《固定式液流電池能源系統(tǒng)性能通用要求和測試方法》國際標準解讀

劉亞楠

（機械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟研究所）

0 引言

IEC 62932-2-1《固定式液流電池能源系統(tǒng)第2-1部分：性能通用要求和測試方法》于2020年正式發(fā)布，該標準是我國牽頭制定的第一項液流電池領域國際標準。

2014年，我國向國際電工委員會（IEC）提出了關于制定“固定式液流電池能源系統(tǒng)性能通用要求和測試方法”的提案。經(jīng)國際電工委員會二次電池和電池組（IEC/TC21）各成員國投票，該提案獲準立項，并確定由國際電工委員會二次電池和電池組（IEC/TC21）與國際電工委員會燃料電池（IEC/TC105）合作成立國際電工委員會液流電池聯(lián)合工作組（IEC/TC21 JWG7）負責組織制定該標準。該標準歷時6年制定完成，與另外兩項液流電池領域國際標準IEC 62932-1《固定式液流電池能源系統(tǒng)第1部分：術(shù)語和通用要求》和IEC 62932-2-2《固定式液流電池能源系統(tǒng)第2-2部分：安全要求》形成系列標準，均于2020年正式發(fā)布。

本文重點關注的IEC 62932-2-1：2020《固定式液流電池能源系統(tǒng)第2-1部分：性能通用要求和測試方法》，適用于固定地點設計和使用的液流電池能源系統(tǒng)或液流電池系統(tǒng)。固定式的提出明確了該標準主要應用于離網(wǎng)或并網(wǎng)場景，是相對于便攜式定義的，便攜式具有可攜帶，可移動的特性，例如車載、筆記本用或手機用等應用情景。

1 制定背景和意義

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，大規(guī)模利用可再生能源、實現(xiàn)能源多樣化成為世界各國能源安全和可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。但是，風能、太陽能等可再生能源發(fā)電受地域環(huán)境、季節(jié)等因素影響，具有明顯的不連續(xù)、不可控的非穩(wěn)態(tài)特性，催生了大規(guī)模儲能技術(shù)來解決可再生能源發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定的問題。

作為一種新型大容量電化學儲能裝置，液流電池系統(tǒng)的輸出功率和容量相互獨立，具有系統(tǒng)設計靈活、電池使用壽命長、穩(wěn)定性和可靠性高、可深度放電、選址自由度大、維護簡單、運營成本低、安全性高（無爆炸或著火危險）等一系列優(yōu)點，在大規(guī)模儲能領域具有極大的優(yōu)勢和應用潛力。

典型的液流電池工作原理如圖1所示。

圖1 液流電池工作原理圖

如圖1所示，液流電池的正極和負極電解質(zhì)溶液儲存于電池外部的儲罐中，電池內(nèi)部正負極之間利用隔膜分隔為兩室（正極側(cè)和負極側(cè)），電池工作時正負極電解液通過泵和管路輸送到電池內(nèi)部循環(huán)流動，參與氧化還原反應，實現(xiàn)電能和化學能的相互轉(zhuǎn)化。充電時電池外接電源，將電能轉(zhuǎn)化為化學能，儲存在電解質(zhì)溶液中；放電時電池外接負載，將儲存在電解質(zhì)溶液中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，供負載使用。從液流電池工作原理圖中可以看出，各子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，是系統(tǒng)可靠性的重要保障，IEC 62932-2-1對液流電池能源系統(tǒng)的技術(shù)要求和測試方法做出了統(tǒng)一規(guī)定。

2 主要內(nèi)容

IEC 62932-2-1對液流電池能源系統(tǒng)（Flow Battery Energy System：FBES）、液流電池系統(tǒng)（Flow Battery System，F(xiàn)BS）的范圍做出明確界定，如圖2所示。液流電池能源系統(tǒng)（FBES）由液流電池系統(tǒng)（FBS）和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Power Conversion System，PCS）組成。液流電池系統(tǒng)（FBS）由電池管理系統(tǒng)（Battery Management System：BMS）、電池支撐系統(tǒng)（Battery Support System：BSS）、電堆（Stacks）和液路循環(huán)系統(tǒng)（Fluid Circulation System，F(xiàn)CS）構(gòu)成。連接點（Point of Connection，POC）是液流電池能源系統(tǒng)連接到電網(wǎng)或最終應用的參考點，整個液流電池能源系統(tǒng)通過連接點（POC）連接到電力系統(tǒng)中。

圖2 液流電池儲能系統(tǒng)邊界

電池管理系統(tǒng)（BMS）是由電子電路設備構(gòu)成的實時監(jiān)測、管理和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。電池支撐系統(tǒng)（BSS）是由換熱器、通風系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等組成的輔助設備。電堆（Stacks）由單電池疊加組成，單電池包括集流板、雙極板、電極、隔膜等部件。液路循環(huán)系統(tǒng)（FCS）是指用于儲存和循環(huán)電解液的部件和設備，如儲罐、管道、泵和傳感器等。

電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池支持系統(tǒng)（BSS）和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）的輔助能量可由以下方式之一提供：

——直接連接外部電源；

——液流電池能源系統(tǒng)（FBES）的內(nèi)部電源或液流電池系統(tǒng)（FBS）本身。

IEC 62932-2-1要求液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）的設計應能夠承受在運輸、搬運和使用過程中受到的機械應力、震動和沖擊；在符合設計要求的同時，要求制造商提供有關液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）的運輸、安裝、調(diào)試操作、維護和使用的文件。液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）應滿足IEC 62932-2-1提出的性能要求，與安全有關的要求和試驗方法應符合IEC 62932-2-2的規(guī)定。

IEC 62932-2-1給出了對測試對象測量過程中所使用的儀器精度，規(guī)定的測試環(huán)境溫度為25℃±5K，除非另有規(guī)定或由制造商和用戶協(xié)商確定。測量點（Point of Measurement，POM）是電路中供測量記錄的電池能量傳遞以及電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池支撐系統(tǒng)（BSS）消耗能量的物理位置。測量點（POM）可由制造商指定，并在合同文件中注明。根據(jù)輔助能源的提供方式不同，連接點（POC）和測量點（POM）的選擇也不同。標準中給出了三種連接點（POC）和測量點（POM）的示例及條件供測試選擇。

IEC 62932-2-1明確了液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）和測試對象單元（TOU）三個測試對象，并對其測試范圍進行了規(guī)定。液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）因受限不便測試時，可定義測試對象單元（TOU）以代替測試，但應包括液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）測試范圍內(nèi)的所有部件。測試過程中還應充分考慮直流或交流功率影響產(chǎn)生的輔助能耗，并記錄相應的連接點、測試點和環(huán)境溫度等測試條件。

IEC 62932-2-1在明確以上測試條件后，給出了測試對象的額定能量、最大輸出功率、最大輸入功率、額定能量效率和循環(huán)壽命的測試方法。

液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測試對象單元（TOU）的額定能量是指在額定功率下測量的放電輸出總能量和輔助設備消耗的輔助能耗，具體測試過程如下：

1）測試單元應連接負載電路，根據(jù)需要負載電路可以對測試單元進行充放電。在測試過程中，應有適當?shù)脑O備來測定輔助設備的輔助能耗。

2）測試單元應按照制造商規(guī)定的方法充電100%荷電狀態(tài)（SOC）。

3）測試單元應以額定功率進行放電直至放電截止條件。該功率應保持在±2%以內(nèi)。放電截止條件應在測試中說明并執(zhí)行。

液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測試對象單元（TOU）的最大輸出功率受放電時間、充電狀態(tài)等多種因素影響，因此，所確定的最大輸出功率值具有典型性，僅適用于液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測試對象單元（TOU）的特定運行條件下。測試對象的最大輸出功率應按照以下步驟進行測試：

1）放電持續(xù)時間應在試驗前進行規(guī)定，推薦采用額定能量與額定功率之比的1/50來定義持續(xù)時間，或者使用制造商聲明的持續(xù)時間。

2）測試單元應按照所制造商聲明的方法充電至理想的荷電狀態(tài)。

3）測試單元應在選定的恒功率下放電直至放電截止條件。應記錄放電的持續(xù)時間。該功率應保持在+2%以內(nèi)。必須注意所選擇的放電功率不會對設備造成不可挽回的損害。

4）如果放電持續(xù)時間大于規(guī)定的持續(xù)時間值，則提高功率重復2）和3）步驟，直到放電持續(xù)時間達到所規(guī)定的持續(xù)時間值。測試過程中應保持環(huán)境溫度、放電截止條件等其他條件不變，建議按照從高功率到低功率的順序進行測試。

5）如果放電持續(xù)時間小于規(guī)定的持續(xù)時間，則降低功率重復2）和3）步驟，直到放電持續(xù)時間達到所規(guī)定的持續(xù)時間值。測試過程中應保持環(huán)境溫度、放電截止條件等其他條件不變。

6）應記錄最大輸出功率值和相應的輔助功耗。最大輸出功率與放電時間、充電狀態(tài)和環(huán)境溫度有關。

7）驗證制造商聲明的最大輸出功率值。應按照3）步驟進行，測得的放電持續(xù)時間應不小于制造商聲明的持續(xù)時間值。

楊年豐嘆了口氣，繼續(xù)說道：“原本我以為，就這么相安無事地過下去，就讓娟兒頂替曉梅生活著，但沒想到，今年年初的一天，老太太的眼睛突然能看到東西了，可惜，她復明了僅僅幾分鐘的時間。不巧的是，當時娟兒正在老太太的身邊扮演小女兒，于是老太太不動聲色地把我單獨叫來，責問我事情的真相。我無法隱瞞，只好把當年你二表哥告訴我的事情經(jīng)過講給了老太太?！?/p>

液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測試對象單元（TOU）的最大輸入功率受放電時間、充電狀態(tài)等多種因素影響，因此，所確定的最大輸入功率值都具有典型性，僅適用于液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測試對象單元（TOU）的特定運行條件下。測試對象的最大輸入功率應按照以下步驟進行測試：

1）充電持續(xù)時間應在試驗前進行規(guī)定。推薦采用額定能量與額定功率之比的1/50來定義持續(xù)時間，或者使用制造商聲明的持續(xù)時間。

2）測試單元應按照所制造商聲明的方法放電至理想的荷電狀態(tài)。

3）測試單元應在選定在恒功率下充電直至充電截止條件。應記錄充電的持續(xù)時間。該功率應保持在+2%以內(nèi)。必須注意所選擇的充電功率不會對設備造成不可挽回的損害。

4）如果充電持續(xù)時間大于規(guī)定的持續(xù)時間值，則提高功率重復2）和3）步驟，直到充電持續(xù)時間達到所規(guī)定的持續(xù)時間值。應保持環(huán)境溫度、放電截止條件等其他條件不變，建議從高功率到低功率的順序進行測試。出于安全原因，初始測試功率不應高于制造商聲明的最大輸入功率。

5）如果充電持續(xù)時間小于規(guī)定的持續(xù)時間，則降低功率重復2）和3）步驟，直到充電持續(xù)時間達到所規(guī)定的持續(xù)時間值。測試過程中應保持環(huán)境溫度、放電截止條件等其他條件不變。

6）應記錄最大輸入功率值和相應的輔助功率。最大輸入功率值與充電時間、充電狀態(tài)和環(huán)境溫度有關。

7）驗證制造商聲明的最大輸入功率值，應按照3）步驟進行，測得的充電持續(xù)時間應不小于制造商聲明的持續(xù)時間值。

液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）或測試對象單元（TOU）的額定能量效率在測試運行期間充放電過程中，受功率水平和輔助能耗的影響，測定的值具有典型性，僅適用于液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測試對象單元（TOU）的特定運行條件下。測試對象的額定能量效率測試應按照下列程序進行：

1）測試單元應連接負載電路，根據(jù)需要負載電路可對測試單元進行充放電。在測試過程中，應有適當?shù)脑O備來測定輔助設備的輔助能耗。

2）測試單元應以額定功率進行放電直至放電截止條件。

3）測試單元應以額定功率進行充電直至充電截止條件。該功率應保持在+ 2 %以內(nèi)。

4）測試單元應以額定功率進行放電直至放電截止條件。該功率應保持在+ 2 %以內(nèi)。

5）記錄3）步驟中測試單元的充電能量和放電的能量，以及3）步驟和4）步驟中輔助設備消耗的能量。

6）能源效率定義為4）步驟中放電能量與3）步驟充電能量的比率。

7）因測試對象的能量效率值受功率變化，穩(wěn)定狀態(tài)等很多因素影響，因此有關能量效率的聲明都應給出相應的運行條件。對于驗證制造商聲明的額定能量效率，應在額定功率下連續(xù)測量三次，三次測量值的平均值應大于或等于制造商聲明的額定能量值。液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）或測試對象單元（TOU）的循環(huán)壽命測試建議根據(jù) IEC 61427 -2對相應的離網(wǎng)、并網(wǎng)應用場景進行測試。

為了更好地體現(xiàn)液流電池能源系統(tǒng)放電功率與放電能量之間的關系，標準給出了資料性附錄A，提出了在6.1和6.4中所述的不同恒定功率水平下進行多次能量和能量效率測試，可生成能量和能量效率相對于功率水平的曲線，以表征液流電池能源系統(tǒng)的特性。

3 結(jié)束語

IEC 62932-2-1為固定式液流電池能源系統(tǒng)的有效測量和性能表征提供了依據(jù)和保障，標準的制定將進一步提升我國液流電池技術(shù)和產(chǎn)品在國際上的話語權(quán)，對推動液流電池的研發(fā)、生產(chǎn)和應用起到重要的促進作用，同時也將為用戶、相關檢驗部門提供規(guī)范的質(zhì)量評價依據(jù)。建議標準化技術(shù)機構(gòu)及時將IEC 62932系列標準轉(zhuǎn)化為國家標準，進一步提高液流電池相關國家標準的實用性和指導性。