一種釩電池的電氣特征檢測方法研究

方建華 張林瀚

摘要 釩電池電氣特性測試既是釩電池本體研究和改進的重要內容，也是其實際工程應用的基礎。目前因缺乏對電氣特性的深入研究，釩電池只在一些微電網示范工程中進行應用，為了解決這一問題，本文在分析釩電池結構與工作原理，以及性能特點的基礎上，構建了釩電池電氣特性測試試驗平臺，開展了釩電池的全充放電循環測試、脈沖充放電循環測試、自放電特性測試和暫態放電特性測試，并對測試結果進行了分析。

【關鍵詞】釩電池 微電網 電氣特性 循環測試

1 引言

隨著社會經濟的不斷發展，能源的需求量也不斷增加，電能是當今社會的最主要能源之一，它應用范圍廣、實用性好，但在現有條件下，電能很難進行有效的存儲，因此像電化學儲能電池等高效率的電能儲存方法一直是電氣工程研究的重點。

目前使用較多的電化學儲能電池主要有鋰電池、鈉硫電池、鉛酸電池和釩電池等。在這幾種電池中，鉛酸電池技術最為成熟，價格也比較便宜，但它使用壽命短、充放電性能差;鈉硫電池具有高比功率和高比能量、制造成本也比較低，但它運行時容易發熱，具有一定的安全風險;鋰電池同樣是一種新型電池之一，它功率高，放電充分，但壽命短、容易過充電;與其他幾種電池相比，釩電池具有容量大、壽命長、成本低、安全性高等特點，因而具有廣闊的工程實際前景。

目前，釩電池已經在工程中投入使用，但因缺乏對其電氣特性的深入研究，導致其低效率、管控難等問題遲遲得不到解決，這大大制約了釩電池的實用價值。為此，本文在分析釩電池結構、工作原理以及性能特點的基礎上，構建了釩電池電氣特性測試試驗平臺，開展了釩電池的全充放電循環測試、脈沖充放電循環測試、自放電特性測試和暫態放電特性測試，并對測試果進行了有效的分析。

2 釩電池工作原理

釩電池是一種將電能存儲在液體溶液中的電化學裝置。如圖1所示，釩電池系統包括電堆、電解液儲罐、管路系統和控制電路等，其中，電堆和儲液罐是釩電池的核心。其他部分等統稱為電池工作輔助設備，以保證釩電池的穩定性。其工作原理是將不同化學價態的釩離子作為電池的正極和負極，通過外接循環泵，把電解液泵入電堆內部，使其在整個系統中循環流動。在兩個氧化還原電對的電勢差的作用下，電解液會在電極表面發生氧化還原反應，使電池進行充放電。

在充放電過程中，電堆內部發生如下的化學反應：

3 釩電池的性能特點

釩電池作為新型電化學電池中的一種，相對于傳統電化學電池來說具有更多優越的性能特征，具體如下：

（1）電池輸出功率和儲能容量相互獨立。釩電池的能量存儲在外部儲液罐中，輸出功率則由電池本身決定。提高電解質溶液濃度或者是增加儲能罐體積可以提高儲能容量，而加大正負電極部分的面積或者連接更多的電池就可以加大輸出功率，相互不影響，方便實用改造。

（2）安全可靠性高。電極反應均為液相反應，不會出現傳統固相反應引起的電極脫落或短路現象。并且電解液通過循環泵進入電堆，傳質速率高，而且在循環過程中可以帶走電池中化學反應產生的熱量，進行降溫。

（3）使用壽命長。系統中所有電池的電溶液都由同一儲能罐提供的，具有相同的流速和濃度和SOC。因此，如果某個電池因突發情況導致電壓不均，也無需單獨處理，僅會造成成組電池的降功率運行。當功率降低到無法滿足系統工作時直接更換電解液即可。

（4）環境友好。釩電池是自動封閉運行的，沒有化學污染且維護簡單，且正負極為同一金屬離子電解液，這就確保電解液不會因電堆密封性差或膜透過效應產生電解液的交叉污染。

（5）規模化利用成本低。釩電池結構簡單，材料價格相對低廉，更換和維護費用低。還可以將系統整個建與地下，具有很強的工程實用性。

（6）運行條件簡單、靈活。釩電池能夠持續進行深度放電，且不對電池的使用壽命或工作性能造成嚴重影響。當電池性能不能滿足實際需要時，還可以通過更換高濃度電解液的方式實現機械充電。

（7）充放電切換響應快。釩電池在正常運行后，能夠根據需要快速實現充放電轉換，充放電過程中電壓波動小，其充放電響應時間可以控制在0.02s以內。

4 釩電池的性能測試與分析

4.1 測試平臺構建

釩電池具有一系列的優點，因此對其電氣性能進行分析和利用具有重要的意義，本文構建了釩電池試驗平臺，并進行大量試驗，然后通過對實驗結果的全面比較和分析，歸納總結了釩電池的主要特性。

試驗對象采用與上海神力科技有限公司合作研發的3kW/3kWh釩電池，工作電壓范圍為39V～52V，放電截止電壓為39V，采用恒流恒壓方式（CC-CV Mode）進行充電，恒流充電至52V變成恒壓充電，充電電流下降到25A時停止充電。

測試條件主要包括釩電池試驗平臺、Agilent DS06052A示波器一臺、MATLAB/SIMULINK仿真平臺。其中，釩電池試驗平臺包括釩電池上位機檢測與數據采集系統，可以實現電流、電壓和溫度的采集。充放電電流采集采用串聯lOOA/75mV的分流器進行分壓獲取，電堆電壓運行參數采集則是利用高度集成的LTC6802單電池監測芯片實現的，運行溫度則是利用DS18820傳感器，獲取電池內部電解液溫度，采集精度分別為O.lA、O.lV、0.5℃，均能滿足測試要求。

考慮到釩電池在實際工作時，需向循環泵等輔助設備提供一定的電能保證釩電池電解液進入電堆內部進行電能的存儲與釋放，本文提出將循環泵等輔助設備作為負載考慮，單獨用直流電源供電。釩電池實際運行時的電氣結構如圖2（a）所示，無論釩電池是處于充電狀態還是處于放電狀態，都需要向系統逆變器提供電能，保證釩電池的正常運行。當釩電池需要充電時，外電電源不僅向電堆供電，將電能轉化為化學能，同時給系統逆變器提供電能保證釩電池的正常工作;當釩電池需要放電時，電堆不僅要向負載放電，同時也向系統逆變器提供電能保證釩電池的正常工作。

在測試釩電池時，將循環泵等輔助設備作為負載考慮，設計了釩電池試驗平臺。試驗平臺主要是以新能源發電與微電網實驗室為依托，通過48V直流母線向輔助設備提供電能，保證釩電池正常工作，如圖2（b）所示。當風.光.蓄能夠滿足輔助設備工作時，直接利用可再生能源發電向輔助設備供電，當風.光.蓄無法向輔助設備提供足夠的功率時，可以將市電整流后接入48V直流母線向輔助設備提供電能，這樣就保證了在連續長時間測試釩電池過程中其輔助設備正常運行，而且可以有效保護鉛酸電池。

4.2 實驗結果及分析

在本文中，我們分別對釩電池系統進行全充放電、脈沖放電、自放電和暫態放電特性的測試，并對測試結果進行了仿真分析。

在進行實驗之前，我們先對本次實驗所用的負載進行說明，本次實驗使用三種負載，負載1為48V燈板，由規格為48V/60W的60個燈泡組成，我們通過開關將燈泡兩兩串聯成30組，再將30組燈泡并聯連接;負載2為30個規格為48V/60W的燈泡組成的燈板，由開關直接并聯構成;負載3為10個規格為2.5kW/8Q的繞線電阻，通過導線直接并聯組合。

4.2.1 全充放電性能測試

在對釩電池進行測試時，首先將釩電池儲液罐中的電解液進行混液，以保證釩電池電氣特性不受水遷移等客觀因素的影響，再進行多個個充放電循環，以保證系統能夠穩定運行。并在穩定之后開始測試，其具體步驟如下：

（1）啟動釩電池系統，利用充電器給釩電池充電，直到充滿為止，然后以八個負載進行放電，直至達到放電截止電壓停止放電。

（2）釩電池系統停止工作兩小時后，啟動電池系統，不充電也不放電，并記錄電堆電壓和充放電電流等參數。

（3） lOmin后閉合Kll和K12對電池進行充電，當充電電流等于25A時，停止給電堆充電，使釩電池系統處于旋轉熱備用狀態lOmin后，以八個負載對其進行放電，八個負載分別由之前所提的三種負載串并聯而成，從l到8負載值依次減小。當電池組達到放電截止電壓關閉釩電池系統，運行過程中實時記錄電壓與電流數據等。

由圖像3（a）和3（b）可知，在釩電池充電的過程中，其充電電流隨著時間不斷減小，而充電電壓基本能保持在52V左右。由此可知，當釩電池初始電動勢越高，釩電池所能充進的總能量越少，釩電池初始電動勢越小，釩電池所能充進的總能量越多。

由圖像3（c）和3（d）可知，釩電池在放電過程中，隨著放電的進行，其放電電壓逐漸減小，且在放電末期，放電電壓下降速度加快。釩電池放電時，若負載越大，所能放出的能量越少，放電時間也就越短，進而帶來的泵損等輔助能耗就會減少，若負載越小，所能放出的能量越多，放電時間也就越長，從而導致其泵損等輔助能耗增加。因此，需要設計合理的充放電控制策略，既要保證一定的放電能量，也要盡量減少輔助能耗，以提高系統的效率。

為了更準確的對釩電池充放電性能進行解釋和說明，我們首先利用電壓和電流相乘后對時間進行積分得到能量這一方法得到初始電池電動勢與充進釩電池的能量的關系，并且利用放電電壓和電流相乘對時間積分得到了放電能量與放電電流的關系，如圖4所示。

由圖4（a）可知，釩電池初始電動勢越高，釩電池所能充進的總能量越少，釩電池初始電動勢越小，釩電池所能充進的總能量越多。電池電動勢與能量具有很好的映射關系。因此我們在充電之時需要充分考慮釩電池的初始電動勢。

由圖4（b）可見，釩電池的放電電流越小，釩電池所能釋放的總能量越多，釩電池的放電電流越大，釩電池所能釋放的總能量越少。當放電電流大于80A時，釩電池放電容量大幅衰減。

4.2.2 脈沖充放電性能測試

脈沖充放電測試既可以為提供等效電路模型最基本的試驗數據，也可以詳細分析等效電路的動態特征。圖5是以全充放電實驗中的負載6脈沖充放電測試之后得到的電流和電壓曲線。

圖5可以得知，當釩電池突然停止充電或放電時，在一定時間內，電池端電壓會隨著時間的變化而變化。當釩電池突然停止充電時，電池端電壓會出現瞬間的電壓跌落，而后電池端電壓繼續緩慢下降，逐漸趨于一個穩定值;當釩電池突然停止放電時，電池端電壓會瞬間上升，而且隨著時間端電壓會緩慢上升，逐漸趨于一個穩定值。我們稱這種現象為釩電池的極化現象

4.2.3 自放電特性測試

為了對釩電池的自放電特性進行評估，我們去除釩電池的負載，并且記錄其停止運行之后的端電壓表1是在釩電池停止運行后端電壓隨時間變化的部分數據，其具體測試結果如圖6所示。

當電池停止工作時，釩電池的循環泵等輔助設備也停止工作，即不再向電堆內部提供電解液，此時，電堆內部的電解液因釩離子透過膜或電解液通過電堆內部結構產生交叉滲透，導致釩電池端電壓下降，如圖6所示。當電壓降至O時，因儲液罐中的電解液無法進入電堆，其荷電狀態保持不變，因此，釩電池長期存儲的自放電率取決于電堆內與儲液罐中電解液的比值。

表2是在不同時間下釩電池旋轉熱備用狀態下釩電池端電壓和正、負半電池溫度的部分數據，其具體測試結果如圖7所示：當釩電池處于旋轉熱備用狀態時端電壓隨時間的增加而下降，電池運行溫度隨著時間的增加而升高，由此可見，在旋轉熱備用狀態下，釩電池荷電狀態下降，且在運行過程中產生了焦耳熱，即內部產生了支路電流引起的自耗電。

4.2.4 暫態放電特性測試

暫態放電特性主要反映的是電池對負載的突然響應能力，我們對釩電池、鉛酸電池和超級電容都進行暫態放電特性測試，結果如圖8所示。

由圖8可見，在進行暫態放電測試的三種儲能電池中，超級電容響應速度最快，鉛酸次之，釩電池響應較慢。因此，在實際使用中，可以將釩電池與超級電容或其他儲能等組成混合儲能電池組以滿足能量與功率響應能力，可以有效避免釩電池PCS的保護與故障。表3給出了三類儲能電池暫態放電時部分電氣參數值。

5 總結

本文在仔細分析了釩電池結構與工作原理，以及性能特點的基礎上，結合實驗室與上海神力科技有限公司合作研發的3kW/3kWh釩電池搭建了試驗平臺，通過實驗測試出了釩電池的全充放電循環特性、脈沖充放電循環特性、自放電特性和暫態放電特性等電池特征。并結合仿真實驗結果以及與其他電儲能電池性能的比較對釩電池的電磁容量特性、極化特性、自放電特性以及暫態放電特性等性能的特征和優缺點進行了詳細的分析和說明。這對釩電池的實際應用有極為重要的意義。

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