一種釩電池的電氣特征檢測方法研究

方建華 張林瀚

摘要 釩電池電氣特性測試既是釩電池本體研究和改進(jìn)的重要內(nèi)容，也是其實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前因缺乏對(duì)電氣特性的深入研究，釩電池只在一些微電網(wǎng)示范工程中進(jìn)行應(yīng)用，為了解決這一問題，本文在分析釩電池結(jié)構(gòu)與工作原理，以及性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了釩電池電氣特性測試試驗(yàn)平臺(tái)，開展了釩電池的全充放電循環(huán)測試、脈沖充放電循環(huán)測試、自放電特性測試和暫態(tài)放電特性測試，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】釩電池 微電網(wǎng) 電氣特性 循環(huán)測試

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的需求量也不斷增加，電能是當(dāng)今社會(huì)的最主要能源之一，它應(yīng)用范圍廣、實(shí)用性好，但在現(xiàn)有條件下，電能很難進(jìn)行有效的存儲(chǔ)，因此像電化學(xué)儲(chǔ)能電池等高效率的電能儲(chǔ)存方法一直是電氣工程研究的重點(diǎn)。

目前使用較多的電化學(xué)儲(chǔ)能電池主要有鋰電池、鈉硫電池、鉛酸電池和釩電池等。在這幾種電池中，鉛酸電池技術(shù)最為成熟，價(jià)格也比較便宜，但它使用壽命短、充放電性能差;鈉硫電池具有高比功率和高比能量、制造成本也比較低，但它運(yùn)行時(shí)容易發(fā)熱，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn);鋰電池同樣是一種新型電池之一，它功率高，放電充分，但壽命短、容易過充電;與其他幾種電池相比，釩電池具有容量大、壽命長、成本低、安全性高等特點(diǎn)，因而具有廣闊的工程實(shí)際前景。

目前，釩電池已經(jīng)在工程中投入使用，但因缺乏對(duì)其電氣特性的深入研究，導(dǎo)致其低效率、管控難等問題遲遲得不到解決，這大大制約了釩電池的實(shí)用價(jià)值。為此，本文在分析釩電池結(jié)構(gòu)、工作原理以及性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了釩電池電氣特性測試試驗(yàn)平臺(tái)，開展了釩電池的全充放電循環(huán)測試、脈沖充放電循環(huán)測試、自放電特性測試和暫態(tài)放電特性測試，并對(duì)測試果進(jìn)行了有效的分析。

2 釩電池工作原理

釩電池是一種將電能存儲(chǔ)在液體溶液中的電化學(xué)裝置。如圖1所示，釩電池系統(tǒng)包括電堆、電解液儲(chǔ)罐、管路系統(tǒng)和控制電路等，其中，電堆和儲(chǔ)液罐是釩電池的核心。其他部分等統(tǒng)稱為電池工作輔助設(shè)備，以保證釩電池的穩(wěn)定性。其工作原理是將不同化學(xué)價(jià)態(tài)的釩離子作為電池的正極和負(fù)極，通過外接循環(huán)泵，把電解液泵入電堆內(nèi)部，使其在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。在兩個(gè)氧化還原電對(duì)的電勢差的作用下，電解液會(huì)在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使電池進(jìn)行充放電。

在充放電過程中，電堆內(nèi)部發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

3 釩電池的性能特點(diǎn)

釩電池作為新型電化學(xué)電池中的一種，相對(duì)于傳統(tǒng)電化學(xué)電池來說具有更多優(yōu)越的性能特征，具體如下：

（1）電池輸出功率和儲(chǔ)能容量相互獨(dú)立。釩電池的能量存儲(chǔ)在外部儲(chǔ)液罐中，輸出功率則由電池本身決定。提高電解質(zhì)溶液濃度或者是增加儲(chǔ)能罐體積可以提高儲(chǔ)能容量，而加大正負(fù)電極部分的面積或者連接更多的電池就可以加大輸出功率，相互不影響，方便實(shí)用改造。

（2）安全可靠性高。電極反應(yīng)均為液相反應(yīng)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)固相反應(yīng)引起的電極脫落或短路現(xiàn)象。并且電解液通過循環(huán)泵進(jìn)入電堆，傳質(zhì)速率高，而且在循環(huán)過程中可以帶走電池中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，進(jìn)行降溫。

（3）使用壽命長。系統(tǒng)中所有電池的電溶液都由同一儲(chǔ)能罐提供的，具有相同的流速和濃度和SOC。因此，如果某個(gè)電池因突發(fā)情況導(dǎo)致電壓不均，也無需單獨(dú)處理，僅會(huì)造成成組電池的降功率運(yùn)行。當(dāng)功率降低到無法滿足系統(tǒng)工作時(shí)直接更換電解液即可。

（4）環(huán)境友好。釩電池是自動(dòng)封閉運(yùn)行的，沒有化學(xué)污染且維護(hù)簡單，且正負(fù)極為同一金屬離子電解液，這就確保電解液不會(huì)因電堆密封性差或膜透過效應(yīng)產(chǎn)生電解液的交叉污染。

（5）規(guī)模化利用成本低。釩電池結(jié)構(gòu)簡單，材料價(jià)格相對(duì)低廉，更換和維護(hù)費(fèi)用低。還可以將系統(tǒng)整個(gè)建與地下，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

（6）運(yùn)行條件簡單、靈活。釩電池能夠持續(xù)進(jìn)行深度放電，且不對(duì)電池的使用壽命或工作性能造成嚴(yán)重影響。當(dāng)電池性能不能滿足實(shí)際需要時(shí)，還可以通過更換高濃度電解液的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械充電。

（7）充放電切換響應(yīng)快。釩電池在正常運(yùn)行后，能夠根據(jù)需要快速實(shí)現(xiàn)充放電轉(zhuǎn)換，充放電過程中電壓波動(dòng)小，其充放電響應(yīng)時(shí)間可以控制在0.02s以內(nèi)。

4 釩電池的性能測試與分析

4.1 測試平臺(tái)構(gòu)建

釩電池具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)其電氣性能進(jìn)行分析和利用具有重要的意義，本文構(gòu)建了釩電池試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行大量試驗(yàn)，然后通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的全面比較和分析，歸納總結(jié)了釩電池的主要特性。

試驗(yàn)對(duì)象采用與上海神力科技有限公司合作研發(fā)的3kW/3kWh釩電池，工作電壓范圍為39V～52V，放電截止電壓為39V，采用恒流恒壓方式（CC-CV Mode）進(jìn)行充電，恒流充電至52V變成恒壓充電，充電電流下降到25A時(shí)停止充電。

測試條件主要包括釩電池試驗(yàn)平臺(tái)、Agilent DS06052A示波器一臺(tái)、MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)。其中，釩電池試驗(yàn)平臺(tái)包括釩電池上位機(jī)檢測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓和溫度的采集。充放電電流采集采用串聯(lián)lOOA/75mV的分流器進(jìn)行分壓獲取，電堆電壓運(yùn)行參數(shù)采集則是利用高度集成的LTC6802單電池監(jiān)測芯片實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)行溫度則是利用DS18820傳感器，獲取電池內(nèi)部電解液溫度，采集精度分別為O.lA、O.lV、0.5℃，均能滿足測試要求。

考慮到釩電池在實(shí)際工作時(shí)，需向循環(huán)泵等輔助設(shè)備提供一定的電能保證釩電池電解液進(jìn)入電堆內(nèi)部進(jìn)行電能的存儲(chǔ)與釋放，本文提出將循環(huán)泵等輔助設(shè)備作為負(fù)載考慮，單獨(dú)用直流電源供電。釩電池實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電氣結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，無論釩電池是處于充電狀態(tài)還是處于放電狀態(tài)，都需要向系統(tǒng)逆變器提供電能，保證釩電池的正常運(yùn)行。當(dāng)釩電池需要充電時(shí)，外電電源不僅向電堆供電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，同時(shí)給系統(tǒng)逆變器提供電能保證釩電池的正常工作;當(dāng)釩電池需要放電時(shí)，電堆不僅要向負(fù)載放電，同時(shí)也向系統(tǒng)逆變器提供電能保證釩電池的正常工作。

在測試釩電池時(shí)，將循環(huán)泵等輔助設(shè)備作為負(fù)載考慮，設(shè)計(jì)了釩電池試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)主要是以新能源發(fā)電與微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室為依托，通過48V直流母線向輔助設(shè)備提供電能，保證釩電池正常工作，如圖2（b）所示。當(dāng)風(fēng).光.蓄能夠滿足輔助設(shè)備工作時(shí)，直接利用可再生能源發(fā)電向輔助設(shè)備供電，當(dāng)風(fēng).光.蓄無法向輔助設(shè)備提供足夠的功率時(shí)，可以將市電整流后接入48V直流母線向輔助設(shè)備提供電能，這樣就保證了在連續(xù)長時(shí)間測試釩電池過程中其輔助設(shè)備正常運(yùn)行，而且可以有效保護(hù)鉛酸電池。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在本文中，我們分別對(duì)釩電池系統(tǒng)進(jìn)行全充放電、脈沖放電、自放電和暫態(tài)放電特性的測試，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了仿真分析。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，我們先對(duì)本次實(shí)驗(yàn)所用的負(fù)載進(jìn)行說明，本次實(shí)驗(yàn)使用三種負(fù)載，負(fù)載1為48V燈板，由規(guī)格為48V/60W的60個(gè)燈泡組成，我們通過開關(guān)將燈泡兩兩串聯(lián)成30組，再將30組燈泡并聯(lián)連接;負(fù)載2為30個(gè)規(guī)格為48V/60W的燈泡組成的燈板，由開關(guān)直接并聯(lián)構(gòu)成;負(fù)載3為10個(gè)規(guī)格為2.5kW/8Q的繞線電阻，通過導(dǎo)線直接并聯(lián)組合。

4.2.1 全充放電性能測試

在對(duì)釩電池進(jìn)行測試時(shí)，首先將釩電池儲(chǔ)液罐中的電解液進(jìn)行混液，以保證釩電池電氣特性不受水遷移等客觀因素的影響，再進(jìn)行多個(gè)個(gè)充放電循環(huán)，以保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。并在穩(wěn)定之后開始測試，其具體步驟如下：

（1）啟動(dòng)釩電池系統(tǒng)，利用充電器給釩電池充電，直到充滿為止，然后以八個(gè)負(fù)載進(jìn)行放電，直至達(dá)到放電截止電壓停止放電。

（2）釩電池系統(tǒng)停止工作兩小時(shí)后，啟動(dòng)電池系統(tǒng)，不充電也不放電，并記錄電堆電壓和充放電電流等參數(shù)。

（3） lOmin后閉合Kll和K12對(duì)電池進(jìn)行充電，當(dāng)充電電流等于25A時(shí)，停止給電堆充電，使釩電池系統(tǒng)處于旋轉(zhuǎn)熱備用狀態(tài)lOmin后，以八個(gè)負(fù)載對(duì)其進(jìn)行放電，八個(gè)負(fù)載分別由之前所提的三種負(fù)載串并聯(lián)而成，從l到8負(fù)載值依次減小。當(dāng)電池組達(dá)到放電截止電壓關(guān)閉釩電池系統(tǒng)，運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)記錄電壓與電流數(shù)據(jù)等。

由圖像3（a）和3（b）可知，在釩電池充電的過程中，其充電電流隨著時(shí)間不斷減小，而充電電壓基本能保持在52V左右。由此可知，當(dāng)釩電池初始電動(dòng)勢越高，釩電池所能充進(jìn)的總能量越少，釩電池初始電動(dòng)勢越小，釩電池所能充進(jìn)的總能量越多。

由圖像3（c）和3（d）可知，釩電池在放電過程中，隨著放電的進(jìn)行，其放電電壓逐漸減小，且在放電末期，放電電壓下降速度加快。釩電池放電時(shí)，若負(fù)載越大，所能放出的能量越少，放電時(shí)間也就越短，進(jìn)而帶來的泵損等輔助能耗就會(huì)減少，若負(fù)載越小，所能放出的能量越多，放電時(shí)間也就越長，從而導(dǎo)致其泵損等輔助能耗增加。因此，需要設(shè)計(jì)合理的充放電控制策略，既要保證一定的放電能量，也要盡量減少輔助能耗，以提高系統(tǒng)的效率。

為了更準(zhǔn)確的對(duì)釩電池充放電性能進(jìn)行解釋和說明，我們首先利用電壓和電流相乘后對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分得到能量這一方法得到初始電池電動(dòng)勢與充進(jìn)釩電池的能量的關(guān)系，并且利用放電電壓和電流相乘對(duì)時(shí)間積分得到了放電能量與放電電流的關(guān)系，如圖4所示。

由圖4（a）可知，釩電池初始電動(dòng)勢越高，釩電池所能充進(jìn)的總能量越少，釩電池初始電動(dòng)勢越小，釩電池所能充進(jìn)的總能量越多。電池電動(dòng)勢與能量具有很好的映射關(guān)系。因此我們?cè)诔潆娭畷r(shí)需要充分考慮釩電池的初始電動(dòng)勢。

由圖4（b）可見，釩電池的放電電流越小，釩電池所能釋放的總能量越多，釩電池的放電電流越大，釩電池所能釋放的總能量越少。當(dāng)放電電流大于80A時(shí)，釩電池放電容量大幅衰減。

4.2.2 脈沖充放電性能測試

脈沖充放電測試既可以為提供等效電路模型最基本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以詳細(xì)分析等效電路的動(dòng)態(tài)特征。圖5是以全充放電實(shí)驗(yàn)中的負(fù)載6脈沖充放電測試之后得到的電流和電壓曲線。

圖5可以得知，當(dāng)釩電池突然停止充電或放電時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)，電池端電壓會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。當(dāng)釩電池突然停止充電時(shí)，電池端電壓會(huì)出現(xiàn)瞬間的電壓跌落，而后電池端電壓繼續(xù)緩慢下降，逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值;當(dāng)釩電池突然停止放電時(shí)，電池端電壓會(huì)瞬間上升，而且隨著時(shí)間端電壓會(huì)緩慢上升，逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。我們稱這種現(xiàn)象為釩電池的極化現(xiàn)象

4.2.3 自放電特性測試

為了對(duì)釩電池的自放電特性進(jìn)行評(píng)估，我們?nèi)コC電池的負(fù)載，并且記錄其停止運(yùn)行之后的端電壓表1是在釩電池停止運(yùn)行后端電壓隨時(shí)間變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)，其具體測試結(jié)果如圖6所示。

當(dāng)電池停止工作時(shí)，釩電池的循環(huán)泵等輔助設(shè)備也停止工作，即不再向電堆內(nèi)部提供電解液，此時(shí)，電堆內(nèi)部的電解液因釩離子透過膜或電解液通過電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交叉滲透，導(dǎo)致釩電池端電壓下降，如圖6所示。當(dāng)電壓降至O時(shí)，因儲(chǔ)液罐中的電解液無法進(jìn)入電堆，其荷電狀態(tài)保持不變，因此，釩電池長期存儲(chǔ)的自放電率取決于電堆內(nèi)與儲(chǔ)液罐中電解液的比值。

表2是在不同時(shí)間下釩電池旋轉(zhuǎn)熱備用狀態(tài)下釩電池端電壓和正、負(fù)半電池溫度的部分?jǐn)?shù)據(jù)，其具體測試結(jié)果如圖7所示：當(dāng)釩電池處于旋轉(zhuǎn)熱備用狀態(tài)時(shí)端電壓隨時(shí)間的增加而下降，電池運(yùn)行溫度隨著時(shí)間的增加而升高，由此可見，在旋轉(zhuǎn)熱備用狀態(tài)下，釩電池荷電狀態(tài)下降，且在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了焦耳熱，即內(nèi)部產(chǎn)生了支路電流引起的自耗電。

4.2.4 暫態(tài)放電特性測試

暫態(tài)放電特性主要反映的是電池對(duì)負(fù)載的突然響應(yīng)能力，我們對(duì)釩電池、鉛酸電池和超級(jí)電容都進(jìn)行暫態(tài)放電特性測試，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，在進(jìn)行暫態(tài)放電測試的三種儲(chǔ)能電池中，超級(jí)電容響應(yīng)速度最快，鉛酸次之，釩電池響應(yīng)較慢。因此，在實(shí)際使用中，可以將釩電池與超級(jí)電容或其他儲(chǔ)能等組成混合儲(chǔ)能電池組以滿足能量與功率響應(yīng)能力，可以有效避免釩電池PCS的保護(hù)與故障。表3給出了三類儲(chǔ)能電池暫態(tài)放電時(shí)部分電氣參數(shù)值。

5 總結(jié)

本文在仔細(xì)分析了釩電池結(jié)構(gòu)與工作原理，以及性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室與上海神力科技有限公司合作研發(fā)的3kW/3kWh釩電池搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)測試出了釩電池的全充放電循環(huán)特性、脈沖充放電循環(huán)特性、自放電特性和暫態(tài)放電特性等電池特征。并結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及與其他電儲(chǔ)能電池性能的比較對(duì)釩電池的電磁容量特性、極化特性、自放電特性以及暫態(tài)放電特性等性能的特征和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和說明。這對(duì)釩電池的實(shí)際應(yīng)用有極為重要的意義。

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