鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的初步研究與設計

李愛晶， 陳永翀， 張曉虎， 劉丹丹， 謝 晨

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院大學， 北京 100049；3. 北京好風光儲能技術有限公司， 北京 100085)

1 引言

太陽能、風能等可再生能源接入電網將對電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性、可靠性和電能質量產生影響[1-3]。儲能可有效解決可再生能源并網問題，它不僅能夠提高常規(guī)發(fā)電、輸電的效率，也是實現可再生能源平滑波動、調峰調頻、滿足可再生能源大規(guī)模接入電網的重要手段，同時也是分布式電源、智能電網系統(tǒng)的重要組成部分，在能源互聯網中具有舉足輕重的地位[4,5]。

電池儲能是一種成熟可靠的儲能技術，在儲能設備中具有廣泛的應用，鋰離子液流電池是最近發(fā)展的新型儲能電池技術，分別由中國科學院電工研究所和美國麻省理工學院獨立提出，并最早開展相關研究工作[6,7]。鋰離子液流電池結合了鋰離子電池和液流電池的特點，具有綠色環(huán)保、功率密度和能量密度高、輸出功率和儲能容量彼此獨立等優(yōu)點，在大規(guī)模儲能中具有應用潛力。鋰離子液流電池應用于儲能需要由眾多單體電池串并聯組成電池系統(tǒng)，為確保電池系統(tǒng)的使用壽命和運行安全，需配備電池監(jiān)控系統(tǒng)，對電池系統(tǒng)進行實時參數檢測和系統(tǒng)控制。相對于傳統(tǒng)的全釩液流電池，鋰離子液流電池電極懸浮液的黏度比較大，同時具有電子和離子混和導電特性，因此擬采用間歇式的驅動工作模式。電池監(jiān)控系統(tǒng)設計的重點和難點在于如何在間歇工作模式下有效地驅動電極懸浮液，以減少機械損耗，提高電池工作效率。

本文對鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件部分進行初步設計，包括電池模塊的檢測和驅動系統(tǒng)的檢測，同時對間歇時間和驅動時間控制進行初步的模擬計算分析。

2 鋰離子液流電池系統(tǒng)結構和特點

2.1 鋰離子液流電池系統(tǒng)結構

鋰離子液流電池的電極懸浮液在驅動裝置的作用下流經電池反應器在微孔隔膜兩側發(fā)生氧化還原反應，從而實現化學能和電能的轉換。鋰離子液流電池系統(tǒng)的結構如圖1所示，主要由電池模塊、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

圖1 鋰離子液流電池氣壓系統(tǒng)Fig.1 Pressure system of lithium-ion flow battery

電池模塊由電池反應器、正極儲液裝置和負極儲液裝置組成。電池反應器由正極反應腔、負極反應腔和微孔隔膜組成，是氧化還原反應的場所，是鋰離子液流電池的核心。鋰離子液流電池工作時，正負極懸浮液在動力裝置的驅動下由儲液裝置流出，流經密封管道到達電池反應器，在微孔隔膜兩側發(fā)生氧化還原反應[8]。驅動系統(tǒng)采用氣壓驅動方式使電極懸浮液在儲液裝置和電池反應器之間循環(huán)流動?？刂葡到y(tǒng)通過控制各個閥的開啟、關閉順序以及開啟時間來實現正極反應腔和負極反應腔的有序換液，同時由于正負極懸浮液的粘度、流動速度以及流動阻力不同，需要由氣動控制閥來控制各個氣體流入支路中氣體的壓力和流量，實現換液的同步性，確保鋰離子液流電池系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

2.2 鋰離子液流電池系統(tǒng)的特點

(1)鋰離子液流電池的電極懸浮液粘稠度較大，若采用傳統(tǒng)液流電池連續(xù)的驅動方式將導致驅動系統(tǒng)的能耗過大，所以鋰離子液流電池采用間歇式的驅動控制方式。麻省理工學院的研究也驗證了間歇式驅動控制的優(yōu)勢。以鈷酸鋰為正極，石墨為負極，在連續(xù)驅動模式和間歇式流動模式下的充放電容量相差不大，但是兩種模式下的機械損耗分別為22%和1%[8,9]，由此可見間歇式驅動方式有助于降低鋰離子液流電池的能耗。

(2)鋰離子液流電池正(負)極懸浮液是由正(負)極活性材料顆粒、導電劑和電解液組成的混合物，若采用傳統(tǒng)液流電池的液泵驅動方式，將會由于電極懸浮液中顆粒產生摩擦進而造成漏液、液泵循環(huán)壽命降低、能耗增大等問題，所以作者所在課題組提出氣壓驅動系統(tǒng)設計方案，利用壓縮干燥惰性氣體驅動電極懸浮液在電池反應器和儲液裝置間循環(huán)流動，效果較好[10]。

(3)電極懸浮液為非水系有機電解液，具有電子導電性，將導致漏電發(fā)生。所以對單體電池的串并聯系統(tǒng)具有較高的要求，作者所在課題組提出一種新的液流電池系統(tǒng)，采用合理的電流連接方案、相對獨立的供液體系以及相應的操作運行策略，有效解決電池漏電問題，提高了鋰離子液流電池的安全性[11]。

(4)鋰離子液流電池具有傳統(tǒng)液流電池輸出功率和儲能容量彼此獨立的優(yōu)勢，能量存儲于電極懸浮液中，通過增加電極懸浮液的體積或提高電極懸浮液中顆粒的含量可增加電池的容量，同時可通過增加電極面積和單體電池串并聯的數量增加電池的輸出功率。這使得鋰離子液流電池應用于大規(guī)模儲能具有一定的潛力。

(5)能量密度和能量效率高。Yet-Ming Chiang等估計鋰離子液流電池系統(tǒng)的能量密度可達到300～500(W·h)/L(130～250(W·h)/kg)，能量效率在85%～90%左右[8,9]。綜合考慮電極懸浮液的流動性要求以及其他輔助設施，本課題組估計鋰離子液流電池系統(tǒng)合適的能量密度在50～130(W·h)/kg之間，是全釩液流電池系統(tǒng)能量密度的3～5倍。

3 鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的設計

鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩部分：監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)

對于鋰離子液流電池監(jiān)測系統(tǒng)，需要檢測的參數有電池模塊參數和循環(huán)系統(tǒng)參數。電池模塊參數包括單體電壓、總電壓、電流以及溫度，循環(huán)系統(tǒng)參數包括液路循環(huán)系統(tǒng)的電極懸浮液流量、壓力和溫度以及氣路循環(huán)系統(tǒng)的氣體流量和壓力。

鋰離子液流電池參數的檢測是實現系統(tǒng)控制的基礎，準確及全面的檢測對于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高效運行具有重要意義。

3.1.1 硬件設計

根據電池監(jiān)控平臺監(jiān)測信號的種類、數量、特點以及系統(tǒng)要求[12,13]，設計以中央處理器、各類傳感器、信號處理單元以及電源模塊為核心的外圍硬件電路，以滿足儲能系統(tǒng)的要求。

鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計主要包括CPU、數據采集模塊、通信模塊和控制模塊。CPU是系統(tǒng)的核心，數據采集模塊采集的數據通過通信模塊傳輸到CPU進行處理，運行控制單元則根據測量的各類參數進行控制。圖2為鋰離子液流電池監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計圖。

圖2 鋰離子液流電池監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計Fig.2 Hardware design of monitoring system of lithium-ion flow battery

在選擇測試器件時，要充分考慮鋰離子液流電池的特點和工作環(huán)境，要求傳感器具有抗腐蝕性和高的可靠性。

3.1.2 軟件設計

鋰離子液流電池監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計采用Labview來實現。圖3為鋰離子液流電池監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計圖。

圖3 鋰離子液流電池監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計Fig.3 Software design of monitoring system of ithium-ion flow battery

監(jiān)測程序的主要流程為：對參數進行設置，包括采集模式、通道數以及文件的保存路徑等，然后啟動采集系統(tǒng)開始實時參數的采集，電堆充放電過程中的電信號和溫度、壓力、液位以及流量信號通過數據采集模塊、信號變送模塊，在監(jiān)測窗口中實時顯示，同時設定參數的安全范圍，若超出此范圍發(fā)出報警提示。根據采集到的數據估算電池的實時荷電狀態(tài)(SOC)變化，同時實現數據的存儲。鋰離子液流電池監(jiān)測系統(tǒng)軟件各模塊功能如表1所示。

圖4為基于Labview的鋰離子液流電池運行監(jiān)測系統(tǒng)的界面，通過運行監(jiān)測數據顯示，實現基本的數據檢測功能。

3.2 間歇式驅動控制

由于鋰離子液流電池電極懸浮液的粘度比較大(約為600～1000cP)，所以該電池系統(tǒng)采用間歇式驅動控制方式。圖5為間歇式驅動模式下的充電電壓-時間和容量-時間關系示意曲線。0～t1、t2～t3為間歇時間，t1～t2為驅動時間。

表1 鋰離子液流電池監(jiān)測系統(tǒng)軟件各模塊功能Tab.1 Function of each software module of monitoring system for lithium-ion flow battery

圖4 鋰離子液流電池運行監(jiān)測系統(tǒng)界面Fig.4 Operation monitoring system of lithium-ion flow battery

圖5 電極懸浮液間歇式驅動方式Fig.5 Intermittent flow cycle protocol of suspension

3.2.1 間歇時間

電極懸浮液在電池反應器中停留合適的時間使正負極活性材料顆粒發(fā)生完全反應，然后啟動驅動系統(tǒng)將反應完的正負極懸浮液導出反應器，導入未反應的電極懸浮液進行充放電。所以對于鋰離子液流電池來說間歇時間的控制是一個重要的參數。時間t1設置得過小時，將使得活性物質未能完全反應便離開電極表面，造成能量的浪費，降低了電池的整體效率[14]；時間t1設置得過大時，將使電池發(fā)生過充或過放，對電池造成損傷，并發(fā)生危險。所以通過控制每次流入電池反應腔的懸浮液體積和懸浮液流入、流出的時間，可以有效提高電池的能量效率。

根據電極懸浮液和電池反應器的參數計算靜態(tài)電池的理論容量，根據充放電的電流計算反應所需的時間，如式(1)和式(2)所示：

QC=It1

(1)

QC=VρP%Q0

(2)

式中，QC為電池容量；I為充放電電流；t1為間歇時間；V為電池反應腔的體積；ρ為電極懸浮液的密度；P%為電極懸浮液中活性物質體積百分比；Q0為電極材料的比容量。

由式(1)和式(2)可以得到電池反應的時間即間歇時間t1為：

(3)

若需要在電池某一荷電狀態(tài)下進行控制，則需要在此基礎上乘以SOC：

(4)

3.2.2 驅動時間

在電池反應器內的電極懸浮液反應后，啟動驅動系統(tǒng)，將未參加反應的電極懸浮液推入電池反應器取代已經參加完反應的電極懸浮液，只有合理控制驅動系統(tǒng)的驅動時間t才能使未參加反應的電極懸浮液完全取代已參加完反應的電極懸浮液，保證鋰離子液流電池的整體效率達到最佳狀態(tài)。

鋰離子液流電池在驅動過程中將產生附加能量損耗，損耗與電池系統(tǒng)參數、電極懸浮液流量以及驅動時間有關，由流體動力學的知識，驅動損耗Pmesh與流量的關系為[15]：

Pmesh=ΔpQ

(5)

式中，Δp為電極懸浮液流動壓降；Q為電極懸浮液流量。

由Darcy-Weisbach公式計算電池運行中的管路沿程損失Δp1和局部損失Δp2，分別為：

(6)

(7)

式中，λ為摩擦系數；L1為管路長度；D1為管路水力直徑；k為局部損失系數；v為電極懸浮液在管道中的流速。

當雷諾系數Re≤2000時，管內流動為層流，此時有：

(8)

(9)

式中，μ為電極懸浮液的動力黏度系數。

流量與電池反應腔體積的關系為：

(10)

式中，n為單體電池個數。

計及管路與電堆的損失，由式(5)～式(10)，可以得到電池在運行中的驅動損耗與驅動時間的函數為：

(11)

式中，S1為管路的截面積；L2為電極的長度；S2為電極懸浮液流入電堆時對應的截面積；D2為電極的等效水力直徑。

設定鋰離子液流電池系統(tǒng)參數，如表2所示。

表2 鋰離子液流電池系統(tǒng)參數Tab.2 System parameters of lithium-ion flow battery

電極的等效水力直徑D2=3.48cm，單體電池個數n=10。根據電池系統(tǒng)參數以及式(2)計算電池容量為1400A·h，設定電池0.2C倍率電流充電，則充電電流I為280A，電堆功率Pstack為：

Pstack=UI=3.7V×280A=1036W

(12)

式中，U為電池電壓。

根據電池系統(tǒng)參數計算驅動損耗：

(13)

損耗功率比η為：

(14)

損耗功率比與驅動時間的關系曲線如圖6所示。

圖6 特定參數下損耗功率比與驅動時間的關系Fig.6 Relationship between percentage of driving loss and driving time under certain parameters

當快速驅動電極懸浮液時損耗將比較大，當時間趨于0時的極限情況相當于電池工作在連續(xù)模式下，這也在一定程度上說明了間歇式驅動有助于減小電池系統(tǒng)的損耗。緩慢驅動電極懸浮液有助于減小驅動過程中的驅動損耗，但是由于電極懸浮液具有電子導電性，驅動時間過長將使電池發(fā)生自放電，所以驅動時間需控制在一定范圍，不宜過長：如圖6所示，當時間為10s時對應的功率損耗百分比約為8%，此后百分比減小趨勢變緩慢，延緩驅動時間對于電池驅動功率的減小效果不明顯，只會增加電池的自放電損耗，所以在此模擬條件下可認為10s為較優(yōu)驅動時間。

鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)需采集精確的電壓、電流參數，根據間歇時間t1和驅動時間t來實現電池系統(tǒng)的間歇式驅動控制。

模擬計算針對的是千瓦級的電池模塊，對于千瓦級鋰離子液流電池系統(tǒng)的設計和示范具有指導意義。同時千瓦級電池模塊可作為規(guī)?；姵叵到y(tǒng)的基本單元模塊，相應的機械損耗可根據式(11)進行擴展。

4 結論

本文對鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分進行了初步設計，包括監(jiān)控系統(tǒng)的組成、監(jiān)控流程等，較為全面地涉及到電池模塊、液路循環(huán)系統(tǒng)以及氣路循環(huán)系統(tǒng)的檢測。重點對間歇式驅動控制模式進行了分析，通過對機械損耗與驅動時間關系的初步模擬分析可知，緩慢驅動電極懸浮液有助于減小驅動損耗，但是考慮到電池的自放電，運行中應根據電池系統(tǒng)參數和充放電情況確定合理的驅動時間以使電池取得較優(yōu)的性能。模擬計算結果表明，為10s時可認為是較優(yōu)的驅動時間。鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的初步研究為鋰離子液流電池管理系統(tǒng)的完整開發(fā)和實現提供了基礎，對千瓦級以及更大規(guī)模電池系統(tǒng)的設計和示范具有指導意義。

鋰離子液流電池系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，在未來儲能系統(tǒng)應用中，對于鋰離子液流電池監(jiān)控系統(tǒng)還需進一步的優(yōu)化，在研究中需要考慮以下幾個問題：①應用可靠的控制技術對電池進行有效精確全面的管理，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；②研究鋰離子液流電池系統(tǒng)接入電網的方法，實現鋰離子液流電池系統(tǒng)的大規(guī)模應用。

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