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开环霍尔电流传感器在全钒液流电池系统中的应用

  摘要: 全钒液流电池系统具有其他如锂电和铅酸电池所不具备的特点,在新能源行业将发挥重要的作用。作为一个系统,对液流电池中各个部件的运行状态进行监控是必不可少的一个过程,本文介绍了霍尔电流传感器在全钒液流电池系统中的应用。

  关键字:开环霍尔电流传感器 工作原理 钒电池系统 应用

  1. 引言

  钒电池,全称是全钒液流电池,是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池,也是一种新型清洁能源储存装置。在众多储能方案中,与其他储能技术相比,全钒液流电池储能技术因其使用寿命长、规模大、安全可靠等突出的优点,成为大规模储能的优先选择技术之一,未来在储能行业具备无可估量的发展潜力。大规模储能电池有三个基本要求:高安全性、生命周期性价比高及生命周期环境友好。霍尔电流传感器由于其突出的性能优势,被越来越多的电池制造商选用,作为电池系统电量监控的元器件,能满足大规模储能电池的三个基本要求。

  2. 工作原理

  霍尔电流传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。按原理可分为开环(直放式)和闭环(磁平衡式)两种工作方式。基于实际应用中开环(直放式)原理传感器结构相对紧凑、功耗小且成本较低,普遍采用开环(直放式)原理霍尔电流传感器应用于电池系统中的电流在线监测。

  开环式霍尔电流传感器又称直放式霍尔电流传感器,它是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、放大器等组成。被测电流经过传感器的穿孔,软磁材料起到聚磁作用,位于气隙中的霍尔元件能检测到磁性的大小,并输出微弱的电压信号,该微弱的电压信号经过运算放大器放大后,被调理成标准信号DC0-5V、DC4-20mA等,该输出电压信号大小与被测量的电流是线性比例关系。

 

开环(直放式)原理

  3. 产品介绍

  3.1产品选型

  开环霍尔电流传感器具有测量双向直流电流,过载能力强,反应速度快,高线性度 ,穿孔开口式、维护方便等众多优点。综合了电流互感器和分流计的所有优点,克服了互感器和分流器的不足,如下表所示:

  一般情况下,根据输入信号、外形、内孔尺寸来选择霍尔电流传感器。在传感器行业内,江苏安科瑞严格按照JB/T 7490-2007《霍尔电流互感器》行业标准规定的各项要求,相对于同行采用插针式接线不同,一律采用绿色可插拔端子,现场接线方便、可靠。常见的品牌产品如下表:

 

  3.2产品外形

  根据用户现场应用将外形分为闭口式开环、开口式开环两种,如下图所示:

 

AHKC闭口式开环组图                       AHKC开口式开环组图

  3.3 技术指标

  ● 响应时间:≤10us

  ● 频宽:20kHz

  ● 失调电压:±15mV

  ● 工作温度:-25~70℃

  ● 存储温度:-40~80℃

  ● 输出负载:根据不同辅助电源、输入信号、输出信号而定

  ● 输入过载能力:输入量程最大值2倍可恢复正常工作

  ● 耐压:3.5kV/50Hz/1min

  4. 应用

  4.1对钒电池系统进行监测

  作为一个高校的储能装置,钒液流电池有很多优势,该优势的发挥依赖于对系统中各部件的系统监测,不允许出现故障,否则一切优势将不复存在。在钒液流电池系统中,存在两个容器,分别盛放正极和负极的液体溶液,溶液的交换仰赖于高校的电磁泵的可靠运行,一旦该泵发生故障,交换活动就会停止,电池也将停止运行。所以在整个电池系统中,磁力驱动循环泵作为仅有的一个存在机械运动的部件,必须对其进行可靠监控,才能保证系统的安全运行。所以该磁力驱动循环泵的电流必须要进行监控。此外电堆的放电电流,以及充电时的充电电流,也要监控起来,以监测电堆内部是否发生故障。

 

钒电池系统

  因为存在充放电双向电流,故推荐使用双向测量的直流霍尔电流变送器AHKC系列,为了现场方便安装,推荐采用开口形式及可拆卸方式安装,输出0-5V。对于磁力泵的电流监测,由于电流较小,可以采用AHKC-EKA系列传感器进行监测即可。而对于电堆的充放电监测,由于存在大电流输出,故推荐采用AHKC-EKB系列。

  4.2使用注意事项

  1)、看现场的设备是否已经安装好,传感器有开口的和闭口之分,闭口精度高,开口精度差,在不能断线的线的情况下需要选择开口,而且还需要考虑到以后)对设备维护的时候更换传感器能否断线;

  2)、使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈,且次级电路没有接通电源|稳压器或副边开路,则其磁路被磁化,而产生剩磁,影响测量精度(故使用时要先接通电源和测量端M),发生这种情况时,要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源,而在原边线圈中通过同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值;;

  3)、对于监测蓄电池组的霍尔电流传感器、电压传感器选择时需要注意,是否需要监测反向电流电压,因为蓄电池存在充放电问题;

  4)、为了得到较好的动态特性和灵敏度,必须注意原边线圈和副边线圈的耦合,要耦合得好,尽量用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径;

  5)、在大多数场合,霍尔传感器都具有很强的抗外磁场干扰能力,一般在距离模块5-10cm之间存在一个两倍于工作电流Ip的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的,但当有更强的磁场干扰时,要采取适当的措施来解决。通常方法有:

  ① 调整模块方向,使外磁场对模块的影响减小;

  ② 在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩;

  ③ 选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块;

  ④ 测量的精度是在额定值下得到的,当被测电流远低于额定值时,要获得准确精度,原边可使用多匝,即:IpNp=额定安匝数。另外,原边馈线温度不应超过80℃。

  5. 结束语

  钒液流电池具有的先天优势即将得到大面积的推广,同时高可靠性的系统依赖于高可靠性的监控系统的有效运行。霍尔电流传感器因其众多优点,通过对大电流进行准确的检测和控制,保证了电池系统安全可靠的运行。在整个监控系统中,霍尔电流传感器是核心器件之一,能对异常状况及时处理,直接决定着系统的可靠性和长期稳定性,为钒电池系统提供了坚实可靠的保障。

  参考文献:

  [1]刘建英.霍尔传感器在电参量测量中的应用. [M].中国民航学院,1999 .5

  [2]江苏安科瑞电器制造有限公司.电量传感器选型手册,201407版