全钒液流电池充放电控制方法

李建斌，闫 渊

（1.陕西省能源化工研究院，陕西 西安 710049；2.西北大学 化工学院，陕西 西安 710069）

0 引 言

全钒液流电池（VRB）是一种电化学储能装置，全称为全钒氧化还原液流电池，包括电堆、电解液储存、动力循环系统、电池管理系统和能量管理系统等，是化学活性物质循环流动的液流电池。钒电池的电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的电解液中，通过电解液中钒离子的价态变化储存或释放能量。钒电池有两个储液罐分别存储正负极电解液，通过泵动力系统反应在电堆中进行，正负极反应为：

该反应过程是可逆的，钒电池完成充放电可以反复循环。它的主要优势是电池使用寿命长、蓄能容量大、循环效率高、无污染和电解液可以回收并循环使用，可作为工业设备设施的备用电源、电动船等，也可以作为太阳能、风能等清洁能源装置的配套储能电池，还适用于大规模储能电站的建设，如微电网和调峰填谷等，是目前及未来最具有发展潜力的绿色环保大规模储能装置。

不同储能应用环境需要相应的充放电控制模式。当前，通过对普遍VRB储能装置充放电控制方法进行分析，发现采用的是恒流或者恒功率等。单一操作的充放电方法充电效率低，充电时间长，电网侧电压波动较大，且VRB多次充放电循环后会使电容量下降很快，无法提高电池效率。因此，主要对间接性变电流控制和柔性充放电控制方法实现快速充放电的效果和电堆内核电压进行预估，从而提高VRB的储电能力。通过直流侧VRB安全充放电策略研究设计，实际应用于电网侧，以达到延长电池寿命和储能效率的目的。

1 动态变电流控制的快速充电方法

国内外储能电池快速充电方法有Reflex模式充电法、电子脉冲充电法、动态变电流/电压间断性充电法等[1]。Reflex充电方法主要应用于镍镉电池等，主要解决固体电池使用过程中长期不彻底充放电、在电池内留下痕迹、降低电池容量（记忆效应）的问题。脉冲充电方法主要利用充放电间断性的电子脉冲时间隔期，解决电池使用过程中的极化现象，优化电池容量使用效率。动态变电流/电压间断性方法是电池充放电较为有效的方法。间断性停充模式使得VRB在短时间内吸收较多的电能量，在有效时间内获取容量范围内的大部分电量。此方法在充电初期使用较大的电流，影响VRB电堆内部材料寿命。

通过对VRB充放电过程进行数据分析可知，充电过程中电流较大时，产生的欧姆压降和电堆内极化的电位值越大。BMS显示端电压并不是真实的电压容量，因此无法准确计算充放电电压上限和下限电压截止电压值的设置，造成了VRB系统充放电过程中的过冲和过放现象。根据马斯定律，在低析H2情况下，储能电池能接受最大充电电流和可接受的充电电流关系为指数函数关系[2-4]。VRB存在极化现象，在不间断充电电流作用下电流是不断减小的。如果采用较为适中的停充电或者停放电控制措施，可以有效提高电池的电容量效率。要快速充电还要做到以下工作：（1）VRB充电过程中充电流要适中，具体数值要从计算实际系统运行分段测试中获得；（2）监测VRB充电过程，发现充电电流逐渐减小且呈现不规律曲线，随后对VRB采取去极化措施，分析类别是电化学极化、欧姆极化和浓差极化；（3）根据钒电池结构设计动态电流间断性充电方法，达到快速充电的目标过程。首先充电过程电流分段阶梯型减小，采取规律性停充控制措施。电流分段动态变化数值和停充时间隔通过电池测试平台数据分析获得。其次，实验找到最佳充电控制参数，充电后期采用脉冲电压进行浮充电，可充入较多电量。

实验采用了动态变电流间断恒压充电方法，并结合电流正交测试方法，对实验室单模组钒液流电池进行一系列的充放电测试实验，充放电性能在恒流恒压和变电流间歇恒压充电模式下获得了最佳充电参数。实验结果表明：采用变电流间歇恒压充电方法，充电时间相比恒流恒压充电方法缩短近50%；获得了大致相同的放电容量，放电比率为100%；多次充放电循环后，放电容量未见衰减。

对比恒流、恒压、动态变电流间断快充电模式，得到以下结果：（1）充电过程中采用适度的停充，可减小极化效应，提升电池的充电能力，使其容纳更多电量；（2）三种充电模式相较，在放电过程中放电容量相当，但是动态变流间断充电模式比较适合快速充电应用场景。试验测试过程中发现，动态变电流间断性充电方法多次循环充放电后，电池放电容量没有出现衰减。

2 基于内核电压的柔性充放电控制

在研究VRB充放电内核电压控制方面，丁明[5]等人通过VRB充放电特性建模分析，研究了系统在恒电压、恒电流、恒功率三种不同充放电控制模式的特性和效率。李辉[6]等通过含DC/DC变换器全钒液流电池安全控制策略的分析，提出内外侧双环控制方法，即内侧VRB内部平均电流控制，外侧为恒功率、恒压或者涓流充放电控制的DC/DC变换器策略。该方法通过VRB恒压—恒流—恒功率三阶段的控制，实现了VRB系统安全充放电的目标，缺点是根据SOC和端电压变化选择控制器设计较为复杂，且瞬间切换是平滑的。李辉、付博等[7]通过多级VRB系统功率的优化研究，应用于平抑风电场功率波动，以每组电池SOC作为评价功率优先选择目标，以外部端电压作为电池安全充放电的约束条件，提出了多级VRB组的功率优化分配策略。

通过分析现有控制策略，研究基于内核电压值为依据的柔性充放电控制方法。在内核电压评估基础上采用三阶梯控制充放电模式，即恒流—恒压—涓流的三阶段VRB充放电控制方法。初期采用恒定电流VRB充放电控制，恒定电流值根据开路电压和VRB起始功率计算获得。恒流的目的是使VRB快速充放电到一定的容量，当VRB电池端电压上升或下降到限定数值后，切换到设定最高或最低值恒压充放电。以SOC进行充放电变量控制条件，在充放电后期采用涓流或者浮充模式进行充放电控制，以电池安全工作为前提，防止过冲、过放现象的发生。

基于内核电压估计的VRB充放电控制模式，在设计方面采用了SOC下外侧电压、电流内侧双层VRB控制体系。功能器件由集成带限幅值的调控（压）器来实现功能，外侧SOC接受EMS的调度。充放电控制模式有以下几种模式：（1）SOC定值＜SOC实际充电模式；（2）SOC定值=SOC实际，停止模式；（3）SOC实际＞SOC阈值，放电模式。

充电过程中，恒流充电过程中VRB电池端电压和内核电压是同步增加的。当端电压增加到限设值时，进入限设值恒压充电过程。此冲电模式过程中随着充电时间的进行，SOC变化在逐渐增加，相应的内核电压也会增大，但是端电压保持不变，充电电流反而逐渐减小。当电池的SOC达到设定阈值时，停止充电。放电过程是一个相反的过程，这样的设计策略准确达到了柔性充放电的控制过程。

采用柔性充放电控制方法，在VRB充放数学模型研究和充放电控制特性对比的基础上进行了内核电压的估计，设计了三阶梯充放电模式的柔性充放电控制策略，在保证高效率柔性充放电的同时，实现了内核电压的预估，提高了VRB的储能效率。

3 稳定直流侧VRB安全充放电策略

为确保VRB储能系统安全充放电，使其达到直流电网侧电压平稳控制，结合电池端三阶段充放电控制模式提出了直流侧含DC/DC变换器不同充放电安全稳压两侧动态控制模式。在建立VRB等效验证电路的基础上，以内侧为VRB内部电感平均电流控制，中间为恒功率、恒压、涓流平滑切换控制的DC/DC变换器策略，外侧智能控制以DC/AC网侧变换器保持直流侧电压恒定为前提设计。以SOC和端电压为约束条件，对安全充放电控制模式进行优化。研究含DC/DC变换器的不同充放电策略，首先在分析VRB储能系统运行原理的基础上建立等效系统模型。以提出VRB内部电感平均电流控制为前提，荷电状态检测系统SOC为约束条件，外侧为恒功率（功率值根据启动电压和电流变化的关系得到）、恒压（电压值以设定的上下限电压值为参考值）、涓流或浮充切换控制的DC/DC变换器进行电池端电池充放电控制策略。电池端电压数值、SOC变化和EMS结合平衡能量输入输出，在DC/AC网侧变换器设备中实现，维持直流侧电压的恒定。

VRB电池自身充放电三阶段控制方法：（1）根据能斯特定律计算设定恒功率，对VRB进行快速充电；（2）检测到外部BMS端电压超出设定上限电压，同时满足SOC未超出限定0.8（VRB可设定在0.9以内）时，立即改变充放电控制以充电上限电压值进行恒压充电，同时上限电压不能太高，否则会造成电池的内部欧姆极化；（3）恒压充电过程中，SOC检测模块对系统进行反馈，当SOC超出限值时，转为涓流充电模式，防止电池过充现象发生。方法总结可表示为：（1）P冲=P恒，U低设＜U冲1＜U高；（2）U冲=U高，U冲2≥U高且SOC≤0.8；（3）I冲=I涓，SOC≥0.8，放电过程策略相反。

4 结 论

在三个阶段控制策略基础上，提出了含双向DC/DC和DC/AC网侧变换器的VRB安全充放电方法。工程实践总结如下：（1）以内环为VRB侧电感电流控制下恒功率—恒压—恒电流三阶段策略，结合DC/AC网侧变换器稳定直流侧母线电压的系统控制方法，较优实现VRB与电网之间的能量互传，确保了直流侧母线电压的稳定运行；（2）以SOC和端电压作为安全充放电切换约束作为动态条件，防止VRB出现过冲或过放现象，同时处于安全稳定运行区域，延长电池的使用寿命。