[发明专利]一种基于电热耦合的全钒液流电池储能系统等效方法

摘要

本发明公开了一种基于电热耦合的全钒液流电池储能系统等效方法，包括步骤：1、根据二阶阻容网络对VRB的电气特性进行建模；2、利用粒子群算法进行参数辨识；3、分析在电池运行中各个模块的产热情况；4、分析VRB系统的传热过程；5、基于电热比拟原理，对传热路径进行等效；6、将步骤2和步骤5中得到的各个状态进行联立，得到完整的VRB储能系统电热耦合模型的状态空间方程。本发明综合考虑了VRB储能系统在运行时的电气特性和产热特性以及两者间的耦合关系，能够对电池的荷电状态、端电压和各部分温度状态进行准确地预测，有效保障VRB的安全稳定运行。

主权项

1.一种基于电热耦合的全钒液流电池储能系统等效方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤1：使用二阶阻容网络对全钒液流电池VRB的电气特性进行建模，并用式(1)—式(6)表示：U_ter＝E_ocv‑U_con‑U_act‑U_ohm  (1)U_ohm＝IR_ohm  (3)式(1)表示电池端电压的组成，U_ter为VRB的端电压；式(2)中描述了电池的荷电状态和开路电压的变化规律，其中，SOC为电池的荷电状态，即剩余电量；C_n表示电池的容量；i(t)为充放电电流，η为充放电效率；SOC₀为系统初始的荷电状态；E_ocv为电池电压源，代表了VRB电堆在不同SOC下的平衡电动势EMF，由能斯特方程导出；E₀表示标准电极电位；R表示摩尔气体常数；T表示当前温度；F表示法拉第常数，k₁、k₂表示为修正SOC不准确而添加的修正系数；式(3)中，U_ohm为欧姆过电势，代表了双极板、薄膜、电解质上的等效压降，R_ohm表示钒电池的等效内阻，代表了双极板、薄膜、电解质的等效电阻之和，I表示输入电流；式(4)中，U_act为活化过电势，在模型中用阻容网络等效表示，R_act和C_act分别为等效电阻和等效电容，t表示反应进行的时间，用于描述暂态过程；式(5)中，U_con为浓差过电势，在模型中用阻容网络等效表示，R_con和C_con分别为等效电阻和等效电容；式(6)中，R_sh//R_diff为自放电损耗电阻与旁路电流损耗电阻，由电解液的导电性与钒电池的流体管道设计决定，σ表示电解液的导电性，l表示电极长度，s表示电极宽度，R_a,c表示管道等效电阻；步骤2：依据实验数据，通过粒子群算法，对步骤1中等效电路方程的参数R_ohm、R_act、R_con、C_act和C_con进行辨识；步骤3：分析在电池运行中等效电阻产热、化学反应吸/放热、电堆中由传质粘度和摩擦造成的产热三种状态，并采用式(8)—式(11)所示的方程进行描述：P_Σ＝P_r+P_entro+P_flow  (8)式(8)表示电池中各个产热部分的组成，P_∑为电池总产热量，P_r为各等效电阻产热，P_entro表示化学反应吸/放热，P_flow为电堆中由传质粘度和摩擦造成的产热；式(9)表示当电流为变量时，各项电阻的产热，等式右侧第一项为自放电和旁路电流的产热，第二项为等效欧姆电阻、活化电阻和浓差电阻的产热，并包含了暂态过程，R_shunt、R_diff分别为旁路电流损耗电阻与自放电损耗电阻；式(10)表示化学反应吸/放热，其符号由充放电状态决定，E表示反应熵热；T_s为电堆内部电解液的温度；z表示反应中电子转移数，c表示离子浓度；式(11)表示由传质粘度和摩擦造成的产热，Q表示管道中传质的流量；Δp_total表示传质总的压力降；α为泵的效率，取决于泵的配置和运行条件；μ表示传质的粘度；l和S表示电极的长度和截面积；κ为电极的渗透率；步骤4：基于电热比拟原理，使用Cauer等效网络对VRB储能系统的传热路径进行等效；步骤5：将步骤2和步骤4中得到的结果进行联立，得到完整的VRB储能系统电热耦合模型的状态空间方程：U_ter＝h(x,u)  (16)式(15)中，x表示系统中的各个状态量，u表示系统的输入量；A为系统矩阵，B为输入矩阵；式(16)中，U_ter表示输出端电压。