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 化工學院，陜西 西安 710069）

0 引 言

全釩液流電池（VRB）是一種電化學儲能裝置，全稱為全釩氧化還原液流電池，包括電堆、電解液儲存、動力循環系統、電池管理系統和能量管理系統等，是化學活性物質循環流動的液流電池。釩電池的電能以化學能的方式存儲在不同價態釩離子的電解液中，通過電解液中釩離子的價態變化儲存或釋放能量。釩電池有兩個儲液罐分別存儲正負極電解液，通過泵動力系統反應在電堆中進行，正負極反應為：

該反應過程是可逆的，釩電池完成充放電可以反復循環。它的主要優勢是電池使用壽命長、蓄能容量大、循環效率高、無污染和電解液可以回收并循環使用，可作為工業設備設施的備用電源、電動船等，也可以作為太陽能、風能等清潔能源裝置的配套儲能電池，還適用于大規模儲能電站的建設，如微電網和調峰填谷等，是目前及未來最具有發展潛力的綠色環保大規模儲能裝置。

不同儲能應用環境需要相應的充放電控制模式。當前，通過對普遍VRB儲能裝置充放電控制方法進行分析，發現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，充電時間長，電網側電壓波動較大，且VRB多次充放電循環后會使電容量下降很快，無法提高電池效率。因此，主要對間接性變電流控制和柔性充放電控制方法實現快速充放電的效果和電堆內核電壓進行預估，從而提高VRB的儲電能力。通過直流側VRB安全充放電策略研究設計，實際應用于電網側，以達到延長電池壽命和儲能效率的目的。

1 動態變電流控制的快速充電方法

國內外儲能電池快速充電方法有Reflex模式充電法、電子脈沖充電法、動態變電流/電壓間斷性充電法等[1]。Reflex充電方法主要應用于鎳鎘電池等，主要解決固體電池使用過程中長期不徹底充放電、在電池內留下痕跡、降低電池容量（記憶效應）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間隔期，解決電池使用過程中的極化現象，優化電池容量使用效率。動態變電流/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在短時間內吸收較多的電能量，在有效時間內獲取容量范圍內的大部分電量。此方法在充電初期使用較大的電流，影響VRB電堆內部材料壽命。

通過對VRB充放電過程進行數據分析可知，充電過程中電流較大時，產生的歐姆壓降和電堆內極化的電位值越大。BMS顯示端電壓并不是真實的電壓容量，因此無法準確計算充放電電壓上限和下限電壓截止電壓值的設置，造成了VRB系統充放電過程中的過沖和過放現象。根據馬斯定律，在低析H2情況下，儲能電池能接受最大充電電流和可接受的充電電流關系為指數函數關系[2-4]。VRB存在極化現象，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，具體數值要從計算實際系統運行分段測試中獲得；（2）監測VRB充電過程，發現充電電流逐漸減小且呈現不規律曲線，隨后對VRB采取去極化措施，分析類別是電化學極化、歐姆極化和濃差極化；（3）根據釩電池結構設計動態電流間斷性充電方法，達到快速充電的目標過程。首先充電過程電流分段階梯型減小，采取規律性停充控制措施。電流分段動態變化數值和停充時間隔通過電池測試平臺數據分析獲得。其次，實驗找到最佳充電控制參數，充電后期采用脈沖電壓進行浮充電，可充入較多電量。

實驗采用了動態變電流間斷恒壓充電方法，并結合電流正交測試方法，對實驗室單模組釩液流電池進行一系列的充放電測試實驗，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。實驗結果表明：采用變電流間歇恒壓充電方法，充電時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%；多次充放電循環后，放電容量未見衰減。

對比恒流、恒壓、動態變電流間斷快充電模式，得到以下結果：（1）充電過程中采用適度的停充，可減小極化效應，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，但是動態變流間斷充電模式比較適合快速充電應用場景。試驗測試過程中發現，動態變電流間斷性充電方法多次循環充放電后，電池放電容量沒有出現衰減。

2 基于內核電壓的柔性充放電控制

在研究VRB充放電內核電壓控制方面，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，提出內外側雙環控制方法，即內側VRB內部平均電流控制，外側為恒功率、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，實現了VRB系統安全充放電的目標，缺點是根據SOC和端電壓變化選擇控制器設計較為復雜，且瞬間切換是平滑的。李輝、付博等[7]通過多級VRB系統功率的優化研究，應用于平抑風電場功率波動，以每組電池SOC作為評價功率優先選擇目標，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VRB組的功率優化分配策略。

通過分析現有控制策略，研究基于內核電壓值為依據的柔性充放電控制方法。在內核電壓評估基礎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，恒定電流值根據開路電壓和VRB起始功率計算獲得。恒流的目的是使VRB快速充放電到一定的容量，當VRB電池端電壓上升或下降到限定數值后，切換到設定最高或最低值恒壓充放電。以SOC進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行充放電控制，以電池安全工作為前提，防止過沖、過放現象的發生。

基于內核電壓估計的VRB充放電控制模式，在設計方面采用了SOC下外側電壓、電流內側雙層VRB控制體系。功能器件由集成帶限幅值的調控（壓）器來實現功能，外側SOC接受EMS的調度。充放電控制模式有以下幾種模式：（1）SOC定值＜SOC實際充電模式；（2）SOC定值=SOC實際，停止模式；（3）SOC實際＞SOC閾值，放電模式。

充電過程中，恒流充電過程中VRB電池端電壓和內核電壓是同步增加的。當端電壓增加到限設值時，進入限設值恒壓充電過程。此沖電模式過程中隨著充電時間的進行，SOC變化在逐漸增加，相應的內核電壓也會增大，但是端電壓保持不變，充電電流反而逐漸減小。當電池的SOC達到設定閾值時，停止充電。放電過程是一個相反的過程，這樣的設計策略準確達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充放數學模型研究和充放電控制特性對比的基礎上進行了內核電壓的估計，設計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，實現了內核電壓的預估，提高了VRB的儲能效率。

3 穩定直流側VRB安全充放電策略

為確保VRB儲能系統安全充放電，使其達到直流電網側電壓平穩控制，結合電池端三階段充放電控制模式提出了直流側含DC/DC變換器不同充放電安全穩壓兩側動態控制模式。在建立VRB等效驗證電路的基礎上，以內側為VRB內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，外側智能控制以DC/AC網側變換器保持直流側電壓恒定為前提設計。以SOC和端電壓為約束條件，對安全充放電控制模式進行優化。研究含DC/DC變換器的不同充放電策略，首先在分析VRB儲能系統運行原理的基礎上建立等效系統模型。以提出VRB內部電感平均電流控制為前提，荷電狀態檢測系統SOC為約束條件，外側為恒功率（功率值根據啟動電壓和電流變化的關系得到）、恒壓（電壓值以設定的上下限電壓值為參考值）、涓流或浮充切換控制的DC/DC變換器進行電池端電池充放電控制策略。電池端電壓數值、SOC變化和EMS結合平衡能量輸入輸出，在DC/AC網側變換器設備中實現，維持直流側電壓的恒定。

VRB電池自身充放電三階段控制方法：（1）根據能斯特定律計算設定恒功率，對VRB進行快速充電；（2）檢測到外部BMS端電壓超出設定上限電壓，同時滿足SOC未超出限定0.8（VRB可設定在0.9以內）時，立即改變充放電控制以充電上限電壓值進行恒壓充電，同時上限電壓不能太高，否則會造成電池的內部歐姆極化；（3）恒壓充電過程中，SOC檢測模塊對系統進行反饋，當SOC超出限值時，轉為涓流充電模式，防止電池過充現象發生。方法總結可表示為：（1）P沖=P恒，U低設＜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 論

在三個階段控制策略基礎上，提出了含雙向DC/DC和DC/AC網側變換器的VRB安全充放電方法。工程實踐總結如下：（1）以內環為VRB側電感電流控制下恒功率—恒壓—恒電流三階段策略，結合DC/AC網側變換器穩定直流側母線電壓的系統控制方法，較優實現VRB與電網之間的能量互傳，確保了直流側母線電壓的穩定運行；（2）以SOC和端電壓作為安全充放電切換約束作為動態條件，防止VRB出現過沖或過放現象，同時處于安全穩定運行區域，延長電池的使用壽命。