[发明专利]一种全钒液流电池的复合建模仿真方法

权利要求书

1.一种全钒液流电池的复合建模仿真方法，其特征在于以下步骤：

步骤一，建立全钒液流电池VRB的等效电路模型，确定等效电路模型中需要动态更新的参数：电池堆的电动势V_s、过电势η、欧姆极化作用等效的电阻R_s，外部寄生电阻R_fix，正负极电极板的极间电容C_e；由动态更新的参数得到VRB输出的电压V_b：V_b＝V_s+η+I_bR_s，其中，V_b和I_b分别为VRB输出的电压和电流；

步骤二，在步骤一的基础上建立能够随VRB状态参数变化而更新的等效电路模型，定义为动态等效电路模型；

动态更新步骤一的电动势V_s，过电势η，确定所需的状态参数：各价态钒离子浓度C_i，电解液温度的变化T_s；同时还包括电解液的流量Q；

分析VRB状态变化的动态等效电路模型由输入输出量互相耦合的一系列子模块组成，具体包括：用于分析离子扩散损失的离子扩散分析模块、用于分析电解液温度变化的电解液温度分析模块、用于分析电解液流动而产生的机械损耗的流动损耗分析模块，用来更新等效电路中的V_s及过电势η；

实时更新步骤一的等效电路中的η和V_s后，得到VRB的动态输出的电压V_b；

步骤三，将步骤一等效电路模型和步骤二动态等效电路模型结合后，在Simulink中搭建VRB动态等效电路的仿真模型，设定相关参数，输入恒定的电流I_b，进行初步仿真，得出工作过程中电池电压V_b的范围，供后续设计系统外部电路时参考；

步骤四，设计外部电路，给出VRB外部电路的拓扑结构，确定电路输入电压V_dc、电流I_dc，输出给VRB的电压V_b、电流I_b之间的关系，组成基于VRB的具体系统；

令充电时电流方向为正，输入的能量为正值，放电时电流方向为负，输入的能量为负值，这里的正负号代表能量传递方向；而电压均为正值，不允许出现负值；

设外部电路的电压为V_dc，电流为I_dc，Buck电路的电力电子器件的脉冲占空比为D，缓冲电感为L，电阻为R，电池电压为V_b，电流为I_b，有如下关系成立：

V_b1＝DV_dc (22)

将公式(24)拉普拉斯变换可得：

根据步骤三中所仿真出的电压V_b范围，结合脉冲占空比为D，设定充电的电源V_dc的大小；

步骤五，结合动态等效电路模型，根据步骤三得出的工作过程中电压V_b的范围，并结合步骤四的外电路，确定外部输入的电压V_dc；将步骤二建立的VRB的动态等效电路模型和步骤四设计的VRB外部电路结构相结合，组成VRB系统模型，然后采用能量宏观表达法EMR构建该系统的EMR开环模型；

所述的VRB系统的EMR开环模型各个主要的模块的定义及功能如下：

1)能量始端：输出为外部电路的电压源V_dc，输入为外部电源侧的电流I_dc；能量终端：输入为VRB的充电的电流I_b，输出为VRB的输出电压V_b；

2)能量耦合模块：始端输入为V_dc，输出为I_dc；末端输出为通过变流器的电力电子器件的斩波作用得出的电压V_b1，输入为I_b；电力电子器件的脉冲占空比D为本模块的传递向量；

3)能量积累模块：表示对输入能量的内部积累；输入为V_b1以及V_b，输出为I_b；

步骤六，对步骤五中VRB系统的EMR开环模型的各个模块反转，即将输入输出的因果关系转置，得到VRB系统的EMR开环模型的控制通道，从而得到整个VRB系统的EMR闭环控制模型；对于EMR开环模型的反转，能量耦合模块可以直接反转，能量积累模块的反转需要采用PI控制器；

步骤七，根据实际VRB运行指标，制定运行方案及控制策略并融入控制通道；

对VRB进行两段式充电：

第一阶段，在充电过程中当荷电状态SOC＜0.95时采用恒流充电，电流大小为15A；

第二阶段，0.95＜SOC＜0.98时，采用恒定电压充电；为保证充电过程的电压电流曲线无突变，恒定电压给定值V_b^*为：当充电至SOC＝0.95时，充电电流为15A的充电电压V_b，瞬时采集该数值并保持至恒定电压充电过程结束；当SOC＞0.98时，停止充电；

在Simulink中，首先在步骤三VRB动态等效电路的仿真模型基础上进行扩展，搭建步骤五中VRB系统的EMR开环仿真模型的仿真模型；随后搭建步骤六中反转得到的控制通道的仿真模型，再搭建具体运行方案及控制策略的仿真模型，融入控制通道仿真模型，从而得到整个VRB系统的EMR闭环控制仿真模型；最后设置参数进行仿真验证，总结仿真结果，得出结论。