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郑涛;桂少婷;李鑫;盛婷婷;魏达
【摘 要】针对全钒液流电池组因单体电池性能差异导致的在充放电过程中消灭的过充过放等不良现象,(SOC)进展在线估量,以此为依据对钒电池组进展均衡. 通过能量转移均衡电路, MOS 管的开关状态和频率,使得单个电池 SOC 值与四个电池的 PSOC 值靠近. 仿真试验数据证明该方法改善了钒电池电性能差异问题.%According to overcharge and overdischarge and other undesirable phenomena in the charging and discharging process for all vanadium redox flow battery caused by performance difference of the cells,a simple and efficient equalization control scheme was proposed for all vanadium redox flow filtering method was used for the online estimation of battery state of charge (SOC),providing a basis for vanadium battery was used for the equalization of four batteries based on energy transfer equalization energy transfer equalization circuit adjusted switch state and frequency of the MOS to make the SOC value of the cells approach the PSOC value of four simulation experiment verifies that the design improves the performance consistency of vanadium battery.
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2025(042)001
【总页数】3 页(P81-83)
【关键词】全钒液流电池;SOC;卡尔曼滤波;飞渡电容法;超级电容;Matlab 仿真
【作 者】郑涛;桂少婷;李鑫;盛婷婷;魏达
【作者单位】合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院, 安徽合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009
【正文语种】中 文
【中图分类】TM911
全钒液流电池〔VRB〕是一种型的高效化学液体储能装置，在各种储能领域〔如风力发电〕及供配电方面有很大经济市场[1－3]。全钒液流电池组在生产时单体之间存在内部构造差异，电池在充放电过程中存在着单体电池电压不均衡现象，导致电池的过充过放，这样随着充放电循环次数增加，严峻地影响了电池的容量和使用寿命。电池之间能量的均衡，是保证电池长期有效运行的关键技术。
储能装置能量均衡电路有转移型和消耗型。转移型均衡电路是通过电容等器件作为媒介在电能凹凸储能装置之间转移能量。通过超级电容的飞度电容法[4]转移型均衡电路是电池均衡争论的热门。该法能在任意储能装置直接转移能量，速度快且不消耗能量[5]。消耗型均衡电路是通过支路消耗掉高储能装置高于低储能装置的能量，它的电路设计简洁，但能量消耗会产生热量需参加散热装置。
本文在全钒液流电池组均衡中，以 SOC 为均衡依据，用卡尔曼滤波法对 SOC 进展在线估量，承受飞渡电容法均衡策略，以超级电容器为储能元件[6]，通过不断
切换电池组与储能元件之间的 MOS 管通断，及转变 MOS 管的频率，在电池间转
移能量来到达均衡效果。最终通过 Matlab 仿真试验验证，此均衡设计有效地提高了钒电池的全都性。
电池荷电状态〔SOC〕估量
通常电池的电压、电池的温度、单体电池电压差、电池的 SOC 等作为电池均衡的依据。然而全钒液流电池的端电压受全钒液流电池的隔膜、电极、内部变电阻等因素的影响，不能正确的表达电池的能量状态。而电解液温度也受诸多因素干扰，也无法反映电池的能量状态。相比之下，用全钒液流电池的 SOC 作为钒电池组的均衡依据是比较有效科学的一种方法。而钒电池的 SOC 无法直接测量，只能通过其他方法进展间接地估量计算。
通常估量电池的 SOC 方法有化学测量法、电压测量法、安时积分法[7]。化学测量方法适用于对电解质浓度进展测量，依据电解质浓度的大小来估量电池的 SOC， 全钒液流电池用此法可以估算 SOC，但是由于电解质浓度需要周密仪器测量，应用场合小，误差大，目前使用不多。电压法通过测量电池电压，然后利用电池放电曲线来估算 SOC，而全钒液流电池的端电压无法正确反映电池的能量状态，此法本文临时不作考虑。电流积分法通过实时电流的积分来估算 SOC 值，由于电流测量会有偏差，而积分法会导致偏差越来越大，测量的 SOC 误差会有积存效应[7]。为了提高全钒液流电池 SOC 的估算精度，可结合电压法和安时积分法，通过卡尔曼滤波器提高估算的准确度。卡尔曼滤波器为安时积分法供给了负反响机制，消退了积分带来的累计偏差。同时依据电压法得到一个初始的粗糙 SOC 估量值。
全钒液流电池的 SOC 建模
全钒液流电池是一种化学电池，电池的正负极由离子交换膜隔开，电解液由金属钒的不同价态的离子组成。氧化复原电对间的电势差为发生氧化复原反响供给了驱动力[8]，促使电池完成充放电。此外正极和负极的液泵使得电液在储液罐和电堆之
间不断循环，不同价态钒离子在电极外表充分地发生氧化复原反响完成充放电过程。
图 1 为全钒液流电池工作原理。
图 1 全钒液流电池工作原理
全钒液流电池的电气模型有很多种，为了能够反映出全钒液流电池的动态响应特性和所建模型充放电曲线与实际电池充放电曲线相吻合。本文依据文献[8]中对全钒液流电池电气模型进展的争论和比较。最终选择如图 2 中的电池电气模型，来进展仿真试验。图 2 中 Vb 表示钒电池的端电压，Ibat 表示电池的端电流，流入表 示为正。用受控电压源 Vst 来表示电堆的开路电压，Ist 表示流经电堆的电流，流入表示为正。Rfix 表示泵损及附加损耗等效电阻，Ipump 表示泵损电流。电容Celet 为电极之间的电容，用于模拟暂态过程。电池内部损耗等效电阻 Rreac 和Rresi 包括了各种等效阻抗[8]。
图 2 全钒液流电池电气模型
用 SOC 表示电池的荷电状态，即：
式中：Est 表示电池的剩余容量；Eaxp 为电池的满充容量；SOC 在充放电过程中是一个不断变化的量，由如下公式表示：
式〔3〕中：Tstep 表示仿真步长。ΔSOC 表示一个增量，Vst 是一个受控电压源， 由〔4〕表示。
本文所模拟的全钒液流电池堆由 39 节单体电池片串联组成。Ipump 在模型中表示泵损耗，相当于一个受控电流源，其由式〔5〕表示。
钒电池的均衡电路和掌握策略
本文对四个全钒液流电池组组成的储能系统进展均衡试验。通过平均 SOC 值法与
极值 SOC 法均衡仿真试验数据比照，证明飞度电容法均衡电路和平均 SOC 值掌握策略改善了钒电池电性能差异问题。图 3 是此次试验四个全钒液流电池的飞度电容均衡电路。
图 3 四个全钒液流电池的均衡电路
图 3 中 C 为超级电容，除 K6、K7 和 K8、K9 为 2 对互补的 MOS 管外，其它均为单个 MOS 管。不同的钒电池通过数字编号。为了保证充放电方向的正确性，和两个正确的凹凸电池之间转移能量，需要设置 MOS 管的开关和 MOS 管合理的开关频率及超级电容的充放电电流。图 4 是四个全钒液流电池平均值法的均衡掌握流程图。
图 4 四个钒电池的均衡掌握流程图假设 1 号电池的增量 SOC 为：
超级电容的充电电流 Ic1〔t〕由式〔7〕表示：
式中：1 号钒电池端电压为 Vb1〔t〕，MOS 管的周期是 t，R、C 分别表示超级电容的内阻和电容。Vc〔t〕表示超级电容的电压值。图 4 中超级电容的充电电流大小可以转变均衡速度，充电电流跟超级电容参数和 MOS 管参数有关。
试验仿真
试验仿真由 4 个容量为 5 kWh 的 VRB 组成，仿真里 SOC 值通过卡尔曼法在线估算 SOC 值。Simiulink 里的四个电池仿真模型 SOC 初始值分别是 20%、30%、40%、50%，以钒电池额定充电电流进展充电步伐 s，充电时长 200 min 的仿真试验。其中钒电池的根本参数如表 1。
表 1 充电仿真钒电池模型根本参数?
为了表现四个钒电池电性能差异，在建立的 simiulink 仿真模型里四个电池的阻抗
参数设置不一样。经过了 200 min 的额定电流充电仿真，得到图 5。由于没有经
过能量均衡，四个电池的电性能差异越来越大，四个钒电池的最大 SOC 差值由 30% 增加到 %。
此外，在同样的四个钒电池仿真模型和同样的仿真条件下做了电池均衡充电仿真实 验。本文将飞度电容法的电容参数设为 10 F，和 MOS 管开关的频率设为 10 Hz， 开关时间 1 比 1。此次试验数据是基于飞度电容法为均衡电路和平均法为均衡掌握策略，SOC 通过卡尔曼在线估算，图 6 是均衡后的电池 SOC 曲线。
从图 6 看出，在充电完毕时这四个电池的最大 SOC 差值由 30%降为 %，符合小于 5%的均衡目标。图 5 和图 6 的仿真试验数据比照，证明四个钒电池通过该均衡掌握方案很好地改善了钒电池的电池性能差异。
完毕语
本文针对钒电池电性能差异导致在充放电过程中消灭的过充过放等不良现象，提出了一种简洁高效的钒电池均衡掌握方案。承受卡尔曼滤波法对电池荷电状态
〔SOC〕进展在线估量，以此为依据对钒电池组进展均衡。通过能量转移均衡电路，用超级电容进展四个电池的均衡。能量转移均衡电路通过调整 MOS 管的开关
状态和频率，使用单个电池 SOC 值与四个电池的 PSOC 值靠近的 SOC 平均值法。仿真试验数据证明该方案改善了钒电池电性能差异问题，有肯定的实际应用价值。 图 5 四个全钒液流电池的充电 SOC 曲线
图 6 四个全钒液流电池的均衡充电 SOC 曲线参考文献：
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