一种基于SOC检测装置冗余设计的液流电池及SOC计量方法

技术领域

本发明属于液流电池荷电状态(SOC)检测领域，具体的说是涉及一种用于液流电池的SOC检测装置的冗余设计结构。

背景技术

液流电池由于其具有安全性好、寿命长、环境友好等优点，成为大规模储能装置的理想选择之一，其主要应用市场包括可再生能源电站和用户侧智能微网(居民区、工业区、公共设施)等。

荷电状态(SOC)是反应液流电池可放出容量的重要参数之一，为确保有效控制和管理液流电池，获得良好的充放电性能和长久的使用寿命，需要时刻检测液流电池的荷电状态记录真实准确的SOC值，并根据该值进一步控制液流电池执行相应的运行策略，如进行电解液流量的调整、充放电模式的改变等。此外，电池管理系统还将获得的SOC值进一步反馈到上级能量管理系统上，为其调度提供重要参考和依据。可以说SOC检测装置所获得的SOC值的准确程度(即与真实值的偏差)会直接影响到液流电池甚至是电站级储能系统运行的安全性和稳定性。

目前SOC值的检测多是通过SOC检测装置实现，但是现有技术中检测的SOC值由于缺少参考和对比，使得电池管理系统无法判断出该检测的SOC值是否为真实准确值，直接参考非准确的SOC值进行控制和调度液流电池会对液流电池本体以及电站级储能系统运行的安全性和稳定性造成不可忽视的影响；具体的，当SOC检测装置出现漏液、堵塞、监测位置的电位传感器精度发生漂移、电压传感器的精度发生漂移等情况时，会导致该SOC检测装置所反馈的SOC值与真实值之间存在较大的偏差，参考目前国内外已经进行的多个兆瓦级液流电池项目可知，在某些情况下SOC检测装置反馈到电池管理系统的SOC值与SOC真实值的差异甚至超过10％。当SOC检测装置将非准确SOC值反馈到电池管理系统及上级能量管理系统时，轻则不准确的SOC影响液流电池的后续运行和管理，重则会出现调度指令与液流电池实际状态严重不符的情况，导致液流电池强行进行过充电、过放电的操作，严重影响整个储能系统运行的效率和稳定性，长期 以往会出现电池系统容量和性能大幅度降低、电堆烧毁、电池系统无法继续工作等现象。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于SOC检测装置冗余设计的液流电池及SOC计量方法。

本发明的技术方案为：

一种基于SOC检测装置冗余设计的液流电池，其特征在于：在同一监测位置至少设置两对SOC检测装置。

进一步的，所述SOC检测装置的连接方式为串联或者并联。

进一步的，所述监测位置是指正极电解液储罐内和负极电解液储罐内、电堆的正极电解液出口管路和负极电解液出口管路上、电堆的正极电解液入口管路和负极电解液入口管路上的任意一对位置。

进一步的，所述液流电池还包括电池管理系统，所述电池管理系统包括：

SOC计算模块：根据处于运行状态的SOC检测装置检测的信号计算获得各SOC检测装置对应的SOC值；

SOC故障判断模块：对所计算的各SOC值进行比较，确定处于故障状态的SOC检测装置；

SOC故障消除模块：执行关闭所述处于故障状态的SOC检测装置两端阀门的操作。

进一步的，所述SOC故障判断模块通过预设的故障判断程序确定处于故障状态的SOC检测装置，所述的故障判断程序包括：

当处于运行状态的SOC检测装置对数大于2时，所述SOC故障判断模块的工作方式如下

分别对计算获得的各SOC值与其他SOC值进行做差比较，若当前SOC值与其他SOC值之间的差值均大于所设定的故障阈值Y¹，则判定当前的SOC值对应的SOC检测装置状态为故障，启动SOC故障消除模块；

当处于运行状态的SOC检测装置对数等于2时，所述SOC故障判断模块的工作方式如下

分别判定两对SOC检测装置的开路电压是否在所设定的故障阈值范围Y²内，若当前SOC检测装置的开路电压未在故障阈值范围Y²内，则判定当前的 SOC检测装置状态为故障，启动SOC故障消除模块。

进一步的，在所述SOC故障消除模块启动后，所述SOC计算模块重新进行SOC计算，SOC故障判断模块继续对所计算的各SOC值进行比较，重新确定处于故障状态的SOC检测装置。

进一步的，所述液流电池在同一监测位置至少设置N对互为冗余的SOC检测装置，其中，N-M对SOC检测装置处于运行状态，M对SOC检测装置处于备用状态，2≤N-M＜N，N≥3。

基于上述SOC检测装置的冗余设计结构，所述电池管理系统还包括状态切换模块；所述状态切换模块控制备用SOC检测装置实现备用状态与运行状态之间的切换。

所述状态切换模块在SOC故障消除模块执行关闭故障SOC检测装置两端阀门的操作后，自动控制备用SOC检测装置两端的阀门开启，将备用SOC检测装置由备用状态切换为运行状态。

本发明还要提供一种基于SOC检测装置冗余设计的液流电池的SOC计量方法，其特征在于：

包括如下步骤

步骤1、在液流电池的同一监测位置至少设置两对SOC检测装置；

步骤2、根据处于运行状态的SOC检测装置检测的信号计算获得各SOC检测装置对应的SOC值；

步骤3、对所计算的各SOC值进行比较，确定处于故障状态的SOC检测装置；

步骤4、执行关闭处于故障状态的SOC检测装置两端阀门的操作；

步骤5、判断当前液流电池是否设有备用SOC检测装置，是则执行步骤6，否则执行步骤7；

步骤6、自动打开备用SOC检测装置两端的阀门，将备用状态的SOC检测装置切换为运行状态后，执行步骤2；

步骤7、判断当前液流电池是否允许更换处于故障状态的SOC检测装置，是则执行步骤2，并在执行步骤2过程中将更换完毕后的SOC检测装置切换为运行状态；否则仅执行步骤2。

进一步的，所述SOC检测装置的连接方式为串联或者并联。

进一步的，所述监测位置是指正极电解液储罐内和负极电解液储罐内、电堆的正极电解液出口管路和负极电解液出口管路上、电堆的正极电解液入口管路和负极电解液入口管路上的任意一对位置。

进一步的，所述步骤3通过预设的故障判断程序确定处于故障状态的SOC检测装置，所述的故障判断程序包括：

当处于运行状态的SOC检测装置对数大于2时，分别对计算获得的各SOC值与其他SOC值进行做差比较，若当前SOC值与其他SOC值之间的差值均大于所设定的故障阈值Y¹，则判定当前的SOC值对应的SOC检测装置状态为故障，执行步骤4；

当处于运行状态的SOC检测装置对数等于2时，分别判定两对SOC检测装置的开路电压是否在所设定的故障阈值范围Y²内，若当前SOC检测装置的开路电压未在故障阈值范围Y²内，则判定当前的SOC检测装置状态为故障，执行步骤4。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明能够快速判断电池管理系统获得的SOC检测值是否准确，并迅速停止故障SOC检测装置的运行，有效解决了现有SOC检测数值容易出现失效、不准确的问题，保证液流电池运行全过程所监测的SOC值始终为可参考的准确值，延长液流电池的使用寿命，提高液流电池的安全稳定运行能力；

2、本发明在更换、维护SOC检测装置过程中不需要对液流电池停机，不中断SOC的检测，保证液流电池的运行和调度正常，大大减少液流电池的停机频率，提高液流电池的运行效率和出力能力；

3、本发明保证了电池管理系统和上级能量管理系统在任何时刻均能够接收到准确的SOC值，大幅度降低因参考失效SOC值而执行错误操作的可能性，实现液流电池的安全管理和调度，降低液流电池因无法实现正常出力对储能电站其它设备(如逆变器、发电设备、用电负载等)的影响，提高储能电站和电网系统的整体安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明所述的基于SOC检测装置冗余设计的液流电池结构示意简图；

图2为本发明所述的基于SOC检测装置冗余设计的液流电池的电池管理系统结构示意图；

图3为本发明所述的基于SOC检测装置冗余设计的液流电池的SOC计量方法步骤图；

图4为本发明所述的实施例1对应的液流电池SOC检测装置冗余结构示意简图；

图5为本发明所述的实施例2对应的液流电池SOC检测装置冗余结构示意简图；

图6为本发明所述的实施例3对应的液流电池SOC检测装置冗余结构示意简图；

图7为本发明所述的故障判断流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

鉴于准确的SOC值是液流电池系统运行安全性和稳定性的重要影响因素，因此如何突破现有解决方案的弊端，保证SOC检测值的准确性则是本发明的研究重点---即本发明通过采用多对SOC检测装置组成冗余结构并依据该冗余结构配套设计了相应的SOC故障判断策略来有效保证了液流电池系统运行的安全性和稳定性。

具体的，本发明给出一种基于SOC检测装置冗余设计的液流电池，如图1，其通过在同一监测位置至少设置两对SOC检测装置的冗余设计来保证测量的SOC值的准确度；所述的监测位置可以是正极和负极电解液储罐内、电堆的电解液入口管路上或者电堆的电解液出口管路上的任意一对位置；即可以将各所述SOC检测装置的正极置于正极电解液储罐内、SOC检测装置的负极置于负极电解液储罐内；或者SOC检测装置的正极与电堆的正极电解液入口管路相连，SOC检测装置的负极与电堆的负极电解液入口管路相连；或者SOC检测装置的正极与电堆的正极电解液出口管路相连，SOC检测装置的负极与电堆的负极电解液出口管路相连。

所述SOC检测装置的连接方式可以为串联或者并联。

依据该冗余结构还配套设计了相应的SOC故障判断策略，如图2。该SOC故障判断策略通过所述液流电池的电池管理系统实现，所述电池管理系统包括：SOC计算模块、SOC故障判断模块以及SOC故障消除模块；

其中所述SOC计算模块用于根据处于运行状态的SOC检测装置检测的信号计算获得每对SOC检测装置对应的SOC值；

所述SOC故障判断模块用于对所计算的各个SOC值进行比较，确定处于故障状态的SOC检测装置，所述SOC故障判断模块可通过预设的故障判断程序确定处于故障状态的SOC检测装置，如图7，所述的故障判断程序按照处于运行状态的SOC检测装置对数分为两种情况，包括：

(1)当处于运行状态的SOC检测装置对数大于2时，所述SOC故障判断模块的工作方式如下：

将计算出每个SOC值分别与其他SOC值进行做差比较，若当前SOC值与其他SOC检测装置对应的SOC值之间的差值均大于所设定的故障阈值Y¹(如5％)，则判定当前的SOC检测装置状态为故障，启动SOC故障消除模块；

(2)当处于运行状态的SOC检测装置对数等于2时，所述SOC故障判断模块的工作方式如下：

分别判定两对SOC检测装置的开路电压是否在所设定的故障阈值范围Y²内，若当前SOC检测装置的开路电压未处于故障阈值范围Y²内时，则判定当前的SOC检测装置状态为故障，启动SOC故障消除模块。

其中所述故障阈值范围Y²是指液流电池系统待机状态下，其电堆中对应数量单电池的开路电压值，若当前电堆单节开路电压为1.55V时，Y²值的阈值范围一般为1.53～1.57V；所述故障阈值范围Y²可按照实际的SOC检测装置、电堆中单电池数量和连接结构具体设定，如设定1对SOC检测装置(内置1节SOC电池)并联于1个电堆的电解液入口管路上，则电堆中对应数量单电池的开路电压值＝电堆总电压/单电池节数；如设定n对SOC检测装置(内置m节SOC电池)并联于1个电堆的电解液入口管路上，则电堆中对应数量单电池的开路电压值＝m*电堆总电压/单电池节数；又如设定一对SOC检测装置并联于3个串联电堆的电解液出口管路上，则电堆中对应数量单电池的开路电压值＝3个电堆总电压/3个电堆的单电池节数总数。

在所述SOC故障消除模块启动后，所述SOC计算模块重新进行SOC计算，SOC故障判断模块继续对所计算的各SOC值进行比较，重新确定处于故障状态的SOC检测装置。

进一步的，所述液流电池在同一监测位置的冗余设计结构上可以采用最简单的一用一备的设计结构，也可采用多用多备的设计结构，即至少设置N对互为 冗余的SOC检测装置时，其中，N-M对SOC检测装置处于运行状态，M对SOC检测装置处于备用状态，2≤N-M＜N，N≥3。

同时为了应对所述液流电池不能及时更换处于故障状态的SOC检测装置，但是仍需要保证SOC值测量的准确性或者需要将备用状态的SOC检测装置切换为运行状态等情况。基于上述SOC检测装置的冗余设计结构，所述电池管理系统除设有SOC计算模块、SOC故障判断模块、SOC故障消除模块外，还设有状态切换模块，所述状态切换模块控制备用SOC检测装置实现备用状态与运行状态之间的切换，如在SOC故障消除模块执行关闭故障SOC检测装置两端阀门的操作后，自动控制备用SOC检测装置两端的阀门开启，将SOC检测装置由备用状态切换为运行状态；或者在故障SOC检测装置排除故障后将其重新切换为运行状态，并控制备用SOC检测装置两端的阀门关闭，将该备用SOC检测装置由运行状态切换为备用为状态。在电池系统完成切换操作后，所述SOC计算模块重新进行计算，同时SOC故障判断模块继续对所计算的各个SOC值进行比较，重新确定处于故障状态的SOC检测装置，用以保证SOC值测量的连续性以及有效性。

同时本发明还提供了一种液流电池的SOC计量方法，如图3，其包括如下步骤：

包括如下步骤

步骤1、在液流电池的同一监测位置至少设置两对SOC检测装置；

步骤2、根据处于运行状态的SOC检测装置检测的信号计算获得各SOC检测装置对应的SOC值；

步骤3、对所计算的各个SOC值进行比较，确定处于故障状态的SOC检测装置；

步骤4、执行关闭处于故障状态的SOC检测装置两端阀门的操作；

步骤5、判断当前液流电池是否设有备用SOC检测装置，是则执行步骤6，否则执行步骤7；

步骤6、自动打开备用SOC检测装置两端的阀门，将备用状态的SOC检测装置切换为运行状态后，执行步骤2；

步骤7、判断当前液流电池是否允许更换处于故障状态的SOC检测装置，是则执行步骤2，并在执行步骤2过程中将更换完毕后的SOC检测装置切换为运行状态；否则仅执行步骤2。

进一步的，所述SOC检测装置的连接方式为串联或者并联。

进一步的，所述监测位置是指正极电解液储罐内和负极电解液储罐内、电堆的正极电解液出口管路和负极电解液出口管路上、电堆的正极电解液入口管路和负极电解液入口管路上的任意一对位置。

进一步的，所述步骤3通过预设的故障判断程序确定处于故障状态的SOC检测装置，所述的故障判断程序包括：

当处于运行状态的SOC检测装置对数大于2时，分别对计算获得的各SOC值与其他SOC值进行做差比较，若当前SOC值与其他SOC值之间的差值均大于所设定的故障阈值Y¹，则判定当前的SOC值对应的SOC检测装置状态为故障，执行步骤4；

当处于运行的SOC检测装置对数等于2时，分别判定两对SOC检测装置的开路电压是否在所设定的故障阈值范围Y²内，若当前SOC检测装置的开路电压未在故障阈值范围Y²内，则判定当前的SOC检测装置状态为故障，执行步骤4。其中，所述故障阈值范围Y²是指液流电池系统待机状态下，其电堆中对应数量单电池的开路电压值；若当前电堆单节开路电压为1.40V时，Y²值的阈值范围一般为1.38～1.42V；所述故障阈值范围Y²可按照实际的SOC检测装置、电堆中单电池数量和连接结构具体设定，如设定1对SOC检测装置(内置1节SOC电池)并联于1个电堆的电解液入口管路上，则电堆中对应数量单电池的开路电压值＝电堆总电压/单电池节数；如设定n对SOC检测装置(内置m节SOC电池)并联于1个电堆的电解液入口管路上，则电堆中对应数量单电池的开路电压值＝m*电堆总电压/单电池节数；又如设定一对SOC检测装置并联于3个串联电堆的电解液出口管路上，则电堆中对应数量单电池的开路电压值＝3个电堆总电压/3个电堆的单电池节数总数。

进一步的，所述步骤5至步骤7均是为了保证当前液流电池的SOC检测过程有效运行而设置的；在步骤4关闭处于故障状态的SOC检测装置两端阀门后，当前液流电池处于运行状态的SOC检测装置的对数有可能存在仅有一对运行状态的SOC检测装置的情况，那么在此种情况下，如何保证当前液流电池SOC检测过程有效运行或者说如何保证故障判断程序如何有效进行工作呢？则需要考虑切换备用SOC检测装置或者更换处于故障状态的SOC检测装置；即步骤5所述“判断当前液流电池是否设有备用SOC检测装置，是则执行步骤6，否则执行步骤7”，首先考虑当前液流电池是否设有备用SOC检测装置，存在 备用SOC检测装置打开备用SOC检测装置两端的阀门，将备用状态的SOC检测装置切换为运行状态即可保证当前液流电池的SOC检测过程有效运行；若是不存在备用SOC检测装置则在保证SOC检测过程继续运行的同时，需结合当前液流电池运行情况考虑当前是否允许更换处于故障状态的SOC检测装置，允许更换，则在更换完毕后的SOC检测装置切换为运行状态，将所述更换完毕后的SOC检测装置投放到证当前液流电池的SOC检测过程；不允许更换，则利用当前液流电池中处于运行状态的SOC检测装置继续进行SOC检测过程，直至能够更换处于故障状态的SOC检测装置。

同时所述步骤6“自动打开备用SOC检测装置两端的阀门，将备用状态的SOC检测装置切换为运行状态后，执行步骤2”中也可以参考步骤5对处于故障状态的SOC检测装置进行更换；即所述步骤6也可以为“步骤6、自动打开备用SOC检测装置两端的阀门，将备用状态的SOC检测装置切换为运行状态后，执行步骤7”。

本发明所述的SOC检测装置包括但不限于SOC电池及电位计。

下面结合具体实施例1-3对上述SOC检测装置冗余设计的液流电池及SOC计量方法做进一步说明：

实施例1：如附图4所示

C1～C4为一组SOC检测装置，其监测位置为电堆入口管路(图中R+、电堆的正极入口管路，R-、电堆的负极入口管路)；

C1～C4的前端和后端都安装有受控于状态切换模块的阀门，C1～C4的液路关系是并联连接；

设定当前状态为C1～C3处于运行状态，C4的阀门处于关闭即备用状态，根据C1～C3测得的SOC值计算对应的平均值并将其作为液流电池的SOC值；

若在某一时刻t₁，发现通过C1测量值得到的SOC数值与C2、C3测量值得到的SOC数值相比差异均大于5％，通过预设的故障判断程序如图7所示，判断出C1故障；

此时可以关闭C1前后端阀门将故障状态的C1停用、更换或把备用状态的C4的阀门打开并重新进行SOC计算，继续对所计算的各个SOC值进行比较，重新确定处于故障状态的SOC检测装置，以保证SOC值测量的连续性以及有效性；

其中若当前电池系统不允许更换C1则直接将SOC的计算调整为C2、C3 测得的SOC平均值，液流电池系统继续运行；

若当前电池系统允许更换C1，则C1更换完毕后，可将处于备用状态C1切换为运行状态，此时SOC的计算可调整回C1～C3测得的SOC平均值；

若开启C4前后两端阀门即备用状态C4切换为运行状态，则此时SOC的计算可调整为C2～C4测得的SOC平均值。

实施例2：如附图5

C1～C3为一组SOC检测装置，其监测位置在电堆出口管路(图中L+、电堆的正极出口管路，L-、电堆的负极出口管路)；

C1～C3的前端和后端都安装有阀门，C1～C3的液路关系是串联连接；

根据C1～C3测得的SOC值计算对应的平均值并将其作为液流电池的SOC值；

在某一时刻t₂，发现通过C2测量值得到的SOC数值与C1、C3测量值得到的SOC数值相比差异均大于5％，通过预设的故障判断程序如图7所示，判断出C2故障；

此时可以关闭C2前后端阀门，此时SOC的计算调整为C1、C3测得的SOC平均值，液流电池系统继续运行；

同时在电池系统允许的情况下更换C2；

C2更换完毕后可将处于备用状态C2切换为运行状态，此时SOC的计算可调整回C1～C3测得的SOC平均值。

实施例3：如附图6

C1、C2为一组SOC电池，其监测位置在电解液储罐侧，利用液位高度差使电解液流入SOC电池；

其中C1、C2的液路关系是并联连接，且当前C1和C2均处于运行状态；

根据C1～C2测得的SOC值计算对应的平均值并将其作为液流电池的SOC值；

在某一时刻t₃，发现通过C1、C2测量值存在差异，且差异大于5％，通过预设的故障判断程序如图7所示，判断出C2故障而C1正常；

此时可以关闭C2前后端阀门，此时SOC的计算调整为根据C1测得的数值计算SOC，液流电池系统继续运行；

同时在电池系统允许的情况下将故障状态的C2更换；

C2更换完毕后，打开C2前后端阀门(将备用状态C2切换为运行状态)此 时SOC的计算可调整回C1、C2测得的SOC平均值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。