兆瓦级液流电池储能系统的均衡技术研究

杜念慈

(纬景储能科技有限公司 上海 201107)

从液流电池（Redox Flow Battery，RFB）均衡评价指标来看，在国内外的相关研究中，有将电池电压不一致性作为评价指标进行均衡控制策略研究的[1-3]；有将电池容量作为研究对象，通过均衡控制策略来提高容量利用率的[4-5]；也有通过均衡控制策略来改善电池荷电状态不一致性，从而实现电池组能量的优化配置，提高电池组使用安全性的[6-9]。

液流电池储能系统的均衡布置主要体现在对该系统结构的规划上，而均衡控制技术则主要体现在均衡控制硬件的设计和均衡控制策略的制定上。液流电池储能系统的均衡控制技术是液流电池管理系统（Battery Management System，BMS）中电池均衡控制管理的基础，而电池管理系统对液流电池单体的信息采集和信息分析则是该系统进行均衡控制的基础。

本文通过实例对大容量、高电压的液流电池储能系统的均衡布置进行了比较和分析，对均衡控制的控制策略进行了描述和分析，从而综合阐述了一种兆瓦级液流电池储能系统的均衡技术。

1 液流电池储能系统的均衡布置

1.1 单电堆储能系统的均衡布置

一般来说，液流电池的电池模块是由数十片电池单体通过堆叠、压紧和固定而成的。每个电池单体由通常由正负极电极、离子交换膜和正负极板框组成。在电池模块中，电池单体在相互堆叠的过程中，通过结构内部的双极板来实现串联式电气连接。电解液从储液罐中被循环泵抽出，通过公共管路的总管和支管，流经电堆中每个电池单体，并发生氧化、还原反应后再通过公共管路的支管和总管汇集并流回储液罐，该过程循环往复，伴随电堆的充放电过程。需要指出的是：在单电堆储能系统中，电堆（各电池单体的集合）与储液罐之间的管路，包括电池单体内的流道（channel）和电堆内的公用共享通道（manifold）构成了电堆的供液管路网络。单电堆内的流道连接是采用并联形式的，以保证各电池单体入口处电解液浓度的一致，避免过大的流动压降和泵功损耗。

当单电堆储能系统中堆叠的电池单体超过一定数量后，会出现电解液流量分配不均衡、旁路电流（Shunt Current）损失过大等问题。在这种情形下，可以考虑优化该系统，将原本单电堆储能系统拆分成多电堆储能系统。例如：原单电堆包含30个电池单体，拆分后将5个电池单体组成1个电堆，并将这6个电堆组成多电堆储能系统，同时仍然由30个电池单体进行串联式电气连接，并添加了独立于电堆的液流分配总管（trunk）和支管（branch）。从而，优化后的电堆储能系统包含电池单体内流道、电堆内的公用共享通道和电堆外的总管和支管。

1.2 多电堆储能系统的均衡布置

电堆之间的连接，在串联管路输送模式下，所有的电解液依次通过每个电堆，这种连接方式能保证每个电堆的电解液流量相同，但流过电堆的电解液反应物浓度逐渐减小，使得同一时刻每个电堆的荷电状态（State of Charge, SOC）各不相同，而且串联管路输送电解液需要消耗大量的泵功来克服流动阻力；在并联管路输送模式下，电解液通过公共管路再分别流经各分流支路来进入每个电堆，从而流经每个电堆的电解液浓度一致，每个电堆的荷电状态在理想状况下是一致的，而且消耗的泵损较小，因此，多电堆之间的物理连接经常采用并联形式。但是这种连接多电堆的并联管路很难保证流入各电堆的电解液流量相同，也就是说，即使实现了单电堆入口电解液浓度的一致性，该系统中参与电化学反应的各电堆的初始条件依然存在不一致性；同时连接多电堆的并联管路中充满电解液，与电堆形成新的电荷传输回路，电解液中的离子在电势差的作用下作定向迁移，形成旁路电流（Shunt Current）。旁路电路会造成降低电堆的整体效率，引入不必要的副反应，破坏电堆结构，缩短电堆寿命等不良后果。上述制约因素成为电堆内各电池单体之间，以及各电堆之间需要进行均衡控制的原因之一。

1.3 兆瓦级液流储能系统的均衡布置

液流电池主要由电堆和电解液储液罐组成，若所需储能系统的能量要求达到兆瓦等级，需要根据所规划储能系统的容量和额定功率要求，通过设计合适的电堆及其输出功率和储液罐的容量，并通过一定形式的物理连接和电气连接来达成。

兆瓦级液流储能系统的电堆设计通常可以通过设计单个高功率电池模块或通过设计数个相同的电池模块并进行合理的串、并联物理连接来完成。使用单个高功率电池模块虽然也可以实现瓦级液流储能系统的功率要求，但是由于该液流储能系统中只有一个电池模块，当其出现问题时，整个系统停止运作的风险将不可避免；另外，采用相同功率的电池模块进行合理的串、并联物理连接，直到满足所需的系统功率要求，这种方案设计相对简单，易于实现，在整个系统出现故障时也可根据电池管理系统的提示及时找到故障根源，替换问题电堆，排除系统故障的工作量和对整体系统的影响较小。特别是当单个电池模块的设计功率较高时，组成兆瓦级液流储能系统的电堆串、并联物理连接结构也会相对简单。

兆瓦级液流储能系统的电解液存储于储液罐中，通常根据所用液流电池体系的特点，通过设计并配置电解液的离子浓度及其储液罐的体积，来满足该级别液流储液系统的容量要求。值得比较的是，以流体管路并联方式连接的液流储能单元所组成的储能系统，其使用容量较大的电解液储罐，为并联连接的两个电堆提供循环所需的电解液，同时通过两组循环泵来完成该液流循环。此系统中的电堆采用串联式电气连接，但由于进出储液罐的管路较为复杂，如出现漏液现象，不利于系统管理和维护。

而采用液流储能单元采用液流电池系统的基本结构，管路布置简单，便于维护。在由多个液流储能单元组成的储能系统中，每个电堆的电气连接是串联的，可以独立连接直流变换器（DC/DC），通过灵活地组合来实现大容量、高电压的兆瓦级液流电池储能系统。在户外采用集装箱结构，将电堆、电池控制系统、存放正、极电解液的储液罐及循环泵等液流储能电池系统必需的零部件高度集成于一体，具有安装运输方便、成站周期短、环境适应能力强、可操作性强等优点，便于用户根据所规划储能系统的容量和额定功率要求，对兆瓦级液流电池储能系统进行规模化集成和集中管理。进一步地，在由多个液流储能单元组成的储能系统中，单列电堆组中的每个电堆的电气连接是串联的，可以独立连接直流变换器，单列电堆组之间则采用并联的电气连接方式，通过灵活组合来实现大容量、高电压的兆瓦级以上液流电池储能系统。

2 液流电池充放电均衡控制模型和原理

液流电池储能系统中电池组和电池模块内存在电池单体不一致的现象，由此产生了基于电池单体电压、荷电状态和容量为主要判断依据的电池均衡控制技术，当电池模块或电池组内电池单体的一致性较差，达到一定标准时，则开启均衡控制功能；当电池单体的一致性较好，达到一定标准时，则停止均衡功能。液流电池的均衡控制可分为耗散（被动）型均衡和非耗散（主动）型均衡，主动均衡有时也被称为有源均衡，其中非耗散型均衡方案由于其节能、发热少等优势成为现在电池均衡技术研究的主流。

通过有效地监控和被动/主动均衡，可以使电池模块中的电池单体和电池组中的电池模块保持良好的荷电状态，并有效防止电池单体因过度充放电而产生损坏，从而增加电池工作循环的次数。被动均衡通过设计泄放电阻来消耗电池单体之间不平衡的电荷部分，并使电池模块/电池组中的电池单体都具有大致相当的荷电状态。主动均衡技术较为复杂，它能在充放电循环过程中，对电池单体或电池模块中的能量进行再分配，从而增加电池模块或电池组中有效的充放电容量，并能有效延长储能系统运行时间。

由处于满容量状态的电池单体组成的一个液流电池模块见图1（a）。通常来说，将电池单体的满容量设定为可充电量的100%会导致其使用寿命的快速下降。在此例中，将其满容量设定为可充电量的95%，完全放电时的容量设定为可充电量的10%，这样可避免电池在充放电循环过程中经常处于深度放电状态。随着电池单体状态特性的演变，会出现部分电池单体的充放电特性较另外的电池单体弱，详见图1（b）。

图1 某液流电池模块充放电均衡前后效果模型

由此可见，在不均衡放电周期结束时，充放电特性较弱的电池单体会先释放全部电荷，并触发结束放电的信号，从而导致其他充放电特性较强的电池单体仍残留部分电荷未被释放，即这部分电池容量未参与放电过程，属于能量浪费。对于由串并联方式组成的大容量电池模块/电池组来说，这部分能量浪费不容忽视。同时，由于电池模块/电池组中存在一部分能量未被使用，为达到规划中的系统能力，需要增加液流电池储能系统充放电循环次数，从而降低了系统使用寿命并提高了系统的运行成本。通过电池主动均衡技术，电荷可以从充放电特性较强的电池单体被重新分配到充放电特性较弱的电池单体，由此产生的电池模块整体放电，模块/电池组中的能量被完全耗尽，详见图1（c）。

当电池模块/电池组在充电过程中存在不均衡，在不均衡充电周期结束时，充放电特性较弱的电池单体会比较强的电池单体先达到满容量，并触发结束充电的信号，从而导致其他充放电特性较强的电池单体未达到满容量，影响了该电池模块的总能量，详见图1（d）。在这种情况下，需要通过电池均衡，特别是主动均衡在充电期间对电荷进行再分配，能够使电池模块/电池组内的电池单体达到满容量状态。

3 一种液流电池储能系统均衡控制策略的基本原理及其实验评价

3.1 一种均衡控制策略的基本原理

在一种大型液流电池储能系统中，按照由低到高的结构层次可分为电池模块内的串联式电池单体（m个）、串联式电池模块（n排）和并联式电池组系统（L列）。由此设定的均衡控制策略相应的分为电池单体级、电池模块级和电池组级的3级均衡控制策略，其基本原理[10-12]如下。

3.1.1 电池单体级均衡控制策略

在上述系统中，每个电池模块内有m个电池单体。SOCbi表示其中第i个电池单体的荷电状态值，m个电池单体荷电状态值的平均值为，m个电池单体荷电状态值的方差为δbi2。设定电池单体的启动均衡值为δb0，当m个电池单体荷电状态值的方差大于这个设定值时，则开启电池单体级均衡控制策略，此时的均衡开启条件满足式（1）：

在启动均衡以后，需要实时监测电池模块内电池单体荷电状态值的一致性情况，设定一个停止均衡值δb1。当n个电池单体荷电状态值的总体方差小于这个设定值时，则停止电池单体级均衡控制策略，此时的均衡停止条件满足式（2）：

3.1.2 电池模块级均衡控制策略

在上述系统中，每个电池模块内有m个电池单体，n个电池模块串联成单列。SOCbi表示其中第i个电池单体的荷电状态值，m个电池单体荷电状态值的平均值为；第mi个电池模块内各电池单体均衡后的荷电状态平均值为SOCmi，同时单列串联的n个电池模块的荷电状态平均值为。当电池模块之间的不一致性达到一定程度时，即开启电池模块级均衡策略，并根据每个电池模块荷电状态值与（单列串联式电池模块组成的）电池组平均值的比较来判断该系统内能量的传递方向，当电池模块mi 的能量较高时，即，能量从电池模块mi流向该电池组；当电池模块mi的能量较低时，即，能量从该电池组流向电池模块mi。设定电池模块、电池单体的启动均衡值，分别为δm0、δb0。当m个电池单体荷电状态值的方差大于这个设定值时，则开启电池单体级均衡控制策略；当m个电池单体荷电状态值和n个电池模块荷电状态值的总体方差均大于这两个设定值时，则同时开启电池模块级均衡控制策略，此时的均衡开启条件满足式（3）：

在启动均衡以后，需要实时监测各电池模块和电池模块内电池单体荷电状态值的一致性情况，设定电池模块、电池单体的停止均衡值分别为δm1、δb1。当m个电池单体荷电状态值的总体方差小于这个设定值时，则停止电池单体级均衡策略；当m个电池单体荷电状态值和n个电池模块荷电状态值的总体方差均小于这两个设定值时，则同时停止电池模块级均衡策略，此时的均衡停止条件满足式（4）：

3.1.3 电池组级均衡控制策略

上述系统中，每个电池模块内有m个电池单体，n个电池模块串联成单列，L列串联式电池模块并联后成电池组，电池组级均衡可以认为是更大范围内的电池模块级均衡。设定电池组、电池模块、电池单体的均衡对应的启动值分别为δp0、δm0、δb0。当m个电池单体荷电状态值的方差大于这个设定值时，则开启电池单体级均衡控制策略；当m个电池单体荷电状态值和单列n个电池模块荷电状态值的总体方差均大于这两个设定值时，则同时开启电池模块级均衡控制策略；当m个电池单体荷电状态值，单列n个电池模块荷电状态值和电池组内L×n个电池模块荷电状态值的总体方差均大于这3 个设定值时，则同时开启电池级均衡控制策略，此时的均衡开启条件为式（5）：

在启动均衡以后，需要实时监测电池组内各电池模块和电池模块内电池单体荷电状态值的一致性情况，设定电池组、电池模块、电池单体的停止均衡值，分别为δp1、δm1、δb1。当m个电池单体荷电状态值的总体方差小于这个设定值时，则停止电池单体级均衡策略；当m个电池单体荷电状态值和单列n个电池模块荷电状态值的总体方差均小于这两个设定值时，则同时停止电池模块级均衡策略；当m个电池单体荷电状态值，单列n个电池模块荷电状态值和电池组内L×n个电池模块荷电状态值的总体方差均小于这3个设定值时，则同时停止电池组级均衡策略，此时的均衡停止条件满足式（6）：

3.2 基于液流电池的均衡控制原理的实验评价

对于具有30 个电池单体（串联式电气连接）的液流电池模块，在需要对其进行主动均衡控制的工况下，可以使用由ADI公司提供的主动电池均衡控制器LT8584。该芯片是一款单片反激式直流变换器，可用于主动平衡高压电池模块内的电池单体。该芯片可以与ADI公司提供的LTC680x系列多元化合物电池单元监测器配合使用，实现一对一的电池单体状态监测功能。这里选用ADI公司提供的LTC6812-1芯片作为多节电池的监测器，可同时测量15 个串联式电气连接的电池单体，其测量范围为0～5 V，测量误差小于2.2 mV，该芯片适用于大多数电化学储能的应用场景。上述芯片在该情景下的一种应用电路为两个LTC6812-1芯片之间通过双线隔离式串行总线（isoSPI）连接，可同时监控和管理电池模块中的30个电池单体，并通过双线隔离式通信接口芯片LTC6820将电池单体的状态信息发送至微处理单元，详见图2。另外，LTC6812-1 芯片具有对所监控电池单元进行被动均衡的功能，通过单独的PWM占空比来控制。主动均衡控制后的电池模块经过合理的物理和电气串并联连接，并配合适用于更大规模的均衡控制策略，可自下而上地组成满足大容量、高电压要求，更具安全稳定性的液流电池储能系统。

图2 串联式液流电池单体的主动均衡控制架构

在实验阶段，通过将上述30个电池单体组成的电池模块（5个）进行一定的物理和电气连接所组成的液流电池储能系统，详见图3；配合上述适用于更大规模储能系统的均衡策略，来完成一段时间内的充放电循环实验，从而对各电池模块的荷电状态变化的一致性进行评价。图4为一段时间内该储能系统中各电池模块的工作电压状态变化和荷电状态变化情况。由此可见，上述控制策略在该储能系统充放电循环中具有一定效果，系统内各电池模块的荷电状态的标准偏差在可接受范围内，起到了均衡的作用。

图4 均衡控制策略下储能系统中各电池模块的工作电压状态变化图和荷电状态图

4 结语

文章通过分析液流电池模块中各电池单体的充放电均衡模型，讨论了采取均衡控制技术的必要性。通过建立基于电池单体、电池模块和电池组的多层结构形式，将大型液流电池储能系统的均衡布置方案与对应的电池管理系统架构联系起来，并探讨了在此架构下实施均衡布置、均衡控制策略和架构的液流电池均衡控制技术，对于大容量、高电压的液流电池储能系统的合理规划和应用实施具有一定的借鉴意义。在我国力争全面实现碳达峰和碳中和的大背景下，液流电池储能系统必将得到更加广泛、更大规模的应用，其中对兆瓦级（以上）液流储能系统的规模化、工程化、商业化将是这一应用的必由之路。希望本文中涉及的液流电池均衡技术能为该领域的应用提供长期有效的技术支持，当然这一技术也是不断发展和推陈出新的。