一种钒电池的电气特征检测方法研究

方建华 张林瀚

摘要 钒电池电气特性测试既是钒电池本体研究和改进的重要内容，也是其实际工程应用的基础。目前因缺乏对电气特性的深入研究，钒电池只在一些微电网示范工程中进行应用，为了解决这一问题，本文在分析钒电池结构与工作原理，以及性能特点的基础上，构建了钒电池电气特性测试试验平台，开展了钒电池的全充放电循环测试、脉冲充放电循环测试、自放电特性测试和暂态放电特性测试，并对测试结果进行了分析。

【关键词】钒电池 微电网 电气特性 循环测试

1 引言

随着社会经济的不断发展，能源的需求量也不断增加，电能是当今社会的最主要能源之一，它应用范围广、实用性好，但在现有条件下，电能很难进行有效的存储，因此像电化学储能电池等高效率的电能储存方法一直是电气工程研究的重点。

目前使用较多的电化学储能电池主要有锂电池、钠硫电池、铅酸电池和钒电池等。在这几种电池中，铅酸电池技术最为成熟，价格也比较便宜，但它使用寿命短、充放电性能差;钠硫电池具有高比功率和高比能量、制造成本也比较低，但它运行时容易发热，具有一定的安全风险;锂电池同样是一种新型电池之一，它功率高，放电充分，但寿命短、容易过充电;与其他几种电池相比，钒电池具有容量大、寿命长、成本低、安全性高等特点，因而具有广阔的工程实际前景。

目前，钒电池已经在工程中投入使用，但因缺乏对其电气特性的深入研究，导致其低效率、管控难等问题迟迟得不到解决，这大大制约了钒电池的实用价值。为此，本文在分析钒电池结构、工作原理以及性能特点的基础上，构建了钒电池电气特性测试试验平台，开展了钒电池的全充放电循环测试、脉冲充放电循环测试、自放电特性测试和暂态放电特性测试，并对测试果进行了有效的分析。

2 钒电池工作原理

钒电池是一种将电能存储在液体溶液中的电化学装置。如图1所示，钒电池系统包括电堆、电解液储罐、管路系统和控制电路等，其中，电堆和储液罐是钒电池的核心。其他部分等统称为电池工作辅助设备，以保证钒电池的稳定性。其工作原理是将不同化学价态的钒离子作为电池的正极和负极，通过外接循环泵，把电解液泵入电堆内部，使其在整个系统中循环流动。在两个氧化还原电对的电势差的作用下，电解液会在电极表面发生氧化还原反应，使电池进行充放电。

在充放电过程中，电堆内部发生如下的化学反应：

3 钒电池的性能特点

钒电池作为新型电化学电池中的一种，相对于传统电化学电池来说具有更多优越的性能特征，具体如下：

（1）电池输出功率和储能容量相互独立。钒电池的能量存储在外部储液罐中，输出功率则由电池本身决定。提高电解质溶液浓度或者是增加储能罐体积可以提高储能容量，而加大正负电极部分的面积或者连接更多的电池就可以加大输出功率，相互不影响，方便实用改造。

（2）安全可靠性高。电极反应均为液相反应，不会出现传统固相反应引起的电极脱落或短路现象。并且电解液通过循环泵进入电堆，传质速率高，而且在循环过程中可以带走电池中化学反应产生的热量，进行降温。

（3）使用寿命长。系统中所有电池的电溶液都由同一储能罐提供的，具有相同的流速和浓度和SOC。因此，如果某个电池因突发情况导致电压不均，也无需单独处理，仅会造成成组电池的降功率運行。当功率降低到无法满足系统工作时直接更换电解液即可。

（4）环境友好。钒电池是自动封闭运行的，没有化学污染且维护简单，且正负极为同一金属离子电解液，这就确保电解液不会因电堆密封性差或膜透过效应产生电解液的交叉污染。

（5）规模化利用成本低。钒电池结构简单，材料价格相对低廉，更换和维护费用低。还可以将系统整个建与地下，具有很强的工程实用性。

（6）运行条件简单、灵活。钒电池能够持续进行深度放电，且不对电池的使用寿命或工作性能造成严重影响。当电池性能不能满足实际需要时，还可以通过更换高浓度电解液的方式实现机械充电。

（7）充放电切换响应快。钒电池在正常运行后，能够根据需要快速实现充放电转换，充放电过程中电压波动小，其充放电响应时间可以控制在0.02s以内。

4 钒电池的性能测试与分析

4.1 测试平台构建

钒电池具有一系列的优点，因此对其电气性能进行分析和利用具有重要的意义，本文构建了钒电池试验平台，并进行大量试验，然后通过对实验结果的全面比较和分析，归纳总结了钒电池的主要特性。

试验对象采用与上海神力科技有限公司合作研发的3kW/3kWh钒电池，工作电压范围为39V～52V，放电截止电压为39V，采用恒流恒压方式（CC-CV Mode）进行充电，恒流充电至52V变成恒压充电，充电电流下降到25A时停止充电。

测试条件主要包括钒电池试验平台、Agilent DS06052A示波器一台、MATLAB/SIMULINK仿真平台。其中，钒电池试验平台包括钒电池上位机检测与数据采集系统，可以实现电流、电压和温度的采集。充放电电流采集采用串联lOOA/75mV的分流器进行分压获取，电堆电压运行参数采集则是利用高度集成的LTC6802单电池监测芯片实现的，运行温度则是利用DS18820传感器，获取电池内部电解液温度，采集精度分别为O.lA、O.lV、0.5℃，均能满足测试要求。

考虑到钒电池在实际工作时，需向循环泵等辅助设备提供一定的电能保证钒电池电解液进入电堆内部进行电能的存储与释放，本文提出将循环泵等辅助设备作为负载考虑，单独用直流电源供电。钒电池实际运行时的电气结构如图2（a）所示，无论钒电池是处于充电状态还是处于放电状态，都需要向系统逆变器提供电能，保证钒电池的正常运行。当钒电池需要充电时，外电电源不仅向电堆供电，将电能转化为化学能，同时给系统逆变器提供电能保证钒电池的正常工作;当钒电池需要放电时，电堆不仅要向负载放电，同时也向系统逆变器提供电能保证钒电池的正常工作。

在测试钒电池时，将循环泵等辅助设备作为负载考虑，设计了钒电池试验平台。试验平台主要是以新能源发电与微电网实验室为依托，通过48V直流母线向辅助设备提供电能，保证钒电池正常工作，如图2（b）所示。当风.光.蓄能够满足辅助设备工作时，直接利用可再生能源发电向辅助设备供电，当风.光.蓄无法向辅助设备提供足够的功率时，可以将市电整流后接入48V直流母线向辅助设备提供电能，这样就保证了在连续长时间测试钒电池过程中其辅助设备正常运行，而且可以有效保护铅酸电池。

4.2 实验结果及分析

在本文中，我们分别对钒电池系统进行全充放电、脉冲放电、自放电和暂态放电特性的测试，并对测试结果进行了仿真分析。

在进行实验之前，我们先对本次实验所用的负载进行说明，本次实验使用三种负载，负载1为48V灯板，由规格为48V/60W的60个灯泡组成，我们通过开关将灯泡两两串联成30组，再将30组灯泡并联连接;负载2为30个规格为48V/60W的灯泡组成的灯板，由开关直接并联构成;负载3为10个规格为2.5kW/8Q的绕线电阻，通过导线直接并联组合。

4.2.1 全充放電性能测试

在对钒电池进行测试时，首先将钒电池储液罐中的电解液进行混液，以保证钒电池电气特性不受水迁移等客观因素的影响，再进行多个个充放电循环，以保证系统能够稳定运行。并在稳定之后开始测试，其具体步骤如下：

（1）启动钒电池系统，利用充电器给钒电池充电，直到充满为止，然后以八个负载进行放电，直至达到放电截止电压停止放电。

（2）钒电池系统停止工作两小时后，启动电池系统，不充电也不放电，并记录电堆电压和充放电电流等参数。

（3） lOmin后闭合Kll和K12对电池进行充电，当充电电流等于25A时，停止给电堆充电，使钒电池系统处于旋转热备用状态lOmin后，以八个负载对其进行放电，八个负载分别由之前所提的三种负载串并联而成，从l到8负载值依次减小。当电池组达到放电截止电压关闭钒电池系统，运行过程中实时记录电压与电流数据等。

由图像3（a）和3（b）可知，在钒电池充电的过程中，其充电电流随着时间不断减小，而充电电压基本能保持在52V左右。由此可知，当钒电池初始电动势越高，钒电池所能充进的总能量越少，钒电池初始电动势越小，钒电池所能充进的总能量越多。

由图像3（c）和3（d）可知，钒电池在放电过程中，随着放电的进行，其放电电压逐渐减小，且在放电末期，放电电压下降速度加快。钒电池放电时，若负载越大，所能放出的能量越少，放电时间也就越短，进而带来的泵损等辅助能耗就会减少，若负载越小，所能放出的能量越多，放电时间也就越长，从而导致其泵损等辅助能耗增加。因此，需要设计合理的充放电控制策略，既要保证一定的放电能量，也要尽量减少辅助能耗，以提高系统的效率。

为了更准确的对钒电池充放电性能进行解释和说明，我们首先利用电压和电流相乘后对时间进行积分得到能量这一方法得到初始电池电动势与充进钒电池的能量的关系，并且利用放电电压和电流相乘对时间积分得到了放电能量与放电电流的关系，如图4所示。

由图4（a）可知，钒电池初始电动势越高，钒电池所能充进的总能量越少，钒电池初始电动势越小，钒电池所能充进的总能量越多。电池电动势与能量具有很好的映射关系。因此我们在充电之时需要充分考虑钒电池的初始电动势。

由图4（b）可见，钒电池的放电电流越小，钒电池所能释放的总能量越多，钒电池的放电电流越大，钒电池所能释放的总能量越少。当放电电流大于80A时，钒电池放电容量大幅衰减。

4.2.2 脉冲充放电性能测试

脉冲充放电测试既可以为提供等效电路模型最基本的试验数据，也可以详细分析等效电路的动态特征。图5是以全充放电实验中的负载6脉冲充放电测试之后得到的电流和电压曲线。

图5可以得知，当钒电池突然停止充电或放电时，在一定时间内，电池端电压会随着时间的变化而变化。当钒电池突然停止充电时，电池端电压会出现瞬间的电压跌落，而后电池端电压继续缓慢下降，逐渐趋于一个稳定值;当钒电池突然停止放电时，电池端电压会瞬间上升，而且随着时间端电压会缓慢上升，逐渐趋于一个稳定值。我们称这种现象为钒电池的极化现象

4.2.3 自放电特性测试

为了对钒电池的自放电特性进行评估，我们去除钒电池的负载，并且记录其停止运行之后的端电压表1是在钒电池停止运行后端电压随时间变化的部分数据，其具体测试结果如图6所示。

当电池停止工作时，钒电池的循环泵等辅助设备也停止工作，即不再向电堆内部提供电解液，此时，电堆内部的电解液因钒离子透过膜或电解液通过电堆内部结构产生交叉渗透，导致钒电池端电压下降，如图6所示。当电压降至O时，因储液罐中的电解液无法进入电堆，其荷电状态保持不变，因此，钒电池长期存储的自放电率取决于电堆内与储液罐中电解液的比值。

表2是在不同时间下钒电池旋转热备用状态下钒电池端电压和正、负半电池温度的部分数据，其具体测试结果如图7所示：当钒电池处于旋转热备用状态时端电压随时间的增加而下降，电池运行温度随着时间的增加而升高，由此可见，在旋转热备用状态下，钒电池荷电状态下降，且在运行过程中产生了焦耳热，即内部产生了支路电流引起的自耗电。

4.2.4 暂态放电特性测试

暂态放电特性主要反映的是电池对负载的突然响应能力，我们对钒电池、铅酸电池和超级电容都进行暂态放电特性测试，结果如图8所示。

由图8可见，在进行暂态放电测试的三种储能电池中，超级电容响应速度最快，铅酸次之，钒电池响应较慢。因此，在实际使用中，可以将钒电池与超级电容或其他储能等组成混合储能电池组以满足能量与功率响应能力，可以有效避免钒电池PCS的保护与故障。表3给出了三类储能电池暂态放电时部分电气参数值。

5 總结

本文在仔细分析了钒电池结构与工作原理，以及性能特点的基础上，结合实验室与上海神力科技有限公司合作研发的3kW/3kWh钒电池搭建了试验平台，通过实验测试出了钒电池的全充放电循环特性、脉冲充放电循环特性、自放电特性和暂态放电特性等电池特征。并结合仿真实验结果以及与其他电储能电池性能的比较对钒电池的电磁容量特性、极化特性、自放电特性以及暂态放电特性等性能的特征和优缺点进行了详细的分析和说明。这对钒电池的实际应用有极为重要的意义。

参考文献

[1]邓威，李欣然，李培强等，基于互补性的间歇性分布式电源在配网中的优化配置[J]，电工技术学报，2013，06： 216-225.

[2]李仕锦，程福龙，薄长明，我国规模储能电池发展及应用研究[J]，电源技术，2012，06： 905-907.

[3]常芳，孟凡明，陆瑞生，钒电池用电解液研究现状及展望[J].电源技术，2006，10： 860-862.

[4] Kazacos M.，Cheng M.，Skyllas-Kazacos M.Vanadium redox cellelectrolyte optimization studies [J].Journal of Applied electrochemistry，1990，20（03）：463-467.

[5]陈茂斌，孟凡明，李晓兵等，全钒电池组的充放电性能[J]，电源技术，2008， 32 （04）： 225-227.

[6] Thaller L H.Electricallyrechargeable redox flow cell：U.S. Patent 3， 996， 064 [P]. 1976-12-7.

[7] Hagedorn，N H.，Thaller，L H.Design flexibility of redox flowsystems [Cl.Proceedings of the 7thIntersociety Energy ConversionEngineering Conference， NewYork： IEEE，1982： 600-609.

[8]Sum E，Rychcik M，Skyllas-Kazacos M.Investigation of the V （V）/V （IV）system for use in the positive half-cell of a redox battery [Jl. Journalof Power sources， 1985， 16 （02）： 85-95.

[9] Rychcik M，Skyllas-Kazacos M.Characteristics of & new all-vanadiumredox flow battery[Jl. Journal ofPower Sources， 1988， 22 （01）： 59-67.

[10] SkyLlas-Kazacos M，Rychick M，RobinsR. All-vanadium redox battery：U.S.Patent 4，786， 567 [P]. 1988-11-22.

[11]崔艳华，孟凡明.钒电池储能系统的发展现状及其应用前景[J].电源技术，2006， 29 （11）： 776-780.

[12]杨根生，液流电池储能技术的应用与发展[J]，湖南电力，2008， 03： 59-62.

[13]潘建欣，谢晓峰，王金海等，全钒液流电池模拟与仿真研究进展[J].化工学报，2011， 62 （02）：7-15.

[14] Bei L，Jianbo G.Scaled VRB systemmodeling and simulat ing [C]. PowerSys tem Technology （POWERCON），Auckland： IEEE，2 012： 1-6.

[15]Mohamed M R，Ahmad H，Seman M N A，et al. Electrical circuit model ofa vanadium redox flow battery usingextended Kalman filter [J]. Journal ofPower Sources， 2013， 239： 284-293.