[发明专利]一种考虑水分子迁移的全钒液流电池容量衰减建模方法

说明书

本发明公开了一种考虑水分子迁移的全钒液流电池容量衰减建模方法，包括步骤：1、对模型提出假设；2、基于质量守恒，建立电堆和储液罐中钒离子浓度动态模型；3、建立电堆和储液罐中质子浓度动态模型；4、分析全钒液流电池电解液体积变化因素，考虑水分子迁移，利用范托夫公式、Schlogl方程和液压差公式来描述水分子迁移过程，基于质量守恒，建立电解液体积动态模型；5、建立反应物浓度和电池容量的关系式。本发明综合考虑了全钒液流电池储能系统在运行时，水分子迁移、电解液流速、离子互串、主、副反应、旁路电流，以及体积变化对电池容量的影响，能够实现对电池容量的估算，可以监控电池的容量衰减情况，保障全钒液流电池的长期稳定运行。

技术领域

本发明涉及电力系统电池建模技术领域，具体地指一种考虑水分子迁移的全钒液流电池容量衰减建模方法，提出了一种适合于电网储能系统仿真的容量衰减模型。

背景技术

全钒液流电池是一种典型的电化学储能系统，能够与可再生能源相结合实现电能的存储和分配，弥补可再生能源发电存在的随机性、间歇性短板，保障电力系统安全、稳定和经济运行。与此同时，由于全钒液流电池储能系统具有模块化、效率高、成本低等特点，已成为电网应用中最有前途的大规模储能技术之一。与传统电池相比，全钒液流电池将电能转化为化学能，储存在两个电解液罐中，只需调节电解液的体积即可改变电池的容量。虽然全钒液流电池在长期运行中会因离子互串现象而导致容量衰减，但只要定期将正、负极电解液进行混合，其容量就可以恢复。所以与其它类型的储能系统相比，全钒液流电池储能系统具有更长的循环寿命。此外，全钒液流电池对环境的影响要小于传统的铅酸电池。由于这些优异的性能，近年来全钒液流电池在大型储能系统中得到了越来越广泛的应用。

质子交换膜应能阻止钒离子、水分子通过，而允许质子自由通过，以保证电解液的电中性。然而，所有质子交换膜都无法保证100％的选择性。在电池运行过程中，由于正、负极电解液之间的浓度差，钒离子和水分子也会通过质子交换膜，从而导致电池容量衰减，同时造成正、负极电解液体积失衡，影响电池长期稳定运行。然而，现有的全钒液流电池容量衰减模型不够完善。一部分模型忽略了电解液体积的变化；一部分模型将电堆和储液罐视为整体，未考虑流速的影响；还有一部分模型未考虑到质子和水分子的迁移。在目前的研究中，文献(《全钒液流电池开路电压模型》)通过分析全钒液流电池开路时自放电过程，依据菲克定律建立了开路电压模型；文献(《全钒液流电池储能系统仿真建模及其应用研究》)建立了一种考虑离子扩散作用的等效电路模型；文献(《全钒液流电池充电/放电过程模型》)所建立的模型能够描述钒离子跨膜迁移对电池运行产生的影响，反映离子浓度的变化。但是上述模型均忽略了流速的作用，未考虑质子、水分子的迁移，以及电解液体积的变化、旁路电路的作用。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的不足之处，本发明提出一种考虑水分子迁移的全钒液流电池容量衰减建模方法，该方法不仅考虑了流速、旁路电流、离子互串和电解液体积变化对电池容量的影响，还考虑到了水分子迁移的作用，并对全钒液流电池容量衰减过程进行动态建模，依据质量守恒和电荷守恒提出了考虑水分子迁移的容量衰减模型，通过该技术方法既可以对全钒液流电池的容量进行估算，监控其容量衰减情况及健康状态，又可以为缓解电池容量衰减提出运行优化策略提供指导。

为达到上述目的，本发明提及的一种考虑水分子迁移的全钒液流电池容量衰减建模方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：对模型提出假设：

(i)系统的几何形状是对称的，正、负极两边的电堆/储液罐容积相等；

(ii)化学反应速率远大于钒离子的扩散速率；

(iii)电堆电解液中钒离子浓度梯度沿出口方向呈线性分布；

(iv)由于电堆体积保持不变，假设电解液体积的变化直接发生在正、负极储液罐之间；

(v)不考虑水分子迁移对电解液密度的影响，假设正、负极电解液的密度保持恒定；