一种采用高压直流串联堆栈的400千瓦钒氧化还原液流电池系统的性能评估：实验与建模分析

《Journal of Power Sources》：Performance evaluation of a 400 kW vanadium redox flow battery system incorporating high-voltage direct-current series connected stacks: Experimental and modeling insights

本研究针对高串联钒流电池系统漏电流问题，设计并验证了聚氯乙烯软管抑制剂的有效性，通过仿真与实验数据对比，发现抑制剂可将漏电流降低80%，并揭示电池堆与集管区域为主要损失节点，为提升高电压VRFB系统效率提供设计指导。

　　

罗恩·科（Ron Koh）| 阿尔琼·巴塔拉伊（Arjun Bhattarai）| 阿维谢克·库马尔（Avishek Kumar）| 普尔纳·昌德拉·吉米雷（Purna Chandra Ghimire）| 拉维·兰詹（Ravi Ranjan）| 阿洛克·萨胡（Alok Sahu）| 姚伟杰（Weijie Yong）| 阿努拉格·夏尔马（Anurag Sharma）| 卡利德·阿比迪（Khalid Abidi）| 钟俊杰（Junjie Chong）

Vflowtech公司，8 Cleantech Loop，#06-62，637145，新加坡

摘要

钒氧化还原液流电池（VRFB）由于其功率-能量解耦配置、长使用寿命以及本质上安全的水基电解质系统，被设计用于电网规模的能量存储。在这项研究中，评估了一个由558个串联电池组成的400千瓦/1600千瓦时的VRFB。这种高度串联的配置提供了大约850伏的直接堆栈输出。然而，大多数公开可用的研究并未分析具有多个共享电解质路径的高度串联系统，这些路径可能会产生较大的分流电流，从而降低库仑效率。在这项工作中，分析了有无分流电流抑制器的情况下的高度串联系统，以分析其在减少高度串联VRFB系统中的分流电流方面的有效性。

使用400千瓦系统的运行数据验证的仿真结果表明，抑制器可以将分流电流的大小（A$?$cell^?1）减少约80%，并将充电分流电流与电池电流的比率从2%降低到0.5%。损耗分布分析表明，电池-歧管路径约占总分流电流损耗的63%，这确定了电池-歧管区域是进一步优化抑制器的主要目标。我们的发现为提高高压VRFB架构的效率和可扩展性提供了设计指导。

引言

可再生能源发电的扩展，包括太阳能、风能和波浪能，给电力供应带来了显著的不确定性。为了确保电网稳定，这些可变能源必须与大规模的能量存储系统相结合[1]。

全钒氧化还原液流电池（VRFB）最早由Skyllas-Kazacos及其同事在1988年展示[2]，它具有功率-能量解耦配置、长使用寿命，并且能够在不发生跨物种污染的情况下重新平衡电解质。由于只有钒离子参与氧化还原反应，因此与离子交叉相关的容量衰减可以通过电解质重新平衡来纠正[3]。

然而，使用导电电解质和共享的液压分配路径会在电池之间产生离子传导路径，从而形成分流电流，降低库仑效率。如图1所示，这些电流源于电连接电池之间的电位差，导致电池间自放电[4]、局部加热和可测量的效率损失[5]。随着电解质网络的扩展[6]，[7]，分流电流的幅度和空间范围增加，使得分流电流成为高度串联VRFB系统的一个基本限制。

在实际的电网规模部署中，通常通过多堆并联来增加功率，其中几个中压堆通过平行的液压线路共享公共电解质储液池，同时在电气上串联连接。这种模块化架构限制了液压互连长度，从而限制了堆间的分流电流路径，尽管单个堆内仍然存在分流电流。这种配置被用于商业安装中，包括住友电气（Sumitomo Electric）开发的系统[8]。

本文提出的另一种架构采用了更多数量较短的堆，这些堆在电气上串联连接，电解质通道则并行排列。通过减少每个堆中的电池数量，缩短了堆内的共享电解质路径，允许在堆间连接处放置分流电流抑制器，以抑制堆间传导并降低整体分流电流的幅度。

大多数关于钒氧化还原液流电池（VRFB）中分流电流的研究都集中在实验室和试点规模的系统上，通常功率低于10-50千瓦，如表5所示，这些系统的电解质分配网络相对紧凑，分流电流路径有限。相比之下，商业规模的VRFB系统必然包含扩展的歧管、更长的管道和多个共享的电解质互连，从而产生了额外的系统级分流电流路径，这些路径无法通过小规模实验或简化模型可靠地捕捉或推断。因此，高度串联的商业VRFB系统中分流电流的幅度、空间分布和运行影响仍然知之甚少。

文献和专利中提出了各种分流电流缓解策略，包括主动和被动方法[9]，[10]，[11]。主动策略通常依赖于额外的控制硬件或电驱动元件，而被动方法通过几何修改电解质路径来增加离子电阻。尽管这些方法可以减少分流电流，但它们也可能引入额外的系统复杂性、制造成本或维护要求，可能限制它们在大规模、长期运行的VRFB部署中的适用性。在这项研究中，采用了一种基于螺旋聚氯乙烯（PVC）管的被动分流电流抑制器来增加共享电解质路径中的离子电阻。该设计简单、易于制造，不需要主动控制或维护，非常适合商业规模的应用。然而，其有效性尚未在大型、高度串联的VRFB系统的实际运行条件下进行评估。

因此，本研究对一个商业部署的400千瓦/1600千瓦时VRFB系统进行了实验和建模研究，该系统由558个电池串联连接组成。通过使用经过实验验证的电学等效模型，在操作系统安装分流电流抑制器之前和之后分析了分流电流的分布，从而量化了分流电流缓解的效果。据作者所知，这是首次在数百千瓦级的VRFB系统中进行系统规模的分流电流缓解实验演示，为高压液流电池系统中的分流电流控制和可扩展性提供了实际见解。

部分摘录

模型开发

本节介绍了本研究中使用的模型。首先概述了全钒氧化还原液流电池系统的运行原理，然后通过示意图和EEC（电气工程规范）展示了400千瓦全钒氧化还原液流电池的模型。最后描述了模型背后的数学公式和假设。

实验

分析VRFB系统需要实时的运行数据。如图4所示，电压、电流和温度由电池管理系统（BMS）记录，并通过Modbus TCP/IP通信通过客户端接口检索。收集的数据经过预处理以确保一致性，效率指标在论文后面详细计算。

然后使用处理后的数据构建了一个系统级仿真模型，并根据实验结果进行了验证

实验结果和模型验证

图5和表1显示了558电池系统的两个完整的充放电循环，其中（$\mathrm{SoC}$）在充电时从0%增加到100%，在放电时从100%减少到0%。充放电由电解质$\mathrm{SoC}$控制；一旦$\mathrm{SoC}$达到预定义的上限或下限，系统将在充电、放电或待机模式之间切换。$\mathrm{SoC}$是通过OCV参考电池确定的，该电池测量一个小电池的开路电位

模型结果和讨论

本节之后的讨论集中在EEC仿真上。该模型代表了两个并行组，每组由558个电池串联组成。然而，由于两组显示出对称的电压和电流分布，因此只展示了一组进行详细分析。

详细的EEC分析在充电和放电时都在（$\mathrm{SoC}$为50%的进行，如图S6中的红色标记所示。选择这个操作点是因为它是常用的

结论

本研究对一个由558个串联电池组成的400千瓦/1600千瓦时钒氧化还原液流电池（VRFB）系统进行了结合实验和建模的研究，分析了有无分流电流抑制器的情况。经过验证的EEC模型表明，引入分流电流抑制器可以将各个组件之间的分流电流变化率降低约60%-80%。由于正电解质的离子导电性本来就较高，因此……

未来发展

未来的工作将把模型扩展到一个包含电解质流动、离子传输、库仑计数和物种平衡的耦合多物理框架中。这将能够准确预测电池电位、库仑损失和容量跟踪，从而更严格地评估模型的分流电流行为、效率和可扩展性到兆瓦级系统。

抑制器引入的液压损耗以及电解质离子导电性的差异强调了……

CRediT作者贡献声明

罗恩·科（Ron Koh）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、调查、正式分析、数据整理、概念化。阿尔琼·巴塔拉伊（Arjun Bhattarai）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念化。阿维谢克·库马尔（Avishek Kumar）：资源管理。普尔纳·昌德拉·吉米雷（Purna Chandra Ghimire）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理。拉维·兰詹（Ravi Ranjan）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、概念化。阿洛克·萨胡（Alok Sahu）：方法论、调查。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：罗恩·科（Ron Koh）报告称从Vflowtech获得了财务支持、行政支持和写作协助。阿尔琼·巴塔拉伊（Arjun Bhattarai）与Vflowtech有雇佣关系。普尔纳·昌德拉·吉米雷（Purna Chandra Ghimire）与Vflowtech有雇佣关系。拉维·兰詹（Ravi Ranjan）与Vflowtech有雇佣关系。

致谢

作者感谢经济发展委员会工业研究生计划（EDB-IPP）和VFlowTech对这项研究的资助。