CN109713339A - 一种基于电流优化策略的液流电池***控制方法 - Google Patents

一种基于电流优化策略的液流电池***控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电流优化策略的液流电池***控制方法，属于新能源储能领域。本发明根据预设的液流电池***中电解液流速及传质放大倍数，通过与集流体外接的充放电设备对液流电池***进行充电或放电；在充电或放电过程中，实时检测电堆内部的荷电状态变化，并实时反馈控制液流电池***的工作电流。本发明中所述的液流电池***电流优化策略及控制方法是通过保持流量处于较低水平而在充放电末期采用较小的电流密度的方式，对于***优化策略进行创造性地改进，除了能有效降低充放电末期的欧姆电阻以达到更理想的电解液利用率之外，还能有效降低电堆与储液罐之间电解液荷电状态的差异，具有流量优化所不具有的优势。

Description

一种基于电流优化策略的液流电池***控制方法
技术领域
本发明属于新能源储能领域，具体涉及一种提高电解液利用率的液流电池***电流优化策略及控制方法。
背景技术
太阳能、风能等可再生能源在发电过程中，由于受到季节更替等环境因素影响，导致可再生能源发电输出与用电需求不同步。因此需要在电网中配置相应的储能设备来调节能源的供需矛盾，实现削峰填谷并提高电力品质。作为目前最适合应用于可再生能源领域的大规模储能技术之一，液流电池不仅具有充放电容量高，功率与容量相互独立，易于规模化建设的优点，还可满足安全性与灵活性的需求，在储能技术中具有一定的优势。
液流电池***由电堆、电解液储罐、循环泵等设备组成，其中电堆由数节单电池按压滤机的方式叠合组装。与一般固态电池不同的是，液流电池的正极和负极电解液储存于电池外部的储罐中，通过泵和管路输送到电池内部，在电堆中通过正负极电解液活性物质发生可逆氧化还原反应实现电能和化学能的相互转化。自20世纪70年代以来，先后出现了不同类型的液流电池。根据电解液活性物质的不同主要分为全钒、铁铬、锌溴液流电池等，其中全钒液流电池是目前发展最成熟的液流电池。然而在实际应用中，传统液流电池由于电压区间受到水解限制，以及活性物质的溶解度较低，限制了电解液的能量密度。此外，在实际应用中由于受到跨膜损失、欧姆损失、浓差过电势等因素的影响，其电解液利用率通常只能达到理论值的80％左右。
为了满足更高储能容量的需要并降低电池***的体积及成本，近年来，大量新型非水基电解液得到了开发和研究。新型液流电池通常具有更高的电压区间、更高的溶解度及更高的能量密度，在一定程度上缓解了能量密度低的问题，拥有更高的工作电压区间以及更高的溶解度。然而，在实际应用中，尽管高溶解度与高电压区间能带来5倍于全钒液流电池的理论能量密度，在实际情况中会受到欧姆损失、活性颗粒沉淀、固体电解质界面膜等因素的影响，其电解液利用率只能达到50％左右。
电解液利用率是衡量液流电池充放电深度及有效容量的重要指标，可定义为实际充放电时间与理论充放电时间的比值。提高电解液的利用率对降低电解液体积和成本都有较大的增益。近年来，很多研究者针对提高电解液的利用率提出了很多改进方案，包括流道设计、电极处理、质子交换膜改进等等。在***层面，目前的研究大多是通过调节流量的方式进行优化。相关技术人员做了深入研究，出现了以下技术：
申请号为CN201010210100.9的发明专利公开了一种全钒液流储能电池***及其电解液流量梯级控制策略，通过在不同电解液温度区间、单电池电压区间、电流密度区间进行实验，综合考虑全钒液流储能电池***的能量效率和功耗的基础上，确定不同电解液温度区间、单电池电压区间、电流密度区间最优电解液流量，并通过单片机控制变频器调节泵的工作频率及流量，保证全钒液流储能电池***在选择的电解液流量下运行。
申请号为CN201410746201.6的发明专利公开了一种全钒液流电池***电解液流量优化控制方法，通过提出一种在电池充放电过程中分段增加电解液流量的控制策略，在电池运行过程中，根据充放电状态监控仪采集的充放电状态值SOC，计算需要的电解液流量，通过变频器调节离心泵的工作频率，保证全钒液流电池***在选择的流量下运行。
中国大连物理化学研究所团队通过在充放电末期采用较大流速的方式，降低充放电终点时的浓差过电势以提高电解液利用率。澳大利亚新南威尔士大学团队则根据质量守恒关系提出优化策略并建立模型，使流速在充放电过程中随反应进行而实时变化，能保证合理的泵损与电解液利用率。浙江大学团队以***效率最高为优化目标，在变功率条件下采用二分法调节流速，进一步提高了***效率。其他学者在已有的流量优化基础上考虑了成本或其他损失的影响，对模型进行进一步的完善。
然而，对于部分新型电解液而言，由于高粘度电解液与非牛顿流体性质的影响，很难采用较高的流速。由于采用流量优化的方式在充放电末期的流速会达到初期的10倍以上，对于粘度较大的流体而言会有很大的泵功损失。因此有学者提出可采用全间歇或部分间歇的模式，通过将一股电解液泵入电堆中，完全或部分反应后再泵入下一股电解液的方式，尽可能降低泵损。然而，该方法只能应用于电流密度不高的场景，避免在电解液静止时过高的浓差过电势，达不到较高的电解液利用率。因此，以上专利和研究对于对粘度较高的具有非牛顿流体特性的电解液缺乏同时满足较高电解液利用率与较低泵损需求的流量优化策略，始终存在一定的泵功损失，不能达到理想的电解液利用率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提出一种提高电解液利用率的液流电池***电流优化策略及控制方法，在液流电池能能量的转换中，降低在充放电结尾处的欧姆损失，大幅度提高电解液的利用率。
本发明中所述的液流电池***电流优化策略及控制方法是通过保持流量处于较低水平而在充放电末期采用较小的电流密度的方式，对于***优化策略进行创造性地改进，除了能有效降低充放电末期的欧姆电阻以达到更理想的电解液利用率之外，还能有效降低电堆与储液罐之间电解液荷电状态的差异，具有流量优化所不具有的优势。
本发明的液流电池***电流优化策略是通过以下技术方案来实现：
基于电流优化策略的液流电池***控制方法，其步骤如下：
根据预设的液流电池***中电解液流速Q及传质放大倍数factorI，通过与集流体外接的充放电设备对液流电池***进行充电或放电；在充电或放电过程中，实时检测电堆内部的荷电状态SoCstack变化，并实时反馈控制液流电池***的工作电流Iapplied；实时的工作电流Iapplied大小计算公式为：
本发明中，工作电流的英文为applied operating currentdensity，在充电时是指充电电流，放电时是指放电电流。
作为优选，在充电或放电过程中，预先设定荷电状态SoCstack的上限值和下限值，当实时检测到的电堆内部荷电状态SoCstack不在该上限值和下限值范围内时，控制液流电池***中电解液流速Q增大，以提高电解液的利用率。
进一步的，所述的电解液流速Q由安装于电解液循环管道上的循环泵控制。
作为优选，液流电池***中的工作电流Iapplied由充放电电流控制***进行实时控制。
作为优选，所述的荷电状态SoCstack的上限值为0.9，下限值为0.1。
本发明与现有技术相比，具有如下特点：第一，可面向高粘度的电解液，在保证合适平均功率密度的条件下，有效提高电解液的利用率，并且避免过高的泵功损失。第二，可有效降低充放电末期的欧姆损失，同时也能有效降低充放电末期储罐与电堆之间的活性物质荷电状态差异，达到通过流量优化所达不到的电解液利用率增益。第三，相比低电流的恒值运行模式，能在初期保持较高的电流密度/功率密度，能满足实际应用的需求。
附图说明
图1为本发明具体实施实例中一种应用于电流优化策略及控制方法液流电池***基本示意图。
图2为本发明中运行方式一中的电压变化示意图。
图3为本发明中运行方式一中的电流变化示意图。
图4为本发明中运行方式二中的电压变化示意图。
图5为本发明中运行方式二中的电解液流速及电流变化示意图。
图中：电堆内部SoC在线测试***1，充放电电流控制***2，电路3，电解液储液罐4，蠕动循环泵5，循环管道6，电池端板7，单电池单元8，电池PP板9，电解液10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明的液流电池***可以是常规的液流电池，也可以是其他改进结构的液流电池。本实施例中的液流电池结构如图1所示，包括电堆内部SoC在线测试***1、充放电电流控制***2、电路3、电解液储液罐4、蠕动循环泵5、循环管道6、电池端板7、单电池单元8、电池PP板9和电解液10。其中，电池的正极和负极均由电池端板7和电池PP板9组成，正极和负极之间具有多个连接电堆内部SoC在线测试***1的单电池单元8，电堆内部SoC在线测试***1通过集流体实时检测单电池单元8的电堆内部荷电状态SoCstack变化。正极和负极的电池端板7上各自连接一套电解质循环***，包括电解液储液罐4、蠕动循环泵5、循环管道6，电解液10存储于电解液储液罐4中，电解液储液罐4通过循环管道6连接电池端板7的进出口，构成循环回路。循环管道6上设有一个蠕动循环泵5，用于提供输送动力。液流电池内的电堆内部SoC在线测试***1、蠕动循环泵5等设备通过电路3连接充放电电流控制***2，由充放电电流控制***2进行统一的数据处理和反馈控制。本实施例中，电堆内部SoC在线测试***1、充放电电流控制***2的具体结构不做限定，可采用现有技术中任何能够实现相应功能的设备。
本发明的液流电池***电流优化策略是通过以下技术方案来实现：
首先根据传质平衡的公式(1)，选择合适的流速Q及传质放大倍数factorI，作为初始工况运行液流电池***。然后，通过集流体外接的充放电设备，按照随电堆内部的荷电状态SoCstack变化而实时变化的工作电流Iapplied，改变输入的电流参数。在充电或放电过程中，电流会根据公式(1)实时调节，保证每个时刻的电流均满足最佳传质的效果，总体上呈现逐渐降低的趋势，既能在初期较大电流时满足合适平均充放电功率密度的需求，又能在充放电末期保证较高的电解液利用率。为了避免初期电流较大而造成的损失较高，以及末期电流较小造成的充放电时间过长，需要设置充放电上下限的电流密度。
式中：Iapplied表示输入或输出的工作电流大小，factorI表示传质放大倍数，Q表示电解液流量，Mcell表示单电池的数量，F表示法拉第常数96485.34C/mol，c0表示电解液的浓度，SoCstack表示电堆内部的荷电状态。
因此，在本发明的控制策略下，工作电流Iapplied是随着电堆内部的荷电状态SoCstack变化而实时变化的，通过保持流量处于较低水平而在充放电末期采用较小的电流密度的方式。相比低电流的恒值运行模式，能在初期保持较高的电流密度/功率密度，在充放电末期降低欧姆电阻和电堆与储液罐之间电解液荷电状态的差异，具有单纯流量优化所不具有的优势。
下面基于上述的***和方法，结合两个实施例给出两种不同的运行方式，使本领域技术人员更好地理解本发明的效果所在。
实施例1
运行方式一：选取全钒液流电池作为本实施例中采用的电池***，选取单电池单元8为15个，在电池***中采用石墨毡作为电极，电极尺寸为0.3*0.3*0.06m，孔隙率为0.68。在正负极电解液储液罐4中加入36.7L的电解液。选择上限电流密度为95mA/cm2，下限电流密度为25mA/cm2，充电电压上限为1.7V，放电电压下限为0.8V，初始电解液的荷电状态SoC为0.1。每次充放电循环都采取第二个循环之后的数据进行分析。选择在蠕动循环泵5中选择恒定的流速0.042L/s，在整个充放电过程中保持不变。factorI设定为2。在充电或放电过程中，通过集流体实时检测电堆内部的荷电状态SoCstack变化，并根据公式(1)的计算值实时反馈控制液流电池***的工作电流Iapplied。最终，得到充放电过程中的电压变化曲线如图2所示，充放电过程中的电流变化曲线如图3所示。在相同平均电流密度(62.1mA/cm2)和流速下与恒电流传统模式比较，采用运行方式一可降低充放电末期储罐与电堆之间活性物质浓度差异60％，提高电解液的利用率35％。
实施例2
运行方式二：选取全钒液流电池作为本实施例中采用的电池***，选取单电池单元8为15个，在电池***中采用石墨毡作为电极，电极尺寸为0.3*0.3*0.06m，孔隙率为0.68。在正负极电解液储液罐4中加入36.7L的电解液。选择上限电流密度为95mA/cm2，下限电流密度为25mA/cm2，充电电压上限为1.7V，放电电压下限为0.8V，初始电解液的荷电状态SoC为0.1。在充电或放电过程中，通过集流体实时检测电堆内部的荷电状态SoCstack变化，并根据公式(1)的计算值实时反馈控制液流电池***的工作电流Iapplied。每次充放电循环都采取第二个循环之后的数据进行分析。选择在蠕动循环泵5中选择初始的流速0.032L/s，在充电SoCstack大于0.9或者放电SoCstack小于0.1时改变流速为0.074L/s。factorI设定为5。通过上述控制方式，可在充放电末期既保证高流速，又保证较低的电流密度，可进一步提高电解液的利用率。在运行方式二中的平均电流密度为32.1mA/cm2。此时充放电循环的电压效率为85.6％，***效率为81.3％，电解液利用率为80.7％。相比于恒流速的应用场景，流速在充放电末期的变化以1.6％泵功的增加为代价，进一步提高了7.1％的电解液利用率，达到了较好的效果。其中，充放电过程中的电压变化曲线如图4所示，充放电过程中的电流及电解液流速变化曲线如图5所示。
以上所述的实施例只是本发明的几种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于电流优化策略的液流电池***控制方法，其特征在于，步骤如下：
根据预设的液流电池***中电解液流速Q及传质放大倍数factorI，通过与集流体外接的充放电设备对液流电池***进行充电或放电；在充电或放电过程中，实时检测电堆内部的荷电状态SoCstack变化，并实时反馈控制液流电池***的工作电流Iapplied；实时的工作电流Iapplied大小计算公式为：
2.如权利要求1所述的基于电流优化策略的液流电池***控制方法，其特征在于，在充电或放电过程中，预先设定荷电状态SoCstack的上限值和下限值，当实时检测到的电堆内部荷电状态SoCstack不在该上限值和下限值范围内时，控制液流电池***中电解液流速Q增大，以提高电解液的利用率。
3.如权利要求1所述的基于电流优化策略的液流电池***控制方法，其特征在于，液流电池***中的工作电流Iapplied由充放电电流控制***进行实时控制。
4.如权利要求2所述的基于电流优化策略的液流电池***控制方法，其特征在于，所述的电解液流速Q由安装于电解液循环管道上的循环泵控制。
5.如权利要求1所述的基于电流优化策略的液流电池***控制方法，其特征在于，所述的荷电状态SoCstack的上限值为0.9，下限值为0.1。
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