一種液流電池系統的自放電特性評價方法與流程
2024-01-29 09:19:15 6
本發明涉及屬於儲能電池領域，更具體涉及一種液流電池系統的自放電特性評價方法。
背景技術：
液流電池技術在安全性、效率和經濟性等方面取得顯著進展，產業化應用條件日趨成熟，成為適合用於大規模蓄電應用的儲能技術之一。
由於可再生能源發電的波動性和間歇性特徵，液流電池系統除了滿足需求的充放電狀態外，還存在輸出功率為零的熱備用狀態。液流電池的正負極活性物質分別存儲於電堆體外，當用於熱備用狀態時，要求液流系統的電泵開啟並保證正負極電解液始終處於循環流動狀態，隨時應對投切，但流經電堆內部的電解液通過離子交換膜發生離子滲透及化學反應而造成有效反應物濃度減小，以及支路電流損耗等，從而引起系統實際輸出能力降低。因此，需要針對存在熱備用應用場合的液流電池系統的自放電特性進行評價。
液流電池功率輸出和能量儲存部分相互獨立，容量取決於外部儲罐中電解液的容量和濃度，功率決定於電堆的數量，電解液在泵的作用下，由外部儲罐通過液路循環流過電堆，集成系統的特性將不再是單體電池特性的簡單線性疊加。申請號為201410240476.2的專利申請提供了一種液流電池系統的控制系統及其方法，通過控制各電堆組工作狀態，以使處於運行狀態的電堆組數量與所需電堆組數量相等的控制單元不必每個電堆都流入電解液，減小了電解液通過離子交換膜互竄遷移造成的自放電現象，該方法提出了一種減少自放電的方法，未明顯涉及不同容量等級自放電特性的評價方法。申請號 為cn201110319504.6的專利提供了一種評價磷酸鐵鋰電池自放電一致性的方法，通過在恆壓恆流下測量電池充電結束後的開路電壓和高溫擱置後的開路電壓，計算電池的電壓降，判斷電壓降在規格上限以內的電池自放電一致性好，該方法提出了一種磷酸鐵鋰電池自放電一致性的評價方法，能有效提高了磷酸鐵鋰電池成組的一致性，但未明顯涉及與液流電池系統、電堆、單體和反應面積等方面相關的不同容量等級自放電特性的評價方法。
本申請從實際應用所關注的重點性能出發，提出了一種液流電池系統的自放電特性評價方法。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種液流電池系統的自放電特性評價方法，能夠快速、準確、從液流電池系統的各個層次有針對性的評估自放電特性。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種液流電池系統的自放電特性評價方法，包括：
將液流電池系統放電至放電截止條件，然後再將其充電至充電截止條件，記錄充電容量qc；
在熱備用狀態下，所述液流電池系統運行在運行管理模式若干時間，記錄該運行時間tself_d；
將所述液流電池系統放電至截止條件，記錄電池剩餘容量qr；
計算並分析所述液流電池系統的特性參數，通過自放電評價指標進行評價。
所述評價指標包括液流電池系統的自放電率、電堆自放電率、單體自放 電率、單位面積自放電率和自放電係數。
所述自放電率通過下式確定：
自放電率＝(qc-qr)/tself_d。
所述電堆自放電率通過下式確定：
電堆自放電率＝(qc-qr)/(tself_d×nstack)
其中，nstack為電堆數量。
所述單體自放電率通過下式確定：
單體自放電率＝(qc-qr)/(tself_d×ncell)
其中，ncell為電池單體數量。
所述單位面積自放電率通過下式確定：
單位面積自放電率＝(qc-qr)/(tself_d×scell)
其中，scell為電池單體中離子膜的面積。
所述自放電係數通過下式確定：
自放電係數＝(qc-qr)/(tself_d×ps)
其中，ps為系統額定功率。
所述截止條件通過剩餘電量soc、電壓、電流和溫度中的一種或幾種確定。
運行管理模式為電網為液流電池系統輔機供電模式。
和最接近的現有技術比，本發明提供技術方案具有以下優異效果
1、本發明技術方案可定量的分析與系統、電堆、單體和反應面積等結 構相關的不同廠商、不同容量等級的液流電池的自放電特性；
2、本發明技術方案可用於系統規模擴展時，通過自放電性能的評價系統集成技術，易於工程人員操作和實現；
3、本發明技術方案能確定電池系統的實際輸出能力，有助於提高其輸出能力；
4、本發明技術方案使得液流電池在安全性、效率和經濟性有更好的進步。
附圖說明
圖1為本發明實施例的方法流程圖；
圖2為本發明實施例的1.25kw電堆自放電開路電壓曲線圖；
圖3為本發明實施例的10kw電堆自放電開路電壓曲線圖。
具體實施方式
下面結合實施例對發明作進一步的詳細說明。
實施例1：
本例的發明提供一種液流電池系統的自放電特性評價方法，對5kw和100kw液流電池開展自放電特性測試，液流電池規格見表1所示，充放電的截止條件vcell＝1～1.55v，或soc＝0～100％。5kw和100kw系統為相同材料，相同工藝和集成方式構建。測試條件：室溫25度；380v電源供電。
測試過程如圖1所示，包括：
步驟1、5kw、100kw液流電池放電至單體電池電壓vcell＝0.65v；
步驟2、充電至soc＝100％，記錄充電容量qc，包括安時容量和瓦時容量；
步驟3、在液流電池系統充放電功率為零的熱備用狀態，液流電池系統在電池為輔機系統供電的運行管理模式下運行一段時間，記錄運行時間tself_d，電池開路電壓(vocv)；
步驟4、單體電池電壓降至vcell＝0.65v，記錄電池剩餘容量qr。
步驟5、計算並分析液流電池系統的特性參數，通過自放電評價指標：系統自放電率、電堆自放電率、單體自放電率、單位面積自放電率和自放電係數進行評價。在測試過程前還需要啟動被測液流電池系統；熱備用狀態是液流電池系統充放電功率為零的運行狀態。
系統自放電率：系統自放電率＝(qc-qr)/tself_d
電堆自放電率：電堆自放電率＝(qc-qr)/(tself_d×nstack)其中：nstack為電堆數量。
單體自放電率：單體自放電率＝(qc-qr)/(tself_d×ncell)其中：ncell為電池單體數量。
單位面積自放電率：單位面積自放電率＝(qc-qr)/(tself_d×scell)其中：scell為電池單體中離子膜的面積。
自放電係數：自放電係數＝(qc-qr)/(tself_d×ps)其中：ps為系統額定功率。
1.25kw和10kw的電堆開路電壓(vocv)分別如圖2和圖3所示。測得實驗結果見表2所示。充電電量qc分別為3.5kwh和121.8kwh。運行時間tself_d分別為29.3h和52.5h。兩套系統自放電測試的起始條件相同，單體電池電壓vcell分別為0.628和0.659v，當單體電池電壓vcell降至0.65結束， 剩餘容量qr＝0。分別計算5kw、100kw液流電池的系統、電堆、單體和反應面積各級自放電率和自放電係數，如表3所示。
5kw、100kw液流電池系統自放電率分別為0.12kw和2.32kw，100kw系統自放電率是5kw系統自放電率的19.3倍，近似等於功率等級的倍數20倍。液流電池系統的功率取決於電堆的數量和大小，計算單電堆自放電率分別為30w/堆和232w/堆，其中5kw電池系統由4個1.25kw電堆構成，100kw電池系統由10個10kw電堆構成。10kw電堆的自放電率是1.25kw電堆自放電率的7.7倍，近似等於電堆功率等級的倍數8倍，可見液流電池的自放電與功率相關。
液流電池電堆功率取決於串聯的單體電池數量和反應面積大小，計算單體電池自放電率分別為5.8w/cell和2w/cell，單位面積自放電率分別為2.2mw//cm2和2.1mw//cm2，其中單體電池的膜面積分別約為900cm2和2800cm2，兩個不同功率、容量等級的液流電池的單位面積自放電率相同。
液流電池的自放電係數是與系統的功率、容量無關的一個無量綱的數值。可有效用於同一工藝體系下，不同功率和容量的液流電池系統的自放電率性能的評估。
表1
表2
表3
最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員儘管參照上述實施例應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，均在本發明的權利要求保護範圍之內。