串聯全釩液流電池組均衡控制策略研究

李 鑫, 陳星邑, 鄭 濤, 陳 梅

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

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串聯全釩液流電池組均衡控制策略研究

李 鑫, 陳星邑, 鄭 濤, 陳 梅

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

全釩液流(vanadium redox flow battery,VRB)電池作為新型儲能電池，目前得到了廣泛應用。文章基于實測部門數據,采用飛度電容法此種能量轉移型均衡電路,以超級電容作為能量載體、荷電狀態(state of charge,SOC)為均衡啟動依據的控制策略。通過仿真驗證,該控制策略可以實時、有效地實現多個全釩液流電池組的SOC平衡。

全釩液流電池;均衡;儲能;荷電狀態;飛度電容法

太陽能、風能等可再生能源具有隨機性、間歇性,為保證電力輸出穩定,需要采用儲能技術。全釩液流電池(vanadium redox flow battery,VRB)是目前發展較快的新型大容量儲能電池,與鉛酸蓄電池、鎳氫電池等相比,具有容量大、支持頻繁大電流充放電、可擴展性強、壽命長等優點[1]。在大型儲能系統中,為了提供更高供電電壓和儲能容量[2],需要將多個單體VRB進行串并聯,形成全釩液流電池組。因為單體VRB的內部結構不同,充放電會出現全釩液流電池組的單體(state of charge,SOC)不一致而引起的電壓不均衡,所以會造成電池過充或過放,長此以往,整個全釩液流電池組的性能將因“木桶效應”[3]而壽命減小。為保證全釩液流電池長期、有效運行,需要加入均衡電路實現電池組間的電壓均衡。

一些專家學者提出了兩大類均衡策略[4],一類是耗能型均衡法,它是通過在單位電池上并聯分流元件，消耗高容量單體能量實現均衡；另一類是能量轉移型均衡法,它是通過電感、電容或直流變換器將能量從端電壓較高的儲能單元轉移到端電壓較低的儲能單元。耗能型均衡效果不明顯、散熱不及時,對于大容量儲能電池組,還存在過熱等安全問題,需要進行熱管理[5]。而能量轉移型均衡不以消耗能量為代價,成為目前主流均衡技術。飛度電容法為能量轉移型均衡電路的一種,目前在鋰電池、鉛酸蓄電池有廣泛的應用,但是在VRB上使用并不多,研究該均衡電路在全釩液流電池組的應用具有實際意義。

本文應用該均衡電路,采用功率大、充電速度快、充放電效率高的超級電容[6]為均衡儲能器。為優化均衡策略,在充放電過程中實時檢測每個VRB的電壓和電流,以SOC作為啟動均衡依據,不斷切換電池與超級電容之間的開關頻率,最終實現每個VRB之間的SOC均衡。

1 均衡方案設計

串聯VRB均衡電路如圖1所示，包括雙向DC/DC、全釩液流電池組陣列、電池管理系統(battery management system,BMS)、均衡主電路。BMS為控制大腦,實現檢測顯示并實現均衡控制與充放電控制。利用超級電容作為均衡能量載體,充放電速度快,非常適合用于大容量VRB的均衡。

圖1 串聯VRB均衡電路

在兆瓦級儲能系統中,為提高電壓等級和儲能容量,會將全釩液流電池組串并聯使用,每個單元有M個串聯、N組并聯,通過雙向DC/DC接入直流母線。本文提出的控制策略是對串聯VRB中的其中4個進行SOC平衡。

2 VRB的原理和模型

VRB通過外接泵將釩溶液從電解液儲液罐壓入電池電堆體內,完成氧化還原化學反應,反應結束又回到儲液罐,其活性物質不斷地循環流動,完成VRB充放電過程[7],工作原理如圖2所示。

圖2 VRB的工作原理框圖

為了能夠反映出VRB的動態響應特性、輸入輸出的伏安特性以及SOC隨充放電的變化特性,本文建立的VRB等效電路[8]如圖3所示。

圖3 VRB等效模型

(1)Rreaction表示反應動力學引起的電阻,Rresistive表示由質量遷移、膜、溶液、電極和雙極板引起的電阻,均為VRB等效內阻；Rfixed表示泵損等效電阻；電極電容Celetrodes表示VRB的動態響應能力[8]。

(2) SOC為電池剩余容量與其完全充電狀態的容量的比值[9],SOC與電池的總容量直接有關,隨著SOC充放電過程呈一個不斷變換的狀態變量,計算公式為:

SOCt=SOCt-1+ΔSOC

(1)

(2)

其中,SOCt-1為前一時刻的SOC;ΔSOC為增量SOC;EN為電池容量;Istack為堆棧電流;VB為VRB端電壓；Δt為仿真步長。

(3)Vstack表示堆棧電壓,模型中等效為一個受控電壓源,計算公式為:

(3)

(4)Ipump表示泵損耗,模型中等效為一個受控電流源,計算公式為:

(4)

3 均衡策略與控制

電池的外電壓受VRB隔膜、正負電極等因素的影響,傳統的電壓均衡不能客觀反映電池能量的真實情況[10]。為更好地實現電池能量均衡,本文以SOC為均衡的判據,可以更加有效地改善電池組的容量利用率,提高均衡效果。

研究表明靜置時間足夠長的同規格的單體VRB開路電壓(open circuit voltage,OVC)與SOC存在一一映射關系,從質監部門得到VRB的SOC與單體開路電壓Vcell實測數據,得到39個單體電池開路電壓Vcell與荷電狀態SOC關系圖(OVC-SOC圖),如圖4所示。

圖4 VRB的OVC與SOC關系

3.1 均衡主電路及均衡原理

本文均衡主電路采用飛度電容法[11]均衡電路,此法是由開關電容法均衡策略改進而來,如圖5所示。開關電容法能量轉換是根據電池順序逐個傳遞,均衡速度很慢,時間太長,而飛度電容法是利用多組開關的通斷組合,使能量按照預設的路徑流動,使得能量轉換不局限于相鄰2個單體電池之間,縮短了均衡時間,提高了工作效率。

4個VRB的端電壓分別為VB1、VB2、VB3、VB4,超級電容C的電壓為VC,電路中等效電阻為R。假設VRB4的SOC最大,VRB1的SOC最小。則一個周期均衡過程分為如下3個階段:

(1) 階段1。VRB4給超級電容預充電,使超級電容電量充足。

(2) 階段2[t=0～1/2f]。超級電容C給VRB1充電,此時K1、K2、K6、K8閉合,其余開關斷開。

(5)

VRB1的增量SOC為:

(6)

(3) 階段3[t=1/2f～1]。VRB4給超級電容C充電,此時K4、K5、K7、K9閉合,其余開關斷開。

(7)

VRB4的增量SOC為:

(8)

其中,I1、I2為超級電容C在轉移能量時的充放電電流;f為均衡主電路中開關的切換頻率。

3.2 均衡策略

通過查OVC-SOC表得到每個單體VRB的初始SOC。實時檢測每個單體VRB的工作電壓VBn和電流In,根據(2)式計算每個電池的荷電狀態SOCn,并判斷是否需要啟動均衡。同時不斷定位容量最大和容量最小的VRB,通過控制均衡主電路中開關陣列Kn的開關狀態,使超級電容C轉移能量。容量大的VRB給超級電容C充電,容量小的VRB被超級電容C充電,超級電容不斷搬移能量最終實現VRB之間均衡。

本文采用極值SOC均衡方法,以VRB最大SOC與VRB最小SOC差值CSOC在5%以內作為結束均衡條件,此時VRB之間的最大電壓差為0.48 V左右。均衡過程中通過改變超級電容的容值C和控制開關陣列的切換頻率f,可以改變超級電容充放電電流大小,改變均衡的時間。

4 均衡仿真

超級電容模型利用文獻[12]中的C、R模型。根據圖2的等效模型,針對容量為30 kW·h的VRB系統建立仿真模型。具體參數如下:VRB電堆的單體電池為39個,額定功率為5 kW,Rreaction=0.045 Ω,Rfixed=13.889 Ω,Rresistive=0.03 Ω,Celetrodes=0.15 F[13],仿真步長Δt=0.005 s。為描述VRB的不一致性,改變VRB初始SOC、內阻Rreactor、Rresistive的參數值,模擬4個不同的VRB,參數設置見表1所列。

表1 4個不同VRB的參數

串聯釩電池組在應用中沒有均衡電路時,為防止電池過充電,低容量電池必須被迫停止充電,釩電池得不到充分利用。

采用充電電流I=100 A對4個不同的VRB進行充電,在充電過程中不使用均衡策略,各VRB的SOC如圖6所示。

圖6 不使用均衡策略各VRB的SOC

釩電池的不一致性會導致每個VRB的SOC發散,充電完成后SOC的差異會更大。由圖6知,容量最大VRB4與容量最小VRB1的差值CSOC由25%增加到26.7%。

本文選取超級電容值C=10 F、內阻值R=5 mΩ,切換頻率f=10 Hz、占空比D=0.5,對4個VRB進行均衡控制。采用均衡策略后各VRB的SOC如圖7所示。

圖7 使用均衡策略后各VRB的SOC

由7圖可知,4個VRB的SOC不斷趨于平衡,在t=1 404 s實現了均衡。此時CSOC在5%以內,最大電壓差為0.33 V,防止串聯釩電池組中出現過充電,最大化利用電池容量。

5 結 論

本文研究結果表明：在線估測VRB的荷電狀態SOC作為啟動均衡的依據,比電壓均衡更加接近均衡的目的。采用超級電容作為能量轉移載體,可以將容量最高單體和最低單體間的能量快速轉移完畢,縮短均衡時間;該電路由電容、繼電器等開關組成,結構簡單,控制方便;仿真表明,該均衡電路及均衡策略可快速、精確、穩定有效地實現串聯全釩液流電池組的均衡,為VRB在單元模塊化串聯場合的應用提供理論基礎。

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(責任編輯 張 镅)

Equalization control strategy for series vanadium redox flow batteries

LI Xin, CHEN Xingyi, ZHENG Tao, CHEN Mei

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Vanadium redox flow batteries have been widely used as a new type of energy storage batteries. Based on the measured data， a control strategy is proposed in which the energy transfer type balanced circuit based on fit capacitance method is used as the main circuit, the super capacitor as energy carrier and the state of charge(SOC) as the equalization control basis. The simulation results show that the proposed control strategy can effectively realize the SOC balance of vanadium redox flow batteries in real time.

vanadium redox flow battery(VRB); equalization; energy storage; state of charge(SOC); fit capacitance method

2015-06-09；

2015-07-09

李 鑫(1976-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.013

TM911.3

A

1003-5060(2016)11-1501-04