兆瓦級液流電池儲能系統的均衡技術研究

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）均衡評價指標來看，在國內外的相關研究中，有將電池電壓不一致性作為評價指標進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不一致性，從而實現電池組能量的優化配置，提高電池組使用安全性的[6-9]。

液流電池儲能系統的均衡布置主要體現在對該系統結構的規劃上，而均衡控制技術則主要體現在均衡控制硬件的設計和均衡控制策略的制定上。液流電池儲能系統的均衡控制技術是液流電池管理系統（Battery Management System，BMS）中電池均衡控制管理的基礎，而電池管理系統對液流電池單體的信息采集和信息分析則是該系統進行均衡控制的基礎。

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

1 液流電池儲能系統的均衡布置

1.1 單電堆儲能系統的均衡布置

一般來說，液流電池的電池模塊是由數十片電池單體通過堆疊、壓緊和固定而成的。每個電池單體由通常由正負極電極、離子交換膜和正負極板框組成。在電池模塊中，電池單體在相互堆疊的過程中，通過結構內部的雙極板來實現串聯式電氣連接。電解液從儲液罐中被循環泵抽出，通過公共管路的總管和支管，流經電堆中每個電池單體，并發生氧化、還原反應后再通過公共管路的支管和總管匯集并流回儲液罐，該過程循環往復，伴隨電堆的充放電過程。需要指出的是：在單電堆儲能系統中，電堆（各電池單體的集合）與儲液罐之間的管路，包括電池單體內的流道（channel）和電堆內的公用共享通道（manifold）構成了電堆的供液管路網絡。單電堆內的流道連接是采用并聯形式的，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。

當單電堆儲能系統中堆疊的電池單體超過一定數量后，會出現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，可以考慮優化該系統，將原本單電堆儲能系統拆分成多電堆儲能系統。例如：原單電堆包含30個電池單體，拆分后將5個電池單體組成1個電堆，并將這6個電堆組成多電堆儲能系統，同時仍然由30個電池單體進行串聯式電氣連接，并添加了獨立于電堆的液流分配總管（trunk）和支管（branch）。從而，優化后的電堆儲能系統包含電池單體內流道、電堆內的公用共享通道和電堆外的總管和支管。

1.2 多電堆儲能系統的均衡布置

電堆之間的連接，在串聯管路輸送模式下，所有的電解液依次通過每個電堆，這種連接方式能保證每個電堆的電解液流量相同，但流過電堆的電解液反應物濃度逐漸減小，使得同一時刻每個電堆的荷電狀態（State of Charge, SOC）各不相同，而且串聯管路輸送電解液需要消耗大量的泵功來克服流動阻力；在并聯管路輸送模式下，電解液通過公共管路再分別流經各分流支路來進入每個電堆，從而流經每個電堆的電解液濃度一致，每個電堆的荷電狀態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常采用并聯形式。但是這種連接多電堆的并聯管路很難保證流入各電堆的電解液流量相同，也就是說，即使實現了單電堆入口電解液濃度的一致性，該系統中參與電化學反應的各電堆的初始條件依然存在不一致性；同時連接多電堆的并聯管路中充滿電解液，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，破壞電堆結構，縮短電堆壽命等不良后果。上述制約因素成為電堆內各電池單體之間，以及各電堆之間需要進行均衡控制的原因之一。

1.3 兆瓦級液流儲能系統的均衡布置

液流電池主要由電堆和電解液儲液罐組成，若所需儲能系統的能量要求達到兆瓦等級，需要根據所規劃儲能系統的容量和額定功率要求，通過設計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成。

兆瓦級液流儲能系統的電堆設計通常可以通過設計單個高功率電池模塊或通過設計數個相同的電池模塊并進行合理的串、并聯物理連接來完成。使用單個高功率電池模塊雖然也可以實現瓦級液流儲能系統的功率要求，但是由于該液流儲能系統中只有一個電池模塊，當其出現問題時，整個系統停止運作的風險將不可避免；另外，采用相同功率的電池模塊進行合理的串、并聯物理連接，直到滿足所需的系統功率要求，這種方案設計相對簡單，易于實現，在整個系統出現故障時也可根據電池管理系統的提示及時找到故障根源，替換問題電堆，排除系統故障的工作量和對整體系統的影響較小。特別是當單個電池模塊的設計功率較高時，組成兆瓦級液流儲能系統的電堆串、并聯物理連接結構也會相對簡單。

兆瓦級液流儲能系統的電解液存儲于儲液罐中，通常根據所用液流電池體系的特點，通過設計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的容量要求。值得比較的是，以流體管路并聯方式連接的液流儲能單元所組成的儲能系統，其使用容量較大的電解液儲罐，為并聯連接的兩個電堆提供循環所需的電解液，同時通過兩組循環泵來完成該液流循環。此系統中的電堆采用串聯式電氣連接，但由于進出儲液罐的管路較為復雜，如出現漏液現象，不利于系統管理和維護。

而采用液流儲能單元采用液流電池系統的基本結構，管路布置簡單，便于維護。在由多個液流儲能單元組成的儲能系統中，每個電堆的電氣連接是串聯的，可以獨立連接直流變換器（DC/DC），通過靈活地組合來實現大容量、高電壓的兆瓦級液流電池儲能系統。在戶外采用集裝箱結構，將電堆、電池控制系統、存放正、極電解液的儲液罐及循環泵等液流儲能電池系統必需的零部件高度集成于一體，具有安裝運輸方便、成站周期短、環境適應能力強、可操作性強等優點，便于用戶根據所規劃儲能系統的容量和額定功率要求，對兆瓦級液流電池儲能系統進行規模化集成和集中管理。進一步地，在由多個液流儲能單元組成的儲能系統中，單列電堆組中的每個電堆的電氣連接是串聯的，可以獨立連接直流變換器，單列電堆組之間則采用并聯的電氣連接方式，通過靈活組合來實現大容量、高電壓的兆瓦級以上液流電池儲能系統。

2 液流電池充放電均衡控制模型和原理

液流電池儲能系統中電池組和電池模塊內存在電池單體不一致的現象，由此產生了基于電池單體電壓、荷電狀態和容量為主要判斷依據的電池均衡控制技術，當電池模塊或電池組內電池單體的一致性較差，達到一定標準時，則開啟均衡控制功能；當電池單體的一致性較好，達到一定標準時，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，主動均衡有時也被稱為有源均衡，其中非耗散型均衡方案由于其節能、發熱少等優勢成為現在電池均衡技術研究的主流。

通過有效地監控和被動/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，并有效防止電池單體因過度充放電而產生損壞，從而增加電池工作循環的次數。被動均衡通過設計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的荷電狀態。主動均衡技術較為復雜，它能在充放電循環過程中，對電池單體或電池模塊中的能量進行再分配，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運行時間。

由處于滿容量狀態的電池單體組成的一個液流電池模塊見圖1（a）。通常來說，將電池單體的滿容量設定為可充電量的100%會導致其使用壽命的快速下降。在此例中，將其滿容量設定為可充電量的95%，完全放電時的容量設定為可充電量的10%，這樣可避免電池在充放電循環過程中經常處于深度放電狀態。隨著電池單體狀態特性的演變，會出現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束時，充放電特性較弱的電池單體會先釋放全部電荷，并觸發結束放電的信號，從而導致其他充放電特性較強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。對于由串并聯方式組成的大容量電池模塊/電池組來說，這部分能量浪費不容忽視。同時，由于電池模塊/電池組中存在一部分能量未被使用，為達到規劃中的系統能力，需要增加液流電池儲能系統充放電循環次數，從而降低了系統使用壽命并提高了系統的運行成本。通過電池主動均衡技術，電荷可以從充放電特性較強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束時，充放電特性較弱的電池單體會比較強的電池單體先達到滿容量，并觸發結束充電的信號，從而導致其他充放電特性較強的電池單體未達到滿容量，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行再分配，能夠使電池模塊/電池組內的電池單體達到滿容量狀態。

3 一種液流電池儲能系統均衡控制策略的基本原理及其實驗評價

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中，按照由低到高的結構層次可分為電池模塊內的串聯式電池單體（m個）、串聯式電池模塊（n排）和并聯式電池組系統（L列）。由此設定的均衡控制策略相應的分為電池單體級、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

在上述系統中，每個電池模塊內有m個電池單體。SOCbi表示其中第i個電池單體的荷電狀態值，m個電池單體荷電狀態值的平均值為，m個電池單體荷電狀態值的方差為δbi2。設定電池單體的啟動均衡值為δb0，當m個電池單體荷電狀態值的方差大于這個設定值時，則開啟電池單體級均衡控制策略，此時的均衡開啟條件滿足式（1）：

在啟動均衡以后，需要實時監測電池模塊內電池單體荷電狀態值的一致性情況，設定一個停止均衡值δb1。當n個電池單體荷電狀態值的總體方差小于這個設定值時，則停止電池單體級均衡控制策略，此時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

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

在啟動均衡以后，需要實時監測各電池模塊和電池模塊內電池單體荷電狀態值的一致性情況，設定電池模塊、電池單體的停止均衡值分別為δm1、δb1。當m個電池單體荷電狀態值的總體方差小于這個設定值時，則停止電池單體級均衡策略；當m個電池單體荷電狀態值和n個電池模塊荷電狀態值的總體方差均小于這兩個設定值時，則同時停止電池模塊級均衡策略，此時的均衡停止條件滿足式（4）：

3.1.3 電池組級均衡控制策略

上述系統中，每個電池模塊內有m個電池單體，n個電池模塊串聯成單列，L列串聯式電池模塊并聯后成電池組，電池組級均衡可以認為是更大范圍內的電池模塊級均衡。設定電池組、電池模塊、電池單體的均衡對應的啟動值分別為δp0、δm0、δb0。當m個電池單體荷電狀態值的方差大于這個設定值時，則開啟電池單體級均衡控制策略；當m個電池單體荷電狀態值和單列n個電池模塊荷電狀態值的總體方差均大于這兩個設定值時，則同時開啟電池模塊級均衡控制策略；當m個電池單體荷電狀態值，單列n個電池模塊荷電狀態值和電池組內L×n個電池模塊荷電狀態值的總體方差均大于這3 個設定值時，則同時開啟電池級均衡控制策略，此時的均衡開啟條件為式（5）：

在啟動均衡以后，需要實時監測電池組內各電池模塊和電池模塊內電池單體荷電狀態值的一致性情況，設定電池組、電池模塊、電池單體的停止均衡值，分別為δp1、δm1、δb1。當m個電池單體荷電狀態值的總體方差小于這個設定值時，則停止電池單體級均衡策略；當m個電池單體荷電狀態值和單列n個電池模塊荷電狀態值的總體方差均小于這兩個設定值時，則同時停止電池模塊級均衡策略；當m個電池單體荷電狀態值，單列n個電池模塊荷電狀態值和電池組內L×n個電池模塊荷電狀態值的總體方差均小于這3個設定值時，則同時停止電池組級均衡策略，此時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驗評價

對于具有30 個電池單體（串聯式電氣連接）的液流電池模塊，在需要對其進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測器配合使用，實現一對一的電池單體狀態監測功能。這里選用ADI公司提供的LTC6812-1芯片作為多節電池的監測器，可同時測量15 個串聯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電化學儲能的應用場景。上述芯片在該情景下的一種應用電路為兩個LTC6812-1芯片之間通過雙線隔離式串行總線（isoSPI）連接，可同時監控和管理電池模塊中的30個電池單體，并通過雙線隔離式通信接口芯片LTC6820將電池單體的狀態信息發送至微處理單元，詳見圖2。另外，LTC6812-1 芯片具有對所監控電池單元進行被動均衡的功能，通過單獨的PWM占空比來控制。主動均衡控制后的電池模塊經過合理的物理和電氣串并聯連接，并配合適用于更大規模的均衡控制策略，可自下而上地組成滿足大容量、高電壓要求，更具安全穩定性的液流電池儲能系統。

圖2 串聯式液流電池單體的主動均衡控制架構

在實驗階段，通過將上述30個電池單體組成的電池模塊（5個）進行一定的物理和電氣連接所組成的液流電池儲能系統，詳見圖3；配合上述適用于更大規模儲能系統的均衡策略，來完成一段時間內的充放電循環實驗，從而對各電池模塊的荷電狀態變化的一致性進行評價。圖4為一段時間內該儲能系統中各電池模塊的工作電壓狀態變化和荷電狀態變化情況。由此可見，上述控制策略在該儲能系統充放電循環中具有一定效果，系統內各電池模塊的荷電狀態的標準偏差在可接受范圍內，起到了均衡的作用。

圖4 均衡控制策略下儲能系統中各電池模塊的工作電壓狀態變化圖和荷電狀態圖

4 結語

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構形式，將大型液流電池儲能系統的均衡布置方案與對應的電池管理系統架構聯系起來，并探討了在此架構下實施均衡布置、均衡控制策略和架構的液流電池均衡控制技術，對于大容量、高電壓的液流電池儲能系統的合理規劃和應用實施具有一定的借鑒意義。在我國力爭全面實現碳達峰和碳中和的大背景下，液流電池儲能系統必將得到更加廣泛、更大規模的應用，其中對兆瓦級（以上）液流儲能系統的規模化、工程化、商業化將是這一應用的必由之路。希望本文中涉及的液流電池均衡技術能為該領域的應用提供長期有效的技術支持，當然這一技術也是不斷發展和推陳出新的。