兆瓦級液流電池儲能系統(tǒng)的均衡技術(shù)研究

杜念慈

(緯景儲能科技有限公司 上海 201107)

從液流電池（Redox Flow Battery，RFB）均衡評價(jià)指標(biāo)來看，在國內(nèi)外的相關(guān)研究中，有將電池電壓不一致性作為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行均衡控制策略研究的[1-3]；有將電池容量作為研究對象，通過均衡控制策略來提高容量利用率的[4-5]；也有通過均衡控制策略來改善電池荷電狀態(tài)不一致性，從而實(shí)現(xiàn)電池組能量的優(yōu)化配置，提高電池組使用安全性的[6-9]。

液流電池儲能系統(tǒng)的均衡布置主要體現(xiàn)在對該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃上，而均衡控制技術(shù)則主要體現(xiàn)在均衡控制硬件的設(shè)計(jì)和均衡控制策略的制定上。液流電池儲能系統(tǒng)的均衡控制技術(shù)是液流電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）中電池均衡控制管理的基礎(chǔ)，而電池管理系統(tǒng)對液流電池單體的信息采集和信息分析則是該系統(tǒng)進(jìn)行均衡控制的基礎(chǔ)。

本文通過實(shí)例對大容量、高電壓的液流電池儲能系統(tǒng)的均衡布置進(jìn)行了比較和分析，對均衡控制的控制策略進(jìn)行了描述和分析，從而綜合闡述了一種兆瓦級液流電池儲能系統(tǒng)的均衡技術(shù)。

1 液流電池儲能系統(tǒng)的均衡布置

1.1 單電堆儲能系統(tǒng)的均衡布置

一般來說，液流電池的電池模塊是由數(shù)十片電池單體通過堆疊、壓緊和固定而成的。每個(gè)電池單體由通常由正負(fù)極電極、離子交換膜和正負(fù)極板框組成。在電池模塊中，電池單體在相互堆疊的過程中，通過結(jié)構(gòu)內(nèi)部的雙極板來實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式電氣連接。電解液從儲液罐中被循環(huán)泵抽出，通過公共管路的總管和支管，流經(jīng)電堆中每個(gè)電池單體，并發(fā)生氧化、還原反應(yīng)后再通過公共管路的支管和總管匯集并流回儲液罐，該過程循環(huán)往復(fù)，伴隨電堆的充放電過程。需要指出的是：在單電堆儲能系統(tǒng)中，電堆（各電池單體的集合）與儲液罐之間的管路，包括電池單體內(nèi)的流道（channel）和電堆內(nèi)的公用共享通道（manifold）構(gòu)成了電堆的供液管路網(wǎng)絡(luò)。單電堆內(nèi)的流道連接是采用并聯(lián)形式的，以保證各電池單體入口處電解液濃度的一致，避免過大的流動壓降和泵功損耗。

當(dāng)單電堆儲能系統(tǒng)中堆疊的電池單體超過一定數(shù)量后，會出現(xiàn)電解液流量分配不均衡、旁路電流（Shunt Current）損失過大等問題。在這種情形下，可以考慮優(yōu)化該系統(tǒng)，將原本單電堆儲能系統(tǒng)拆分成多電堆儲能系統(tǒng)。例如：原單電堆包含30個(gè)電池單體，拆分后將5個(gè)電池單體組成1個(gè)電堆，并將這6個(gè)電堆組成多電堆儲能系統(tǒng)，同時(shí)仍然由30個(gè)電池單體進(jìn)行串聯(lián)式電氣連接，并添加了獨(dú)立于電堆的液流分配總管（trunk）和支管（branch）。從而，優(yōu)化后的電堆儲能系統(tǒng)包含電池單體內(nèi)流道、電堆內(nèi)的公用共享通道和電堆外的總管和支管。

1.2 多電堆儲能系統(tǒng)的均衡布置

電堆之間的連接，在串聯(lián)管路輸送模式下，所有的電解液依次通過每個(gè)電堆，這種連接方式能保證每個(gè)電堆的電解液流量相同，但流過電堆的電解液反應(yīng)物濃度逐漸減小，使得同一時(shí)刻每個(gè)電堆的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）各不相同，而且串聯(lián)管路輸送電解液需要消耗大量的泵功來克服流動阻力；在并聯(lián)管路輸送模式下，電解液通過公共管路再分別流經(jīng)各分流支路來進(jìn)入每個(gè)電堆，從而流經(jīng)每個(gè)電堆的電解液濃度一致，每個(gè)電堆的荷電狀態(tài)在理想狀況下是一致的，而且消耗的泵損較小，因此，多電堆之間的物理連接經(jīng)常采用并聯(lián)形式。但是這種連接多電堆的并聯(lián)管路很難保證流入各電堆的電解液流量相同，也就是說，即使實(shí)現(xiàn)了單電堆入口電解液濃度的一致性，該系統(tǒng)中參與電化學(xué)反應(yīng)的各電堆的初始條件依然存在不一致性；同時(shí)連接多電堆的并聯(lián)管路中充滿電解液，與電堆形成新的電荷傳輸回路，電解液中的離子在電勢差的作用下作定向遷移，形成旁路電流（Shunt Current）。旁路電路會造成降低電堆的整體效率，引入不必要的副反應(yīng)，破壞電堆結(jié)構(gòu)，縮短電堆壽命等不良后果。上述制約因素成為電堆內(nèi)各電池單體之間，以及各電堆之間需要進(jìn)行均衡控制的原因之一。

1.3 兆瓦級液流儲能系統(tǒng)的均衡布置

液流電池主要由電堆和電解液儲液罐組成，若所需儲能系統(tǒng)的能量要求達(dá)到兆瓦等級，需要根據(jù)所規(guī)劃儲能系統(tǒng)的容量和額定功率要求，通過設(shè)計(jì)合適的電堆及其輸出功率和儲液罐的容量，并通過一定形式的物理連接和電氣連接來達(dá)成。

兆瓦級液流儲能系統(tǒng)的電堆設(shè)計(jì)通?？梢酝ㄟ^設(shè)計(jì)單個(gè)高功率電池模塊或通過設(shè)計(jì)數(shù)個(gè)相同的電池模塊并進(jìn)行合理的串、并聯(lián)物理連接來完成。使用單個(gè)高功率電池模塊雖然也可以實(shí)現(xiàn)瓦級液流儲能系統(tǒng)的功率要求，但是由于該液流儲能系統(tǒng)中只有一個(gè)電池模塊，當(dāng)其出現(xiàn)問題時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)作的風(fēng)險(xiǎn)將不可避免；另外，采用相同功率的電池模塊進(jìn)行合理的串、并聯(lián)物理連接，直到滿足所需的系統(tǒng)功率要求，這種方案設(shè)計(jì)相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)也可根據(jù)電池管理系統(tǒng)的提示及時(shí)找到故障根源，替換問題電堆，排除系統(tǒng)故障的工作量和對整體系統(tǒng)的影響較小。特別是當(dāng)單個(gè)電池模塊的設(shè)計(jì)功率較高時(shí)，組成兆瓦級液流儲能系統(tǒng)的電堆串、并聯(lián)物理連接結(jié)構(gòu)也會相對簡單。

兆瓦級液流儲能系統(tǒng)的電解液存儲于儲液罐中，通常根據(jù)所用液流電池體系的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)并配置電解液的離子濃度及其儲液罐的體積，來滿足該級別液流儲液系統(tǒng)的容量要求。值得比較的是，以流體管路并聯(lián)方式連接的液流儲能單元所組成的儲能系統(tǒng)，其使用容量較大的電解液儲罐，為并聯(lián)連接的兩個(gè)電堆提供循環(huán)所需的電解液，同時(shí)通過兩組循環(huán)泵來完成該液流循環(huán)。此系統(tǒng)中的電堆采用串聯(lián)式電氣連接，但由于進(jìn)出儲液罐的管路較為復(fù)雜，如出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)管理和維護(hù)。

而采用液流儲能單元采用液流電池系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，管路布置簡單，便于維護(hù)。在由多個(gè)液流儲能單元組成的儲能系統(tǒng)中，每個(gè)電堆的電氣連接是串聯(lián)的，可以獨(dú)立連接直流變換器（DC/DC），通過靈活地組合來實(shí)現(xiàn)大容量、高電壓的兆瓦級液流電池儲能系統(tǒng)。在戶外采用集裝箱結(jié)構(gòu)，將電堆、電池控制系統(tǒng)、存放正、極電解液的儲液罐及循環(huán)泵等液流儲能電池系統(tǒng)必需的零部件高度集成于一體，具有安裝運(yùn)輸方便、成站周期短、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，便于用戶根據(jù)所規(guī)劃儲能系統(tǒng)的容量和額定功率要求，對兆瓦級液流電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)?；珊图泄芾怼＿M(jìn)一步地，在由多個(gè)液流儲能單元組成的儲能系統(tǒng)中，單列電堆組中的每個(gè)電堆的電氣連接是串聯(lián)的，可以獨(dú)立連接直流變換器，單列電堆組之間則采用并聯(lián)的電氣連接方式，通過靈活組合來實(shí)現(xiàn)大容量、高電壓的兆瓦級以上液流電池儲能系統(tǒng)。

2 液流電池充放電均衡控制模型和原理

液流電池儲能系統(tǒng)中電池組和電池模塊內(nèi)存在電池單體不一致的現(xiàn)象，由此產(chǎn)生了基于電池單體電壓、荷電狀態(tài)和容量為主要判斷依據(jù)的電池均衡控制技術(shù)，當(dāng)電池模塊或電池組內(nèi)電池單體的一致性較差，達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則開啟均衡控制功能；當(dāng)電池單體的一致性較好，達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則停止均衡功能。液流電池的均衡控制可分為耗散（被動）型均衡和非耗散（主動）型均衡，主動均衡有時(shí)也被稱為有源均衡，其中非耗散型均衡方案由于其節(jié)能、發(fā)熱少等優(yōu)勢成為現(xiàn)在電池均衡技術(shù)研究的主流。

通過有效地監(jiān)控和被動/主動均衡，可以使電池模塊中的電池單體和電池組中的電池模塊保持良好的荷電狀態(tài)，并有效防止電池單體因過度充放電而產(chǎn)生損壞，從而增加電池工作循環(huán)的次數(shù)。被動均衡通過設(shè)計(jì)泄放電阻來消耗電池單體之間不平衡的電荷部分，并使電池模塊/電池組中的電池單體都具有大致相當(dāng)?shù)暮呻姞顟B(tài)。主動均衡技術(shù)較為復(fù)雜，它能在充放電循環(huán)過程中，對電池單體或電池模塊中的能量進(jìn)行再分配，從而增加電池模塊或電池組中有效的充放電容量，并能有效延長儲能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

由處于滿容量狀態(tài)的電池單體組成的一個(gè)液流電池模塊見圖1（a）。通常來說，將電池單體的滿容量設(shè)定為可充電量的100%會導(dǎo)致其使用壽命的快速下降。在此例中，將其滿容量設(shè)定為可充電量的95%，完全放電時(shí)的容量設(shè)定為可充電量的10%，這樣可避免電池在充放電循環(huán)過程中經(jīng)常處于深度放電狀態(tài)。隨著電池單體狀態(tài)特性的演變，會出現(xiàn)部分電池單體的充放電特性較另外的電池單體弱，詳見圖1（b）。

圖1 某液流電池模塊充放電均衡前后效果模型

由此可見，在不均衡放電周期結(jié)束時(shí)，充放電特性較弱的電池單體會先釋放全部電荷，并觸發(fā)結(jié)束放電的信號，從而導(dǎo)致其他充放電特性較強(qiáng)的電池單體仍殘留部分電荷未被釋放，即這部分電池容量未參與放電過程，屬于能量浪費(fèi)。對于由串并聯(lián)方式組成的大容量電池模塊/電池組來說，這部分能量浪費(fèi)不容忽視。同時(shí)，由于電池模塊/電池組中存在一部分能量未被使用，為達(dá)到規(guī)劃中的系統(tǒng)能力，需要增加液流電池儲能系統(tǒng)充放電循環(huán)次數(shù)，從而降低了系統(tǒng)使用壽命并提高了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。通過電池主動均衡技術(shù)，電荷可以從充放電特性較強(qiáng)的電池單體被重新分配到充放電特性較弱的電池單體，由此產(chǎn)生的電池模塊整體放電，模塊/電池組中的能量被完全耗盡，詳見圖1（c）。

當(dāng)電池模塊/電池組在充電過程中存在不均衡，在不均衡充電周期結(jié)束時(shí)，充放電特性較弱的電池單體會比較強(qiáng)的電池單體先達(dá)到滿容量，并觸發(fā)結(jié)束充電的信號，從而導(dǎo)致其他充放電特性較強(qiáng)的電池單體未達(dá)到滿容量，影響了該電池模塊的總能量，詳見圖1（d）。在這種情況下，需要通過電池均衡，特別是主動均衡在充電期間對電荷進(jìn)行再分配，能夠使電池模塊/電池組內(nèi)的電池單體達(dá)到滿容量狀態(tài)。

3 一種液流電池儲能系統(tǒng)均衡控制策略的基本原理及其實(shí)驗(yàn)評價(jià)

3.1 一種均衡控制策略的基本原理

在一種大型液流電池儲能系統(tǒng)中，按照由低到高的結(jié)構(gòu)層次可分為電池模塊內(nèi)的串聯(lián)式電池單體（m個(gè)）、串聯(lián)式電池模塊（n排）和并聯(lián)式電池組系統(tǒng)（L列）。由此設(shè)定的均衡控制策略相應(yīng)的分為電池單體級、電池模塊級和電池組級的3級均衡控制策略，其基本原理[10-12]如下。

3.1.1 電池單體級均衡控制策略

在上述系統(tǒng)中，每個(gè)電池模塊內(nèi)有m個(gè)電池單體。SOCbi表示其中第i個(gè)電池單體的荷電狀態(tài)值，m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的平均值為，m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的方差為δbi2。設(shè)定電池單體的啟動均衡值為δb0，當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的方差大于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，則開啟電池單體級均衡控制策略，此時(shí)的均衡開啟條件滿足式（1）：

在啟動均衡以后，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測電池模塊內(nèi)電池單體荷電狀態(tài)值的一致性情況，設(shè)定一個(gè)停止均衡值δb1。當(dāng)n個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的總體方差小于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，則停止電池單體級均衡控制策略，此時(shí)的均衡停止條件滿足式（2）：

3.1.2 電池模塊級均衡控制策略

在上述系統(tǒng)中，每個(gè)電池模塊內(nèi)有m個(gè)電池單體，n個(gè)電池模塊串聯(lián)成單列。SOCbi表示其中第i個(gè)電池單體的荷電狀態(tài)值，m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的平均值為；第mi個(gè)電池模塊內(nèi)各電池單體均衡后的荷電狀態(tài)平均值為SOCmi，同時(shí)單列串聯(lián)的n個(gè)電池模塊的荷電狀態(tài)平均值為。當(dāng)電池模塊之間的不一致性達(dá)到一定程度時(shí)，即開啟電池模塊級均衡策略，并根據(jù)每個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值與（單列串聯(lián)式電池模塊組成的）電池組平均值的比較來判斷該系統(tǒng)內(nèi)能量的傳遞方向，當(dāng)電池模塊mi 的能量較高時(shí)，即，能量從電池模塊mi流向該電池組；當(dāng)電池模塊mi的能量較低時(shí)，即，能量從該電池組流向電池模塊mi。設(shè)定電池模塊、電池單體的啟動均衡值，分別為δm0、δb0。當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的方差大于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，則開啟電池單體級均衡控制策略；當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值和n個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值的總體方差均大于這兩個(gè)設(shè)定值時(shí)，則同時(shí)開啟電池模塊級均衡控制策略，此時(shí)的均衡開啟條件滿足式（3）：

在啟動均衡以后，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測各電池模塊和電池模塊內(nèi)電池單體荷電狀態(tài)值的一致性情況，設(shè)定電池模塊、電池單體的停止均衡值分別為δm1、δb1。當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的總體方差小于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，則停止電池單體級均衡策略；當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值和n個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值的總體方差均小于這兩個(gè)設(shè)定值時(shí)，則同時(shí)停止電池模塊級均衡策略，此時(shí)的均衡停止條件滿足式（4）：

3.1.3 電池組級均衡控制策略

上述系統(tǒng)中，每個(gè)電池模塊內(nèi)有m個(gè)電池單體，n個(gè)電池模塊串聯(lián)成單列，L列串聯(lián)式電池模塊并聯(lián)后成電池組，電池組級均衡可以認(rèn)為是更大范圍內(nèi)的電池模塊級均衡。設(shè)定電池組、電池模塊、電池單體的均衡對應(yīng)的啟動值分別為δp0、δm0、δb0。當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的方差大于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，則開啟電池單體級均衡控制策略；當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值和單列n個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值的總體方差均大于這兩個(gè)設(shè)定值時(shí)，則同時(shí)開啟電池模塊級均衡控制策略；當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值，單列n個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值和電池組內(nèi)L×n個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值的總體方差均大于這3 個(gè)設(shè)定值時(shí)，則同時(shí)開啟電池級均衡控制策略，此時(shí)的均衡開啟條件為式（5）：

在啟動均衡以后，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測電池組內(nèi)各電池模塊和電池模塊內(nèi)電池單體荷電狀態(tài)值的一致性情況，設(shè)定電池組、電池模塊、電池單體的停止均衡值，分別為δp1、δm1、δb1。當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值的總體方差小于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，則停止電池單體級均衡策略；當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值和單列n個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值的總體方差均小于這兩個(gè)設(shè)定值時(shí)，則同時(shí)停止電池模塊級均衡策略；當(dāng)m個(gè)電池單體荷電狀態(tài)值，單列n個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值和電池組內(nèi)L×n個(gè)電池模塊荷電狀態(tài)值的總體方差均小于這3個(gè)設(shè)定值時(shí)，則同時(shí)停止電池組級均衡策略，此時(shí)的均衡停止條件滿足式（6）：

3.2 基于液流電池的均衡控制原理的實(shí)驗(yàn)評價(jià)

對于具有30 個(gè)電池單體（串聯(lián)式電氣連接）的液流電池模塊，在需要對其進(jìn)行主動均衡控制的工況下，可以使用由ADI公司提供的主動電池均衡控制器LT8584。該芯片是一款單片反激式直流變換器，可用于主動平衡高壓電池模塊內(nèi)的電池單體。該芯片可以與ADI公司提供的LTC680x系列多元化合物電池單元監(jiān)測器配合使用，實(shí)現(xiàn)一對一的電池單體狀態(tài)監(jiān)測功能。這里選用ADI公司提供的LTC6812-1芯片作為多節(jié)電池的監(jiān)測器，可同時(shí)測量15 個(gè)串聯(lián)式電氣連接的電池單體，其測量范圍為0～5 V，測量誤差小于2.2 mV，該芯片適用于大多數(shù)電化學(xué)儲能的應(yīng)用場景。上述芯片在該情景下的一種應(yīng)用電路為兩個(gè)LTC6812-1芯片之間通過雙線隔離式串行總線（isoSPI）連接，可同時(shí)監(jiān)控和管理電池模塊中的30個(gè)電池單體，并通過雙線隔離式通信接口芯片LTC6820將電池單體的狀態(tài)信息發(fā)送至微處理單元，詳見圖2。另外，LTC6812-1 芯片具有對所監(jiān)控電池單元進(jìn)行被動均衡的功能，通過單獨(dú)的PWM占空比來控制。主動均衡控制后的電池模塊經(jīng)過合理的物理和電氣串并聯(lián)連接，并配合適用于更大規(guī)模的均衡控制策略，可自下而上地組成滿足大容量、高電壓要求，更具安全穩(wěn)定性的液流電池儲能系統(tǒng)。

圖2 串聯(lián)式液流電池單體的主動均衡控制架構(gòu)

在實(shí)驗(yàn)階段，通過將上述30個(gè)電池單體組成的電池模塊（5個(gè)）進(jìn)行一定的物理和電氣連接所組成的液流電池儲能系統(tǒng)，詳見圖3；配合上述適用于更大規(guī)模儲能系統(tǒng)的均衡策略，來完成一段時(shí)間內(nèi)的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，從而對各電池模塊的荷電狀態(tài)變化的一致性進(jìn)行評價(jià)。圖4為一段時(shí)間內(nèi)該儲能系統(tǒng)中各電池模塊的工作電壓狀態(tài)變化和荷電狀態(tài)變化情況。由此可見，上述控制策略在該儲能系統(tǒng)充放電循環(huán)中具有一定效果，系統(tǒng)內(nèi)各電池模塊的荷電狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)偏差在可接受范圍內(nèi)，起到了均衡的作用。

圖4 均衡控制策略下儲能系統(tǒng)中各電池模塊的工作電壓狀態(tài)變化圖和荷電狀態(tài)圖

4 結(jié)語

文章通過分析液流電池模塊中各電池單體的充放電均衡模型，討論了采取均衡控制技術(shù)的必要性。通過建立基于電池單體、電池模塊和電池組的多層結(jié)構(gòu)形式，將大型液流電池儲能系統(tǒng)的均衡布置方案與對應(yīng)的電池管理系統(tǒng)架構(gòu)聯(lián)系起來，并探討了在此架構(gòu)下實(shí)施均衡布置、均衡控制策略和架構(gòu)的液流電池均衡控制技術(shù)，對于大容量、高電壓的液流電池儲能系統(tǒng)的合理規(guī)劃和應(yīng)用實(shí)施具有一定的借鑒意義。在我國力爭全面實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的大背景下，液流電池儲能系統(tǒng)必將得到更加廣泛、更大規(guī)模的應(yīng)用，其中對兆瓦級（以上）液流儲能系統(tǒng)的規(guī)模化、工程化、商業(yè)化將是這一應(yīng)用的必由之路。希望本文中涉及的液流電池均衡技術(shù)能為該領(lǐng)域的應(yīng)用提供長期有效的技術(shù)支持，當(dāng)然這一技術(shù)也是不斷發(fā)展和推陳出新的。