連到公共DC總線的ZnBr液流電池的可反轉極性操作和切換方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種改進的電解質電池，其包括：適于保持一定量的陽極電解液和陰極電解液的槽組件；可操作地連接到槽組件上的多個電池單元堆，每個電池單元堆都由設置在端蓋之間的多個液流框架和可操作地連接到電池單元堆上的多個電力變換器形成。該電池單元堆形成有多個液流框架，每個液流框架都包括用于陽極電解液和陰極電解液流體的各自的入口和出口及設置在液流框架之間的分離器，其限定了每對液流框架之間的陽極和陰極半電池單元。電力變換器被配置成將具有正向或反向極性的電池連接到DC電源例如，DC總線上。陽極和陰極半電池單元根據(jù)電池連接到DC電源上的極性切換。
【專利說明】連到公共DC總線的ZnBr液流電池的可反轉極性操作和切換方法
[0001]相關串請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年8月22日提交的、標題為“Power Systems Formed withCell Stacks Including a Number of Flowing Electrolyte Batteries and Methods ofOperation”的、序列號為61/526，146的美國臨時申請的優(yōu)先權。該申請也是于2011年7月19 日提交的、標題為“Method and Apparatus for Controlling a Hybrid Power System”的、序列號為13/185，862的美國專利申請的部分繼續(xù)申請，其進而又是于2009年I月16日提交的、標題為 “Method and Apparatus for Controlling a Hybrid Power System，，的、序列號為12/355，169的美國專利申請的部分繼續(xù)申請，其于2011年8月30日公布為第8，008，808號美國專利。每一個上述申請的全部內容通過引用并入本文。
[0003]發(fā)明背景
[0004]本發(fā)明一般涉及供電系統(tǒng)，并且更具體地涉及包括流動電解質電池的供電系統(tǒng)。
[0005]用于某些現(xiàn)有技術的獨立的供電系統(tǒng)的電池通常是鉛酸電池。然而，鉛酸電池在性能和環(huán)境安全方面存在局限性。典型的鉛酸電池通常在炎熱的氣候條件下具有極短的壽命，特別是當它們有時候完全放電時。鉛酸電池也是危害環(huán)境的，因為鉛是鉛酸電池的主要組分，并且在制造和處理期間也會導致嚴重的環(huán)境問題。
[0006]流動電解質電池(例如，鋅-溴電池、鋅-氯電池和釩液流電池)提供了克服鉛酸電池的上述局限性的潛能。特別地，流動電解質電池的可用壽命并不受深度放電應用的影響，并且流動電解質電池的能量重量比比鉛酸電池高六倍。
[0007]然而，制造流動電解質電池可能比制造鉛酸電池更加困難。流動電解質電池，像鉛酸電池一樣，包括電池單元堆，用于產生高于單個電池單元電壓的特定電壓。但與鉛酸電池不同的是，流動電解質電池中的電池單元通過電解質循環(huán)路徑被液壓地連接。這會導致問題，因為分路電流從一節(jié)串聯(lián)連接的電池單元到另一電池單元時可流經(jīng)電解質循環(huán)路徑，會引起電池單元的單獨的充電狀態(tài)中的能量損耗和不平衡。為防止或減少這種分路電流，流動電解質電池需要電池單元之間的足夠長的電解質循環(huán)路徑，從而增加電池單元之間的電阻。
[0008]流動電解質電池的另一問題是在每個電池單元中需要均勻的電解質流速，以便將化合物均勻地供應到電池單元內部。為了達到通過電池單元的均勻流速,流動電解質電池限定了復雜的流體分布區(qū)域。然而，因為電解質通常具有油性、水性和氣態(tài)的多相特性，并且由于電池單元的結構限制，通常并不能達到均勻的流速。
[0009]這些類型的電池(其中電池使用電池單元堆的陣列)中的另一個問題是這些堆共享共用的流動電解質。由于這些堆共享電解質，堆兩端的開路電壓的測量僅僅表示該堆是否存儲一定的非零電荷量，而并非表示該堆相對于系統(tǒng)中的其它堆的電荷狀態(tài)。此外，堆間的開路電壓差通常用于表示改變堆的內電阻的一些內部異常。
[0010]例如，在鋅-溴流動電解質電池中，多個堆共享液態(tài)溴化鋅電解質，并具有它們自己的電極，用于在充電、放電周期中沉積和溶解鋅元素。在這種類型的電池中，可通過不適當?shù)胤胖娩\沉淀物來阻止電解質流向堆。另外，電極上的成核現(xiàn)象可導致電池單元之間形成枝狀晶體和分枝。這兩種情況都會使受影響的堆的內電阻或堆兩端的開路電壓降低。
[0011]流動電解質電池系統(tǒng)中的并聯(lián)連接的堆間的開路電壓差可影響堆的充電、放電周期，并且潛在地影響到電池的操作。例如，在上述的鋅-溴電池中，特定堆中的降低的開路電壓導致在充電周期中故障堆中的鋅沉積速率增加，而在放電周期中故障堆中的鋅溶解速率減小。此外，存儲在故障堆中的額外的鋅典型地來自于通常由相鄰堆使用的電解質。鋅的可用性降低的結果是，可能降低相鄰堆的儲能容量。另一結果是，具有增大的鋅沉積的堆在放電過程中無法完全耗盡鋅，從而最終導致鋅沉積在故障堆的電極上達到這樣一種程度，即，其導致堆的電池單元間的內部短路。這可潛在地破壞堆，還可能破壞整個電池系統(tǒng)。進一步的結果是，增加的鋅沉積可以限制電解質流動的通道。由于電解質流動起到冷卻堆的作用，因此流動的受限可導致堆的過熱。
[0012]為了將開路電壓恢復到更均勻的值，可以執(zhí)行均衡過程。均衡過程包括完全“剝離(stripping)”，即，完全放電電池中的每個堆，從所有堆的所有電池單元中完全去除任何存儲的電量。理想情況下，該過程消除最初造成堆間的開路電壓差的異常。例如，完全剝離通常溶解位于極板之間的枝狀晶體和/或阻止電解質流動的沉積物。然而，電池中的每個電池單元堆的完全剝離通常致使電池對于電氣應用完全不可用或者在顯著降低的容量下可用，從而需要購買和安裝額外的冗余電池系統(tǒng)。此外，由于通常電池中的少數(shù)堆非正常工作，因此常常不需要完全剝離。
[0013]另外，剝離流動電解質電池中的電池單元堆的現(xiàn)有方法通常是耗時的，并且由于問題的重現(xiàn)而不得不隔幾天就重復操作。當剝離時，即，完全放電電池單元堆時，必須小心避免電池單元反向，其中堆中的一個的極性變得與其它堆的極性相反。在這樣的情況下，具有反向極性的電池單元堆成為負載，其從其它堆汲取電流。因此，在放電期間，以較高的電流將電池單元堆首先放電到低電壓電平。當電池單元堆達到低電壓電平時，電流的大小被降低以使放電速率變慢。當電壓電平繼續(xù)下降時，隨著電壓電平接近零，電流的大小被重復地逐步降低以減小放電速率。通過以低速率接近零電壓電平，當達到零電壓時，中斷電池單元堆的放電。雖然這種放電電流的逐步降低避免了電池反向，但它也是剝離電池中的電池單元堆所需的時間中的重要因素。
[0014]因此，需要一種用于對流動電解質電池中的電池單元進行控制、監(jiān)控、充電和/或放電的改進的電解質液流電池設計、方法和裝置。
[0015]發(fā)明簡沭
[0016]已經(jīng)開發(fā)了本發(fā)明的各個方面來克服或減少現(xiàn)有技術的一個或多個限制，包括提供電池單元堆和單個電池單元的改進的結構以降低制造成本，并且改進流動電解質電池的電池單元堆的結構及提供對電池和與其相連的公共總線之間的電力流的改進的控制以減少均衡電池系統(tǒng)中的單個堆所需的時間量。
[0017]因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種改進的電池單元堆，其包括用來降低制造成本并用來改進流動電解質電池的電池單元堆的結構、實現(xiàn)以及操作的模塊化電池單元。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明通過在各種實施例中提供用于對流動電解質電池進行控制、監(jiān)控、充電和/或放電(總稱為“控制”)的改進的方法、系統(tǒng)和特征來解決現(xiàn)有技術中的不足。根據(jù)一個方面，本發(fā)明通過提供用于對流動電解質電池中的單獨的電池單元堆進行控制的方法、系統(tǒng)和特征來解決現(xiàn)有技術中的不足。在進一步的實施例中，本發(fā)明提供了用于對流動電解質電池中的單獨的電池單元堆進行控制的方法、系統(tǒng)和特征。除了其它優(yōu)點，本發(fā)明還增加了可對電池單元堆充電和剝離的靈活性；使得無需使電池脫機就可對其進行常規(guī)的和實時的維護；使電池維持為可預測并且一致的充電容量；減小由于例如電解質流動阻塞、熱量的散逸和/或枝狀晶體的形成而導致堆出現(xiàn)故障的可能性；減小不均勻的電池單元電鍍的風險；增加可用的充電/放電的周期數(shù)；以及減小涉及到維持冗余的電池系統(tǒng)的花費。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種改進的電解質電池，其包括:適于保持一定量的陽極電解液和陰極電解液的槽組件；可操作地連接到槽組件上的多個電池單元堆，每個電池單元堆都由設置在端蓋之間的多個液流框架和可操作地連接到電池單元堆上的多個電力變換器形成。該電池單元堆形成有多個液流框架，每個液流框架都包括用于陽極電解液和陰極電解液流體的各自的入口和出口及設置在液流框架之間的分離器，其限定了每對液流框架之間的陽極和陰極半電池單元。電力變換器被配置成將電池以正向或反向極性連接到DC電源(例如，DC總線)上。陽極和陰極半電池單元根據(jù)電池連接到DC電源上的極性進行切換。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于調節(jié)DC總線和能量存儲設備之間的電流流動的電力變換器包括:第一組端子，其被配置成連接到DC總線上；第二組端子，其被配置成連接到能量存儲設備上。第一組端子具有第一電極性，并且第二組端子具有第二極性。多個開關，其選擇性地將所述第一組端子連接到第二組端子上。存儲設備，其存儲多個指令；和處理器，其被配置成執(zhí)行用于在第一操作模式和第二操作模式操作的多個指令。在第一操作模式期間，第一電極性和第二電極性是相同的，并且在第二操作模式期間，第一電極性和第二電極性是相反的。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，多個開關可以還包括:第一組開關，其被配置成調節(jié)DC總線和能量存儲設備之間的電流流動；和第二組開關，其被配置成選擇第一操作模式和第二操作模式中的一個。該能量儲存設備可以是具有至少一個電池單元堆的液流電池。電力變換器然后調節(jié)DC總線和液流電池的任一個電池單元堆或液流電池的多個電池單元堆之間的電流流動。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，通過電力變換器控制連接到DC總線的電池上的充電水平的方法包括以下步驟:在電力變換器處接收開始對電池進行放電的命令，通過在電力變換器內產生多個開關信號來控制多個開關選擇性地將電池連接到DC總線上來以第一幅值調節(jié)電池和DC總線之間的電流流動，并監(jiān)控在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值。當在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第一閾值時，增加產生開關信號的頻率，并且以第二幅值調節(jié)電池和DC總線之間的電流流動。當在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第二閾值時，至少一個開關被保持接通(latched on)，并且當在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值實質上為零時，禁止使電池進行放電。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，以第一幅值調節(jié)電池和DC總線之間的電流流動時伴隨有電池上的第一極性的電壓。在禁止使電池進行放電之后，該方法還包括以下步驟:通過在電力變換器內產生多個開關信號來控制多個開關選擇性地按照第二極性將電池連接到DC總線上，來調節(jié)電池和DC總線之間的電流流動，其中第二極性與第一極性相反。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例，通過電力變換器控制連接到DC總線的電池上的充電水平的方法包括以下步驟:在電力變換器處接收開始對電池進行放電的命令，通過在電力變換器內產生多個開關信號來控制多個開關選擇性地按照第一極性將電池連接到DC總線，來調節(jié)電池和DC總線之間的電流流動，并監(jiān)控在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值。當在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值實質上為零時禁止使電池進行放電，并且通過在電力變換器內產生多個開關信號來控制多個開關選擇性地按照第二極性將電池連接到DC總線上來調節(jié)電池和DC總線之間的電流流動，其中第二極性與第一極性相反。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的再一方面并且在監(jiān)控電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值的步驟之后，該方法還包括以下步驟:以第一幅值調節(jié)電池和DC總線之間的電流流動，當在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第一閾值時增加產生開關信號的頻率，當在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第一閾值時以第二幅值調節(jié)電池和DC總線之間的電流流動，并且當在電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第二閾值時保持接通至少一個開關。
[0026]根據(jù)詳細描述和附圖，本領域技術人員應該清楚本發(fā)明的這些和其它目的、優(yōu)點和特征。然而，應該理解的是，雖然所述詳細描述和附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但這種描述和附圖只是示例性而不是限制性的。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以在本發(fā)明的范圍內作出許多改變和修改，而且本發(fā)明包括所有的這種修改。
[0027]附圖簡沭
[0028]本文所公開的主題的各種示例性實施例示出在附圖中，其中相同的附圖標記從始至終代表相同的部件，并且其中:
[0029]圖1是根據(jù)本公開構造的電池模塊的等距視圖；
[0030]圖2是圖1的模塊的正視平面圖；
[0031]圖3是圖1的模塊的局部正視平面正視圖；
[0032]圖4是圖3的模塊的分解等距視圖；
[0033]圖5是圖1的模塊的陽極電解液液流系統(tǒng)的等距視圖；
[0034]圖6是圖5的液流系統(tǒng)的分解等距視圖；
[0035]圖7是圖5的液流系統(tǒng)的正視平面圖；
[0036]圖8是圖5的液流系統(tǒng)的側視平面圖；
[0037]圖9是圖5的液流系統(tǒng)的俯視平面圖；
[0038]圖10是圖1的模塊的陰極電解液液流系統(tǒng)的分解等距視圖；
[0039]圖11是圖10的液流系統(tǒng)的正視平面圖；
[0040]圖12是圖10的液流系統(tǒng)的側視平面圖；
[0041]圖13是圖10的液流系統(tǒng)的俯視平面圖；
[0042]圖14是圖1的模塊的局部分解等距視圖；
[0043]圖15是圖14的模塊的正視平面圖；
[0044]圖16是圖14的模塊的俯視平面圖；
[0045]圖17是圖14的模塊的右側平面圖；
[0046]圖18是圖1的模塊的局部分解等距視圖；
[0047]圖19是圖18的模塊的正視平面圖；[0048]圖20是圖18的模塊的俯視平面圖；
[0049]圖21是圖18的模塊的右側平面圖；
[0050]圖22是用在圖1的模塊中的電池單元堆的等距視圖；
[0051]圖23是在圖22的電池單元堆中采用的液流框架的正視平面圖；
[0052]圖24是圖22的電池單元堆的端蓋的正視平面圖；
[0053]圖25是圖24的端蓋的后視平面圖；
[0054]圖26是在圖22的電池單元堆中使用的墊片材料的第一實施例的局部分離的正視平面圖；
[0055]圖27是圖26的墊片材料的第二實施例的局部分離的正視平面圖；
[0056]圖27A是圖27的墊片材料的局部分離的正視平面圖；
[0057]圖28是圖1的模塊的充電狀態(tài)的測量的圖形表示；
[0058]圖29是用在圖1的模塊中的DC/DC變換器的一個實施例的示意性表示；
[0059]圖30是圖29的DC/DC變換器的第一操作模式的框圖表示；
[0060]圖31是圖29的DC/DC變換器的第二操作模式的框圖表示；
[0061]圖32是圖29的DC/DC變換器的第三操作模式的框圖表示；
[0062]圖33是圖29的DC/DC變換器的第四操作模式的框圖表示；
[0063]圖34是示出圖29的DC/DC變換器的操作的流程圖；
[0064]圖35是示出圖34的流程圖的放電步驟的流程圖；及
[0065]圖36是示出圖34的流程圖的高損耗切換操作的流程圖。
[0066]在描述附圖所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，為清楚起見，采用了特定的術語。然而，并非意在將本發(fā)明限制于這樣選擇的特定術語，并且應當理解每個特定術語包括以類似方式工作以實現(xiàn)類似目的的全部技術等效物。例如，常常會用到詞語“連接”、“附接”或與之類似的術語。這些詞語不局限于直接連接而是包括通過其他元件的連接，而這樣的連接被本領域技術人員視為等效的。
_7] 優(yōu)選實施方式的詳細描述
[0068]現(xiàn)參考附圖，其中，在整個說明書中，相同的附圖標記表示相同的部件，在圖1-4和圖14-21中，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電解質電池模塊和系統(tǒng)整體以附圖標記10表示。電池系統(tǒng)10包括通用部件機殼12、置于機殼12內的電池單元堆14的組件、置于機殼12內的槽組件16。槽組件16包括陽極電解液液流系統(tǒng)18 (圖5-9)和陰極電解液液流系統(tǒng)20 (圖10-13)，其每一個都具有泵19和可操作地連接到電池單元堆14上的合適的管道
21。陽極電解液是陽極或電池中的負電池單元附近的電解液的一部分，而陰極電解液是陰極或電池中的正電池單元附近的電解液的一部分。在放電狀態(tài)，在每個系統(tǒng)18、20中的電解質基本上是相同的。在電池單元堆14被充電時，在陽極電解液液流系統(tǒng)18中的電解質變成帶負電荷的而在陰極電解液液流系統(tǒng)中的電解質變成帶正電荷的。如下文將要詳細討論的那樣，電池系統(tǒng)10被配置成使得電池單元堆14的極性可以被反向。因此，根據(jù)電池單元堆14的極性，液流系統(tǒng)18和20中的每一個可互換作為陽極電解液或陰極電解液液流系統(tǒng)。
[0069]位于機殼12內的DC/DC變換器殼體22包括可操作地連接到電池單元堆14的一個或多個DC/DC變換器24。母線28可操作地連接到DC/DC變換器24并且電力可以通過DC/DC變換器24在電池單元堆14和母線28之間雙向傳送。熱交換器26設置在機殼12內，并且風機(未示出)可以附接到機殼12上的風機安裝部27上。電池系統(tǒng)10還包括可操作地連接到電池系統(tǒng)10的各種部件的控制器100，包括泵19和變換器24等。
[0070]參看圖5-9，陽極電解液液流系統(tǒng)18具有泵19、管道21和三通閥30。從槽組件16的部分引出的管道21 (其中陽極電解液被保持到泵19上)用于將陽極電解液分布到電池單元堆14中。陽極電解液通過附加的管道21從電池單元堆14返回到槽組件16并且可以通過操作三通閥30由熱交換器26轉移。
[0071]現(xiàn)將參考圖10-13，陰極電解液液流系統(tǒng)20的形成類似于陽極電解液液流系統(tǒng)18，并且也具有泵19、管道21和四通閥32。從槽組件16的部分引出的管道21 (其中陰極電解液被保持到泵19上)用于將陰極電解液分布到電池單元堆14中。陰極電解液通過附加的管道21從電池單元堆14返回到槽組件16并且通過堆的流動方向可以通過操作四通閥32來反轉。
[0072]下面將參考圖22-25，其示出了電池單元堆14。該電池單元堆14由設置在一對端蓋36之間的多個液流框架34形成。每個液流框架34都被模制成包括一半的流動路徑和在液流框架34的每一側上的其它特征。分離器被包括在每一對液流框架34和相鄰的液流框架34之間，并且例如分離器通過超聲波焊接、振動焊接、或任何其它合適的接合方法接合來限定液流框架34之間的流動路徑。每個端蓋36都被模制成包括在端蓋36的一側上的流動路徑，其向內朝向電池單元堆14使得端蓋36與相鄰的液流框架34類似地限定流動路徑。端蓋36的另一側被模制成包括電池單元堆14的結構特征，并且以便有助于使電池單元堆14彼此連接。
[0073]然后參考每個液流框架34的一側和每個端蓋36的面向內部側，以下特征被模制成液流框架34和端蓋36。為了便于參考，該特征將參考液流框架34的一側來討論，但也可類似地應用到液流框架34的兩側和端蓋36的一側。液流框架34包括上邊緣62、下邊緣64、和在上邊緣62和下邊緣64之間延伸的一對側邊緣66?？拷毫骺蚣?4的每個角部的開口 37提供了用于電解質進入/離開電池單元堆14的入口 /出口或在液流框架34之間引導電解質的流動通道。
[0074]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，靠近上邊緣62或下邊緣64的一個開口 37提供了流體入口，而靠近相對的邊緣62或64的一個開口 37提供了用于電解質經(jīng)過包含在每個液流框架34和分離器之間的電極的流體出口?？拷线吘?2和下邊緣64中的每一個的其它開口 37限定了允許電解質通過液流框架34或分離器的通道，但沒有被引導到包含于其間的電極上。開口 37被配置成使得陽極電解液液流系統(tǒng)18中的電解質被沿著液流框架34的一側向下引導，而在陰極電解液液流系統(tǒng)20中的電解質被沿著液流框架34的另一側向下引導。分離器隔離了相鄰的液流框架34之間的陽極電解液和陰極電解液。然而，可能會在分離器上發(fā)生的離子轉移允許電流流入電池單元堆14。以這種方式，流經(jīng)電池單元堆的電解質被分到兩個流動路徑以經(jīng)過在液流框架34的交替?zhèn)壬系碾姌O。
[0075]內部集管系統(tǒng)38被限定為分別靠近上邊緣62和下邊緣64中的每一個以限定用于在液流框架34之間分布電解質的流動通道。內部集管系統(tǒng)38從陽極電解液液流系統(tǒng)18或陰極電解液液流系統(tǒng)中接收電解質，并通過第一通道引導它大致經(jīng)過靠近上邊緣62的液流框架34的寬度。內部集管系統(tǒng)38然后通過返回通道引導電解質到液流框架34的中心部分。電解質被隨后在液流框架34的每一側66之間以大致均勻的間隔分成多個流動路徑以形成用于電極的電解質分布的流動通道。所述內部集管系統(tǒng)38還包括靠近每一個入口開口和出口開口 37的集成過濾器39以防止大顆粒進入和可能堵塞集管系統(tǒng)38中的流動路徑。混合V形凸起41包括在流動通道中以當多相電解質流經(jīng)液流框架34時將其混合到連續(xù)乳液中。內部集管系統(tǒng)38也增加了電解質流動路徑，從而增大了內阻和降低了流經(jīng)電池單元堆14的分路電流，又創(chuàng)建了液流框架34之間的電解質的更均勻的分布。
[0076]根據(jù)所示的實施例，液流框架34進一步包括用于接合液流框架和分離器以形成電池單元堆14的部件。振動焊珠40被模塑到每個液流框架34中。振動焊珠40用于連接液流框架34來組裝電池單元堆14和在壓力下保持電池單元堆14的剛性。液流框架34還包括溢料收集器以容納在振動焊接過程中產生的溢料。液流框架或分離器框架由嵌件或包覆成型材料制成，并結合插入部分的外緣周圍的銷以將嵌件推到一側。這允許完整的液流框架34或分離器框架能夠完全地組裝在模具中，消除了許多手工組裝操作。焊接對準部件38包括但不限于顯示的銷和銷孔。在堆組裝之前以及堆組裝之后，內置的可視檢查部件確保適當?shù)慕M裝。
[0077]參照圖23和圖24，每個端蓋36的內部側與液流框架34的一側具有類似的結構。端蓋36包括具有集成濾波器48和混合V形凸起50的內部集管系統(tǒng)47。端蓋36還包括結構元件(例如，振動焊珠49和內置可視檢查部件53)以確保適當?shù)慕M裝。端蓋36還包括在一個角上的O形環(huán)槽和在相對角上的實體表面用于將堆密封在一起。端蓋可以插入和包覆成型在端子電極55的周圍用于模內裝配，密封封閉的電池單元堆14，包括在插入部分的外緣周圍結合銷以將嵌件推到一側的材料和成型方法。
[0078]鋅溴電池在每個電解質半電池單元中使用墊片網(wǎng)格材料以保持恒定的電池單元間隙厚度并防止電極和分離器膜相互接觸。該墊片需要提供尺寸穩(wěn)定性，而無需防止電解質流經(jīng)流動通道。
[0079]在圖26所示的一個實施例中，墊片設計使用了雙軸取向的聚丙烯網(wǎng)，其在控制條件下在兩個方向上被拉伸以產生堅固、有柔性、重量輕的網(wǎng)。
[0080]在圖27和圖27A所示的第二實施例中，在菱形(雙平面)結構中產生的擠壓網(wǎng)提供了改進的電池性能。流動試驗示出了在電極表面內的溴電解質的改善的分布，并且電池性能測試也示出了半電池單元堆之間的顯著改善的電流分布，其又提供了改善的能量效率。
[0081]電池系統(tǒng)10使用雙平面聚丙烯網(wǎng)格來改善電池單元間隙的一致性和電解質和溴在有效的電池單元區(qū)域上的分布。網(wǎng)格由兩層平行的線組成，其中每層中的線相對于彼此成一定角度地設置，例如，彼此垂直定向。此外，網(wǎng)格可以被定向在電池單元中，以便每層的線相對于電解質的流動方向成一定角度，例如相對于電解質流動方向成45度角。
[0082]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，獨立的DC/DC變換器24單獨地操作和控制液流電池系統(tǒng)10中的每個電池單元堆14。先前的試驗表明，電池單元堆14可以單獨地進行操作而不影響剩余的電池單元堆14的性能。同樣，當電池單元堆14被并聯(lián)電連接時，該電池單元堆14將在公共DC電壓下工作，但從每個電池單元堆14中傳送的或通過每個電池單元堆14接收的電流可以顯著變化以保持在每個電池單元堆上的公共DC電壓。進一步地，通過為每個電池單元堆14提供獨立的DC/DC變換器24，在剩余的電池單元堆14在標準充電/放電配置中保持工作的同時可以剝離一個電池單元堆14。[0083]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電池系統(tǒng)10配備有8個電池單元堆14，每個電池單元堆14都獨立地連接到DC/DC變換器24。這種結構允許模塊10使用DC總線電壓作為設定點進行充電和放電，來優(yōu)化到單個電池單元堆14的能量流動。這種結構的一個實例在序列號為13/185，862的共同未決的美國專利申請中示出，其全部內容通過引用并入本文。本申請討論了滯后控制方法，利用該方法，電力通過相應的DC/DC變換器24以雙向方式在DC總線28和每個電池單元堆14之間傳送。每個DC/DC變換器24都包括單獨的設定點，電池單元堆14在該設定點處被充電或放電。例如，具有較低的充電狀態(tài)的電池單元堆可以使它們的DC/DC變換器24設置為在較低的DC總線設定點(例如，35IV)處充電，而具有較高的充電狀態(tài)的電池單元堆可以使它們的DC/DC變換器24設置為在較高的DC總線設定點(例如，355V)處充電。因此，DC總線28上的能量得以首先存儲在具有較低的充電狀態(tài)的電池單元堆14中。所述設置點可以類似地交錯排列用于對電池單元堆14進行放電。具有較高的充電狀態(tài)的電池單元堆14可以使它們的DC/DC變換器24設置為在較高的DC總線設定點(例如，330V)處對電池進行放電，而具有較低的充電狀態(tài)的電池單元堆14可以使它們的DC/DC變換器24設置為在較低的DC總線設定點(例如，325V)處對電池進行放電。因此，能量首先從具有較高的充電狀態(tài)的電池單元堆14供應到DC總線28。還可以想到，一個DC/DC變換器24可以連接到兩個或多個電池單元堆14。多個電池單元堆14可以串聯(lián)連接、并聯(lián)連接或其組合，導致能量存儲設備具有所需的電壓和儲能量。連接到DC/DC變換器24的一組電池單元堆14以與上面討論的單獨的電池單元堆14類似的方式被控制。
[0084]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，DC/DC變換器24被配置成使用在電池單元堆14上呈現(xiàn)的任一極性進行操作。在第一操作模式中，電池單元堆14上的極性與DC總線28上的極性相同。在第二操作模式中，電池單元堆14的極性與DC總線28上的極性相反。
[0085]下面參照圖29，其示出了示例性極性反向的DC/DC變換器24。DC/DC變換器包括與存儲設備202通信的處理器200。處理器200可以是但不限于微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)、邏輯電路、或它們的任意組合，并且可以進一步包括一個或多個上述串聯(lián)或并聯(lián)操作的設備。存儲設備202可以類似地以單個設備或多個設備來實現(xiàn)，并且可以包括靜態(tài)存儲器、動態(tài)存儲器、或其組合。存儲設備202被配置成例如用來存儲操作參數(shù)和程序，或由處理器200執(zhí)行的一系列指令。處理器204還與選通驅動器204通信。選通驅動器204可以是但不限于微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)、邏輯電路，并且也可以與處理器200集成到單個設備中。處理器200從傳感器接收對應于在整個DC/DC變換器24的各個點處的電壓和/或電流的幅值的反饋信號。位置取決于在處理器200內執(zhí)行的特定的控制程序。例如，DC總線傳感器200可以提供在DC總線212上呈現(xiàn)的電壓的幅值。任選地，DC總線傳感器200可操作地連接以提供在DC/DC變換器24的內部的DC總線214上傳導的電流的幅值。類似地，電流傳感器和/或電壓傳感器250和252可操作地連接以提供在連接到DC/DC變換器24的電池單元堆14處的電流和/或電壓的幅值。
[0086]DC/DC變換器24進一步包括一對輸入端子210，其被配置成連接到電池系統(tǒng)10的DC總線28上。然后每個端子210都被連接到DC/DC變換器24內的內部DC總線212上。內部DC總線212包括正供電軌214和負供電軌216。如本領域中所理解的，正供電軌214和負供電軌216可以傳導相對于公共電壓或中性電壓的任何合適的DC電壓電勢,并且不限于正或負的DC電壓電勢。進一步地，正供電軌214或負供電軌216可以連接到中性電壓電勢。正供電軌214典型地傳導具有比負供電軌216更大的電勢的DC電壓。電容218連接在內部DC總線212的正供電軌214和負供電軌216之間。根據(jù)系統(tǒng)要求，電容218可以是單個電容器或串聯(lián)或并聯(lián)連接的任何數(shù)量的電容器。
[0087]多個開關器件230、240選擇性地將內部DC總線212連接到輸出端子260。開關器件230、240通常是固態(tài)電力器件，包括但不限于雙極結型晶體管(BJT)、場效應晶體管(FET )、晶閘管或可控硅整流器(SCR)。任選地，開關器件230、240可以是機電器件或根據(jù)應用需求配置的任何其他合適的開關器件。二極管232、242并聯(lián)連接到每個開關器件230、240上用于當開關器件230、240被斷開時根據(jù)需要在開關器件230、240之間反向導通。第一組開關器件230用來控制在輸出端子260處的電壓的極性。第一組開關器件230中的每一個都接收相應的第一組選通信號206中的一個。第二組開關器件240用于調節(jié)內部DC總線212和輸出端子260之間的電流的幅值和方向。第二組開關器件240中的每一個都接收相應的第二組選通信號208中的一個。電感器246和248串聯(lián)地包括在第二組開關器件240和輸出端子260之間以便有助于調節(jié)內部DC總線212和輸出端子260之間的電流。
[0088]在操作中，DC/DC變換器24被配置成調節(jié)在DC總線28和連接到DC/DC變換器24上的一個或多個電池單元堆14之間的雙向電流流動。DC/DC變換器24也被配置成以相對于DC總線28的正向或反向極性連接到電池單元堆14，并且在保持對DC總線28連接處的恒定極性的同時，在電池單元堆14的極性之間進行切換。再次參照圖29，處理器200被配置成執(zhí)行存儲在存儲設備202中的一系列指令。處理器200產生所述選通驅動器204的參考信號，其反過來又產生選通信號206、208來控制開關器件230、240的操作?？蛇x地，選通驅動器204被集成在處理器200中并且所述處理器200被進一步配置成產生選通信號206、208。
[0089]根據(jù)所示的實施例，第一組選通信號206控制第一組開關器件230的操作，并且第一組開關器件230被配置成控制在輸出端子260處的電壓的極性。第一組開關器件230被配置成使得一次僅啟用晶體管I (Ql)或晶體管2 (Q2)中的一個。當啟用晶體管I (Ql)時，輸出端子260的極性相對于DC總線212的極性被反轉。當啟用晶體管2 (Q2)時，輸出端子260的極性與DC總線212的極性相同。
[0090]第二組選通信號208控制第二組開關器件240的操作，而第二組開關器件240被配置成控制DC總線212和輸出端子260之間的電流。如圖所示，包括兩對第二組開關器件240。第一對開關器件包括晶體管3 (Q3)、和晶體管4 (Q4);而第二對開關器件包括晶體管5 (Q5)，和晶體管6 (Q6)。任選地，可以包括單對第二組開關器件240。當啟用晶體管I(Ql)時，使得輸出端子260的極性與DC總線212的極性相反，分別進行切換晶體管4和6、Q4和Q6的操作來對連接到DC/DC變換器24的電池單元堆14進行充電。相反地，當啟用晶體管I (Ql)時使得輸出端子260的極性與DC總線212的極性相反，分別進行切換晶體管3和5、Q3和Q5的操作來對連接到DC/DC變換器24的電池單元堆14進行放電。當啟用晶體管2 (Q2)時使得輸出端子260的極性與DC總線212的極性相同，分別進行切換晶體管3和5、Q3和Q5的操作來對連接到DC/DC變換器24的電池單元堆14進行充電。相反，當啟用晶體管2 (Q2)時使得輸出端子260的極性與DC總線212的極性相同，分別進行切換晶體管4和6、Q4和Q6的操作來對連接到DC/DC變換器24的電池單元堆14進行放電。還應考慮的是可以以不同的組合控制開關器件230、240并且根據(jù)不同的控制程序來控制在輸出端子260處的電壓的極性和對電池單元堆14進行充電/放電。
[0091]還請參照圖30-33，其公開了在使用電池端子55上呈現(xiàn)的正向和反向電壓極性充電和放電時的電力變換器24的操作。在標準操作期間(即，除了電池單元堆14的均衡或剝離)，處理器204從存儲設備202中檢索DC/DC變換器24用來對電池單元堆14進行充電或放電的電壓設定點。DC/DC變換器24根據(jù)目前在電池端子55處命令的極性按照圖30和圖31或圖32和圖33進行操作。如果要求極性反轉，那么DC/DC變換器24對電池單元堆14進行完全放電，反轉施加到電池單元堆14上的電壓的極性，并開始對電池單元堆14再充電。DC/DC變換器24然后根據(jù)目前在電池端子55處命令的新的極性要求的按照圖30和圖31或圖32和圖33重新開始標準操作。
[0092]在標準操作下執(zhí)行DC/DC變換器24時，處理器200維持操作的記錄。任選地，模塊控制器100維持每個DC/DC變換器24的操作的記錄并根據(jù)操作的持續(xù)時間命令每個DC/DC變換器24的所需的操作模式。在預定的時間間隔之后，DC/DC變換器24進入電池單元均衡例程。需要該電池單元均衡過程，以防止電池單元堆14中破壞性鋅枝狀晶體的形成。
[0093]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，利用點系統(tǒng)來跟蹤DC/DC變換器24的操作。DC/DC變換器24或模塊控制器100監(jiān)控DC總線28和電池單元堆14之間的電流流動和作為預測電池系統(tǒng)10中的每個特定的電池單元堆14的方法的其它操作條件。電流和其他監(jiān)控條件被轉換成整數(shù)值或點。當這些點的總和達到用戶確定的最大值時，DC/DC變換器24被命令僅進入放電模式并開始電池均衡過程。監(jiān)控條件可以包括但不限于以下因素，例如，電池單元堆14的總的充電量和放電量(以安培小時計)，電池單元堆14的充電速率和放電速率，以及電池單元堆14從剝離循環(huán)之間的充電狀態(tài)到放電狀態(tài)已經(jīng)循環(huán)的次數(shù)。模塊控制器100可以進一步限制一次進入均衡例程中的電池單元堆14的數(shù)目，從而保持最小存儲容量。因此，通過DC/DC變換器24累積的點的數(shù)量可以在進入均衡例程時變化。點的數(shù)目可以用于確定剝離循環(huán)的類型和電池單元堆14將在剝離循環(huán)中的時間長度。通過跟蹤電池單元堆14的使用，只有那些需要均衡的電池單元堆14被命令進入均衡例程而不是進行整個電池系統(tǒng)10的剝離，從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的可用性?？蛇x地，僅根據(jù)操作時間DC/DC變換器可以被命令進入剝離循環(huán)。還應該想到的是仍然可以利用跟蹤電池單元堆14中的充電/放電循環(huán)的持續(xù)時間的其它方法而不偏離本發(fā)明的范圍。
[0094]下面參照圖34，其示出了改進的均衡例程300中的步驟。在步驟302中，DC/DC變換器24接收進入均衡例程的命令。該命令可以根據(jù)監(jiān)控連接的電池單元堆14的充電/放電周期的操作在內部產生。任選地，可以從模塊控制器100接收該命令。例如通過改變滯后控制的設定點，DC/DC變換器24進入放電模式。如果滯后控制的放電設定點被設置成大于DC總線28上的電壓的所需值的值，DC/DC變換器24開始將其各自的電池單元堆14放電到DC總線28。DC總線28上呈現(xiàn)的負載或剩余的電池單元堆14從DC總線28中汲取能量以維持DC總線28上所需的電壓電平。在步驟306，均衡例程繼續(xù)返回到放電步驟304，直到DC/DC變換器24已經(jīng)將其各自的電池單元堆14進行放電，并且電池上呈現(xiàn)的電壓已經(jīng)達到O伏。在達到O伏時，DC/DC變換器24將在電池端子55上呈現(xiàn)的極性反轉，如步驟308所示。然后DC/DC變換器24使用在電池端子554上呈現(xiàn)的反轉的極性開始對電池單元堆14進行充電。因為均衡例程300沒有涉及到電池單元反向，可以繼續(xù)以較塊速率降至零伏對電池單元堆14進行放電，而不是要求在連續(xù)降低電流的步驟中發(fā)生放電。
[0095]下面參照圖35，其更詳細地示出了均衡過程300的放電步驟304。在放電期間，DC/DC變換器24監(jiān)控在電池單元堆14上呈現(xiàn)的電壓的幅值，如步驟320所示。在步驟322中，將電壓的幅值與初始閾值進行比較。如果電壓的幅值大于初始閾值，則DC/DC變換器24繼續(xù)調節(jié)從電池單元堆14到DC總線28的電流，對電池單元堆14進行放電，如步驟324所示。如果電壓的幅值下降到低于初始閾值，則在步驟326中放電程序檢查電壓的幅值是否達到O伏。在電壓的幅值保持低于初始閾值但大于O伏時，啟用高損耗開關模塊，如步驟328所示。當電壓的幅值達到零伏，高損耗開關模塊被禁用，如步驟330所示。因此，DC/DC變換器24可操作地自動反轉在連接到電池單元堆14的輸出端子260上呈現(xiàn)的電壓的極性，同時保持連接到DC總線28的輸入端子210上的極性，并且同時以雙向的方式連續(xù)地調節(jié)DC電流。這種反轉電池單元堆14上的電壓的極性的能力加速了液流電池的電池單元均衡，并允許對液流電池模塊進行反向充電，同時保持在DC/DC變換器24的輸入處的通過電池系統(tǒng)10的其余部分看到的公共極性。
[0096]下面參照圖36，高損耗開關模塊350控制調制例程的開關頻率，如步驟352所示，產生開關設備230、240 (見圖29)的選通信號206、208以起到“有源電阻器”的作用。與傳統(tǒng)的放電方法相比，其中能量可以在所連接的電阻器中耗散，高損耗開關模塊350使得能量在開關設備230、240中耗散。通過增加調制例程的開關頻率，開關設備230、240被更頻繁地接通/斷開，導致與所述開關相關聯(lián)的損耗增加。通過等待直到在電池端子55處的電壓已經(jīng)降低到初始閾值以下，開關設備230、240兩端的電壓以及因此功率被降低。在步驟354中也可以減少電流參考，從而進一步降低在開關設備230、240的每次轉換中的功率損耗。
[0097]作為另一優(yōu)點，開關頻率可以在正常操作頻率和上限之間線性地變化。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，開關頻率可以增加由DC/DC變換器24所使用的原始開關頻率的4-16倍之間。相比之下，電阻器的傳統(tǒng)連接導致單個電阻或一系列分段電阻，導致在電池單元堆14放電時從電池單元堆14中汲取電流的有限步驟。盡管在圖36中示出，從方框358返回到放電方框356，高損耗開關模塊350可以被配置成使得它從方框358返回到改變開關頻率方框352，并且可實現(xiàn)連續(xù)可變的開關頻率。在步驟356中，高損耗開關模塊350以選擇的開關頻率和參考電流進行操作來使電池單元堆14進行放電。在步驟358中監(jiān)控電池單元堆14兩端的電壓電平。當電池單元堆14兩端的電壓電平已經(jīng)下降到低于較低的第二閾值時，可以保持接通多個開關設備中的一個或多個，產生短路以對電池單元堆14進行完全放電。電池單元堆14的內部電阻限制了在這種短路操作條件下的電流。通過用作有源電阻，高損耗開關模塊350提供了利用電阻方式的均衡電池單元的方法，與典型的固定的無源電阻方案相比，其在廣泛的操作頻率中是線性變化的。DC/DC變換器24具有能夠策略性地實現(xiàn)極性反轉的能力，高損耗開關模塊350或這兩者在每個范圍設置中都具有完全的靈活性。
[0098]盡管參考圖29中所示的DC/DC變換器24已經(jīng)討論了本發(fā)明，但是進一步設想，只要電力變換器被配置成用來調節(jié)DC總線212和輸出端子260之間的雙向電流流動，并控制在輸出端子260處的電壓的極性，可以采用電力變換器的許多其它配置而不脫離本發(fā)明的范圍。
[0099]以下是模塊10的部件的各個屬性和模塊10的操作的進一步描述。[0100]模塊電解質槽16-復雜的滇存儲、控制和水位管理
[0101]設計涉及使用都在頂部連接用于溢出保護的三個獨立的槽16。槽內的水位是通過泵速度和由于槽中的流體高度引起的壓頭差控制的。槽被旋轉模塑出用于泵和管道的凹陷區(qū)域。
[0102]電池單元和液流框架設計-給出在非常寬范圍的流體參數(shù)下的一致的流動分布。對于其它流動化學電池是有效的和合適的。
[0103]在液流框架34增壓室中應用了一些方法以通過連續(xù)的分支實現(xiàn)2P分布(S卩，兩
(2)參數(shù)分布函數(shù))。設計了一種解決方法，其在每個分支處實現(xiàn)了均勻的水平流動速率和足夠的濁度以均勻地分布單相或多相流體。
_4] 電池充電狀態(tài)指示器
[0105]2P槽底部的壓力被使用浸入式壓力傳感器記錄下來。參照圖28，如在充電期間(開始在3個電池單元堆上設置為I小時、100A)2P建立，壓力呈線性函數(shù)增加，因此與SOC成比例。在放電期間，每5-15分鐘變化4WV，使得在電池單元堆中建立的2P以快速的2P水平下降。
[0106]通過測量用于液流電池的電解質儲存槽中的電解質壓力測量電池SOC是本發(fā)明的目的。為了通過記錄槽壓力來記錄電解質密度中的變化可能是新的，并且可以通過用于鋅溴液流電池中的溴相的單獨的儲存槽來實現(xiàn)。
[0107]用于最大效率、長期關閉和脫氣過程的模塊電解質流動控制
[0108]模塊控制器100被設計成控制液流系統(tǒng)、熱管理和保護并監(jiān)控模塊的所有方面。模塊控制器100監(jiān)控八個(8)電池單元堆來確定硬件應該處于什么模式。例如，如果正在對任何一個電池單元堆進行放電，模塊將會打開用于放電的二相閥。該模塊控制器還使用風機和熱交換器的系統(tǒng)保持電池溫度。也處理了故障和系統(tǒng)消息。例如，如果模塊具有硬件故障，則控制器采取適當?shù)男袆觼戆踩仃P閉所述電池并且將故障通知給系統(tǒng)控制器。模塊控制器管理剝離功能和所有操作模式。
[0109]已經(jīng)開發(fā)了一種關閉程序來從電池單元堆中除去富溴第二相，使得電池可以無限期地處于部分充電狀態(tài)。2P槽在這一程序中起著不可或缺的作用，如包含分離溴相和水相的特征，使得溴存儲在2P槽中用于控制調度。在關閉程序期間，4通閥32旋轉到向前(從電池單元堆的頂部到底部)位置，關閉二相閥以使進入電池單元堆的溴的量減到最小，泵19以降低的速度操作或被脈沖調制來使電解質循環(huán)通過電池單元堆和清除溴相。該電池隨后被放電以除去電池單元堆中任何殘留的活性化學物質。一旦電池達到安全電壓，停止泵并且電池能夠無限期地保持在該狀態(tài)。
[0110]使用特種熱交換器26的模塊熱管理和調節(jié)
[0111]為了防止電解質的溫度超過允許的操作范圍，使用空氣冷卻熱交換器26在電池模塊上直接冷卻陽極電解液。為了防止電解質的腐蝕，該熱交換器的管側是使用高純度的鈦材料制成的。該熱交換器的空氣側采用鋁散熱片并且環(huán)境空氣被風機迫使通過該交換器以提供冷卻。該熱交換器26也被電隔離使得它在電解質電壓處浮動，并且沒有會加速腐蝕的泄漏電流。
[0112]雙(AC/DC)電力供給
[0113]單一設備用于提供控制和/或輔助電力，其中電力源是從冗余源中獲得的。其中電源利用電池模塊輸出和/或PECC公共DC總線和來自PECC系統(tǒng)中的逆變器的AC側的AC源或外部AC源的高壓調節(jié)的DC總線電壓。從而提供具有或不具有連接的AC源(例如，公用電網(wǎng))的完整的操作系統(tǒng)的能力，并且其中初級/優(yōu)選源被建立為DC輸入，因為它被連接到DC總線上，用于在可能時利用優(yōu)先可再生能源發(fā)電的目的，并且當不可用時只利用電網(wǎng)電源。雙電源保持與控制/輔助輸出的完全無縫銜接。該設備使得它可以具有用于所期望的冗余度的多個源輸入并提供一個或多個輸出。
[0114]使用公共DC總線28為輔助設備提供電力
[0115]一種單個全包式設備(輔助電源和控制模塊(APC))，其為液流電池設備(泵、控制器、風機、加熱器等)的輔助電源提供多個調節(jié)和隔離的DC電壓和對所有輔助設備和儀器的控制(并包括基于完整的DSP的控制)，以及在液流電池中的液流電池充電和放電控制，或本質上對液流電池需要操作的一切事物進行控制。此外，該設備包括外部通信以提供對液流電池中的機械和電力的所有方面的設置和控制以及完整的監(jiān)控。該設備(輔助電源和控制模塊)應封裝在具有安裝支架、電源、I/O和通信的單板上。并且其中該設備在液流電池模塊或其它能量存儲設備或可以連接到公共DC總線(例如，PECC公共總線)上的源的輸出處從共同調節(jié)的DC總線獲得其源。導致自我維持的液流電池模塊，甚至在沒有替代的生成源的情況下。重要性在于，只要能量被存儲并且從液流電池本身可獲得，并且不依賴于任何外部源或間接源來操作和控制液流電池，所有的環(huán)境和操作功能可以被保持。
[0116]用于包覆成型電池部件的方法和材料
[0117]在電池單元堆14中，薄膜、電極和端子電極(TE)被插入模制到其各自的“框架”中，即電池殼體(這些通常被稱為薄膜和電極組件的液流框架和用于TE組件的端蓋)。電極和框架塑料被改性以提高在這些材料之間的嵌件成型結合。這兩種材料都含有于230°C、
2.16kg的壓力下60-120gm/10min范圍內的高MFI聚丙烯。這兩種材料還含有一種聚烯烴彈性體(乙烯-辛烯共聚物)。這些添加劑增加了塑料的流動性和可混合性，從而導致在嵌件和注入的框架之間的更大的內聚力。
[0118]該嵌件在嵌件成型過程之前也被立即預熱到至少200華氏度。這有兩個目的，首先，它減少了熔化嵌件的表面所需的來自注入的塑料的熱量傳遞，從而增加了這兩種材料處于熔融狀態(tài)下的時間，因此，創(chuàng)造一個更混雜和一致的結合。其次，當成型后的框架材料收縮時它減小了嵌件上的壓縮。減小的壓縮導致平坦和低應力部件，從而提高了電池單元間隙和整體尺寸的一致性。
[0119]用于將活性層應用到電極材料的制造技術
[0120]目前有三種技術用于將活性層應用到電極材料。第一種技術用于應用顆粒狀活性碳，第二和第三個工藝用于應用薄片形式(例如紙、毛氈、氣體擴散層)的碳材料。
[0121]I)使用多孔輥將導電膠應用于電極片。然后將該薄片立即浸入到顆粒狀活性炭的流化床中。該薄片在壓力和熱量下被按壓之前將其靜置干燥以至于碳顆粒被部分地浸入電極片中。這導致碳和塑料片之間形成了永久性的機械結合。
[0122]2)碳活性層片在層壓過程中在電極擠出期間被應用于電極片。取決于活性層的類型，在傳輸過程中可能需要或不需要用于穩(wěn)定的傳輸片。
[0123]3)活性層被置于(或按照過程I粘合)電極片上，然后在壓力和熱量下按壓。由于按照過程1，這將激活層部分地浸入到電極中，創(chuàng)建了機械連接。[0124]端子電極55的制造過程
[0125]端子電極是鋅溴電池的電流收集點。當前的設計使用了金屬凸耳或母線，其使用焊接或金屬焊接過程連接到金屬網(wǎng)格材料。金屬網(wǎng)格被嵌入到導電碳塑料薄片上以形成端子電極。
[0126]對于目前的生產方法，鋁電流收集器(包括超聲波焊接的延展網(wǎng)格和母線的組件)被沿著被切割以配合TE模具的電極材料薄片放置在壓縮模具中。然后該模具使用Wabash壓機在壓力下加熱。然后塑料熔化并形成所期望的TE形狀。然后將模具在壓力下冷卻，并且可以將模具打開而該部分被去除。然后去除多余的材料(毛邊)。這部分可被用作陽極TE但如果它要作為陰極TE的話，必須涂以活性層。
[0127]端子電極55的制誥討稈。灃塑成型的TE
[0128]新開發(fā)的包覆成型過程已經(jīng)被開發(fā)出來用于提供平的端子電極并且將包覆成型的液流框架材料結合到端子電極的導電碳塑料片。開發(fā)出了雙射注塑成型工藝和導電性電極材料以在單個模具中形成具有包覆模制的端蓋的端子電極。該研制計劃的一個因素是實現(xiàn)具有可接受的導電性的碳填充的塑料材料和注塑成型的能力。這可以通過使用超低分子量的塑料材料(例如，聚丙烯蠟)來實現(xiàn)。這個過程導致模制的、雙射多部件電極/端蓋。
[0129]對于多射(mult1-shot)過程，鋁電流收集器被插入到注塑模具中，而電極材料在它周圍注塑成型。該電極材料需要在230°C、2.16kg的壓力下MFI>lgm/10min的注塑級材料。雖然TE仍處于模具中，框架材料在它周圍注入以制成完整的端蓋組件。然后通過加熱和加壓過程在后面的步驟中應用活性層(用于陰極端蓋)。
[0130]電池電極55材料制劑和牛產討稈
[0131]V3電池的電極是擠出`級、碳和玻璃填充的聚丙烯，所述制劑如下表1所示。
[0132]
【權利要求】
1.一種用于調節(jié)DC總線和能量儲存設備之間的電流流動的電力變換器，所述電力變換器包括: 第一組端子，其被配置成連接到所述DC總線，所述第一組端子具有第一電極性； 第二組端子，其被配置成連接到所述能量存儲設備，所述第二組端子具有第二極性； 多個開關，其選擇性地將所述第一組端子連接到所述第二組端子； 存儲設備，其存儲多個指令；及 處理器，其被配置成執(zhí)行所述多個指令以在第一操作模式和第二操作模式中操作，其中在所述第一操作模式期間，所述第一電極性和所述第二電極性是相同的，并且在所述第二操作模式期間，所述第一電極性和所述第二電極性是相反的。
2.根據(jù)權利要求1所述的電力變換器，其中所述多個開關還包括: 第一組開關，其被配置成調節(jié)所述DC總線和所述能量存儲設備之間的電流流動 '及 第二組開關，其被配置成選擇所述第一操作模式和所述第二操作模式中的一種。
3.根據(jù)權利要求1所述的電力變換器，其中所述能量存儲設備是具有至少一個電池單元堆的液流電池。
4.根據(jù)權利要求3所述的電力變換器，其中所述電力變換器調節(jié)所述DC總線和所述液流電池的一個電池單元堆之間的電流流動。
5.根據(jù)權利要求3所述的電力變換器，其中所述電力變換器調節(jié)所述DC總線和所述液流電池的多個電池單元堆之間的電流流動。
6.根據(jù)權利要求 1所述的電力變換器，還包括傳感器，所述傳感器產生對應于在所述第二組端子處呈現(xiàn)的電壓的幅值的信號，其中 所述處理器還被配置成以開關頻率產生多個選通信號， 每個選通信號控制所述開關中的一個的操作，以及 所述開關頻率隨在所述第二組端子處呈現(xiàn)的電壓和期望的電力損耗中的一個而變。
7.根據(jù)權利要求6所述的電力變換器，其中所述處理器還被配置成當在所述第二組端子處呈現(xiàn)的電壓小于預定閾值時保持接通所述開關中的至少一個。
8.一種通過電力變換器控制連接到DC總線的電池上的充電水平的方法，包括以下步驟: 在所述電力變換器處接收開始使所述電池進行放電的命令； 通過在所述電力變換器內產生多個開關信號來控制多個開關以選擇性地將所述電池連接到所述DC總線，來以第一幅值調節(jié)所述電池和所述DC總線之間的電流流動； 監(jiān)控在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值； 當在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第一閾值時增加產生所述開關信號的頻率；當在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第一閾值時以第二幅值調節(jié)所述電池和所述DC總線之間的電流流動； 當在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第二閾值時保持接通所述開關中的至少一個，以及 當在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值實質上為零時禁止使所述電池進行放電。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中以第一幅值調節(jié)所述電池和所述DC總線之間的電流流動時伴隨有所述電池上的第一極性的電壓，并且其中在禁止使所述電池進行放電之后，所述方法還包括以下步驟:通過在所述電力變換器內產生多個開關信號來控制所述多個開關以選擇性地按照第二極性將所述電池連接到所述DC總線，來調節(jié)所述電池和所述DC總線之間的電流流動，其中所述第二極性與所述第一極性相反。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中產生所述開關信號的頻率隨在所述電池處呈現(xiàn)的電壓和期望的電力損耗中的一個而變。
11.一種通過電力變換器控制連接到DC總線的電池上的充電水平的方法，包括以下步驟: 在所述電力變換器處接收開始對所述電池進行放電的命令； 通過在所述電力變換器內產生多個開關信號來控制多個開關以選擇性地按照第一極性將所述電池連接到所述DC總線，來調節(jié)所述電池和所述DC總線之間的電流流動； 監(jiān)控在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值； 當在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值實質上為零時禁止使所述電池進行放電，以及通過在所述電力變換器內產生多個開關信號來控制所述多個開關以選擇性地按照第二極性將所述電池連接到所述DC總線，來調節(jié)所述電池和所述DC總線之間的電流流動，其中所述第二極性與所述第一極性相反。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中在監(jiān)控在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值的步驟之后，所述方法還包括以下步驟: 以第一幅值調節(jié)所述電池和所述DC總線之間的電流流動； 當在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第一閾值時增加產生所述開關信號的頻率；當在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅`值達到所述第一閾值時以第二幅值調節(jié)所述電池和所述DC總線之間的電流流動；以及 當在所述電池上呈現(xiàn)的電壓的幅值達到第二閾值時保持接通所述開關中的至少一個。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中產生所述開關信號的頻率隨在所述電池處呈現(xiàn)的電壓和期望的電力損耗中的一個而變。
【文檔編號】H01M10/46GK103828175SQ201280040547
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年8月22日 優(yōu)先權日:2011年8月22日
【發(fā)明者】凱文·丹尼斯, 內森·科德, 彼得·萊克斯, 杰弗里·A·賴卡德 申請人:Zbb能源公司, 樂天化學株式會社