控的电流偏离计算出的平均值的安培数来调节通过特定电池单元组的电流。根据一种实施方法，本发明提供偏离平均值的阈电流，在对流向电池单元组的电流进行调节之前，电流值必须要大于该阈电流。作为实施例，本发明在调节通过特定电池单元组的电流之前，可要求具有相对于计算出的平均值大于正或负的0.1A、0.25A、0.75A、1A、1.5A、2A、2.5A或3A的偏移量。
根据一个实施方案，本发明周期性地对所有电池单元组进行电流测量，计算平均电池单元组电流，按照相对于平均值的偏移量来排列这些电流，然后根据排列对电池单元组制定进程以便进行电流调节；首先调节那些相对于平均值具有最大电流偏移的电池单元组，然后对那些具有最小平均值偏移的电池单元组进行调节。在一种方法中，本发明通过制定去除电流来调节电流，而在其它的方法中，本发明制定向偏离的电池单元组添加电流的规定和/或(例如)依靠流向电池单元组的电流大于还是小于平均值来提供添加电流和去除电流的组合。
在另外的实施方案中，本发明以基本并发的方式来调节多个电池单元组的电流，在一个特殊的实施方案中，以基本并发或同时的方式来调节所有电池单元组的所有电流。根据一种配置，本发明根据相对平均值的电流偏离值而以线性方式调节流向电池单元组的电流。然而，在其它实施方案中，也可使用其它合适的关系。
另一方面，本发明基本实时地监控流过电池单元组的电流子集。本发明还可基本实时地计算流过电池单元组的电流的平均值。根据另一实施方案，本发明可基本实时地(可选地，基本并发地)执行电流调节。电池单元组的子集可包括所有的电池单元组。
根据一个可选的实施方案，组控制器监控流过电池单元组的电流，并基本上仅根据相对于通过电池单元组的期望电流的偏离量来调节流过该电池单元组的电流，而并非计算通过该电池单元组的平均电流。在一种实现方法中，本发明提供偏离期望电流值的阈电流，在对流向电池单元组的电流进行调节之前，电流值必须要大于该阈电流。作为实施例，本发明在调节通过电池单元组的电流之前，可要求具有相对于期望电流大于正或负的0.1A、0.25A、0.75A、1A、1.5A、2A、2.5A或3A的偏移量。
根据另一的特征，本发明在做出关于是否对电池单元组电流进行调节的决定中包括滞后作用(hysteresis)。本发明在做出关于是否改变流向电池单元组的电流的决定中还包括，例如，电池单元组的电压状态、温度、电解质流动和/或充电。
然而在一些方面，本发明尤其排除电池单元组和与电池单元组串联的、充/放电电流通过其流动的特定设备，在另外的方面，本发明尤其包括电流设备(举例来说，固态和/或机械开关)和/或电池单元组和/或整个电解质电池。
根据另一方面，组控制器与用于在特定的电池单元组中检测故障情况的传感器以及用于响应于故障情况改变该电池单元组的充电状态的组控制器保持通信。
在一个实施方案中，传感器包括电压传感器，用于监控一个或多个电池单元组的开路电压。在另一个实施方案中，传感器包括电流传感器，用于监控进入和/或离开一个或多个电池单元组的电流。在另一个实施方案中，本发明包括历史记录器，用于记录关于特定电池单元组的传感器读数。根据另一个实施方案，传感器包括电解质流动传感器，用于监控电池中电解质的循环。在一种配置中，电解质流动传感器包括泵传感器，用于监控电解质泵何时工作。在另一实施方案中，本发明包括计时器，用于确定时间段的预定增量。
根据一个方面，本发明包括与组控制器通信或是作为组控制器一部分的开关，其中，开关响应于故障情况而对提供给组的充电电流进行调制。在另一个实施方案中，本发明包括与组控制器通信或是作为组控制器一部分的开关以及与开关通信的电阻元件，其中，开关响应于故障情况或作为执行维护的一种方式而跨过组设置电阻器来放电。在另一个实施方案中，本发明包括与组控制器通信或是作为组控制器一部分的开关，其中，开关可响应于故障情况或作为用于执行维护的手段而使得跨过电池单元组的接线端短路，从而完成放电过程。在另一个实施方案中，本发明包括与组控制器通信或是作为组控制器一部分的开关，其中，开关可通过电阻元件使电流转移，当流到该组的电流中断时，通过其它电池组的电流分配将不会受到影响。
在另一个方面，本发明提供一种用于在流动电解质电池中控制单独的电池单元组的方法。根据一个实施方案，响应于对单独的电池单元组中故障情况的检测，本发明的方法改变与该电池单元组相关的充电状态。根据另一个特征，响应于对所检测的故障情况的校正的检测，本发明的方法再次改变与该电池单元组相关的充电状态。
在一个实施方案中，响应于故障情况的校正的改变充电状态的步骤包括，将充电状态恢复至其初始状态。在另一个实施方案中，检测故障情况的步骤包括，检测电池单元组内的开路电压的变化和/或检测流向电池单元组的电流的变化。
根据另一个实施方案，响应于故障情况的检测而改变充电状态的步骤包括，减小对电池单元组充电的电流量。在另一个实施方案中，减小电流量包括，将小于100％占空比的脉冲宽度调制应用于对电池单元组充电的电路。在另一个实施方案中，减小电流量包括，改变从dc/dc转换器/控制器到电池单元组的电流输出。
在一个实施方案中，响应于故障情况的检测而改变充电状态的步骤包括，减小对特定电池单元组充电的电流量，同时使得对其它电池单元组充电的电流量的保持恒定。在另一个实施方案中，减小流到特定电池单元组的电流量、同时维持流到其它电池单元组的电流量包括，在基本相等的时间段内提供对特定电池单元组和其它电池单元组的充电电流。在另一个实施方案中，响应于故障情况的检测而改变充电状态的步骤包括，基本耗尽存储能量的特定电池单元组，以及形成跨过特定电池单元组的短路，以将其维持在未充电的状态。
本发明的其它方面、实施方案、特征和原理将参照以下的示例性实施方案进行详细描述。
附图的简要说明
现在结合下面的示意性的附图对本发明进行描述，其中，类似的参考标记代表类似的部件，但是，部件可能没有按比例绘制。应该注意到，下面的附图实质上是示例性的，而并非用于限制本发明的范围。
图1示意性地表示了包括多个同种类型的电池单元组的流动电解质电池，该电池可与本发明的示例性实施方案一起使用；
图2是示出了根据本发明的示例性实施方案的、与图1中所示类型的电池互连的电池单元组控制器的示例性实施的示意方框图；
图3是表示根据本发明的示例性实施方案的、用于对流动电解质电池中单独组控制的过程的流程图；
图4是图3中所示类型的过程的示例性状态机实施的状态图；
图5是表示根据本发明的示例性实施方案的、一个电池单元组和组控制器之间互连的示意图；
图6是表示图5中所示类型的组控制器操作的状态图；
图7是根据本发明的可选的示例性实施方案的组控制器方法的方框图；
图8是图7中的示例性实施方案所使用类型的dc/dc转换器/控制器的更为详细的示意图。
示例性实施方案的描述
如上面总结所述，本发明通过在不同的实施方案中提供改进的方法、系统以及特征，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”)，从而解决现有技术的不足。根据一些示例性的实施方案，本发明通过提供用于控制流动电解质电池中的单独的电池单元组的方法、系统和特征而解决现有技术的不足。在其它示例性实施方案中，本发明提供用于控制流动电解质电池中单独的电池单元的方法、系统和特征。在其它示例性实施方案中，与单独的电池组和/或电池单元互连的组控制器和传感器提供对故障情况的检测，并且响应于检测这样的故障情况而改变单独的电池组和/或电池单元的一个或多个充电状态。如果需要的话，这样的更改可重复和/或反复执行，并就故障情况向操作者发出警报。
可以理解，尽管下面的示例性描述使用了术语“电池(battery)”和“组(stack)”，但本发明的范围不会受到限制。从更广的意义来说，本发明使得能对电池(例如流动电解质电池)中互连电荷存储单元的阵列中的单独的电荷存储单元进行控制，而不用考虑用于描述单独的单元或阵列的术语。举例来说，在一个示例性实施方案中，本发明使得可以对互连电池单元组的电池中的单独的电池单元组进行控制。这一示例的实施方案在本发明的示例性描述的剩余部分进行描述。然而，在其它示例性实施方案中，本发明可描述为使得能对互连电池单元组的塔(tower)中的单独的电池单元组进行控制。在其它示例性实施方案中，本发明可描述为能对电池单元组中的单独的电池单元等进行控制。
术语“电池(battery)”可理解为表示电荷存储单元的阵列，例如，互连电池单元组的阵列，而“组(stack)”可理解为表示单独的电荷存储单元，例如，电池单元组，对它们进行单独控制是理想的。
本发明的一些示例性实施方案使用单个dc电流源，用于对电池中所有的电池单元组充电。这些实施方案将参照图1-9详细描述。然而，在其它示例性实施方案中，本发明设置多个独立的dc电流源，优选地，每个电池单元组对应一个电流源。这些实施方案将参照图7和8详细描述。
图1表示由具有本发明示例性实施方案可使用的类型的九个电池单元组1041...1049所构成的示例的流动电解质电池100。该示例的电池100包括三部分，每部分包括并行电连接的三个组104，例如，组1041、1042和1043形成一部分，并且组104并行电连接。三个部分的组串行电连接，从而形成电池100。因为本发明的示例性实施方案与具有任意内部拓扑结构、组和电池单元配置的电池交互操作，所以，图1中所示的组拓扑结构纯粹是示例性的，其被选择用于方便讨论。
在本实施例中，组104是液压互连的(未示出)，以允许共享共用的流动电解质。这使得电池100相对于具有相互电连接但未相互液压连接的组的电池(该电池因而具有分离的非流动电介质)来说，可获得较高的能量密度。在该实施例中，电池100是溴化锌电池，而流动电解质是液态溴化锌溶液。
本发明的示例性实施方案可分开出售，用于与流动电解质电池(例如图1中的电池100)集成。作为一种选择，如图2所示，本发明可被配置为与流动电解质电池100集成，并作为单个单元出售。在该示例性实施方案中，每个组104与组控制器2001...2009(一般性称作200)电连接。组控制器200然后电连接到主控制器204。
在图2中的示例性实施方案中，彼此互连使得能向单独的组控制器200和主控制器204提供功率，以及在单独的组控制器200之间和/或单独的组控制器200与主控制器204之间交换数据和/或命令。举例来说，稳压dc电源可利用电互连而向组控制器200和主控制器204提供功率，或者，主控制器204本身可包括电源的功能，并可选择性的向每个单独的组控制器200提供功率。上述互连可包括用于在各个控制器之间交换数据和/或命令的专用线路。此外，数据和功率也可在同一线路上提供。控制器之间的数据交换可利用本领域公知的的协议来实现，例如，RS-232、I2C或CAN总线。也可使用公知的无线协议在控制器之间交换数据和/或命令，例如，蓝牙或IEEE802.11(b)。另外，如上面所述，互连可使用例如光纤互连而在光学上隔离。
在图2的示例性实施方案中，主控制器204控制电池100和由电池100提供功率的外部应用(例如，向将成形的480VAC三相波形提供给半导体加工设备的转换器)之间的接口。主控制器204监控可用于电池100的功率。当剩余功率可用时，主控制器204通过为组104提供充电电流来对电池100充电。当提供给电池100的功率不足以满足负载需要时，主控制器204从组104抽取功率，并将其提供给负载。在一个实施方案中，主控制器204还检测以预定数量超出负载平均需求的对功率的意外需求，并由电池100瞬时或几乎瞬时地补足这一差额。优选地，主控制器204还控制电池中的电解质泵和其它众多支持系统(例如，冷却系统、用户接口、系统遥测等等)的操作。
电池单元组104的内部故障通常会导致组104中的内电阻降低，从而在一些配置中，将从最接近它的相邻组104中抽取充电电流。因此，在图2的示例性实施方案中，组控制器204的一个功能是减小进入故障组104的电流大小。假设单个dc电流源向所有的电池单元组104供电，那么，通过减小电流源的充电电流来剥离(strip)一个组要求需要大量停机时间的对整个电池的剥离，并要求有效地将电池从上述的操作中去除。通过在其它组104持续充电的同时减小到故障组104的充电电流，本发明使得电解质不断反应并从故障组104移除沉积的锌来消除能引起内电阻下降以及由此引起的开路电压下降的枝状结晶和其它电镀缺陷。该方法使得能有效地将单个组充分地剥离从而解决故障，而无需使得电池脱机(offline)或将其余的电池单元组剥离。
控制器200和204可以任何合适的方式来实现。作为实施例，在一些示例性的实施方案中，一个或多个控制器200和204可以是程序控制逻辑器件(PLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它专用的硬件设备。在其它的示例性实施方案中，一个或多个控制器200和204可以是软件处理，该处理可在单处理器、多处理器计算机或执行操作系统的分布式处理阵列上执行。
图3是概括用于对根据本发明的示例性实施方案的流动电解质电池中的电池单元组进行单独控制的过程的简化流程图。使用该方法或类似的方法，组控制器(例如，组控制器200)控制相关的电池单元组(例如电池单元组104)。优选地，上述控制包括监控相关电池单元组的与组操作有关的情况。这种监控可包括监控故障情况。然而，多个相关电池工作状态包括(但不限于)：电池单元、组和/或电池开路电压、进出的电流、充电容量、温度和/或电阻；电镀不足和/或不均匀电镀；负载需求；电网电压/状态；电解质流动状态、速率、容积和/或阻塞物；电解质化学成分；泄漏传感器测得的电解质组泄漏；例如，由应变计测得的组重量；例如，可由泵传感器获得的使得流动电解质在电池中循环的一个或多个泵的状态；以及其它状态。如300处所示，当系统首次启动时，组控制器被初始化。在初始化成功后，组控制器监控器(步骤304)可操作地连接电池单元组，例如电池单元组104。
响应于在步骤304中检测到的相关状态，在步骤308中，组控制器改变电池100的工作状态(例如，充电状态)。举例来说，响应于对电池单元和/或组的电压和/或电流的不可接受的偏移的检测，组控制器200可改变与组104有关的一个或多个充电状态。这可包括增大或减小流到特定电池单元组的充电电流。另外，举例来说，响应于对不可接受的高温或较低组内电阻的检测，组控制器200可使特定的组脱机，以避免热量的失控。组控制器还可发起局部联机(online)剥离特定的组。同样地，举例来说，响应于线路电压的降低、负载的变化或电网故障，组控制器200可采取步骤使电池从抽取电流充电切换到向线路提供不间断的功率。在步骤312，组控制器200对组中的初始检测到的状态的校正和改变进行检测。如果该状态持续出现或没有得到校正，则组控制器200可持续提供步骤308的补救措施，直到状态改变，或直到满足预定的故障条件(例如，超时)。在步骤216中，响应于对相关状态改变的检测，组控制器200可再次改变一个或多个电池工作状态。举例来说，组控制器200可恢复在步骤304中检测相关状态之前就已存在的原始充电状态。作为一种选择，组控制器可使得组恢复联机，或举例来说，响应于对电网恢复联机进行检测，而启动处理过程来中断电池对线路的支持，并使其回到充电或其它静止模式。
特别参照溴化锌电池100，诸如组104的组内开路电压或是通过组的充电电流下降的情况下，故障情况本身变得十分明显。正如下面将要详细描述的那样，根据本示例性实施方案，组控制器通过减小进入组104的充电电流来清除故障。减小充电电流使得腐蚀性的电解质能够去除组104包含的电池单元的电极上的锌。当去除了足够的锌，从而可基本校正故障情况(例如，去除枝状结晶、晶核形成特征、过电镀或一些其它不规则的电极电镀)时，通过增加开路电压或是减小进入组的充电电流来检测该校正。相应地，组控制器204将充电电流恢复至其初始值。如果故障没有得到校正，则组控制器204可维持相对于其它组104减小的充电电流，以试图进一步消耗组104的元素锌。在一个示例性实施方案中，如果重复的补救措施(例如多周期的消耗)无法校正故障，则组控制器200可直接或间接使用例如主控制器204向在场的或是不在场的操作员发出警报。
图4表示根据图3的示例性实施方案的电流控制过程的简化状态图。该状态图可在组控制器200中得到实施，举例来说，该控制器可以是程序控制逻辑器件(PLD)或是执行适当指令的通用或专用处理器。在初始化之后，组控制器200进入NORMAL(正常)状态350。组控制器接收输入ΔI，该值反映流入相关组104的充电电流与电流阈值之间的差值。
在一个示例性实施中，阈电流值是之前一段时间内流入到特定组104的平均电流的函数。在另一个示例性实施中，选择阈值作为要提供给组的理想的充电电流。举例来说，如果组阵列由3个并行连接的部分组成而每部分具有2个串行连接的组104，并且主控制器提供的充电电流是100A，那么每组104的预定电流值将约为16A。根据另一示例性实施方案，ΔI作为相对于实际测量到的、提供给所有电池单元组104的充电电流的平均值的偏差来计算。
根据该示例性实施方案，如果ΔI保持为低于选定的第一值(例如，小于正或负的0.1A、0.25A、0.5A、0.75A、1A、1.5A、2A、2.5A或3A)，则组控制器200保持NORMAL状态350而不会进行改变与组相关的充电状态的操作。如果ΔI超过第一值但未超过第二值(例如0.25A、0.5A、0.75A、1A、1.5A、2A、2.5A或3A)，则在假设组104中出现可通过减小进入组104的充电电流而得到校正的初期问题时，控制器200前进到PWM_CHARGE(PWM_充电)状态354。在这种情况下，组控制器200可使用各种技术来调节充电电流。在一种配置中，组控制器200对充电电流使用占空比小于100％的脉宽调制来减小流入组104总的充电电流量。在一个实施中，脉宽调制的周期大约是100秒左右，从而允许离子有足够的时间在流动电解质中流动。
在一个示例性实施中，参照图7和8如下所述，在状态354中，组控制器可包括专用于要调节的特定组的dc/dc控制器/转换器。在该实施中，dc/dc控制器/转换器对提供给组104或是从组104获得的电流进行调节，这一操作独立于剩余组并且不对它们造成任何影响。可通过仅在特定的一段时期(小于正常提供的电流的周期)内向组提供电流来限制流向具有较低内电阻的组的电流。
减小流向组104的电流或去除来自组104的电流的结果是，组104失去元素锌，并因而失去来自其电极的存储能量。这就消除了导致组内电阻减小的一些现象，例如枝状结晶、晶核形成或其它不均匀电镀特征。该过程就是通常所说的“开放式剥离(open stripping)”。如果开放式剥离成功完成，并且电池100进入放电模式(此时它向负载提供功率)、浮动(float)模式(此时电池100被完全充电并等待使用)或稳定(settle)模式(此时控制器200在电池充电时以周期性的间隔来对进入电池的充电电流进行采样)，那么控制器200返回到NORMAL状态350。
如果ΔI超过第二个值，则组控制器200进入到STRIP(剥离)状态358，因此可断定相应的组104遇到不能只通过减小进入组104的充电电流就得以校正的严重的问题(例如内部短路)。控制器200发起过程来浅度或深度剥离组104，这可能需要或不需要使得电池脱机，将在下面详细讨论。如果剥离过程成功完成，并且电池100进入放电模式(此时它向负载提供功率)、浮动模式(此时电池100被完全充电并等待使用)或稳定模式(此时电池在充电时以周期性的间隔来采样流入电池的充电电流)，那么控制器200返回到NORMAL状态350，并返回到步骤304，在该步骤，监控相关电池工作状态的改变。
图4的状态图反映了组控制器200的独立操作，每个组控制器200都与特定的组104相关联。根据该示例性实施方案的特征，如果电池100中仅仅有一个特定组104或一小部分组104遇到操作故障，则剩余的组控制器200继续控制其相关的组来接收正常的充电电流，就像组104没有发生故障一样。通过这种方式，该示例性实施方案可保持电池联机并在需要时可用于提供后备电源。
图5是根据本发明的一个示例性实施方案的、组控制器200、其相关组104以及主控制器104之间的示例的互连的示意性方框图500。组控制器200可操作地与传感器400通信，组控制器200通过传感器400接收一个或多个作为输入的传感器测量值。如上所述，传感器输入可包括例如：电池单元、组和/或电池开路电压、进出的电流、充电容量、温度和/或电阻；电镀不足和/或不均匀电镀；负载需求；电网电压/状态；电解质流动状态、速率、容积和/或阻塞物；电解质化学成分；电解质的氢离子浓度，泄漏传感器测得的电解质组泄漏；例如，由应变计测得的组重量；例如，可由泵传感器获得的使得流动电解质在电池中循环的一个或多个泵的状态；以及其它状态。组控制器200还与开关404、408、412、416和420的控制输入进行通信，通过它们控制器可有选择地断开和接通适当的开关并控制对组104的充电和放电。在另一个实施方案中，组控制器200还可通过对流向组104的电解质进行机械地节流来控制组104的充电和放电。主控制器204还与开关404和408以及开关404的控制终端进行通信。图5的开关可采用这样的形式，即，电路板上互连的离散组件的集合(例如继电器和/或IGBT)，或功率晶体管的集合(例如，单硅芯片上的功率MOSFET)。
根据一个特征，组控制器200包括状态历史记录器或与状态历史记录器通信，记录器记录一定时间内来自传感器的数据。根据另一特征，组控制器200包括计时器或与计时器通信，计时器可提供系统时间或代表一段时长的信号。
响应于组控制器200接通隔离器开关(isolator switch)408，主控制器204控制接触器开关(contactor switch)404的声明(assertion)。接触器开关404通常位于接点-断开位置，从而抑制充电电流在主控制器204和组104之间流动。通过声明接触器开关404(其通常在对电池100中的组104进行充电时附带发生)，主控制器204提供必需但不充分的通路来发起对组104的充电。
组控制器控制隔离器开关408、调制器开关412、短路开关416，和放电开关420的声明。隔离器开关408使得组控制器200能够控制是否让主控制器204对接触器开关404进行声明。如果检测到104中出现需要对组104进行电绝缘的故障或其它的相关的工作状态，则组控制器200接通隔离器开关408，从而阻止主控制器204形成流向故障组104的充电电流的通路。
调制器开关412使得组控制器200可通过脉宽调制对组104的充电电流进行调整，如上所述。通过产生一系列具有合适占空比的矩形脉冲，并将它们运用于调制器开关412的控制终端，使得提供给组104的充电电流经过脉宽调制，从而基本上不影响提供给其它组104的充电电流，或仅以可预测的方式对其产生影响。二极管424使得组104在开关412被断开时可向电池100的负载提供功率。更具体地，调制器开关412需要有限的时间量来改变状态，这可导致组104向负载提供功率时产生时延。二极管424在正常工作(即，在对组104充电的期间)时是反向偏压的，但在主控制器试图从组104抽取功率时，二极管424会变成正向偏压，从而能够绕开断开的调制器开关412，直至调制开关412拥有足够的时间来接通，并形成从组104流到负载的电流的通路。
短路开关416使得组104可进行深度放电。在命令整个电池100全剥离的情况下，组控制器204首先断开调制器开关412或以较低占空比来操作调制器开关412，以使得腐蚀性电解质剥离组104，或者使用放电开关420对组进行浅度剥离，下面将进行描述。当组104中剩余的存储能量足够小，从而需要足够的时间来进行浅度或开放式剥离时，使短路开关416断开会导致跨过组104的终端的电路短路，便于去除剩余的储存能量。
放电开关420允许组控制器缓慢地剥离组。接通放电开关420就在组104上并联了功率电阻428，这相对于通过调制器开关412的操作而减小可用的电流来说，显著地减小了组104接收的电流量。
考虑上述示例性实施方案，应该注意到，在各种实施方案中，本发明的功能可在组控制器200和主控制器204之间有细微的划分。举例来说，在本示例性实施方案中，组控制器200单独执行故障检测和与每个单独的组104关联的充电功能，而主控制器204在整体上控制对电池100中的组104的充电。这样的实施方案对于值分布式控制和增强抗故障能力的应用来说是有用的。
在另一个示例性实施方案中，组控制器200本质上是导管(conduit)，用于组104到主控制器204的传感器测量。依次地，主控制器204根据所提供的数据做出关于对单独的组104充电和放电的操作决定。这样的实施方案是优选地，举例来说，当可以将组控制器200和主控制器204的功能集成在单个芯片上时，可显著地节约成本。
在进一步的性实施方案中，主控制器204仅仅报告接收到的由外部操作员通过使用用户接口(例如控制面板、网络链路或其它的远程通信连接)而发出的命令。在该实施方案中，除了上面所描述的功能以外，组控制器200还可是dc/dc转换器。与先前讨论的系统比较来说，先前的系统只具有一个dc电流源，用于对所有的组104充电，并依靠抑制每个组104的dc电流来完成剥离，而本实施方案的特征在于，每个组104配备一个dc电流源。这就可以对电池中任意的单独的组104进行选择性地充电和放电，而与其它组104的充电或放电状态无关。在该实施方案的一种方式中，组控制器200保留流入和流出其相应组104的历史电流量(由相应的充电传感器400来指示)总和。如果这些历史总和是负的，则适当的组控制器204将对适当的相关的组104充电。该示例实施方案将参照图7和8进一步描述。
图6是表示在图5的示例性实施方案中互连的组控制器200响应于由传感器400检测的、组104和电池100的各种工作状态的示例操作的状态图。可在组控制器200中编程来逻辑执行该状态图。在该实施方案中，传感器不会向组控制器200直接提供接触器开关404或主控制器204的状态。然而，组控制器200可通过监控电解质泵子系统(未示出)来间接检测主控制器204的操作模式。在主控制器204对电池100中的组104充电或消耗之前，它激活泵子系统来使得组104之间的流动电解质进行循环。如果组控制器200检测到泵子系统的活动，那么可确定，主控制器204正在准备为电池100提供或从电池100接收电流。否则，则可确定，该电池正在充电或在“浮动”(即，处于完全充好电的状态并备用)。
在初始化时，组控制器200进入POWERUP1(上电1)状态450。调制器开关412、隔离器开关408、放电开关420和短路开关416全部断开。在经过大约100毫秒之后，组控制器200进入POWERUP2(上电2)状态454。调制器开关412接通，从而为组194充电提供的必要连接(它本身还不足以完成该操作，直到隔离器开关408也接通)。
在经过大约另一个100毫秒后，组控制器204进入WAIT_PUMP(等待泵送)状态458。调制器开关412和隔离器开关418接通，从而使得主控制器204在接触器开关404一接通就将充电电流引向组104。组控制器保持在WAIT_PUMP状态458，直到泵传感器400指示使得电解质循环的泵是有效的，此时，组控制器进入PWM_CHARGE(PWM充电)状态462。在PWM_CHARGE状态462中，如上所述，在组控制器204对充电电流实施脉宽调制时，隔离器开关408接通，而调制器开关412可断开也可接通。
如果泵子系统停止工作(disable)，并且进入组104的平均组电流低于第一阈值(如上述参照图4的描述那样)，那么组控制器从PWM_CHARGE状态462转换到FLOAT(浮动)状态466。在FLOAT状态466，组104基本完全充电并处于空闲(idle)，直到需要从其中获得电流为止。在FLOAT状态466，调制器开关412断开，而隔离器开关408保持接通。在大约100毫秒后，如果调制器开关412接通，并且泵子系统被激活，则组控制器200返回到PWM_CHARGE状态462。
如果在PWM_CHARGE状态462，并且进入组的平均电流降低到低于第二阈值(其小于上述的第一阈值，例如，在一个实施方案中为大约0.1A)，则组控制器200转换到DISCHARGE(放电)状态470。在DISCHARGE状态470，调制器开关412和隔离器开关408都接通。如果泵子系统是空闲的，并且进入组200的平均电流保持为低于第一阈值，则组控制器204进入FLOAT状态466。如果组104开始提供超过第三值的电流(例如，大于1A、1.25A、1.5A、1.75A、2A、2.5A、3A或3.5A)，则组控制器200再次进入PWM_CHARGE状态462。
如果在PWM_CHARGE状态462，并且经过的时间超过了如上所述的脉宽调制时间段(在一个实施方案大约是60秒)，则组控制器200转换到SETTLE(稳定)状态474。调制器开关412和隔离器开关408保持接通。如果泵子系统是非活动的，并且进入组200的平均电流小于第一阈值，则如上所述，组控制器200进入FLOAT状态466。如果进入组200的平均电流小于第二阈值，则组控制器进入DISCHARGE状态470。如果在预定的时间段(在一个实施方案中大约55秒)内没有发生这些转换，则组控制器在转换回PWM_CHARGE状态462前，转换到READ_CURRENT(读取电流)状态478。如果组104被联机，以向负载提供超过十倍的功率(即，峰值共享(peaksharing)模式)且组控制器处于PWM_CHARGE状态462，则组控制器200进入STRIP状态482，并且强制主控制器204发起对整个电池100的剥离，从而向操作员进行故障情况报警。
图7是单独的组控制系统500的示意图，该系统使用专用的dc/dc转换器/控制器5021到50227(总称为502)来控制27个电池组5041到50427(总称为504)的每一个。电池组504中的每一个彼此并行连接，并包括54个电池单元。dc/dc转换器/控制器502的标称输出电压大约是550Vdc，并被提供给反相器506来为负载提供580VAC三相电压。整流器510调整来自电网512的480Vac三相电压，然后将其提供给dc/dc转换器/控制器504，用于为电池组508充电。主电池控制器508与每个dc/dc转换器/控制器502通信(例如，通过CAN总线)，以与dc/dc转换器/控制器502交换信息以及为其提供控制命令和传感器信息。dc/dc转换器/控制器502可执行上述各种示例性组控制器的所有功能。同样地，类似于前面描述的示例性实施方案，可在dc/dc转换器/控制器502和主电池控制器508之间以任意合适的方式划分功能。
如下参照图8更为详细的描述，dc/dc控制器/转换器502是双向的，并且包括降压转换器部分和升压转换器部分。降压转换器部分向相应的电池组504提供充电电流，而升压转换器部分在放电过程中向负载提供功率。同样如参照图8更为详细的描述，在前面描述的实施方案的情况下，系统500的一个特征在于，主控制器508参照所有电池组504向负载提供后备电源的有效性来跟踪所有电池组504的状态。更具体地来说，主控制器跟踪(例如)每个组504的充电状态，哪些是脱机维修，而哪些可用但是没有处于全容量。主控制器还基本上实时地跟踪负载需求(例如，由负载抽取的电流)以及电网的状态(例如，电网的电压电平)。根据该信息，主控制器调节电池容量何时切换为支持负载以及切换到什么程度。该特征的有益效果在于，在不间断电源(UPS)情况下，使得本发明的电池控制器能够使由电池所提供的支持与负载实际所需的支持相匹配。
图7的结构的有益效果在于，每个dc/dc控制器/转换器502控制相应的单独电池组504，而独立于其它的dc/dc转换器/控制器502对其相应的电池组504的控制。更具体地来说，这使得每个dc/dc转换器/控制器502可对相应的电池组504执行充电、放电、联机和脱机以及部分或全部剥离，而对其余的电池组504的影响可忽略不计。此外，优选的27个组的电池配置提供足够的组和足够的容量，使得一个或多个组504可脱机，例如，用于深度剥离或其它服务，而不会影响电池提供后备电源的有效性。上面描述的各种阈电压也可与图7中的dc/dc转换器/控制器结构一起使用。
图8提供了图7所示类型的dc/dc转换器/控制器502的更为详细的示意图。更具体地，如图8所示，dc/dc转换器/控制器502包括双向dc/dc转换器600，专门用于与电池组504相关联。双向dc/dc转换器600将来自(例如)图7的整流器510的dc线路电压(如图7的550Vdc所示)转换为对组504充电的电流。它还可通过从组504获得功率并将其转换成将dc线路电压供给(例如)反相器(例如，图7中的反相器506)的电流而对组504放电。在每种情况下，它将一个电压转换为另一个电压。本地控制器602控制dc/dc转换器/控制器的操作。本地控制器602从主电池控制器(例如，图7中的控制器508)接收命令并与其交换信息。这些命令例如包括，对组504充电和放电的命令以及这些充放电的大小。主控制器508还向本地控制器602提供关于在UPS情况下负载需要多少电流的预负载信息。UPS情况可通过电网的损耗来检测。当电网发生故障时，dc线路电压下降。所带的负载越大，则dc线路电压下降得越快。每个dc/dc转换器/控制器502以及相关电池组504所需的电流量依赖于总负载以及联机的且可用来输出功率的电池组504的数目。可能有些时候单独的组被剥离或是出现故障，并且不能用来输出功率。因而，如果在UPS情况发生的下一个时刻，那么得知总负载需求和有效组504的数目的主控制器508可预设每个组504所需的电流。这使得每个dc/dc转换器/控制器502能够响应于检测到的UPS情况而以适当的通用指令(current command)对其相关的组504进行响应。
本地控制器602通过门驱动接口电路603而与电源开关607建立连接，门驱动接口电路603可使得信号从本地控制器602的数字控制水平分别转化为用于电源开关607的上部和下部开关Q1和Q2的适当的电压和电流水平。本地控制器602还提供上部和下部开关Q1和Q2之间的隔离。电源开关6072通过扼流圈(choke)(例如电感器)604而连接到组504。当组504充电时，上部开关Q1由本地控制器607和门驱动603进行脉宽调制。电流传感器605向本地控制器607提供电流反馈。本地控制器607改变到达上部开关Q1的脉宽调制信号的占空比，以维持期望的电流。当组504放电时，下部开关Q2由本地控制器607和门驱动603进行脉宽调制，从而使得电流从组504流向dc线路，并因此对电容器610充电。根据本示例性实施方案，使用常规的升压结构来提升从组504到dc线路的电压。如前所述，dc线路电压提供给反相器，例如图7中的反相器506。电压传感器606和电流传感器605向本地控制器602提供反馈，以便在电池放电期间可控制dc线路的电流和电压。
第二电压传感器611测量组504的电压，并报告回本地控制器602，优选地还向主控制器508提供信息，以便能检测充电状态和任何故障情况。每个传感器具有与各电池状态相关的适当的值范围。任何超出该范围的值可表示故障情况，并执行适当的校正措施。
因此，本发明在各种实施方案中提供了用于对优选地作为单独的电池单元组的流动电解质电池进行控制的改进的方法和系统。

Claims (23)

1.一种用于在流动电解质电池中对单独的组进行控制的系统，所述系统包括：
组控制器，用于在流动电解质电池中与多个电池单元组中的至少一个组可操作地互连，
传感器输入，用于提供关于所述至少一个组的工作状态的信息，以及
来自所述组控制器的控制输出，用于至少部分地根据所述工作状态单独控制所述至少一个组的充电状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括在所述至少一个组中流动的电流。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括所述至少一个组中的电极电镀率。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括所述至少一个组的开路电压。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括所述至少一个组的当前充电容量。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括所述至少一个组的至少一部分的温度。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括所述至少一个组的内电阻。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括对负载的负载需求，所述系统具有为所述负载提供后备电源的任务。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括负载的主电源状态，所述系统具有为所述负载提供后备电源的任务。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括流向所述至少一个组的电解质的状态。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括对于所述至少一个组有效的电解质的化学成分。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括与所述至少一个组有关的电解质泄漏信息。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作状态包括所述至少一个组的组重量。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述组控制器包括多个本地控制器，每个所述本地控制器与所述多个电池单元组的其中之一相关，用于控制所述相关的电池单元组。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制包括独立于其它的所述多个电池单元组的工作来改变所述相关电池单元组的充电状态。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述组控制器包括双向dc/dc转换器，用于为所述至少一个电池单元组提供充电电流，以及用于提供从所述至少一个电池单元组到负载的电流。
17.一种用于控制流动电解质电池的系统，所述系统包括：
多个专用的组控制器，每个所述组控制器唯一地与所述流动电解质电池中的多个电池单元组中的一个组相关，用于独立于其它的所述多个电池单元组来控制所述相关的电池单元组。
18.一种用于控制流动电解质电池的系统，所述系统包括：
多个专用的控制器，每个所述控制器唯一地与所述流动电解质电池中的储能单元相关，用于独立于其它的所述多个储能单元来控制所述相关的储能单元。
19.一种用于向负载提供后备电源的系统，所述系统包括：
流动电解质电池，其包括多个互连的储能单元，以及
多个专用的控制器，每个所述控制器唯一地与所述多个储能单元中的一个相关，用于独立于其它的所述多个储能单元来控制一个所述相关的储能单元。
20.一种用于检测流动电解质电池中工作状态故障的系统，所述系统包括：
传感器，用于监控所述流动电解质电池中的第一储能单元的工作状态，以及
控制器，与所述第一储能单元相关，所述控制器用于独立于所述流动电解质电池中的其它储能单元的工作状态、并响应于来自所述传感器的关于所述第一储能单元的工作状态信息来改变所述第一储能单元的至少一个所述工作状态。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述控制器包括：
多个本地控制器，其中，第一本地控制器与所述第一储能单元相关，而其它的所述本地控制器与所述流动电解质电池中的其它储能单元相关，以及
全局主控制器，其与所述传感器通信，用于将至少一些工作状态信息从所述传感器中转到所述第一控制器。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述至少一些工作状态信息包括关于负载需求的信息，并且，在后备操作期间，当所述本地控制器命令所述第一储能单元向负载提供能量时，所述本地控制器使用关于所述负载需求的所述信息。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述至少一些工作状态信息包括关于所述其它储能单元的有效性的信息，并且，所述第一控制器使用关于所述其它储能单元的所述信息来确定在后备操作期间向负载提供多少能量。
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