ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В БАТАРЕЕ С ПРОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ И БЛОК ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ БАТАРЕИ С ПРОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ.
ELECTRODE FOR USE IN BATTERY WITH FLOW ELECTROLYTE AND UNIT OF BATTERY ELEMENTS WITH FLOW ELECTROLYTE

Перекрестная ссылка на родственные заявки
По настоящей заявке испрашивается приоритет согласно предварительной заявке США №61/526,146, поданной 22 августа 2011 года и озаглавленной "Системы электропитания, образованные из блоков элементов, включающих батареи с проточным электролитом, и способы их работы". Эта заявка является также частичным продолжением заявки на патент США №13/185,862, поданной 19 июля 2011 года и озаглавленной "Способ и устройство для управления гибридными системами электропитания", которая, в свою очередь, является частичным продолжением заявки на патент США №12/355,169, поданной 16 января 2009 года и озаглавленной "Способ и устройство для управления гибридными системами электропитания", по которой выдан патент США №8,008,808 от 30 августа 2011 года. Полное содержание всех указанных заявок включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к системам электропитания и, в частности, к системам электропитания, включающим батареи с проточным электролитом.
В известных автономных системах электропитания обычно используют свинцово-кислотные батареи. Однако свинцово-кислотные батареи имеют недостатки, касающиеся их эксплуатационных характеристик и экологической безопасности. Типовые свинцово-кислотные батареи часто имеют очень короткий срок службы в условиях жаркого климата, особенно если они случайно полностью разрядились. Свинцово-кислотные батареи также являются опасными в экологическом отношении, поскольку основным компонентом свинцово-кислотных батарей является свинец, который может
вызывать серьезные экологические проблемы при производстве и утилизации батарей.
Батареи с проточным электролитом, такие как цинк-бромные батареи, хлор-цинковые батареи и ванадиевые батареи, предлагают возможность преодоления указанных недостатков свинцово-кислотных батарей. В частности, на полезный срок службы батарей с проточным электролитом не влияет глубокий разряд, а отношение мощности к весу для батарей с проточным электролитом в шесть раз больше, чем у свинцово-кислотных батарей.
Однако производство батарей с проточным электролитом может быть более сложным, чем производство свинцово-кислотных батарей. Батарея с проточным электролитом, такая как свинцово-кислотная батарея, содержит блок элементов для выработки определенного напряжения, которое выше, чем напряжение отдельных элементов. Но в отличие от свинцово-кислотной батареи, элементы в батарее с проточным электролитом связаны гидравлически через канал циркуляции электролита. Это может приводить к проблемам, поскольку через канал циркуляции электролита могут протекать токи утечки от одного последовательно включенного элемента к другому, вызывая потери мощности и несогласованность состояний заряда отдельных элементов. Для предотвращения или уменьшения токов утечки для батарей с проточным электролитом требуются достаточно длинные каналы циркуляции электролита между элементами, что увеличивает электрическое сопротивление между элементами.
Другой проблемой батарей с проточным электролитом является необходимость обеспечивать постоянную скорость потока электролита в каждом элементе, чтобы равномерно доставлять химические вещества внутрь элементов. Для достижения постоянной скорости потока через элементы в батареях с проточным электролитом задают сложные зоны распределения потока. Однако поскольку электролит часто имеет масляный, водный и газообразный многофазный характер, а также по причине конструктивных ограничений, налагаемых на элементы, постоянная скорость потока часто не достигается.
Другой проблемой в батареях такого типа, использующих массив блоков элементов, является то, что эти блоки совместно используют общий проточный электролит. Поскольку блоки совместно используют электролит, то измерения напряжения холостого хода на блоке указывает только на то, хранит ли этот блок ненулевую величину заряда, но не указывает состояние заряда блока относительно других блоков в системе. Кроме того, различие напряжений холостого хода между блоками обычно указывает на внутреннее нарушение, которое изменило внутреннее сопротивление блока.
Например, в цинк-бромной батарее с проточным электролитом блоки совместно используют водный электролит бромида цинка и имеют собственные электроды для отложения и растворения элементарного цинка во время циклов заряда и разряда. В батареях такого типа протеканию электролита в блок могут мешать неудачно расположенные отложения цинка. Помимо этого, образование центров кристаллизации на электродах может вызывать образование и ветвление дендритов между элементами. В любом случае внутреннее сопротивление или напряжение холостого хода затронутого блока могут быть пониженными.
Разница напряжений холостого хода между параллельно соединенными блоками в батарейных системах с проточным электролитом может влиять на циклы заряда и разряда блоков и потенциально на работу батареи. Например, в указанной выше цинк-бромной батарее пониженное напряжение холостого хода в конкретном блоке вызывает увеличение скорости накопления цинка в этом неисправном блоке в цикле заряда и снижение скорости восстановления цинка в этом неисправном блоке в цикле разряда. Помимо этого, дополнительный цинк, накапливаемый в неисправном блоке, обычно поступает из электролита, используемого смежными блоками. Вследствие пониженной доступности цинка способность к накоплению энергии в смежных блоках может быть снижена. Другим следствием является то, что блок с повышенным накоплением цинка не полностью расходует цинк во время разряда; это, в конечном счете, приводит к такому объему накопленного цинка на электродах неисправного блока, что вызывает внутреннее короткое замыкание между элементами этого блока. Это может привести к разрушению блока и, возможно, всей батарейной системы. Еще одним следствием является то, что повышенное накопление цинка может ограничивать каналы, через которые протекает электролит. Поскольку поток электролита охлаждает блок, ограничение потока может вызывать перегрев блока.
Для восстановления напряжений холостого хода до более равномерных значений может применяться процесс уравнивания. Процесс уравнивания включает полную «очистку», то есть полный разряд каждого блока в батарее с полным удалением накопленного заряда со всех элементов во всех блоках. В идеале, такой процесс устраняет нарушение, которое первоначально вызвало разницу напряжений холостого хода между блоками. Например, полная очистка обычно растворяет дендриты между пластинами и/или отложения, препятствующие протеканию электролита. Однако полная очистка каждого блока элементов в батарее обычно приводит к полной недоступности батареи или доступности со значительно сниженной емкостью для применения в целях электропитания, что приводит к необходимости покупать и устанавливать дополнительные резервные батарейные системы. Более того, полная очистка часто не требуется, так как обычно неправильно работает меньшая часть блоков батареи.
Помимо этого, существующие способы очистки блоков в батареях с проточным электролитом занимают много времени и должны выполняться каждые несколько дней из-за периодически возникающей проблемы. При очистке, то есть при полном разряде, блока элементов необходимо избегать изменения полярности элементов, когда полярность одного из блоков становится противоположной полярности других блоков. В таком случае блок элементов с обратной полярностью становится нагрузкой, потребляя ток из других блоков. Таким образом, при разряде блок элементов сначала разряжается до напряжения низкого уровня посредством более высокого тока. Когда напряжение блока достигает низкого уровня, амплитуда тока уменьшается, чтобы снизить скорость разряда. Пока уровень напряжения продолжает падать, амплитуда тока многократно понижается, чтобы снизить скорость разряда, поскольку уровень напряжения приближается к нулю. При медленном приближении напряжения к нулевому уровню, разряд блока элементов прекращается, когда достигнуто нулевое значение. Хотя пошаговое понижение тока разряда позволяет избежать изменения полярности элементов, существенным фактором является время, затрачиваемое на очистку блоков элементов в батарее.
Таким образом, существует потребность в усовершенствовании конструкции батареи с проточным электролитом, а также в способах и устройствах для управления, контроля, заряда и/или разряда элементов в батарее с проточным электролитом.
Сущность изобретения
Различные аспекты настоящего изобретения разработаны для преодоления или уменьшения одного или более ограничений существующего уровня техники, а также для предоставления усовершенствованной конструкции блока элементов и отдельных элементов для снижения затрат производства и улучшения конструкции блока элементов в батарее с проточным электролитом, и предоставления усовершенствованного управления потоком энергии между батареей и общей шиной, к которой она подключена, для уменьшения времени, необходимого для уравнивания отдельных блоков в батарейной системе.
Таким образом, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, предлагается усовершенствованный блок элементов, содержащий модульные батарейные элементы, чтобы снизить производственные затраты и улучшить конструкцию, исполнение и функционирование блока элементов для батареи с проточным электролитом.
В соответствии с другим аспектом, настоящее изобретение направлено на устранение недостатков существующего уровня техники, обеспечивая в различных вариантах осуществления улучшенные способы, системы и функции для управления, контроля, заряда и/или разряда, в общем, "управления" батареями с проточным электролитом. Согласно одному аспекту, настоящее изобретение направлено на устранение недостатков существующего уровня техники, обеспечивая способы, системы и функции для управления отдельными блоками батарейных элементов в батарее с проточным электролитом. В другом варианте осуществления изобретения раскрываются способы, системы и функции для управления отдельными блоками элементов в батарее с проточным электролитом. Наряду с другими преимуществами, настоящее изобретение повышает гибкость заряда и очистки блоков элементов; обеспечивает регулярное и постоянное обслуживание без вывода батареи из эксплуатации; поддерживает батарею с предсказываемой и постоянной зарядной емкостью; снижает вероятность отказа блоков, например, по причине блокировки потока электролита, термического отказа и/или образования дендритов; снижает риск неравномерного покрытия элементов; увеличивает число доступных циклов заряда/разряда и снижает затраты, связанные с содержанием резервных батарейных систем.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предлагается усовершенствованная батарея с электролитом, содержащая резервуарный блок, сконфигурированный для хранения анолита и католита; блоки элементов, функционально связанные с резервуарным блоком, причем каждый блок сформирован из проточных рамок, расположенных между торцевыми элементами, и преобразователи мощности, функционально связанные с блоками элементов. Блоки элементов содержат проточные рамки, каждая из которых имеет отдельные вводы и выводы для растворов анолита и католита, а также сепаратор, расположенный между проточными рамками и задающий анодные и катодные половины элементов в каждой паре проточных рамок. Преобразователь мощности сконфигурирован для подключения батареи с прямой или обратной полярностью к источнику постоянного тока (DC, direct current), такому как шина DC. Анодная и катодная половины элементов переключаются в зависимости от полярности, с которой батарея подключена к источнику питания DC.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, преобразователь мощности для регулирования тока между шиной DC и устройством накопления энергии включает первый набор клемм, сконфигурированный для соединения с шиной DC, и второй набор клемм, сконфигурированный для соединения с устройством накопления энергии. Первый набор клемм имеет первую электрическую полярность, а второй набор клемм имеет вторую электрическую полярность. Множество переключателей избирательно соединяют первый набор клемм со вторым набором клемм. В памяти хранится множество команд, при этом процессор сконфигурирован для исполнения множества этих команд для функционирования в первом режиме работы и во втором режиме работы. В первом режиме работы первая и вторая электрические полярности являются одинаковыми, а во втором режиме работы первая и вторая электрические полярности являются обратными.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, множество переключателей включает первый набор переключателей, сконфигурированных для регулирования тока между шиной DC и устройством накопления энергии, и второй набор переключателей, сконфигурированных для выбора первого режима работы или второго режима работы. Устройство накопления энергии может представлять собой проточную батарею, содержащую по меньшей мере один блок элементов. Преобразователь мощности регулирует ток между шиной DC и блоком элементов проточной батареи или множеством блоков элементов проточной батареи.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, способ управления уровнем заряда батареи, подключенной к шине DC через преобразователь мощности, включает прием в преобразователе мощности команды начать разряд батареи; регулирование тока между батареей и шиной DC при первой амплитуде посредством формирования в преобразователе мощности множества переключающих сигналов для управления множеством переключателей для избирательного подключения батареи к шине DC и контроль амплитуды напряжения на батарее. Когда амплитуда напряжения на батарее достигает первого порогового значения, частоту, с которой формируют переключающие сигналы, увеличивают, и ток между батареей и шиной DC регулируют при второй амплитуде. Когда амплитуда напряжения на батарее достигает второго порогового значения, по меньшей мере один из переключателей закрывают, и, когда амплитуда напряжения на батарее становится практически равной нулю, разряд батареи прекращают.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, регулирование тока между батареей и шиной DC при первой амплитуде выполняют с первой полярностью напряжения на батарее. После прекращения разряда батареи данный способ также включает регулирование тока между батареей и шиной DC посредством формирования в преобразователе мощности переключающих сигналов для управления множеством переключателей для избирательного подключения батареи к шине DC со второй полярностью, причем вторая полярность противоположна первой полярности.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, способ управления уровнем заряда батареи, подключенной к шине DC через преобразователь мощности, включает прием в преобразователе мощности команды начать разряд батареи; регулирование тока между батареей и шиной DC посредством формирования в преобразователе мощности множества переключающих сигналов для управления множеством переключателей для избирательного подключения батареи к шине DC с первой полярностью и контроль амплитуды напряжения на батарее. Когда амплитуда напряжения на батарее становится практически равной нулю, разряд батареи прекращают, и ток между батарей и шиной DC регулируют посредством формирования в преобразователе мощности множества переключающих сигналов для управления множеством переключателей для избирательного подключения батареи к шине DC со второй полярностью, причем вторая полярность противоположна первой полярности.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения после шага контроля амплитуды напряжения на батарее данный способ включает регулирование тока между батареей и шиной DC при первой амплитуде; увеличение частоты, с которой формируют переключающие сигналы, когда амплитуда напряжения на батарее достигает первого порогового значения; регулирование тока между батареей и шиной DC при второй амплитуде, когда амплитуда напряжения на батарее достигает первого порогового значения, и, когда амплитуда напряжения на батарее достигает второго порогового значения, закрытие по меньшей мере одного переключателя.
Эти и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут понятными для специалиста из подробного описания и приложенных чертежей. Необходимо отметить, что в подробном описании и на приложенных чертежах представлены предпочтительные варианты осуществления изобретения только для пояснения, но не для ограничения, изобретения. Может быть сделано множество изменений и модификаций в пределах сущности настоящего изобретения, при этом настоящее изобретение включает все такие модификации.
Краткое описание чертежей
Различные варианты осуществления настоящего изобретения поясняются приложенными чертежами, на которых одинаковые ссылочные номера обозначают одинаковые элементы.
На фиг. 1 показан изометрический вид батарейного модуля в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показан вид спереди модуля, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 частично показан вид спереди модуля, показанного на фиг. 1.
На фиг. 4 показан изометрический вид модуля, показанного на фиг. 3, в разобранном виде.
На фиг. 5 показан изометрический вид проточной системы анолита модуля, показанного на фиг. 1.
На фиг. 6 показан изометрический вид проточной системы, показанной на фиг. 5, в разобранном виде.
На фиг. 7 показан вид спереди проточной системы, показанной на фиг. 5.
На фиг. 8 показан вид сбоку проточной системы, показанной на фиг. 5.
На фиг. 9 показан вид сверху проточной системы, показанной на фиг. 5.
На фиг. 10 показан изометрический вид проточной системы католита модуля, показанного на фиг. 1, в разобранном виде.
На фиг. 11 показан вид спереди проточной системы, показанной на фиг. 10.
На фиг. 12 показан вид сбоку проточной системы, показанной на фиг. 10.
На фиг. 13 показан вид сверху проточной системы, показанной на фиг. 10.
На фиг. 14 показан изометрический вид модуля, показанного на фиг. 1, в частично разобранном виде.
На фиг. 15 показан вид спереди модуля, показанного на фиг. 14.
На фиг. 16 показан вид сверху модуля, показанного на фиг. 14.
На фиг. 17 показан вид справа модуля, показанного на фиг. 14.
На фиг. 18 показан изометрический вид модуля, показанного на фиг. 1, в частично разобранном виде.
На фиг. 19 показан вид спереди модуля, показанного на фиг. 18.
На фиг. 20 показан вид сверху модуля, показанного на фиг. 18.
На фиг. 21 показан вид справа модуля, показанного на фиг. 18.
На фиг. 22 показан изометрический вид блока элементов для использования в модуле, показанном на фиг. 1.
На фиг. 23 показан вид спереди проточной рамки, применяемой в блоке элементов, показанном на фиг. 22.
На фиг. 24 показан вид спереди торцевого элемента блока элементов, представленного на фиг. 22.
На фиг. 25 показан вид сзади торцевого элемента, представленного на фиг. 24.
На фиг. 26 показан фрагмент вида спереди первого варианта осуществления разделительного материала, используемого в блоке элементов, представленном на фиг. 22.
На фиг. 27 показан фрагмент вида спереди второго варианта осуществления разделительного материала, показанного на фиг. 26.
На фиг. 27A показан фрагмент вида спереди разделительного материала, показанного на фиг. 27.
На фиг. 28 показан график измерений состояния заряда модуля, показанного на фиг. 1.
На фиг. 29 показана схема варианта осуществления преобразователя DC/DC для использования в модуле, показанном на фиг. 1.
На фиг. 30 показана схема первого режима работы преобразователя DC/DC, представленного на фиг. 29.
На фиг. 31 показана схема второго режима работы преобразователя DC/DC, представленного на фиг. 29.
На фиг. 32 показана схема третьего режима работы преобразователя DC/DC, представленного на фиг. 29.
На фиг. 33 показана схема четвертого режима работы преобразователя DC/DC, представленного на фиг. 29.
На фиг. 34 показана блок-схема, иллюстрирующая работу преобразователя DC/DC, представленного на фиг. 29.
На фиг. 35 показана блок-схема, иллюстрирующая шаг разряда блок-схемы, показанной на фиг. 34.
На фиг. 36 показана блок-схема, иллюстрирующая работу с переключением с высокими потерями для блок-схемы, показанной на фиг. 34.
При описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения, иллюстрированных чертежами, для ясности использованы конкретные термины. Однако это не означает, что настоящее изобретение ограничено этими выбранными конкретными терминами, и следует понимать, что каждый конкретный термин включает все технические эквиваленты, которые работают аналогичным образом для достижения аналогичных целей. Например, часто используются слова «подключенный», «соединенный» или аналогичные термины. Они не ограничиваются прямым соединением и включают соединение через другие элементы, когда такое соединение является эквивалентным для специалиста.
Подробное описание изобретения
На чертежах одинаковые ссылочные номера обозначают одинаковые элементы; система и модуль батареи с электролитом в соответствии с вариантом осуществления изобретения проиллюстрированы в общем цифрой 10 на фиг. 1-4 и 14-21. Батарейная система 10 включает в качестве основных компонентов шкаф 12, комплект блоков 14 элементов, помещенных в шкаф 12, и резервуарный блок 16, помещенный в шкаф 12. Резервуарный блок 16 включает проточную систему 18 анолита (фиг. 5-9) и проточную систему 20 католита (фиг. 10-13), каждая из которых содержит насос 19 и соответствующий трубопровод 21, функционально соединенный с блоками 14 элементов. Анолит представляет собой часть электролита вблизи анода, или отрицательного элемента в батарее, а католит представляет собой часть электролита вблизи катода, или положительного элемента в батарее. В разряженном состоянии электролит в каждой системе 18, 20 является по существу одинаковым. Когда блоки 14 элементов заряжены, электролит в проточной системе 18 анолита становится отрицательно заряженным, а электролит в проточной системе 20 католита становится положительно заряженным. Как подробно описывается ниже, батарейная система 10 сконфигурирована так, что полярность блоков 14 элементов может быть изменена на обратную. Следовательно, системы 18, 20 являются взаимозаменяемыми с точки зрения проточной системы анолита или католита в зависимости от полярности блоков 14 элементов.
Корпус 22 для преобразователей DC/DC, размещенный в шкафу 12, содержит один или более преобразователей 24 DC/DC, функционально связанных с блоками 14 элементов. Электрическая шина 28 функционально связана с преобразователями 24 DC/DC, причем мощность может передаваться между блоками 14 элементов и электрической шиной 28 через преобразователи 24 DC/DC в обоих направлениях. В шкафу 12 расположен теплообменник 26, при этом вентиляторы (на чертеже не показаны) установлены в креплениях 27 для вентиляторов на шкафу 12. Батарейная система 10 содержит также контроллер 100, функционально связанный с различными компонентами батарейной системы 10, включая насосы 19 и преобразователи 24.
На фиг. 5-9 показано, что проточная система 18 анолита содержит насос 19, трубопровод 21 и трехходовой клапан 30. Трубопровод 21 проходит от части резервуарного блока 16, где содержится анолит, к насосу для подачи анолита в блоки 14 элементов. Анолит возвращается из блоков 14 элементов в резервуарный блок 16 через дополнительный трубопровод 21 и может отводиться через теплообменник 26 посредством трехходового клапана 30.
На фиг. 10-13 показано, что проточная система 20 католита образована аналогично проточной системе 18 анолита и содержит насос 19, трубопровод 21 и четырехходовой клапан 32. Трубопровод 21 проходит от части резервуарного блока 16, где содержится католит, к насосу 19 для подачи католита в блоки 14 элементов. Католит возвращается из блоков 14 элементов в резервуарный блок 16 через дополнительный трубопровод 21, при этом направление потока через блоки может быть изменено на обратное посредством четырехходового клапана 32.
На фиг. 22-25 представлен блок 14 элементов. Блок 14 элементов образован из проточных рамок 34, расположенных между парой торцевых элементов 36. Каждая проточная рамка 34 сформирована так, что включает половину проточных путей и других элементов с каждой стороны. Между каждой парой проточных рамок 34 помещен сепаратор, при этом смежные проточные рамки 34 и сепараторы объединены, например, посредством ультразвуковой сварки, вибрационной сварки или любым другим подходящим способом объединения так, чтобы задать проточные пути между проточными рамками 34. Каждый торцевой элемент 36 сформирован так, что он включает проточные пути на той стороне торцевого элемента 36, которая обращена внутрь к блоку 14 элементов, и в результате торцевой элемент 36 и смежная проточная рамка 34 подобным образом задают проточный путь. Другая сторона торцевого элемента 36 сформирована так, что она включает структурные элементы блока 14 элементов и обеспечивает соединение блоков 14 элементов между собой.
В отношении одной стороны каждой проточной рамки 34 и внутренних лицевых сторон каждого торцевого элемента 36, в проточных рамках 34 и торцевых элементах 36 сформированы следующие детали. Эти детали рассматриваются для одной стороны проточной рамки 34, но они аналогично используются на обеих сторонах проточной рамки 34 и одной стороне торцевого элемента 36. Проточная рамка 34 имеет верхний край 62, нижний край 64 и два боковых края 66, расположенных между верхним краем 62 и нижним краем 64. Отверстие 37 в каждом углу проточной рамки 34 обеспечивает ввод или вывод электролита, входящего в блок 14 элементов или выходящего из блока 14 элементов, или проточный канал для прохождения электролита между проточными рамками 34.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, одно из отверстий 37 рядом с верхним краем 62 или нижним краем 64 обеспечивает ввод раствора, а одно из отверстий 37 рядом с противоположным краем 62 или 64 обеспечивает выпуск раствора для прохождения электролита по электроду, расположенному между каждой проточной рамкой 34 и сепаратором. Другие отверстия 37 вблизи верхнего края 62 и нижнего края 64 задают канал, позволяющий электролиту проходить через проточную рамку 34 или сепаратор, но не по электроду, находящемуся между ними. Отверстия 37 сконфигурированы так, чтобы электролит в проточной системе 18 анолита направлялся вниз по одной стороне проточной рамки 34, а электролит в проточной системе 20 католита направлялся вниз по другой стороне проточной рамки 34. Сепаратор изолирует анолит и католит между смежными проточными рамками 34. Однако через сепаратор может происходить передача ионов, позволяя току протекать в блоке 14 элементов. Таким образом, электролит, протекающий через блок элементов, делится на два потока для прохождения по электродам на чередующихся сторонах проточных рамок 34.
Система 38 внутреннего коллектора расположена рядом с верхним краем 62 и нижним краем 64 так, что она задает каналы для распределения электролита между проточными рамками 34. Система 38 внутреннего коллектора принимает электролит либо из проточной системы 18 анолита, либо из проточной системы 20 католита и направляет его через первый канал обычно по ширине проточной рамки 34 рядом с верхним краем 62. Затем система 38 внутреннего коллектора направляет электролит через обратный канал к центральной части проточной рамки 34. Затем электролит разделяется на множество проточных путей обычно с равным расстоянием от каждой стороны 66 проточной рамки 34, чтобы образовать каналы для распределения электролита по электроду. Система 38 внутреннего коллектора также включает встроенный фильтр 39 около каждого впускного и выпускного отверстия 37 для предотвращения попадания больших частиц и возможного блокирования проточных путей в системе 38 коллектора. В проточные каналы включены смешивающие шевроны 41 для смешивания многофазного электролита в непрерывную эмульсию при его протекании через проточную рамку 34. Система 38 внутреннего коллектора увеличивает путь потока электролита, что увеличивает внутреннее сопротивление и снижает токи утечки, протекающие через блок 14 элементов, а также создает более равномерное распределение электролита между проточными рамками 34.
В соответствии с показанным вариантом осуществления изобретения, проточная рамка 34 также включает детали, используемые для соединения проточных рамок и сепараторов для образования блока 14 элементов. Вибрационные сварные швы 40 сформированы в каждой проточной рамке 34. Вибрационные сварные швы 40 используются для соединения проточных рамок 34 для сборки блока 14 элементов, а также для сохранения жесткости конструкции блока 14 элементов под действием давления. Проточные рамки 34 также включают облойные канавки для содержания облоя, создаваемого в процессе вибрационной сварки. Проточная рамка или рамка сепаратора изготовлены из материалов, используемых при формовании со вставкой или многокомпонентном формовании, и включают шпильки по периметру вставляемой части, чтобы закрепить вставку с одной стороны. Это позволяет полностью собрать проточную рамку 34 или рамку сепаратора, что устраняет ряд ручных сборочных операций. Детали 38 для выравнивания при сварке включают, не ограничиваясь этим, показанные на чертеже шпильки и отверстия под шпильки. Встроенные детали для визуального контроля используют до и после сборки блока для обеспечения надлежащей сборки.
На фиг. 23 и 24 показано, что внутренняя сторона каждого торцевого элемента 36 имеет такую же конструкцию, как одна сторона проточной рамки 34. Торцевой элемент 36 включает систему 47 внутреннего коллектора, оснащенную встроенным фильтром 48 и смешивающими шевронами 50. Торцевой элемент 36 также включает элементы конструкции, такие как вибрационные сварные швы 49 и встроенные детали 53 для визуального контроля для гарантии надлежащей сборки. Торцевой элемент 36 также включает кольцевую канавку в одном углу и твердую поверхность в противоположном углу для скрепления одного блока с другим. Торцевой элемент может быть изготовлен посредством формования со вставкой или многокомпонентного формования вокруг контактного электрода 55 для сборки и герметично закрытого батарейного блока 14 с использованием материалов и способа формования, включающих шпильки по периметру вставляемой части для закрепления вставки с одной стороны.
В цинк-бромной батарее используется разделительный сетчатый материал, в каждой половине элемента с электролитом для сохранения постоянной толщины зазора между элементами и предотвращения контакта между поверхностями электрода и сепаратора. Этот разделитель должен обеспечивать постоянство размеров, не ограничивая прохождение электролита по проточным каналам.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 26, в конструкции разделителя использована двуосно-ориентированная полипропиленовая сетка, которая вытягивается в обоих направлениях при контролируемых условиях для изготовления прочной, гибкой и легкой сетки.
В другом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 27 и 27A, прессованная сетка, выполненная в ромбовидной (бипланарной) конфигурации, обеспечивает улучшенные характеристики батареи. Тесты на текучесть показали улучшенное распределение бромного электролита по поверхности электрода, при этом проверка производительности батареи показала существенное улучшение в распределении тока между половинами блоков, что, в свою очередь, обеспечило улучшенную энергетическую эффективность.
В батарейной системе 10 используется бипланарная полипропиленовая сетка для обеспечения более однородного зазора между элементами и распределения электролита и брома по активной области элементов. Сетка включает два слоя параллельных нитей, причем нити в каждом слое расположены под углом относительно другого слоя, например, ориентированы перпендикулярно. Кроме того, сетка может быть ориентирована в элементе так, чтобы каждый слой нитей находился под углом к направлению потока электролита, например, под углом 45 градусов к направлению потока электролита.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, отдельный преобразователь 24 DC/DC осуществляет управление и контроль каждого блока 14 элементов в проточной батарейной системе 10. Предварительные испытания показали, что блоками 14 элементов можно управлять по отдельности, не влияя на производительность остальных блоков 14 элементов. Кроме того, когда блоки 14 элементов электрически соединены параллельно, блоки 14 элементов работают под общим напряжением DC, при этом ток, передаваемый или принимаемый каждым блоком 14 элементов, может существенно меняться для поддерживания общего напряжения DC на каждом блоке элементов. Помимо этого, при наличии отдельного преобразователя 24 DC/DC для каждого блока 14 элементов, любой блок 14 элементов может быть подвергнут очистке, в то время как остальные блоки 14 элементов находятся в рабочем состоянии в стандартной конфигурации заряда/разряда.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения батарейная система 10 содержит восемь блоков 14 элементов, каждый из которых независимо соединен с преобразователем 24 DC/DC. Такая структура позволяет модулю 10 оптимизировать поток энергии к отдельным блокам 14 элементов посредством использования напряжения шины DC в качестве контрольной точки для заряда и разряда. Пример такой структуры описан в заявке на патент США №13/185,862, полностью включенной в настоящую заявку посредством ссылки. В этой заявке рассматривается способ гистерезисного управления, посредством которого мощность передают между шиной 28 DC и каждым блоком 14 элементов в обоих направлениях через соответствующий преобразователь 24 DC/DC. Каждый преобразователь 24 DC/DC включает отдельные контрольные точки, в которых блок 14 элементов заряжается или разряжается. Например, для блоков с более низким состоянием заряда соответствующие преобразователи 24 DC/DC настроены для заряда в более низкой контрольной точке шины DC (например, 351 В), тогда как для блоков с более высоким состоянием заряда соответствующие преобразователи 24 DC/DC настроены для заряда в более высокой контрольной точке шины DC (например, 355 В). Таким образом, энергия на шине 28 DC сначала накапливается в блоках 14 элементов с более низким состоянием заряда. Аналогичным образом контрольные точки могут быть разнесены для разряда блоков 14 элементов. Для блоков 14 элементов с высоким состоянием заряда соответствующие преобразователи 24 DC/DC настроены для разряда в более высокой контрольной точке шины DC (например, 330 В), тогда как для блоков 14 элементов с более низким состоянием заряда соответствующие преобразователи 24 DC/DC настроены для разряда в более низкой контрольной точке шины DC (например, 325 В). Таким образом, энергия, подаваемая на шину 28 DC, сначала передается от блоков 14 элементов с более высоким состоянием заряда. Кроме того, один преобразователь 24 DC/DC может подключаться к двум или более блокам 14 элементов. Несколько блоков 14 элементов могут быть соединены последовательно, параллельно или комбинированным способом, что позволяет получить устройство накопления энергии с требуемым напряжением и энергетической емкостью. Управление набором блоков 14 элементов, подключенных к преобразователю 24 DC/DC, производится аналогично управлению отдельными блоками 14 элементов, как указано выше.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения преобразователь 24 DC/DC сконфигурирован для работы с любой полярностью блока 14 элементов. В первом режиме работы полярность блока 14 элементов является такой же, как полярность шины 28 DC. Во втором режиме работы полярность блока 14 элементов является обратной полярности шины 28 DC.
На фиг. 29 показан пример преобразователя 24 DC/DC с изменяемой полярностью. Преобразователь DC/DC включает процессор 200, осуществляющий связь с памятью 202. Процессор 200 может представлять собой, не ограничиваясь этим, микропроцессор, программируемую вентильную матрицу (FPGA, field programmable gate array), специализированную интегральную микросхему (ASIC, application specific integrated circuit), логическую схему или их комбинацию, а также может включать одно или более из указанных устройств, работающих последовательно или параллельно. Аналогично, память 202 может быть реализована в одном или нескольких устройствах и может включать статическую память, динамическую память или их комбинацию. Память 202 сконфигурирована для хранения, например, рабочих параметров и программ или последовательности команд, исполняемых процессором 200. Процессор 200 также осуществляет связь с генератором 204 стробирующих сигналов. Генератор 204 стробирующих сигналов может представлять собой, не ограничиваясь этим, микропроцессор, программируемую вентильную матрицу (FPGA, field programmable gate array), специализированную интегральную микросхему (ASIC, application specific integrated circuit), логическую схему и может быть интегрирован в одном устройстве с процессором 200. Процессор 200 принимает от датчиков сигналы обратной связи, соответствующие амплитуде напряжения и/или тока в различных точках преобразователя 24 DC/DC. Положение точек зависит от конкретных процедур управления, исполняемых процессором 200. Например, датчики 200 шины DC могут обеспечивать амплитуду напряжения на шине 212 DC. Опционально, датчик 200 шины DC может быть функционально подключен так, чтобы обеспечивать амплитуду тока, проходящего по шине 214 DC внутри преобразователя 24/24 DC. Аналогично, датчики 250 и 252 тока и/или напряжения могут быть функционально подключены так, чтобы обеспечивать амплитуду тока и/или напряжения в блоке 14 элементов, соединенном с преобразователем 24 DC/DC.
Преобразователь 24 DC/DC также имеет пару входных клемм 210, сконфигурированных для подключения к шине 28 DC батарейной системы 10. Каждая клемма 210 также соединена с внутренней шиной 212 DC преобразователя 24 DC/DC. Внутренняя шина 212 DC включает положительный провод 214 и отрицательный провод 216. Как принято в данной области техники, положительный провод 214 и отрицательный провод 216 могут проводить любой потенциал напряжения DC относительно общего или нейтрального напряжения и не ограничены положительным или отрицательным потенциалом напряжения DC. Либо положительный провод 214, либо отрицательный провод 216 подключается к потенциалу нейтрального напряжения. Положительный провод 214 обычно проводит напряжение DC с более высоким потенциалом по сравнению с отрицательным проводом 216. Между положительным проводом 214 и отрицательным проводом внутренней шины 212 DC подключена емкость 218. Емкость 218 может представлять собой один конденсатор или несколько конденсаторов, соединенных последовательно или параллельно в соответствии с требованиями системы.
Множество переключающих устройств 230, 240 избирательно подключают внутреннюю шину 212 DC к выходным клеммам 260. Переключающие устройства 230, 240 обычно представляют собой твердотельные силовые приборы, включающие, не ограничиваясь этим, биполярные транзисторы (BJT, bipolar junction transistor), полевые транзисторы (FET, field effect transistor), тиристоры или кремниевые управляемые выпрямители (SCR, silicon controlled rectifier). Опционально, переключающие устройства 230, 240 могут представлять собой электромеханические устройства или любые другие подходящие переключающие устройства, сконфигурированные в соответствии с требованиями приложений. Параллельно каждому переключающему устройству 230, 240 подключены диоды 232, 242 для обеспечения, когда это требуется, обратной проводимости через переключающие устройства 230, 240, когда переключающие устройства 230, 240 выключены. Первый набор переключающих устройств 230 используется для управления полярностью напряжения на выходных клеммах 260. Каждое переключающее устройство 230 первого набора принимает один из соответствующих первому набору стробирующих сигналов 206. Второй набор переключающих устройств 240 используется для регулирования амплитуды и направления тока между внутренней шиной 212 DC и выходными клеммами 260. Каждое переключающее устройство 240 второго набора принимает один из соответствующих второму набору стробирующих сигналов 208. Между вторым набором переключающих устройств 240 и выходными клеммами 260 последовательно подключены катушки 246 и 248 индуктивности для обеспечения регулирования тока между внутренней шиной 212 DC и выходными клеммами 260.
Преобразователь 24 DC/DC сконфигурирован для регулирования тока в обоих направлениях между шиной 28 DC и одним или более блоками 14 элементов, подключенными к преобразователю 24 DC/DC. Преобразователь 24 DC/DC также сконфигурирован для подключения к блоку 14 элементов с прямой или обратной полярностью относительно шины 28 DC, а также для переключения полярности блока 14 элементов с сохранением постоянной полярности подключения к шине 28 DC. Процессор 200, показанный на фиг. 29, сконфигурирован для выполнения последовательности команд, хранимых в памяти 202. Процессор 200 формирует опорные сигналы для генератора 204 стробирующих сигналов, который, в свою очередь, формирует стробирующие сигналы 206, 208 для управления работой переключающих устройств 230, 240. Опционально, генератор 204 стробирующих сигналов интегрирован в процессор 200, так что процессор 200 сконфигурирован для формирования стробирующих сигналов 206, 208.
В соответствии с представленным вариантом осуществления изобретения первый набор стробирующих сигналов 206 управляет работой первого набора переключающих устройств 230, при этом первый набор переключающих устройств 230 сконфигурирован для управления полярностью напряжения на выходных клеммах 260. Первый набор переключающих устройств 230 сконфигурирован так, чтобы в данный момент времени был открыт только один из транзисторов Q1 и Q2. Когда открыт первый транзистор Q1, полярность на выходных клеммах 260 является обратной относительно полярности шины 212 DC. Когда открыт второй транзистор Q2, полярность на выходных клеммах 260 является такой же, как полярность шины 212 DC.
Второй набор стробирующих сигналов 208 управляет работой второго набора переключающих устройств 240, при этом второй набор переключающих устройств 230 сконфигурирован для управления током между шиной 212 DC и выходными клеммами 260. Как показано на чертеже, используются две пары из второго набора переключающих устройств 240. Первая пара включает третий транзистор Q3 и четвертый транзистор Q4, а вторая пара включает пятый транзистор Q5 и шестой транзистор Q6. Опционально, может использоваться только одна пара из второго набора переключающих устройств 240. Когда открыт первый транзистор Q1, так что полярность на выходных клеммах 260 противоположна полярности шины 212 DC, периодическое переключение транзисторов Q4 и Q6 происходит так, чтобы заряжать блок 14 элементов, соединенный с преобразователем 24 DC/DC. Обратно, когда открыт первый транзистор Q1, так что полярность на выходных клеммах 260 противоположна полярности шины 212 DC, периодическое переключение транзисторов Q3 и Q5 происходит так, чтобы разряжать блок 14 элементов, соединенный с преобразователем 24 DC/DC. Когда открыт второй транзистор Q2, так что полярность на выходных клеммах 260 является такой же, как полярность шины 212 DC, периодическое переключение транзисторов Q3 и Q5 происходит так, чтобы заряжать блок 14 элементов, соединенный с преобразователем 24 DC/DC. Обратно, когда открыт второй транзистор Q2, так что полярность на выходных клеммах 260 является такой же, как полярность шины 212 DC, периодическое переключение транзисторов Q4 и Q6 происходит так, чтобы разряжать блок 14 элементов, соединенный с преобразователем 24 DC/DC. Предполагается, что можно управлять переключающими устройствами 230, 240 в различных комбинациях и в соответствии с различными процедурами управления управлять полярностью напряжения на выходных клеммах 260, чтобы заряжать/разряжать блок 14 элементов.
Со ссылками на фиг. 30-33 раскрывается работа преобразователя 24 мощности в процессе заряда и разряда с прямой и обратной полярностью напряжения на клеммах 55 батареи. В процессе стандартных операций (то есть операций, отличных от уравнивания или очистки блоков 14 элементов) процессор 200 извлекает из памяти 202 контрольные точки напряжения, в которых преобразователь 24 DC/DC должен либо заряжать, либо разряжать блок 14 элементов. Преобразователь 24 DC/DC работает, как показано на фиг. 30-31 или фиг. 32-33, в соответствии с полярностью, заданной в данный момент на клеммах 55 батареи. Если дана команда использовать обратную полярность, преобразователь 24 DC/DC полностью разряжает блок 14 элементов, изменяет полярность напряжения, приложенного к блоку 14 элементов, и начинает перезаряд блока 14 элементов. Затем преобразователь 24 DC/DC возобновляет стандартную работу в соответствии с фиг. 30-31 или фиг. 32-33 с новой полярностью, заданной в настоящий момент на клеммах 55 батареи.
Когда преобразователь 24 DC/DC работает в стандартном режиме, процессор 200 сохраняет запись работы. Опционально, модульный контроллер 100 сохраняет запись работы каждого преобразователя 24 DC/DC и задает требуемые режимы работы каждого преобразователя 24 DC/DC в зависимости от длительности работы. После заданного интервала времени преобразователь 24 DC/DC выполняет процедуру уравнивания элементов. Процесс уравнивания элементов требуется, чтобы предотвратить образование разрушительных дендритов цинка в блоке 14 элементов.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения для слежения за работой преобразователя 24 DC/DC используется система точек. Преобразователь 24 DC/DC или модульный контроллер 100 контролирует ток между шиной 28 DC и блоком 14 элементов, а также другие рабочие условия для прогнозирования исправности каждого конкретного блока 14 элементов в батарейной системе 10. Ток и другие контролируемые условия преобразуются в целые числа, или точки. Когда сумма этих точек достигает заданной пользователем максимальной величины, в преобразователь 24 DC/DC передается команда перейти в режим только разряда и начать процесс уравнивания элементов. Контролируемые условия включают, не ограничиваясь этим, такие показатели как полный заряд или разряд (ампер-часы) блока 14 элементов, скорость заряда и разряда блока 14 элементов и число циклов разряда блока 14 элементов из заряженного состояния между циклами очистки. Модульный контроллер 100 может также ограничивать число блоков 14 элементов, одновременно вступающих в процедуру уравнивания, так что поддерживается минимальная зарядная емкость. Следовательно, число точек, суммируемых преобразователем 24 DC/DC, может меняться после начала процедуры уравнивания. Это число точек может использоваться для определения типа цикла очистки и периода времени, который блок 14 элементов будет находиться в цикле очистки. Путем отслеживания использования блоков 14 элементов, команда перехода к процедуре уравнивания передается только для тех блоков 14 элементов, которым требуется уравнивание, вместо проведения очистки всей батарейной системы 10, что в результате оптимизирует доступность системы. Опционально, преобразователю 24 DC/DC передается команда перехода в цикл очистки исключительно в зависимости от рабочего времени. Подразумевается также, что могут применяться другие способы отслеживания продолжительности циклов заряда/разряда в блоке 14 элементов в пределах сущности настоящего изобретения.
На фиг. 34 показаны шаги усовершенствованной процедуры 300 уравнивания. На шаге 302 преобразователь 24 DC/DC получает команду перехода к процедуре уравнивания. Эта команда формируется внутри в зависимости от результата контроля циклов заряда/разряда в подключенном блоке 14 элементов. Опционально, команда может быть получена от модульного контроллера 100. Преобразователь 24 DC/DC переходит в режим разряда, например, посредством изменения контрольных точек для гистерезисного управления. Если контрольная точка разряда при гистерезисном управлении имеет значение больше, чем требуемая величина напряжения на шине 28 DC/DC, преобразователь 24 DC/DC начинает разряд соответствующего блока 14 элементов на шину 28 DC. Чтобы поддерживать требуемый уровень напряжения на шине 28 DC, нагрузка на шине 28 DC/DC или остальные блоки 14 элементов потребляют энергию с шины 28 DC. На шаге 306 процедура уравнивания продолжает возвращаться к шагу 304 разряда до тех пор, пока преобразователь 24 DC/DC не разрядит соответствующий блок 14 элементов и напряжение на этой батарее не достигнет 0 вольт. Когда достигнуто величина 0 вольт, преобразователь 24 DC/DC изменяет полярность на клеммах 55 батареи, как показано на шаге 308. Затем преобразователь 24 DC/DC начинает заряд блока 14 элементов с обратной полярностью на клеммах 55 батареи. Поскольку процедура 300 уравнивания не касается изменения полярности элементов, разряд блока 14 элементов может продолжаться с высокой скоростью до 0 вольт, в отличие от разряда, происходящего постоянно уменьшающимися шагами снижения тока.
На фиг. 35 более подробно показан шаг 304 разряда из процедуры 300 уравнивания. В процессе разряда преобразователь 24 DC/DC контролирует амплитуду напряжения блока 14 элементов, как показано на шаге 320. На шаге 322 амплитуду напряжения сравнивают с исходным пороговым значением. Если амплитуда напряжения больше, чем исходное пороговое значение, преобразователь 24 DC/DC продолжает регулировать ток от блока 14 элементов к шине 28 DC, разряжая блок 14 элементов, как показано на шаге 324. Если амплитуда напряжения падает ниже исходного порогового значения, на шаге 326 процедура разряда проверяет, достигла ли амплитуда напряжения значения 0 вольт. Пока амплитуда напряжения остается ниже исходного порогового значения, но выше нуля, включают модуль переключения с высокими потерями, как показано на шаге 328. Когда амплитуда напряжения достигает 0 воль, модуль переключения с высокими потерями выключают, как показано на шаге 330. Таким образом, преобразователь 24 DC/DC работает так, чтобы автоматически менять полярность напряжения на выходных клеммах 260, соединенных с блоком 14 элементов, одновременно поддерживая полярность на входных клеммах 210, соединенных с шиной 28 DC, и непрерывно регулируя ток DC в обоих направлениях. Способность изменять полярность напряжения блока 14 элементов ускоряет уравнивание элементов проточной батареи и обеспечивает обратный заряд модуля проточной батареи, одновременно поддерживая общую полярность со стороны остальной части батарейной системы 10 на входе преобразователя 24 DC/DC.
Как показано на фиг. 36, на шаге 352 модуль 350 переключения с высокими потерями управляет частотой переключения при выполнении процедуры модуляции путем формирования стробирующих сигналов 206, 208 для переключающих устройств 230, 240 (см. фиг. 29), чтобы реализовать функцию «активного резистора». В отличие от традиционных способов разряда, в которых подключают резисторы, через которые рассеивается энергия, модуль 350 переключения с высокими потерями обеспечивает рассеивание энергии в переключающих устройствах 230, 240. При увеличении частоты переключения в процедуре модуляции переключающие устройства 230, 240 включают/выключают более часто, что приводит к увеличению потерь, связанных с указанным переключением. До тех пор пока напряжение на клеммах 55 батареи не станет ниже исходного порогового значения, напряжение и, следовательно, мощность переключающих устройств 230 240 снижают. На шаге 354 также может быть уменьшено опорное значение тока, что вызовет снижение мощности, рассеиваемой при каждом переходе переключающих устройств 230, 240.
В качестве дополнительного преимущества частота переключения может линейно изменяться от нормальной рабочей частоты до верхнего предела. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, частота переключения может быть увеличена в 4-16 раз относительно исходной частоты переключения, используемой преобразователем 24 DC/DC. В отличие от этого, при стандартном подключении резисторов используется один резистор или последовательность ступенчатых сопротивлений, что приводит к конечному числу шагов изменения тока от блока 14 элементов, когда он разряжается. Хотя на фиг. 36 показан возврат с шага 358 к шагу 356 разряда, модуль 350 переключения с высокими потерями может быть сконфигурирован для возврата с шага 358 к шагу 352 изменения частоты переключения, и в результате может быть реализовано непрерывное изменение частоты переключения. На шаге 356 модуль 350 переключения с высокими потерями работает при выбранной частоте и опорном значении тока, чтобы разрядить блок 14 элементов. На шаге 358 контролируют уровень напряжения блока 14 элементов. Когда уровень напряжения блока 14 элементов становится ниже меньшего, второго, порогового значения, одно или более переключающих устройств закрывают, создавая короткое замыкание для полного разряда блока 14 элементов. Внутреннее сопротивление блока 14 элементов ограничивает ток в условиях короткого замыкания. Работая в качестве активного сопротивления, модуль 350 переключения с высокими потерями обеспечивает способ уравнивания элементов на базе сопротивления, которое линейно изменяется в широком диапазоне рабочей частоты, в отличие от обычно фиксированной пассивной резистивной схемы. Преобразователь 24 DC/DC способен стратегически осуществлять перемену полярности, использовать модуль 350 переключения с высокими потерями или применять оба варианта при полной гибкости настройки каждого варианта.
Несмотря на то, что настоящее изобретение рассматривается в отношении преобразователя 24 DC/DC, представленного на фиг. 29, подразумевается, что возможно осуществление множества других конфигураций преобразователей мощности в пределах сущности настоящего изобретения, если преобразователь мощности сконфигурирован для регулирования двунаправленного тока между шиной 212 DC и выходными клеммами 260 и для управления полярностью напряжения на выходных клеммах 260.
Далее приводится описание различных особенностей компонентов модуля 10 и его функционирования.
Модульные резервуары 16 для электролита - комплексное хранение брома, контроль и управление уровнем.
Конструкция включает использование трех отдельных резервуаров 16, соединенных сверху для защиты от переполнения. Уровнями в резервуарах управляют через скорость насоса и разностного напора, обусловленного высотой раствора в резервуарах. Резервуары изготовлены посредством центробежного формования с выемками под насосы и трубопровод.
Конструкция элемента батареи и проточной рамки обеспечивает равномерное распределение потока в очень широком диапазоне параметров раствора, является эффективной и подходит для другого химического состава проточных батарей.
Существует несколько подходов, применяемых в заполненном веществом пространстве проточной рамки 34 для достижения распределения 2P (то есть функции распределения двух параметров) через последовательные раздвоения. Данное решение разработано для достижения равных горизонтальных скоростей потоков и достаточной плотности при каждом раздвоении для равномерного распределения однофазного или многофазного раствора.
Индикатор состояния заряда батареи
Давление на дно резервуара 2P регистрируется посредством погруженного датчика давления. На фиг. 28 видно, что поскольку график 2P построен в процессе заряда (начало при - 1 час, 100 A на трех блоках), давление увеличивается как линейная функция и поэтому пропорционально уровню заряда. В процессе разряда четырехходовой клапан поворачивается каждые 5-15 минут и вызывает нарастание 2P в блоках с быстрым падением уровня 2P.
Измерение состояния заряда батареи путем измерения давления в резервуаре с электролитом для проточной батареи является целью настоящего изобретения. Запись изменения плотности электролита путем регистрации давления в резервуаре, возможно, является новым решением и может быть осуществлено с помощью отдельного резервуара для бромной фазы в цинк-бромной проточной батарее.
Управление потоком электролита в модуле для максимальной эффективности, процедуры долгосрочного отключения и дегазации
Модульный контроллер 100 разработан для управления проточной системой, тепловой защиты и контроля, а также контроля всех параметров модуля. Модульный контроллер 100 контролирует восемь блоков элементов для определения режима, в котором должно находиться оборудование. Например, если какой-либо блок разряжается, модуль откроет клапан второй фазы для разряда. Модульный контроллер также поддерживает температуру батареи посредством системы вентиляторов и теплообменников. Производится также обработка ошибок и системных сообщений. Например, если в модуле есть аппаратная ошибка, контроллер предпринимает соответствующее действие, чтобы безопасно выключить батарею, и сообщает системному контроллеру об этой ошибке. Модульный контроллер управляет функцией очистки и всеми режимами работы.
Процедура выключения разработана для промывки блоков элементов от второй фазы, насыщенной бромом, чтобы батарею можно было оставить в частично заряженном состоянии на неопределенное время. Резервуар 2P играет существенную роль в этой процедуре, поскольку включает элементы, которые разделяют бромную и водную фазы, оставляя накопленный бром в резервуаре 2P для управляемого удаления. В процессе процедуры выключения четырехходовой клапан 32 повернут в переднее положение (сверху вниз в блоке), клапан второй фазы закрыт, чтобы минимизировать количество брома, проходящего в блоки элементов, а управление насосами 19 осуществляют с пониженной скоростью или периодически, чтобы электролит мог циркулировать через блоки и удалять бромную фазу. Затем батарею разряжают для удаления любых оставшихся химически активных веществ из блока элементов. Как только батарея достигает безопасного напряжения, насосы останавливают, и батарея может оставаться в этом состоянии неограниченное время.
Тепловое регулирование и управление в модуле с использованием специальных теплообменников 26
Для предотвращения выхода температуры электролита за пределы допустимого рабочего диапазона анолит охлаждают прямо в батарейном модуле посредством теплообменника 26 с воздушным охлаждением. Для защиты от коррозионного воздействия электролита стенка трубы такого теплообменника изготовлена из высокочистого титана. На внешней стороне теплообменника имеются алюминиевые лопасти, и окружающий воздух прогоняется вентиляторами через теплообменник, обеспечивая охлаждение. Теплообменник 26 электрически изолирован, поскольку он находится под напряжением электролита, при этом отсутствуют токи утечки, ускоряющие коррозию.
Двойное (AC/DC) электропитание
Одно устройство, используемое для управления и/или вспомогательного питания, при этом источник питания получен из резервных источников. Источник питания использует регулируемое напряжение шины DC высокого напряжения с выхода батарейного модуля и/или общую шину DC РЕСС и источник АС со стороны АС инвертера в системе РЕСС или внешний источник АС. Таким образом, обеспечивается возможность полностью работоспособной системы с подключенным источником АС или без него, таким как местная электросеть, причем первичный/предпочтительный источник установлен как вход DC для использования приоритетного возобновляемого источника энергии, когда это возможно, если такой источник подключен к шине DC, или с использованием только местной энергосети, если нет такого доступного источника. Блок двойного электропитания обеспечивает полностью бесперебойное питание на выход управления или вспомогательного питания. Устройство может иметь множество входов питания для требуемого резервирования и один или более выходов.
Использование общей шины 28 DC для питания вспомогательных устройств
Одно комплексное устройство - модуль управления и питания вспомогательных устройств (АРС, auxiliary power & control module), которое обеспечивает множество регулируемых и изолированных напряжений DC для питания вспомогательных устройств проточной батареи (насосов, контроллеров, вентиляторов, нагревателей и т.д.) и управляющих элементов, включая все управляющие элементы на базе цифровой обработки сигналов для всех вспомогательных устройств и инструментов, а также средств управления зарядом и разрядом проточной батареи, или по существу всего, что требуется для работы проточной батареи. Кроме того, это устройство включает внешнюю связь для обеспечения настройки и управления, а также полного контроля всех механических и электрических параметров проточной батареи. Устройство АРС должно быть выполнено на одной плате с крепежными элементами, питанием, портами ввода/вывода и связи. Устройство получает питание от общей управляемой шины DC на выходе модуля проточной батареи или других устройств накопления энергии или источников, которые могут подключаться к общей шине DC, такой как общая шина РЕСС. Результатом является самоподдерживающийся модуль проточной батареи даже при отсутствии альтернативного источника энергии. Существенное преимущество состоит в том, что экологическая и эксплуатационная функциональность может поддерживаться до тех пор, пока энергия хранится и доступна от самой проточной батареи независимо от какого-либо внешнего или косвенного источника для работы и контроля проточной батареи.
Способ и материалы для многокомпонентного формования частей батареи
В блоке 14 элементов мембраны, электроды и контактные электроды (ТЕ, terminal electrode) выполнены формованием со вставкой в соответствующие «рамки», то есть корпус батареи (их обычно называют проточными рамками для мембранных и электродных сборок и торцевыми элементами для сборок ТЕ). Пластик электрода и пластик рамки модифицированы для улучшения сцепления между этими материалами в процессе формования со вставкой. Оба материала включают полипропилен с высоким индексом MFI в диапазоне 60-120 г/10 мин при 230 C°, 2,16 кг. Оба материала также включают полиолефиновый эластомер (сополимер октена и этилена). Эти добавки увеличивают подвижность и смешиваемость пластмасс, что приводит к лучшему сцеплению между вставкой и вводимой рамкой.
Вставки предварительно нагревают по меньшей мере до 200 градусов по шкале Фаренгейта (93 C°) непосредственно перед процессом формования со вставкой. Это имеет двойную цель, во-первых, уменьшается теплопередача, требуемая для того, чтобы вводимый пластик расплавил поверхность вставки, при этом увеличивается время, которое эти материалы находятся в расплавленном состоянии, и создается более перемешанное и однородное соединение. Во-вторых, это уменьшает давление на вставку, поскольку материал рамки дает усадку после формования. В результате сниженного давления получают более плоские и менее напряженные детали, что улучшает зазор между элементами и общее постоянство размеров.
Технологии производства для нанесения активационных слоев на материал электрода
В настоящее время существует три технологии для нанесения активационных слоев на материал электрода. Первая технология используется для нанесения гранулированного активированного угля, а вторая и третья технологии используются для нанесения углеродных материалов в листовой форме (например, бумага, сукно, газодиффузионные слои).
1) Проводящий клей наносят на лист электрода посредством пористого валика. Затем лист немедленно погружают в кипящий слой гранулированного активированного угля. Затем этот лист оставляют высохнуть, прежде чем прессовать его под давлением и нагревом, чтобы гранулы угля частично внедрились в лист электрода. Это приводит к постоянному механическому соединению между углем и листом пластика.
2) Лист с углеродным активационным слоем накладывают на лист электрода во время экструзии электрода в процессе ламинирования. В зависимости от типа активационного слоя может потребоваться съемный переводной лист для обеспечения стабильности в процессе переноса.
3) Активационный слой помещают (или приклеивают как в способе 1) на лист электрода и затем прессуют под давлением и нагревом. Как и в способе 1, активационный слой частично внедряется в электрод, создавая механическую связь.
Процедура изготовления контактного электрода 55
Контактный электрод является точкой собирания тока в цинк-бромной батарее. В существующей конструкции используется металлический выступ или сборная шина, которая соединена с металлическим сетчатым материалом посредством пайки или металлической сварки. Металлическая сетка внедряется в проводящий углеродно-пластиковый лист для образования контактного электрода.
В существующем способе производства алюминиевый токосборник (включающий полученную ультразвуковой сваркой сборку растянутой сетки и сборной шины) помещают в пресс-форму вместе с листами электродного материала, вырезанного по размеру формы ТЕ. Затем эту форму нагревают под давлением посредством пресса Wabash. Пластик плавится и принимает требуемую форму ТЕ. Затем форму охлаждают под давлением, открывают и извлекают деталь. Избыток материала (грат) затем удаляют. Такая деталь может использоваться в качестве анода ТЕ, но нужно покрыть ее активационным слоем, если она должна быть катодом ТЕ.
Процесс изготовления контактного электрода 55. Инжекционное формование
Недавно появившийся способ многокомпонентного формования был разработан, чтобы обеспечить плоский контактный электрод и соединить материал проточной рамки, полученной посредством многокомпонентного формования, с проводящим углеродно-пластиковым листом контактного электрода. Способ двухступенчатого инжекционного формования и материал проводящего электрода разработаны для получения контактного электрода с торцевым элементом, полученным посредством многокомпонентного формования, в одной форме. Одной из причин такой конструкторской разработки является получение наполненного углеродом пластикового материала с приемлемой проводимостью и способностью к инжекционному формованию. Это достигается посредством пластиковых материалов со сверхнизким молекулярным весом, таких как полипропиленовые воски. В результате получают многокомпонентный электрод / торцевой элемент, изготовленный двухступенчатым формованием.
Для многоступенчатого процесса алюминиевый токосборник вставляют в пресс-форму и образуют вокруг него материал электрода посредством инжекционного формования. Материал электрода должен представлять собой материал для инжекционного формования с индексом MFI > 1 г/10 мин при 230°C, 2,16 кг. Пока контактный электрод находится в форме, материал рамки впрыскивают вокруг него, чтобы получить торцевой элемент. Активационный слой (для катодного торцевого элемента) накладывают на последующем шаге посредством давления и нагрева.
Состав материала и процесс изготовления электрода 55 батареи Электрод для батареи V3 представляет собой полипропилен экструзионной марки, наполненный углеродом и стеклом. Состав приводится в Таблице 1.
Таблица 1
Состав электрода
Материал
Весовое процентное содержание
Полипропилен с низким индексом MFI
35-65%
Полипропилен с высоким индексом MFI
5-15%
Стекловолокно
3-10%
Углеродное волокно
2-10%
Графит
5-15%
Углеродная сажа
7-20%
Эластомер
2-10%
где:
- MFI: индекс текучести расплава (Melt Flow Index) в г/10 мин при 230 C°, 5 кг;
- полипропилен с низким индексом MFI (РР) имеет индекс MFI от 1 до 10 г/10 мин при 230 C°, 2,16 кг. Этот материал требуется для получения материала экструзионной марки и улучшает дисперсию углеродных наполнителей, которая увеличивает проводимость материала;
- полипропилен с высоким индексом MFI (PP) имеет индекс MFI от 10 до 130 г/10 мин при 230 C°, 2,16 кг. Этот материал используется для улучшения процесса формования со вставкой;
- стекловолокно требуется для улучшения прочности материала и устойчивости к брому и тепловому расширению;
- графит используется для обеспечения прочности и проводимости материала;
2
- углеродная сажа используется для обеспечения проводимости и позволяет материалу электрода достигать объемного удельного сопротивления < 2 Ом⋅см и поверхностного удельного сопротивления < 10 Ом/см;
- полиолефиновый эластомер используется для улучшения процесса формования со вставкой.
Еще один конкретный состав для электрода 55 представлен в Таблице 2, где индекс MFI меньше 1.
Таблица 2
Состав электрода
Материал
Весовое процентное содержание
Полипропилен с низким индексом MFI
50%
Полипропилен с высоким индексом MFI
10%
Стекловолокно
5%
Углеродное волокно
5%
Графит
10%
Углеродная сажа
12%
Эластомер
5%
Материалы, указанные выше, необязательно присутствуют в составе, а приведены для примера конкретного состава. Альтернативные компоненты для материалов электрода батареи включают:
углеродные нанотрубки, углеродное нановолокно, графен, микрографиты, усилители адгезии для формования со вставкой, стеклянные гранулы, тальк, слюда, связующие агенты, стабилизирующие наполнители, активаторы кристалличности и антиоксиданты.
Состав материала и процесс изготовления проточной рамки 24 Материал рамки для батареи представляет собой полипропилен с наполнителем из стекла для формования со вставкой. Состав представлен в Таблице 3, где индекс MFI составляет от 25 до 50.
Таблица 3
Состав материала рамки батареи
Материал
Весовое процентное содержание
Полипропилен
65-90%
Стекловолокно
5-15%
Связующий агент
0,5-7,0%
Эластомер
3-15%
где:
- индекс MFI готового компаунда составляет от 12 до 50 г/10 мин при 230 C°, 2,16 кг;
- полипропилен может быть одного типа или представлять собой смесь для получения требуемого индекса MFI;
- стекловолокно используется для снижения усадки материала;
- связующий агент (полипропилен, модифицированный малеиновым ангидридом) используется для связывания стекла с полипропиленом, что улучшает прочность материала, стойкость и устойчивость к брому;
- полиолефиновый эластомер (сополимер октена и этилена) используется для улучшения процесса формования со вставкой.
В таблице 4 представлен еще один конкретный состав для проточной рамки 24, где индекс MFI составляет около 40.
Таблица 4
Состав материала рамки батареи
Материал
Весовое процентное содержание
Полипропилен
70%
Стекловолокно
15%
Связующий агент
5%
Эластомер
10
Материалы, указанные выше, необязательно присутствуют в составе, а приведены для примера конкретного состава. Альтернативные компоненты для материалов рамки включают: усилители адгезии для формования со вставкой, стеклянные гранулы, тальк, слюда, связующие агенты, стабилизирующие наполнители, активаторы кристалличности и антиоксиданты.
Необходимо отметить, что настоящее изобретение не ограничивается применением деталей конструкции и расположением компонентов, изложенных в данном описании. Настоящее изобретение включает другие варианты осуществления и может быть реализовано различными способами. Изменения и модификации вышеизложенных примеров находятся в пределах сущности настоящего изобретения. Необходимо также понимать, что раскрытое в настоящем описании изобретение распространяется на все альтернативные комбинации из двух и более отдельных особенностей изобретения, упоминаемых или очевидных из данного текста и/или чертежей. Все такие комбинации составляют различные альтернативные аспекты данного изобретения. Рассмотренные варианты осуществления изобретения поясняют предпочтительные варианты его реализации и позволят специалистам в данной области техники применять настоящее изобретение.