CN108627768A - 一种全钒液流电池***soc在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全钒液流电池领域，具体为一种全钒液流电池***SOC(State‑of‑charge)在线检测方法。针对全钒液流电池***实时在线SOC检测的需求，通过在线测量管路中安置的多孔介质两侧的压力差和流量，利用达西定律获得电解液粘度值，进而通过预先拟合的SOC与温度和粘度的数据模型，及实时电解液温度测量值，实现对全钒液流电池***SOC的在线计算和预测，SOC检测结果可通过电池控制***实时显示。本发明充分利用全钒液流电池***运行中必备的传感器和采集数据，在不引入复杂的计量仪器及设备的同时，实现对SOC的在线检测，极大的提高了***的稳定性，降低了***的运维难度和成本。

Description

一种全钒液流电池***SOC在线检测方法

技术领域

本发明涉及全钒液流电池领域，具体为一种全钒液流电池***SOC(State-of-charge)在线检测方法。

背景技术

全钒液流电池***运行过程中，SOC检测非常重要，准确的SOC在线检测可显著提高***的稳定性并降低运维成本。目前，全钒液流电池示范应用中的SOC检测主要运用电池电压法和其衍生的相似方法、以及离线采样测量方法，极大的限制了SOC检测的准确性和实时性。同时，其他已报道的SOC检测方法受到仪器和设备的复杂性及高成本等因素的制约，多局限于实验室研究阶段，无法应用于规模化示范及商业运行全钒液流电池***。针对现有SOC检测方法的局限性和复杂性，研究者提出仅利用目前全钒液流电池***应用中必备的变量数据采集信息，在不引入附加的复杂采集仪器和测量设备的条件下，实现SOC在线计算和检测的方法。

利用液体流过多孔介质时的阻力特性变化规律，可基于达西定律和在线测量的压力、温度和体积流量值，利用离线拟合的数据模型，实现SOC的在线检测。研究者首先利用实验配取正负极电解液在不同SOC状态的试验溶液，离线测量不同温度下正负极电解液的粘度值，然后利用非线性数据拟合方法，分别建立正负极SOC与正负极电解液温度和粘度的数据模型。进一步，研究者通过对全钒液流电池正负极液流管路分别设置多孔介质，实时采集多孔介质两侧压力差及流过多孔介质电解液的温度和流量，计算正负极电解液的粘度值；最后利用粘度值、温度值和数据模型，获得实时正负极SOC预测值。

该方法设计简单、成本低、实施容易，适合应用于规模化示范和商业***。其局限性在于随着正负极容量的逐渐失衡，离线数据模型准确性将逐渐降低，SOC计算误差会越来越大，因此该方法使用需以正负极容量良好的一致性为前提。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全钒液流电池***SOC在线检测方法，在不引入额外的数据采集和检测仪器的条件下，利用现有必备采集变量数据，实现对SOC的在线计算和实时预报。采用本发明方法设计的全钒液流电池SOC检测***，可显著提高全钒液流电池***运行的稳定性，并降低***及运维成本。

本发明的技术方案是：

一种全钒液流电池***SOC在线检测方法，在管路***中安置多孔介质，通过实时测量多孔介质两侧的压力差和通过多孔介质的体积流量值，计算通过多孔介质的电解液粘度，进而利用离线获得的SOC与电解液粘度和温度的数据拟合黑箱模型，及通过多孔介质的电解液温度值，实时计算SOC值。

所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，多孔介质的材料选择具有抗氧化性和腐蚀性的石墨毡或碳毡，多孔介质的安置在主液流管路中或在分支液流管路中，其形状为任意几何形状。

所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，压力传感器安装在多孔介质两侧，流量和温度传感器安装在多孔介质任意一侧，传感器与全钒液流电池控制***相连接，且能够确保实时采集压力、流量和温度数据。

所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，利用采集的多孔介质两侧压力差、温度和流量值，以及多孔介质的渗透系数、长度和界面面积值，实时计算通过多孔介质的电解液粘度值。

所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，采用如下达西定律计算电解液粘度值：

或

式中，ΔP为压力差，L为电解液流过多孔介质的长度，S为电解液流过多孔介质的横截面积，κ为多孔介质渗透系数，Q为流过多孔介质的体积流量,μ为电解液粘度。

所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，电池运行前离线测量电解液浓度、温度和粘度，并建立SOC与电解液温度和粘度的数据模型，形式如下：

SOC＝f(T，μ)

式中，T为电解液温度，μ为电解液粘度。

所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，建立SOC与电解液温度和粘度的数据模型采用非线性数据拟合方法。

所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，正极SOC和负极SOC的检测需分别对正极和负极实施多孔介质和数据采集，并分别离线测量和拟合数据模型及计算SOC。

本发明的设计思想是：

本发明全钒液流电池***SOC检测方法，首先通过在线测量管路中安置的多孔介质两侧的压力差和流量，利用达西定律获得电解液粘度值；然后，通过预先拟合的SOC与温度和粘度的数据模型，及实时电解液温度测量值，实现对全钒液流电池***SOC的在线计算和预测，SOC检测结果可通过电池控制***实时显示。本发明充分利用全钒液流电池***运行中必备的传感器和采集数据，在不引入复杂的计量仪器及设备的同时，实现对SOC的在线检测，极大的提高了***的稳定性，降低了***的运维难度和成本。

本发明的优点和有益效果是：

1、本发明针对现有SOC检测方法较复杂的问题，提出以下想法：设计上不引入任何额外数据采集装置和检测仪器，在液流管路中安装具有一定形状的多孔介质，通过获取流过多孔介质的压力差、电解液温度和体积流量，计算电解液粘度值，进而利用离线预先拟合的SOC与电解液温度和粘度的数据模型，在线计算实时SOC值。本发明具有工艺方法简单、成本低、运维容易的优点。

2、本发明所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，可分别对全钒液流电池的正极和负极电解液的SOC状态实施在线检测，正负极SOC检测相互独立，不受另一极扰动的影响，检测结果准确，鲁棒性强。

附图说明

图1为本发明全钒液流电池***SOC在线检测方法的实施步骤流程图。

图2为本发明全钒液流电池***SOC在线检测方法应用的图解示意图。图中，1正极储液罐；2负极储液罐；3电堆；4多孔介质一；5多孔介质二；6泵一；7泵二；FM、流量计；TT、温度传感器；PT、压力传感器。

具体实施方式

在具体实施过程中，如图1所示，本发明全钒液流电池***SOC在线检测方法，离线实验及拟合SOC与电解液温度和粘度数据模型，在线采集多孔介质两侧压差和电解液温度及流量，利用达西定律计算实时SOC值，具体步骤详述如下：

(1)离线拟合SOC与电解液温度和粘度数据模型。首先，按实际运行全钒液流电池***电解液浓度配制正负极实验原始溶液，并置于单电池中充电获得对应一系列SOC的正负极电解液样品；然后，将获取的正负极对应不同SOC的电解液样品分别置于恒温箱中，调整恒温箱温度，分别测量单个SOC电解液样品在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃下的粘度值；最后，将正负极实验数据分别整理，利用非线性回归方法，分别拟合正负极SOC＝f(T，μ)的数据模型；式中，T为电解液温度(℃)，μ为电解液粘度(Pa·s)。

(2)多孔介质安置。如图2所示，正极储液罐1中设有含VO²⁺/VO₂ ⁺的正极电解液，负极储液罐2中设有含V²⁺/V³⁺的负极电解液，正极电解液和负极电解液之间分别通过管路连接电堆3，流量计FM、温度传感器TT和压力传感器PT的输入端分别与所述管路相连，全钒液流电池控制***(SOC在线检测)分别与流量计FM、温度传感器TT和压力传感器PT的输出端相连，将多孔介质一4和泵一6安置于正极电解液的液流流经路线上，将多孔介质二5和泵二7安置于负极电解液的液流流经路线上。

其中，多孔介质可选取全钒液流电池用电极材料(如：石墨毡等)，多孔介质的几何形状与大小不限，但需满足电解液完全由多孔介质横截面流过。一种简单的设计方案可采取在电解液的液流方向设置并引出一个液流支路，在支路上安装一个由导流板、多孔电极和端板组成、并由螺栓紧固的近似半电池的结构，实现电解液在支路中完全且均匀的流过多孔石墨电极。

(3)在线SOC计算方法。在正负极多孔介质管路中安装压力传感器、流量计和温度传感器，并与电池管理***或控制***连接，实现实时采集数据，如图2所示；将步骤(1)中拟合的数据模型输入到电池管理***或控制***中，利用实时采集的压力和流量计算电解液粘度，公式如下：

式中，所述ΔP为压力差(kPa)，L为电解液流过多孔介质的长度(m)，S为电解液流过多孔介质的横截面积(m²)，κ为多孔介质渗透系数，Q为流过多孔介质的体积流量(m³/s)，μ为电解液粘度；并将粘度和温度代入数据模型，计算出正负极实时SOC值，公式如下：

SOC＝f(T，μ)

为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。

实施例1

本实施例中，全钒液流电池***采用1.6mol/L的硫酸氧钒加2.6mol/L硫酸作为正负极电解液。首先，将1.6mol/L的硫酸氧钒加入到2.6mol/L的硫酸中，搅拌均匀，配制成原始电解液；然后，将电解液电解，获取对应不同SOC的正负极电解液样品；进一步，将每一个对应特定SOC的电解液样品分别放置于恒温箱中，调节温度，获取一系列温度下电解液的粘度值；最后，利用SOC、温度和粘度的数值，采用非线性神经网络方法拟合获得正负极电解液SOC与电解液温度和粘度的数据模型。

将上述数据模型输入到电池管理或控制***中，安置多孔介质于液流管路合适位置，搭建全钒液流电池***及压力、温度和流量传感器，对数据实时采集。其中，多孔介质渗透率为2.8×10^-8m²，横截面积为3.14×10^-4m²，长度为0.1m。

运行全钒液流电池***，测得某一时刻正极多孔介质两侧压力差为2kPa，负极多孔介质两侧压力差为2.4kPa，通过正极和负极多孔介质的体积流量为5.18×10^-5m³/s，则利用达西定律计算获得正极电解液此时刻粘度为3.637×10^-3Pa·s，负极电解液此时刻粘度为4.064×10^-3Pa·s，同时测得此时刻通过正极和负极多孔介质的电解液温度均为30℃，电池管理***通过利用离线回归得到的数据模型计算得出此时刻正极电解液SOC为50％、负极电解液SOC为50％。

对上述SOC在线检测方法所获得的计算值进行测试验证。在线采集此时刻正极和负极电解液样品，进行离线滴定分析测试，将测试结果精确到小数点后一位并四舍五入后，测试结果为正极电解液中VO²⁺浓度0.8mol/L、VO₂ ⁺浓度0.8mol/L，即正极SOC为50％；负极电解液中V²⁺浓度0.8mol/L、V³⁺浓度0.8mol/L，即负极SOC为50％。

实施例结果表明，本发明方法可有效对SOC状态进行在线检测，由于仅通过利用合适的多孔介质，并采用常见的温度、压力和流量传感器对数据进行采集分析，在线实时计算正负极SOC，本发明赋予了全钒液流电池***SOC在线检测简便、可靠及低成本的优点，可适用于大规模全钒液流电池储能***的应用。

Claims (8)

1.一种全钒液流电池***SOC在线检测方法，其特征在于，在管路***中安置多孔介质，通过实时测量多孔介质两侧的压力差和通过多孔介质的体积流量值，计算通过多孔介质的电解液粘度，进而利用离线获得的SOC与电解液粘度和温度的数据拟合黑箱模型，及通过多孔介质的电解液温度值，实时计算SOC值。

2.按照权利要求1所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，其特征在于，多孔介质的材料选择具有抗氧化性和腐蚀性的石墨毡或碳毡，多孔介质的安置在主液流管路中或在分支液流管路中，其形状为任意几何形状。

3.按照权利要求1所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，其特征在于，压力传感器安装在多孔介质两侧，流量和温度传感器安装在多孔介质任意一侧，传感器与全钒液流电池控制***相连接，且能够确保实时采集压力、流量和温度数据。

4.按照权利要求1所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，其特征在于，利用采集的多孔介质两侧压力差、温度和流量值，以及多孔介质的渗透系数、长度和界面面积值，实时计算通过多孔介质的电解液粘度值。

5.按照权利要求4所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，其特征在于，采用如下达西定律计算电解液粘度值：

或

式中，ΔP为压力差，L为电解液流过多孔介质的长度，S为电解液流过多孔介质的横截面积，κ为多孔介质渗透系数，Q为流过多孔介质的体积流量,μ为电解液粘度。

6.按照权利要求1所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，其特征在于，电池运行前离线测量电解液浓度、温度和粘度，并建立SOC与电解液温度和粘度的数据模型，形式如下：

SOC＝f(T，μ)

式中，T为电解液温度，μ为电解液粘度。

7.按照权利要求6所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，其特征在于，建立SOC与电解液温度和粘度的数据模型采用非线性数据拟合方法。

8.一种权利要求1～7所述的全钒液流电池***SOC在线检测方法，其特征在于，正极SOC和负极SOC的检测需分别对正极和负极实施多孔介质和数据采集，并分别离线测量和拟合数据模型及计算SOC。