全釩液流電池充放電控制方法

李建斌，閆 淵

（1.陜西省能源化工研究院，陜西 西安 710049；2.西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069）

0 引 言

全釩液流電池（VRB）是一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，全稱為全釩氧化還原液流電池，包括電堆、電解液儲(chǔ)存、動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)等，是化學(xué)活性物質(zhì)循環(huán)流動(dòng)的液流電池。釩電池的電能以化學(xué)能的方式存儲(chǔ)在不同價(jià)態(tài)釩離子的電解液中，通過電解液中釩離子的價(jià)態(tài)變化儲(chǔ)存或釋放能量。釩電池有兩個(gè)儲(chǔ)液罐分別存儲(chǔ)正負(fù)極電解液，通過泵動(dòng)力系統(tǒng)反應(yīng)在電堆中進(jìn)行，正負(fù)極反應(yīng)為：

該反應(yīng)過程是可逆的，釩電池完成充放電可以反復(fù)循環(huán)。它的主要優(yōu)勢(shì)是電池使用壽命長(zhǎng)、蓄能容量大、循環(huán)效率高、無污染和電解液可以回收并循環(huán)使用，可作為工業(yè)設(shè)備設(shè)施的備用電源、電動(dòng)船等，也可以作為太陽能、風(fēng)能等清潔能源裝置的配套儲(chǔ)能電池，還適用于大規(guī)模儲(chǔ)能電站的建設(shè)，如微電網(wǎng)和調(diào)峰填谷等，是目前及未來最具有發(fā)展?jié)摿Φ木G色環(huán)保大規(guī)模儲(chǔ)能裝置。

不同儲(chǔ)能應(yīng)用環(huán)境需要相應(yīng)的充放電控制模式。當(dāng)前，通過對(duì)普遍VRB儲(chǔ)能裝置充放電控制方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用的是恒流或者恒功率等。單一操作的充放電方法充電效率低，充電時(shí)間長(zhǎng)，電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)較大，且VRB多次充放電循環(huán)后會(huì)使電容量下降很快，無法提高電池效率。因此，主要對(duì)間接性變電流控制和柔性充放電控制方法實(shí)現(xiàn)快速充放電的效果和電堆內(nèi)核電壓進(jìn)行預(yù)估，從而提高VRB的儲(chǔ)電能力。通過直流側(cè)VRB安全充放電策略研究設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)，以達(dá)到延長(zhǎng)電池壽命和儲(chǔ)能效率的目的。

1 動(dòng)態(tài)變電流控制的快速充電方法

國內(nèi)外儲(chǔ)能電池快速充電方法有Reflex模式充電法、電子脈沖充電法、動(dòng)態(tài)變電流/電壓間斷性充電法等[1]。Reflex充電方法主要應(yīng)用于鎳鎘電池等，主要解決固體電池使用過程中長(zhǎng)期不徹底充放電、在電池內(nèi)留下痕跡、降低電池容量（記憶效應(yīng)）的問題。脈沖充電方法主要利用充放電間斷性的電子脈沖時(shí)間隔期，解決電池使用過程中的極化現(xiàn)象，優(yōu)化電池容量使用效率。動(dòng)態(tài)變電流/電壓間斷性方法是電池充放電較為有效的方法。間斷性停充模式使得VRB在短時(shí)間內(nèi)吸收較多的電能量，在有效時(shí)間內(nèi)獲取容量范圍內(nèi)的大部分電量。此方法在充電初期使用較大的電流，影響VRB電堆內(nèi)部材料壽命。

通過對(duì)VRB充放電過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，充電過程中電流較大時(shí)，產(chǎn)生的歐姆壓降和電堆內(nèi)極化的電位值越大。BMS顯示端電壓并不是真實(shí)的電壓容量，因此無法準(zhǔn)確計(jì)算充放電電壓上限和下限電壓截止電壓值的設(shè)置，造成了VRB系統(tǒng)充放電過程中的過沖和過放現(xiàn)象。根據(jù)馬斯定律，在低析H2情況下，儲(chǔ)能電池能接受最大充電電流和可接受的充電電流關(guān)系為指數(shù)函數(shù)關(guān)系[2-4]。VRB存在極化現(xiàn)象，在不間斷充電電流作用下電流是不斷減小的。如果采用較為適中的停充電或者停放電控制措施，可以有效提高電池的電容量效率。要快速充電還要做到以下工作：（1）VRB充電過程中充電流要適中，具體數(shù)值要從計(jì)算實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行分段測(cè)試中獲得；（2）監(jiān)測(cè)VRB充電過程，發(fā)現(xiàn)充電電流逐漸減小且呈現(xiàn)不規(guī)律曲線，隨后對(duì)VRB采取去極化措施，分析類別是電化學(xué)極化、歐姆極化和濃差極化；（3）根據(jù)釩電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)電流間斷性充電方法，達(dá)到快速充電的目標(biāo)過程。首先充電過程電流分段階梯型減小，采取規(guī)律性停充控制措施。電流分段動(dòng)態(tài)變化數(shù)值和停充時(shí)間隔通過電池測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)分析獲得。其次，實(shí)驗(yàn)找到最佳充電控制參數(shù)，充電后期采用脈沖電壓進(jìn)行浮充電，可充入較多電量。

實(shí)驗(yàn)采用了動(dòng)態(tài)變電流間斷恒壓充電方法，并結(jié)合電流正交測(cè)試方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)室單模組釩液流電池進(jìn)行一系列的充放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)，充放電性能在恒流恒壓和變電流間歇恒壓充電模式下獲得了最佳充電參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用變電流間歇恒壓充電方法，充電時(shí)間相比恒流恒壓充電方法縮短近50%；獲得了大致相同的放電容量，放電比率為100%；多次充放電循環(huán)后，放電容量未見衰減。

對(duì)比恒流、恒壓、動(dòng)態(tài)變電流間斷快充電模式，得到以下結(jié)果：（1）充電過程中采用適度的停充，可減小極化效應(yīng)，提升電池的充電能力，使其容納更多電量；（2）三種充電模式相較，在放電過程中放電容量相當(dāng)，但是動(dòng)態(tài)變流間斷充電模式比較適合快速充電應(yīng)用場(chǎng)景。試驗(yàn)測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)變電流間斷性充電方法多次循環(huán)充放電后，電池放電容量沒有出現(xiàn)衰減。

2 基于內(nèi)核電壓的柔性充放電控制

在研究VRB充放電內(nèi)核電壓控制方面，丁明[5]等人通過VRB充放電特性建模分析，研究了系統(tǒng)在恒電壓、恒電流、恒功率三種不同充放電控制模式的特性和效率。李輝[6]等通過含DC/DC變換器全釩液流電池安全控制策略的分析，提出內(nèi)外側(cè)雙環(huán)控制方法，即內(nèi)側(cè)VRB內(nèi)部平均電流控制，外側(cè)為恒功率、恒壓或者涓流充放電控制的DC/DC變換器策略。該方法通過VRB恒壓—恒流—恒功率三階段的控制，實(shí)現(xiàn)了VRB系統(tǒng)安全充放電的目標(biāo)，缺點(diǎn)是根據(jù)SOC和端電壓變化選擇控制器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且瞬間切換是平滑的。李輝、付博等[7]通過多級(jí)VRB系統(tǒng)功率的優(yōu)化研究，應(yīng)用于平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)，以每組電池SOC作為評(píng)價(jià)功率優(yōu)先選擇目標(biāo)，以外部端電壓作為電池安全充放電的約束條件，提出了多級(jí)VRB組的功率優(yōu)化分配策略。

通過分析現(xiàn)有控制策略，研究基于內(nèi)核電壓值為依據(jù)的柔性充放電控制方法。在內(nèi)核電壓評(píng)估基礎(chǔ)上采用三階梯控制充放電模式，即恒流—恒壓—涓流的三階段VRB充放電控制方法。初期采用恒定電流VRB充放電控制，恒定電流值根據(jù)開路電壓和VRB起始功率計(jì)算獲得。恒流的目的是使VRB快速充放電到一定的容量，當(dāng)VRB電池端電壓上升或下降到限定數(shù)值后，切換到設(shè)定最高或最低值恒壓充放電。以SOC進(jìn)行充放電變量控制條件，在充放電后期采用涓流或者浮充模式進(jìn)行充放電控制，以電池安全工作為前提，防止過沖、過放現(xiàn)象的發(fā)生。

基于內(nèi)核電壓估計(jì)的VRB充放電控制模式，在設(shè)計(jì)方面采用了SOC下外側(cè)電壓、電流內(nèi)側(cè)雙層VRB控制體系。功能器件由集成帶限幅值的調(diào)控（壓）器來實(shí)現(xiàn)功能，外側(cè)SOC接受EMS的調(diào)度。充放電控制模式有以下幾種模式：（1）SOC定值＜SOC實(shí)際充電模式；（2）SOC定值=SOC實(shí)際，停止模式；（3）SOC實(shí)際＞SOC閾值，放電模式。

充電過程中，恒流充電過程中VRB電池端電壓和內(nèi)核電壓是同步增加的。當(dāng)端電壓增加到限設(shè)值時(shí)，進(jìn)入限設(shè)值恒壓充電過程。此沖電模式過程中隨著充電時(shí)間的進(jìn)行，SOC變化在逐漸增加，相應(yīng)的內(nèi)核電壓也會(huì)增大，但是端電壓保持不變，充電電流反而逐漸減小。當(dāng)電池的SOC達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，停止充電。放電過程是一個(gè)相反的過程，這樣的設(shè)計(jì)策略準(zhǔn)確達(dá)到了柔性充放電的控制過程。

采用柔性充放電控制方法，在VRB充放數(shù)學(xué)模型研究和充放電控制特性對(duì)比的基礎(chǔ)上進(jìn)行了內(nèi)核電壓的估計(jì)，設(shè)計(jì)了三階梯充放電模式的柔性充放電控制策略，在保證高效率柔性充放電的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核電壓的預(yù)估，提高了VRB的儲(chǔ)能效率。

3 穩(wěn)定直流側(cè)VRB安全充放電策略

為確保VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)安全充放電，使其達(dá)到直流電網(wǎng)側(cè)電壓平穩(wěn)控制，結(jié)合電池端三階段充放電控制模式提出了直流側(cè)含DC/DC變換器不同充放電安全穩(wěn)壓兩側(cè)動(dòng)態(tài)控制模式。在建立VRB等效驗(yàn)證電路的基礎(chǔ)上，以內(nèi)側(cè)為VRB內(nèi)部電感平均電流控制，中間為恒功率、恒壓、涓流平滑切換控制的DC/DC變換器策略，外側(cè)智能控制以DC/AC網(wǎng)側(cè)變換器保持直流側(cè)電壓恒定為前提設(shè)計(jì)。以SOC和端電壓為約束條件，對(duì)安全充放電控制模式進(jìn)行優(yōu)化。研究含DC/DC變換器的不同充放電策略，首先在分析VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上建立等效系統(tǒng)模型。以提出VRB內(nèi)部電感平均電流控制為前提，荷電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)SOC為約束條件，外側(cè)為恒功率（功率值根據(jù)啟動(dòng)電壓和電流變化的關(guān)系得到）、恒壓（電壓值以設(shè)定的上下限電壓值為參考值）、涓流或浮充切換控制的DC/DC變換器進(jìn)行電池端電池充放電控制策略。電池端電壓數(shù)值、SOC變化和EMS結(jié)合平衡能量輸入輸出，在DC/AC網(wǎng)側(cè)變換器設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，維持直流側(cè)電壓的恒定。

VRB電池自身充放電三階段控制方法：（1）根據(jù)能斯特定律計(jì)算設(shè)定恒功率，對(duì)VRB進(jìn)行快速充電；（2）檢測(cè)到外部BMS端電壓超出設(shè)定上限電壓，同時(shí)滿足SOC未超出限定0.8（VRB可設(shè)定在0.9以內(nèi)）時(shí)，立即改變充放電控制以充電上限電壓值進(jìn)行恒壓充電，同時(shí)上限電壓不能太高，否則會(huì)造成電池的內(nèi)部歐姆極化；（3）恒壓充電過程中，SOC檢測(cè)模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋，當(dāng)SOC超出限值時(shí)，轉(zhuǎn)為涓流充電模式，防止電池過充現(xiàn)象發(fā)生。方法總結(jié)可表示為：（1）P沖=P恒，U低設(shè)＜U沖1＜U高；（2）U沖=U高，U沖2≥U高且SOC≤0.8；（3）I沖=I涓，SOC≥0.8，放電過程策略相反。

4 結(jié) 論

在三個(gè)階段控制策略基礎(chǔ)上，提出了含雙向DC/DC和DC/AC網(wǎng)側(cè)變換器的VRB安全充放電方法。工程實(shí)踐總結(jié)如下：（1）以內(nèi)環(huán)為VRB側(cè)電感電流控制下恒功率—恒壓—恒電流三階段策略，結(jié)合DC/AC網(wǎng)側(cè)變換器穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓的系統(tǒng)控制方法，較優(yōu)實(shí)現(xiàn)VRB與電網(wǎng)之間的能量互傳，確保了直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定運(yùn)行；（2）以SOC和端電壓作為安全充放電切換約束作為動(dòng)態(tài)條件，防止VRB出現(xiàn)過沖或過放現(xiàn)象，同時(shí)處于安全穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，延長(zhǎng)電池的使用壽命。