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CN106165177B - 氧化还原液流电池系统、泵控制单元和用于操作氧化还原液流电池的方法 - Google Patents

氧化还原液流电池系统、泵控制单元和用于操作氧化还原液流电池的方法 Download PDF

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CN106165177B CN201680000982.1A CN201680000982A CN106165177B CN 106165177 B CN106165177 B CN 106165177B CN 201680000982 A CN201680000982 A CN 201680000982A CN 106165177 B CN106165177 B CN 106165177B
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Abstract

一种氧化还原液流电池系统，包括：泵，其将电解液循环供应到电池单元；泵控制单元，其控制所述泵的流量；SOC测量单元，其测量所述电解液的充电状态；以及端子电压测量单元，其测量所述电池单元的端子电压。所述泵控制单元包括：基准流量获取单元，其获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量；端子电压确定单元，其确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限；以及泵流量设置单元，其在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置所述泵的所述基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与所述泵的所述基准流量相加而得到的流量。

Description

氧化还原液流电池系统、泵控制单元和用于操作氧化还原液 流电池的方法
技术领域
本发明涉及氧化还原液流电池系统、泵控制单元和用于操作氧化还原液流电池的方法。更特别地，本发明涉及可减少泵损失并且可以进行稳定操作的氧化还原液流电池系统、泵控制单元和用于操作氧化还原液流电池的方法。
背景技术
氧化还原液流电池具有诸如(1)高安全性、(2)长充电-放电周期寿命、(3)易于增加容量、以及(4)能够恒定监测充电状态(SOC)的特性，并且可用于各种应用。例如，氧化还原液流电池可用于负载均衡、用于电压下降补偿和应急电源、以及用于对天然能源的输出进行平滑化，所述天然能源诸如为正大规模引入的太阳能发电或风力发电。
在氧化还原液流电池中，正电极电解液和负电极电解液被循环供应到包括正电极、负电极和设置在这两个电极之间的隔膜的电池单元，并且通过电力转换器(例如，AC-DC转换器等)执行充电和放电。使用包含其价位因氧化-还原而改变的金属离子(活性材料)的水溶液作为电解液。熟知的示例包括其中使用Fe离子作为正电极活性材料并且使用Cr离子作为负电极活性材料的基于铁(Fe2+/Fe3+)-铬(Cr3+/Cr2+)的氧化还原液流电池，和其中使用V离子作为用于正电极和负电极的活性材料的基于钒(V2+/V3+-V4+/V5+)的氧化还原液流电池。
通常，氧化还原液流电池需要用于将电解液循环到电池单元的泵。因此，出现泵损失。当氧化还原液流电池一直以恒定泵流量(电解液流量)进行操作时，在一些情况下泵损失会增加并且电池效率会降低。因此，在现有的氧化还原液流电池中，在调节泵流量使其对应于电解液的充电状态(也可被称为“充电深度”)的同时，电解液被供应到电池单元，从而减少泵损失(例如，参照PTL 1)。
PTL1提出了通过减少泵损失来提高电池效率的技术。具体地，根据单元端子电压、开路电压和负载电流的测量结果来计算单元电阻值，并且基于该单元电阻值，以对应于充电深度(开路电压)的最佳电解液流量来控制泵的操作。
引用列表
专利文献
PTL1：日本未经审查的专利申请公开No.2006-114359
发明内容
技术问题
在氧化还原液流电池中，为了减少泵损失，例如，如图3中所示，在放电期间和充电二者期间，在电解液的充电状态从放电结束(例如，充电状态：15％)到完全充电(例如，充电状态：90％)的范围内，设置对应于充电状态的泵流量。图3的曲线图示出在放电期间和充电二者期间的电解液的充电状态(SOC)和泵流量(Q)之间的关系(在曲线图中，实线代表在放电期间，虚线代表在充电期间)，其中，水平轴指示电解液的充电状态(SOC)，垂直轴指示泵流量(Q)。在这个示例中，充电状态被阶梯式地划分成多个范围，并且针对各范围设置泵流量。在放电期间，在电池单元中发生放电反应，并且电池单元中的电解液的充电状态减小。在将被供应到电池单元的电解液的充电状态低的范围中，泵流量增加，以防止充电状态降至低于放电结束并且变成电池单元中的过度放电(放电停止)。在电解液的充电状态高的情况下，泵流量减小至不发生过度放电的这种程度。另一方面，在充电期间，在电池单元中发生充电反应，并且电池单元中的电解液的充电状态增大。在将被供应到电池单元的电解液的充电状态高的范围中，泵流量增加，以防止充电状态超过完全充电并且变成过度充电(过电压)。在电解液的充电状态低的情况下，泵流量减小至不发生过度充电的这种程度。以这种方式，通过设置对于泵的对应于电解液的充电状态的所需最小流量，相比于泵流量被设置成恒定的情况，可减少泵损失。
然而，已经发现，在氧化还原液流电池的操作期间，在响应于电解液的充电状态控制泵流量的情况下，电池单元的端子电压可根据操作条件而立刻变化，因此，即使当电解液的充电状态在能够充电和放电的范围内时，电池单元的端子电压可降至低于包括AC-DC转换器的电力转换器的操作电压范围的下限或者超过其上限，并且在一些情况下可停止充电和放电。因此，期望开发出一种可稳定操作的氧化还原液流电池，其中，当电池单元处于能够充电和放电的状态时，可连续执行充电和放电，而不必停止充电和放电。
已经在这些情形下实现了本发明，并且本发明的目的是提供可减少泵损失并且可以进行稳定操作的氧化还原液流电池系统、泵控制单元和用于操作氧化还原液流电池的方法。
问题的解决方案
根据本发明的一种氧化还原液流电池系统包括：电池单元；电解液储槽；循环管，其将电解液从所述电解液储槽循环供应到所述电池单元；泵，其使所述电解液经过所述循环管循环；以及电力转换器，其被连接到所述电池单元并且控制充电和放电。根据本发明的氧化还原液流电池系统还包括：泵控制单元，其控制所述泵的流量；SOC测量单元，其测量所述电解液的充电状态；以及端子电压测量单元，其测量所述电池单元的端子电压。所述泵控制单元包括以下将描述的基准流量获取单元、端子电压确定单元和泵流量设置单元。
基准流量获取单元获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量。
端子电压确定单元确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限。
泵流量设置单元在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置所述泵的基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与所述泵的所述基准流量相加而得到的流量。
根据本发明的一种泵控制单元将安装在氧化还原液流电池系统上。所述氧化还原液流电池系统包括：电池单元；电解液储槽；循环管，其将电解液从所述电解液储槽循环供应到所述电池单元；泵，其使所述电解液经过所述循环管循环；电力转换器，其被连接到所述电池单元并且控制充电和放电；SOC测量单元，其测量所述电解液的充电状态；以及端子电压测量单元，其测量所述电池单元的端子电压。
所述泵控制单元控制所述泵的流量。所述泵控制单元包括：基准流量获取单元，其获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量；端子电压确定单元，其确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限；以及泵流量设置单元，其在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置所述泵的基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与所述泵的所述基准流量相加而得到的流量。
在根据本发明的一种用于操作氧化还原液流电池系统的方法中，通过泵将电解液从所述电解液储槽循环供应到电池单元，并且通过电力转换器执行充电和放电，所述根据本发明的操作氧化还原液流电池的方法包括以下将描述的SOC测量步骤、端子电压测量步骤、基准流量获取步骤、端子电压确定步骤和泵流量设置步骤。
在SOC测量步骤中，测量所述电解液的充电状态。
在端子电压测量步骤中，测量所述电池单元的端子电压。
在基准流量获取步骤中，获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量。
在端子电压确定步骤中，确定所述电池单元的所述端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限。
在泵流量设置步骤中，在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下，对于所述泵来设置所述基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下，对于所述泵来设置通过将预定流量与所述基准流量相加而得到的流量。
本发明的有利效果
在根据本发明的氧化还原液流电池系统、泵控制单元和用于操作氧化还原液流电池的方法中，可减少泵损失并且可以进行稳定操作。
附图说明
[图1]图1是示出根据实施例1的氧化还原液流电池系统的图。
[图2]图2是示出控制根据实施例1的氧化还原液流电池系统中的泵的流程的流程图。
[图3]图3是示出在响应于电解液的充电状态来控制泵流量的情况下充电状态和泵流量之间的关系的示例的曲线图。
具体实施方式
[对本发明的实施例的描述]
本发明的发明人已经进行了彻底研究，结果已经发现，在氧化还原液流电池的操作期间，在响应于电解液的充电状态(电池单元的开路电压)来控制泵流量的情况下，电池单元的端子电压可根据操作条件而立刻变化。
在电池单元中，通过电力转换器(例如，AC-DC转换器、DC-DC转换器等)控制充电和放电。通常，在电力转换器中，设置操作电压，并且电力转换器被设计成当电池单元的端子电压降至低于最小操作电压时停止。此外，有可能的是，当电池单元的端子电压超过上限电压(最大电压)时，电池单元将劣化或失效。因此，在电力转换器中，最大操作电压被设置成电池单元的上限电压，并且电力转换器被设计成当电池单元的端子电压超过上限电压时停止。
存在电解液的充电状态(开路电压)和端子电压之间的相关性，并且认为当在从放电结束到完全充电的能够充电和放电的范围内的充电状态下执行充电和放电时，端子电压常常保持在电力转换器的操作电压的范围内。然而，本发明的发明人已经进行了彻底研究并且发现，根据诸如泵流量和充电和放电(输入和输出)量的操作条件，出现端子电压骤然下降或上升的现象。具体地，在放电期间，端子电压可减小并且降至低于电力转换器的最小操作电压，并且在充电期间，端子电压可上升并且超过电力转换器的最大操作电压。因此，在现有的氧化还原液流电池中，即使当电解液的充电状态在能够充电和放电的范围内时，有可能电力转换器将停止并且将不可以进行稳定操作。例如，在基于钒的氧化还原液流电池的情况下，对于每单个单元，放电结束(充电状态：15％)时的开路电压大约是1.2V/单元，完全充电(充电状态：90％)时的开路电压大约是1.5V/单元。就每单个单元的电压而言，电力转换器的最小操作电压被设置成低于放电结束时的开路电路(例如，1.0V)，并且电力转换器的最大操作电压被设置成高于完全充电时的开路电路(例如，1.6V)。
本发明的发明人已经发现，通过增大泵流量，可抑制端子电压的变化，并且可防止电池不必要地停止。此外，已经发现，通过在不仅考虑到电解液的充电状态而且考虑到端子电压的同时控制泵流量，可以实现泵损失减少和稳定操作二者。已经基于上述发现实现了本发明。首先，列举并且描述本发明的实施例。
(1)根据实施例的一种氧化还原液流电池系统包括：电池单元；电解液储槽；循环管，其将电解液从电解液储槽循环供应到电池单元；泵，其使电解液经过循环管循环；电力转换器，其被连接到电池单元并且控制充电和放电。该氧化还原液流电池系统还包括：泵控制单元，其控制泵的流量；SOC测量单元，其测量电解液的充电状态；以及端子电压测量单元，其测量电池单元的端子电压。泵控制单元包括以下将描述的基准流量获取单元、端子电压确定单元和泵流量设置单元。
基准流量获取单元获取与电解液的充电状态对应的泵的基准流量。
端子电压确定单元确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限。
泵流量设置单元在端子电压没有达到预定电压范围的上限或下限的情况下设置泵的基准流量，并且在端子电压达到预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与泵的基准流量相加而得到的流量。
在该氧化还原液流电池系统中，在监测操作期间的电解液的充电状态的同时，通过对于泵设置对应于充电状态的基准流量，可减少泵损失。此外，在监测电池单元的端子电压的同时，在预料到端子电压将达到预定电压范围的上限或下限的情况下，通过将预定流量与基准流量相加来增大泵的流量，可抑制端子电压的变化，并且可以防止端子电压达到预定电压范围的上限或下限。也就是说，通过在端子电压达到预定电压范围的上限或下限之前增大泵的流量，可防止端子电压超出预定电压范围。具体地，在放电期间，可以防止端子电压骤然地减小并且降至低于预定电压范围的下限，并且在充电期间，可以防止端子电压骤然地增大并且超过预定电压范围的上限。因此，可以避免以下问题：即使电解液的充电状态在能够充电和放电的范围内，端子电压也超出预定电压范围，并且电池不必要地停止。因此，当电池单元处于能够充电和放电的状态时，可防止电池不必要地停止，并且可连续地执行充电和放电操作，从而能够进行稳定操作。
术语“基准流量”是指在响应于放电期间和充电期间的充电状态而设置的泵流量。作为基准流量，例如，对于各充电状态，可在放电的情况下设置额定输出(例如，最大输出)，并且在充电的情况下设置得到额定输入所需的最小流量。此外，例如，设置待被相加流量，使得端子电压不达到预定电压范围的上限或下限。
(2)在上述的氧化还原液流电池系统中，端子电压的预定电压范围可以是基于电力转换器的操作电压而设置的。
在上述的构造中，通过在端子电压达到电力转化器的操作电压的上限或下限之前增大泵的流量，可防止端子电压超出操作电压的范围。因此，可以防止即使电解液的充电状态仍在能够充电和放电的范围内时在放电期间端子电压降至低于电力转换器的最小操作电压或者在充电期间超过电力转换器的最大操作电压。因此，可以避免因电力转换器不必要地停止造成电池停止，从而能够进行稳定操作。
(3)在上述的氧化还原液流电池系统中，SOC测量单元可通过测量电池单元的开路电压来测量电解液的充电状态。
可通过测量电池单元的开路电压(正电极电解液和负电极电解液之间的电势差)来得到电解液的充电状态(SOC)。为了测量开路电压，例如，可使用监测器单元。通过用监测器单元测量开路电压，即使在操作期间，也可得到充电状态。
(4)在根据实施例的一种用于操作氧化还原液流电池的方法中，通过泵将电解液从电解液储槽循环供应到电池单元，并且通过电力转换器执行充电和放电。用于操作氧化还原液流电池的方法包括以下将描述的SOC测量步骤、端子电压测量步骤、基准流量获取步骤、端子电压确定步骤和泵流量设置步骤。
在SOC测量步骤中，测量电解液的充电状态。
在端子电压测量步骤中，测量电池单元的端子电压。
在基准流量获取步骤中，获取与电解液的充电状态对应的泵的基准流量。
在端子电压确定步骤中，确定电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限。
在泵流量设置步骤中，在端子电压没有达到预定电压范围的上限或下限的情况下，对于泵来设置基准流量，并且在端子电压达到预定电压范围的上限或下限的情况下，对于泵来设置通过将预定流量与基准流量相加而得到的流量。
在该用于操作氧化还原液流电池的方法中，在监测操作期间的电解液的充电状态的同时，通过对于泵来设置对应于充电状态的基准流量，可减少泵损失。此外，在监测电池单元的端子电压的同时，在预料到端子电压将达到预定电压范围的上限或下限的情况下，除了考虑电解液的充电状态之外，还通过将预定流量与基准流量相加来增大泵的流量，可抑制端子电压的变化，并且可以防止端子电压达到预定电压范围的上限或下限。具体地，在放电期间，可以防止端子电压骤然地减小并且降至低于预定电压范围的下限，并且在充电期间，可以防止端子电压骤然地增大并且超过预定电压范围的上限。因此，可以避免以下问题：即使电解液的充电状态在能够充电和放电的范围内，端子电压也超出预定电压范围，并且电池不必要地停止。因此，可连续地执行充电和放电操作，从而能够进行稳定操作。
[对本发明的实施例的详细描述]
以下，将参照附图描述根据本发明的实施例的氧化还原液流电池系统和用于操作氧化还原液流电池的方法的具体示例。下文中，“氧化还原液流电池”可在一些情况下被称为“RF电池”。此外，在附图中，相同的参考符号指代相同的组件。本发明不限于以下示出的示例，而是由随附权利要求书来限定，并且旨在包括与权利要求书的含义和范围等同的含义和范围内的所有修改形式。
<RF电池系统的整体结构>
参照图1和图2，将描述根据实施例的RF电池系统1。通过电力转换器C(例如，AC-DC转换器、诸如DC-DC转换器的DC到DC转换器等)被连接到发电单元G(例如，太阳能发电设备、风力发电设备、常用电站等)和负载L(电力系统或消费方)之间的图1中示出的RF电池系统1，充入由发电单元G供应的电力，并且进行放电以及将所存储的电力供应到负载L。此外，RF电池系统1包括电池单元10和被构造成向电池单元10供应电解液的循环机构(储槽、管和泵)。
(电池单元和循环机构)
RF电池系统1包括电池单元10。由离子可渗透隔膜制成的隔膜101将电池单元10划分成正电极单元102和负电极单元103。正电极单元102包含正电极104，负电极单元103包含负电极105。RF电池系统1还包括：正电极电解液储槽20和负电极电解液储槽30，其分别储存正电极电解液和负电极电解液；正电解液循环管25和负电解液循环管35，其在电解液储槽20和电解液储槽30与电池单元10(正电极单元102和负电极单元103)之间分别循环供应正电极电解液和负电极电解液；以及泵40，其将正电极电解液和负电极电解液分别循环至正电解液循环管25和负电解液循环管35。正电解液循环管25包括：正电解液供应管26，其将正电极电解液从正电极电解液储槽20发送到正电极单元102；以及正电解液返回管27，其将正电极电解液从正电极单元102返回到正电极电解液储槽20。负电解液循环管35包括：负电解液供应管36，其将负电极电解液从负电极电解液储槽30发送到负电极单元103；以及正电解液返回管37，其将正电极电解液从负电极单元103返回到负电极电解液储槽30。泵40是其旋转速度可被控制的变速泵，并且可通过旋转速度来调节流量。通过泵控制单元60来控制泵40的旋转速度(流量)。在通过被设置在循环管25和循环管35上的泵40将正电极电解液和负电极电解液分别从电解液储槽20和电解液储槽30循环供应到电池单元10的同时，响应于电池单元10中的电解液中的离子价位的改变来执行电池反应(充电-放电反应)。注意的是，图1中示出的RF电池系统1的示例是其中使用V离子作为用于正电极和负电极的活性材料的基于钒的RF电池。此外，在图1中，电池单元10中的实线箭头指示充电反应，虚线箭头指示放电反应。
以其中堆叠多个单个单元的单元堆叠体(未示出)的形式来使用电池单元10，该多个单个单元包括作为构成元件的正电极104(正电极单元102)、负电极105(负电极单元103)和隔膜101。在单元堆叠体中使用单元框架，各单元框架包括：双极板(未示出)，其具有设置在其中的一个表面上的正电极104和设置在其中的另一个表面上的负电极105；以及框架(未示出)，其具有用于供应正电极电解液和负电极电解液的液体供应孔和用于排放电解液的液体排放孔，并且该框架被形成在双极板的外周上。通过堆叠多个单元框架，液体供应孔和液体排放孔构成电解液的流动路径，并且流动路径被连接到循环管25和循环管35。通过依次堆叠单元框架、正电极104、隔膜101、负电极105、单元框架等来形成单元堆叠体。
RF电池系统1包括被连接到电池单元10并且控制充电和放电的电力转换器C。在这个示例中，电力转换器C是AC-DC转换器。RF电池系统1执行充电和放电，其中通过电力转换器(AC-DC转换器)C将充电电流输入电池单元10的正电极104和负电极105并且从其输出放电电流。具体地，在充电期间，通过电力转换器C将充电电流输入电池单元10的正电极104和负电极105，并且在电池单元10中发生充电反应。另一方面，在放电期间，在电池单元10中发生放电反应，并且通过电力转换器C从电池单元10的正电极104和负电极105输出放电电流。在电力转换器(AC-DC转换器)C中，设置操作电压，并且电力转换器C被设置成当电池单元10的端子电压超出操作电压的范围时停止。
(SOC测量单元)
RF电池系统1包括测量电解液的充电状态(SOC)的SOC测量单元51。在这个示例中，SOC测量单元51测量将被供应到电池单元10的电解液的SOC。
通过电解液中的离子价位比率来确定电解液的SOC。例如，如以下公式所表达的，在基于钒的RF电池的情况下，在正电极电解液中，用正电极电解液中的V离子(V4+/V5+)中的V5+的比率来代表SOC，并且在负电极电解液中，用V离子(V2+/V3+)中的V2+的比率来代表SOC。在充电期间的电池反应中，在电池单元中，V4+在正电极被氧化成V5+，并且V3+在负电极被还原成V2+。放电期间的电池反应与充电期间的电池反应相反。
正电极：V5+/(V4++V5+)
负电极：V2+/(V2++V3+)
此外，由于标准氧化-还原电势根据离子价位而变化，因此存在电解液中的离子价位比率和电解液的电势之间的相关性，并且可以根据电解液的电势得到SOC。例如，V5+的标准氧化-还原电势是1.00V并且V2+的标准氧化-还原电势是-0.26V。
一般来说，在RF电池中，电池反应对应于电解液中的离子价位的改变，并且正电极电解液和负电极电解液具有相同的SOC。因此，可通过测量正电极电解液或负电极电解液中的电解液中的离子价位比率，或者通过测量电解液的电势，来得到SOC。此外，可通过测量正电极电解液和负电极电解液之间的电势差(开路电压)来得到SOC。此外，根据活性材料的金属离子，电解液的色调、透明度、或吸收率随着电解液中的离子价位比率而变化，因此，可通过使用电解液的色调、透明度、或吸收率作为指示剂来得到SOC。例如，可使用电压计来测量电解液的电势，可使用监测器单元来测量电势差(开路电压)，并且可使用分光光度计来测量电解液的色调、透明度、或吸收率。监测器单元是具有与电池单元10的结构相同的结构但不被连接到电力转换器C而且并不有助于充电和放电的电池单元。通过如在电池单元10中一样将正电极电解液和负电极电解液供应到监测器单元，并且通过测量监测器单元的开路电压，即使在操作期间也可得到SOC。
在这个示例中，SOC测量单元51使用监测器单元，并且通过测量监测器单元的开路电压，测量电解液的SOC。监测器单元51被设置成，使得正电极电解液的部分和负电极电解液的部分分别从正电解液供应管26和负电解液供应管36被供应到监测器单元51，并且电解液从监测器单元51返回到正电解液返回管27和负电解液返回管37。由于与将被供应到电池单元10的电解液相同的电解液被供应到监测器单元51，因此测量监测器单元51的开路电路电压意指与测量电池单元10的开路电压相同。由监测器单元51测得的开路电压(SOC)的测量值通过信号线被发送到泵控制单元60。另外，SOC测量单元51可测量电解液储槽20和电解液储槽30中的每个中的电解液的SOC。
(端子电压测量单元)
RF电池系统1包括测量电池单元10的端子电压(Vt)的端子电压测量单元52。在这个示例中，端子电压测量单元52使用电压计并且被设置在电力转换器(AC-DC转换器)C上。由端子电压测量单元52测得的端子电压的测量值通过信号线被发送到泵控制单元60。
(泵控制单元)
RF电池系统1包括泵控制单元60，泵控制单元60通过控制泵的旋转速度来控制泵40的流量。泵控制单元60包括基准流量获取单元61、端子电压确定单元62和泵流量设置单元63。泵控制单元60可使用计算机。
(基准流量获取单元)
基准流量获取单元61获取与由SOC测量单元51测得的电解液的SOC对应的泵的基准流量(Qn)。基准流量(Qn)是指响应于放电和充电二者期间的各SOC设置的泵流量。在这个示例中，在放电和充电二者期间，对于各SOC，预先通过实验等得到在放电的情况下的额定输出(例如，最大输出)并且得到在充电的情况下为了得到额定输入所需的最小流量。这些所需的最小流量被定义为基准流量(Qn)。基准流量(Qn)被预先存储在计算机的存储器中以便对应于SOC，并且基准流量获取单元61从存储器获取对应于SOC的基准流量(Qn)。
此外，在放电和充电二者期间，对于各充电或放电(输入或输出)量或各电解液温度，可通过得到对应于各SOC的所需最小流量来设置基准流量(Qn)。
(端子电压确定单元)
端子电压确定单元62确定由端子电压测量单元52测得的电池单元10的端子电压(Vt)是否达到预定电压范围的下限或上限。在这个示例中，基于电力转换器C的操作电压来设置端子电压(Vt)的预定电压范围，其中，下限被设置成电力转换器C的最小操作电压，并且上线被设置成电力转换器C的最大操作电压(电池单元10的上限电压)。此外，在这个示例中，关于确定端子电压(Vt)是否达到预定电压范围的下限或上限，当端子电压(Vt)接近预定电压范围的下限(最小操作电压)或上限(最大操作电压)时，确定端子电压(Vt)达到下限或上限。例如，当端子电压(Vt)达到距电力转换器C的操作电压的下限或上限的预定范围内(例如，在距上限或下限的5％或10％的范围内)时，确定端子电压(Vt)达到下限或上限。
(泵流量设置单元)
在端子电压确定单元62确定端子电压(Vt)没有达到预定电压范围的上限或下限的情况下，泵流量设置单元63将由基准流量获取单元61所获取的基准流量(Qn)设置为泵40的泵流量(Q)。另一方面，在端子电压确定单元62确定端子电压(Vt)达到预定电压范围的上限或下限的情况下，泵流量设置单元63将通过将预定流量(Qa)与基准流量(Qn)相加而得到的流量(Qn+Qa)设置为泵40的泵流量(Q)。也就是说，在预料到端子电压(Vt)将达到预定电压范围的上限或下限的情况下，泵40的流量增大。将被相加的流量(Qa)被设置为使得端子电压(Vt)不达到预定电压范围的下限(最小操作电压)或上限(最大操作电压)。例如，基准流量(Qn)可增大10％或20％，或者泵流量(Q)可被设置成额定流量(例如，最大流量)。为了设置将被相加的流量(Qa)，优选地，预先通过实验等，得到为防止端子电压(Vt)达到预定电压范围的上限或下限所需的最小流量。
可通过按照将被设置的泵流量(基准流量或通过将预定流量与基准流量相加而得到的流量)设置诸如泵旋转速度、放电量、或放电压力的控制参数，来控制泵40的流量。例如，预先确定根据泵流量的诸如泵旋转速度、放电量、或放电压力的控制参数，从示出流量和控制参数之间关系的关系表达式或关系表中获取与将被设置的流量对应的控制参数值，并且通过设置控制参数值，可控制泵的流量。
<操作RF电池系统的方法>
以下，将描述用于操作RF电池系统1的方法，RF电池系统1包括SOC测量单元51、端子电压测量单元52和泵控制单元60。用于操作RF电池系统1的方法是基于电解液的充电状态和端子电压来控制泵40的流量的操作方法，并且包括以下将描述的SOC测量步骤、端子电压测量步骤、基准流量获取步骤、端子电压确定步骤和泵流量设置步骤。以下，将参照图2中示出的流程图来描述各步骤中的具体处理。
(SOC测量步骤)
在SOC测量步骤中，测量电解液的充电状态(SOC)(步骤S1)。在这个示例中，如上所述，通过SOC测量单元(检测器单元)51测量将被供应到电池单元10的电解液的SOC。
(端子电压测量步骤)
在端子电压测量步骤中，测量电池单元10的端子电压(Vt)(步骤S2)。在这个示例中，如上所述，通过端子电压测量单元52测量端子电压(Vt)。
(基准流量获取步骤)
在基准流量获取步骤中，获取与SOC测量步骤S 1中测得的电解液的SOC对应的泵的基准流量(Qn)。在这个示例中，如上所述，通过泵控制单元60的基准流量获取单元61从计算机的存储器中获取对应于SOC的基准流量(Qn)。
(端子电压确定步骤)
在端子电压确定步骤中，确定在端子电压测量步骤S2中测得的电池单元10的端子电压(Vt)是否达到预定电压范围的下限或上限(步骤S4)。在这个示例中，如上所述，通过泵控制单元60的端子电压确定单元62基于端子电压(Vt)是否接近电力转换器C的最小操作电压或最大操作电压，具体地，端子电压(Vt)是否达到距最小操作电压或最大操作电压的预定范围内，确定端子电压(Vt)是否达到预定电压范围的下限或上限(在图2中，“Vmin”指代距最小操作电压即下限的预定范围，“Vmax”指代距最大操作电压即上限的预定范围)。当端子电压接近最小操作电压或最大操作电压时，也就是说，当端子电压达到距最小操作电压或最大操作电压的预定范围内时，确定端子电压达到下限或上限。
(泵流量设置步骤)
在泵流量设置步骤中，基于在端子电压确定步骤S4中确定端子电压(Vt)是否达到预定电压范围的下限或上限的结果，设置泵的流量(步骤S5)。具体地，在端子电压确定步骤S4中确定端子电压(Vt)没有达到预定电压范围的下限或上限的情况下，将由基准流量获取单元61所获取的基准流量(Qn)设置为泵40的泵流量(Q)(步骤S5-1)。另一方面，在端子电压确定步骤S4中确定端子电压(Vt)达到预定电压范围的上限或下限的情况下，将通过将预定流量(Qa)与基准流量(Qn)相加而得到的流量(Qn+Qa)设置为泵40的泵流量(Q)(步骤S5-2)。在之前的泵流量设置步骤中已经相加了流量(Qa)的情况下，将被相加的流量(Qa)可增大。
在上述根据实施例1的RF电池系统1中，在恒定监测操作期间的电解液的SOC的同时，通过针对泵40设置对应于SOC的基准流量，泵损失可减少。此外，在恒定监测电池单元10的端子电压的同时，在预料到端子电压(Vt)将达到预定电压范围的上限或下限的情况下，通过将预定流量与基准流量相加来增大泵40的流量，可抑制端子电压(Vt)的变化。因此，可以防止以下问题：即使SOC在能够充电和放电的范围内，端子电压(Vt)也超出预定电压范围，从而可以进行稳定操作。
在上述根据实施例1的RF电池系统1中，已经描述了通过SOC测量单元51测量将被供应到电池单元10的电解液的SOC的示例。然而，待被测量的SOC可以是将从电池单元10被排放的电解液的SOC。
在上述根据实施例1的RF电池系统1中，已经描述了其中使用V离子作为用于正电极和负电极的活性材料的基于钒的RF电池的示例。然而，除了基于钒的RF电池之外，本发明还可应用于基于铁-铬的RF电池和基于钛-锰的RF电池，在基于钛-锰的RF电池中，使用Mn离子作为正电极活性材料，并且使用Ti离子作为负电极活性材料。
本说明书还公开了以下的发明：
(1)一种泵控制单元，其用于被安装在氧化还原液流电池系统上，所述氧化还原液流电池系统包括：
电池单元；
电解液储槽；
循环管，其将电解液从所述电解液储槽循环供应到所述电池单元；
泵，其使所述电解液经过所述循环管循环；
电力转换器，其被连接到所述电池单元并且控制充电和放电；
SOC测量单元，其测量所述电解液的充电状态；以及
端子电压测量单元，其测量所述电池单元的端子电压，
用于控制所述泵的流量泵控制单元所述泵控制单元包括：
基准流量获取单元，其获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量；
端子电压确定单元，其确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限；以及
泵流量设置单元，其在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置所述泵的基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与所述泵的所述基准流量相加而得到的流量。
在这种情况下，在监测操作期间电解液的充电状态的同时，通过针对泵设置对应于充电状态的基准流量，可减少泵损失。此外，在监测电池单元的端子电压的同时，在预料到端子电压将达到预定电压范围的上限或下限的情况下，通过将预定流量与基准流量相加来增大泵的流量，可抑制端子电压的变化，并且可以防止端子电压达到预定电压范围的上限或下限。
(2)根据(1)所述的泵控制单元，所述端子电压的所述预定电压范围可以是基于所述电力转换器的操作电压来被设置的。
在这种情况下，通过在端子电压达到电力转化器的操作电压的上限或下限之前增大泵的流量，可防止端子电压超出操作电压的范围。
(3)根据(1)或(2)所述的泵控制单元，所述SOC测量单元可通过测量所述电池单元的开路电压和与所述电池单元的所述开路电压对应的电压这两者中的至少一个来测量所述电解液的充电状态。
在这种情况下，可通过测量电池单元的开路电压(正电极电解液和负电极电解液之间的电势差)来得到电解液的充电状态(SOC)。
(4)一种氧化还原液流电池系统，所述氧化还原液流电池系统包括：
电池单元；
泵，其将电解液供应到所述电池单元；
泵控制单元，其控制所述泵的流量；
SOC测量单元，其测量所述电解液的充电状态；以及
端子电压测量单元，其测量所述电池单元的端子电压，
其中，所述泵控制单元包括：
基准流量获取单元，其获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量；
端子电压确定单元，其确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限；以及
泵流量设置单元，其在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置所述泵的所述基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与所述泵的所述基准流量相加而得到的流量。
在这种情况下，在监测操作期间电解液的充电状态的同时，通过针对泵设置对应于充电状态的基准流量，可减少泵损失。此外，在监测电池单元的端子电压的同时，在预料到端子电压将达到预定电压范围的上限或下限的情况下，通过将预定流量与基准流量相加来增大泵的流量，可抑制端子电压的变化，并且可以防止端子电压达到预定电压范围的上限或下限。
(5)根据(4)所述的氧化还原液流电池系统可包括电力转换器，所述电力转换器被连接到所述电池单元并且控制充电和放电。
(6)在根据(5)所述的氧化还原液流电池系统，所述端子电压的所述预定电压范围可基于所述电力转换器的操作电压来被设置的。
在这种情况下，通过在端子电压达到电力转化器的操作电压的上限或下限之前增大泵的流量，可防止端子电压超出操作电压的范围。
(7)在根据(4)至(6)中的任一项所述的氧化还原液流电池系统中，所述SOC测量单元可通过测量所述电池单元的开路电压来测量所述电解液的充电状态。
在这种情况下，可通过测量电池单元的开路电压(正电极电解液和负电极电解液之间的电势差)来得到电解液的充电状态(SOC)。
(8)根据(4)至(7)中的任一项所述的氧化还原液流电池系统,还可包括电解液储槽和循环管，所述循环管将所述电解液从所述电解液储槽循环供应到所述电池单元。
工业实用性
根据本发明的氧化还原液流电池系统可应用于大容量存储电池，该大容量存储电池旨在被用于对使用天然能源进行发电的输出中的变化进行平滑化，存储过剩电力，负载均衡等。根据本发明的泵控制单元可应用于氧化还原液流电池系统，该氧化还原液流电池系统旨在被用于对使用天然能源进行发电的输出中的变化进行平滑化，存储过剩电力，负载均衡等。根据本发明的用于操作氧化还原液流电池的方法可应用于操作包括用于将电解液循环至电池单元的泵的氧化还原液流电池系统。
参考符号列表
1 氧化还原液流电池系统
10 电池单元
101 隔膜
102 正电极单元
103 负电极单元
104 正电极
105 负电极
20 正电极电解液储槽
25 正电解液循环管
26 正电解液供应管
27 正电解液返回管
30 负电极电解液储槽
35 负电解液循环管
36 负电解液供应管
37 负电解液返回管
40 泵
51 SOC测量单元(监测器单元)
52 端子电压测量单元
60 泵控制单元
61 基准流量获取单元
62 端子电压确定单元
63 泵流量设置单元
C 电力转换器(AC-DC转换器)
G 发电单元
L 负载

Claims (13)

1.一种氧化还原液流电池系统，其包括：
电池单元；
电解液储槽；
循环管，其将电解液从所述电解液储槽循环供应到所述电池单元；
泵，其使所述电解液经过所述循环管循环；
电力转换器，其被连接到所述电池单元并且控制充电和放电；
泵控制单元，其控制所述泵的流量；
SOC测量单元，其测量所述电解液的充电状态；以及
端子电压测量单元，其测量所述电池单元的端子电压，
其中，
所述泵控制单元包括：
基准流量获取单元，其获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量；
端子电压确定单元，其确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限；以及
泵流量设置单元，其在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置所述泵的所述基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与所述泵的所述基准流量相加而得到的流量。
2.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其中，所述端子电压的所述预定电压范围是基于所述电力转换器的操作电压来被设置的。
3.根据权利要求1或2所述的氧化还原液流电池系统，其中，所述SOC测量单元通过测量所述电池单元的开路电压来测量所述电解液的充电状态。
4.一种泵控制单元，其用于被安装在氧化还原液流电池系统上，所述氧化还原液流电池系统包括：
电池单元；
电解液储槽；
循环管，其将电解液从所述电解液储槽循环供应到所述电池单元；
泵，其使所述电解液经过所述循环管循环；
电力转换器，其被连接到所述电池单元并且控制充电和放电；
SOC测量单元，其测量所述电解液的充电状态；以及
端子电压测量单元，其测量所述电池单元的端子电压，
用于控制所述泵的流量的所述泵控制单元包括：
基准流量获取单元，其获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量；
端子电压确定单元，其确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限；以及
泵流量设置单元，其在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置所述泵的所述基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与所述泵的所述基准流量相加而得到的流量。
5.根据权利要求4所述的泵控制单元，其中，所述端子电压的所述预定电压范围是基于所述电力转换器的操作电压来被设置的。
6.根据权利要求4或5所述的泵控制单元，其中，所述SOC测量单元通过测量所述电池单元的开路电压和与所述电池单元的所述开路电压对应的电压这两者中的至少一个来测量所述电解液的充电状态。
7.一种氧化还原液流电池系统，所述氧化还原液流电池系统包括：
电池单元；
泵，其将电解液供应到所述电池单元；
泵控制单元，其控制所述泵的流量；
SOC测量单元，其测量所述电解液的充电状态；以及
端子电压测量单元，其测量所述电池单元的端子电压，
其中，
所述泵控制单元包括：
基准流量获取单元，其获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量；
端子电压确定单元，其确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限；以及
泵流量设置单元，其在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置所述泵的所述基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下设置通过将预定流量与所述泵的所述基准流量相加而得到的流量。
8.根据权利要求7所述的氧化还原液流电池系统，其还包括：
电力转换器，所述电力转换器被连接到所述电池单元并且控制充电和放电。
9.根据权利要求8所述的氧化还原液流电池系统，其中，
所述预定电压范围是基于所述电力转换器的操作电压来被设置的。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的氧化还原液流电池系统，其中，
所述SOC测量单元通过测量所述电池单元的开路电压来测量所述电解液的充电状态。
11.根据权利要求7至9中的任一项所述的氧化还原液流电池系统，其还包括：
电解液储槽和循环管，所述循环管将所述电解液从所述电解液储槽循环供应到所述电池单元。
12.根据权利要求10所述的氧化还原液流电池系统，其还包括：
电解液储槽和循环管，所述循环管将所述电解液从所述电解液储槽循环供应到所述电池单元。
13.一种用于操作氧化还原液流电池系统的方法，其中，通过泵将电解液从电解液储槽循环供应到电池单元，并且通过电力转换器来执行充电和放电，所述方法包括：
SOC测量步骤，其中，测量所述电解液的充电状态；
端子电压测量步骤，其中，测量所述电池单元的端子电压；
基准流量获取步骤，其中，获取与所述电解液的充电状态对应的所述泵的基准流量；
端子电压确定步骤，其中，确定所述电池单元的端子电压是否达到预定电压范围的下限或上限；以及
泵流量设置步骤，其中，在所述端子电压没有达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下，对于所述泵来设置所述基准流量，并且在所述端子电压达到所述预定电压范围的上限或下限的情况下，对于所述泵来设置通过将预定流量与所述基准流量相加而得到的流量。
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