全釩液流電池這種儲(chǔ)能系統(tǒng)有兩種接口，一種是交流，就是交流互聯(lián)，還有一種是直流互聯(lián)，在交流互聯(lián)里面比較清楚的DC/AC的模型非常多，我們主要做的直流互聯(lián)怎么做，雙向直流分類非常多的，有隔離的、非隔離的，這個(gè)過(guò)程里面引起大家重視的就是隔離性的，對(duì)我們液流電池安全問(wèn)題非常重要，目前鋰電池很多DC/DC是非隔離的，安全的問(wèn)題、供電的問(wèn)題等等。

— —合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院院長(zhǎng)助理、副教授 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)副委員李鑫

8月8日，由華北電力大學(xué)、中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)主辦的“第一屆中國(guó)儲(chǔ)能學(xué)術(shù)論壇暨風(fēng)光儲(chǔ)創(chuàng)新技術(shù)大會(huì)”分論壇在北京召開(kāi)，北極星儲(chǔ)能網(wǎng)將對(duì)論壇進(jìn)行全程直播。在8日“電化學(xué)儲(chǔ)能”分論壇上，合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院院長(zhǎng)助理、副教授 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)副委員李鑫作“全釩液流電池的建模與控制”報(bào)告。

以下為發(fā)言實(shí)錄：

合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院院長(zhǎng)助理、副教授 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)副委員李鑫：為什么做數(shù)學(xué)建模？因?yàn)槿C液流電池已經(jīng)走向了商業(yè)化時(shí)代，功能化驗(yàn)證已經(jīng)完成了，液流電池使用過(guò)程中從鋰電池應(yīng)用里面出現(xiàn)了很多問(wèn)題，安全問(wèn)題，安全問(wèn)題到底是電池本質(zhì)的原因、還是接口的問(wèn)題、還是規(guī)則的問(wèn)題，是什么，不清楚，我們課題組想從模型提前對(duì)全釩液流電池商業(yè)化運(yùn)行找出安全的道路、高效的道路。

這是我的介紹，分六個(gè)部分：

首先看一下研究背景。

液流電池商業(yè)化的背景和市場(chǎng)大家都知道了，不用講了，比較熟悉，對(duì)比，剛才各位都講了。

首先看一下全釩液流電池的發(fā)展，為什么講發(fā)展？因?yàn)檫@里面我們會(huì)走向什么階段呢？第一個(gè)階段，液流電池的研發(fā)階段，就是起始階段，不是我們，第二個(gè)工程化過(guò)程，也不是我們，商業(yè)化開(kāi)發(fā)，第三個(gè)階段里面加拿大公司做了很好的示范，第四個(gè)階段的時(shí)候，在我們國(guó)內(nèi)功能的應(yīng)用應(yīng)該說(shuō)我們基本上是延續(xù)了他們的技術(shù)路線，到我們現(xiàn)在第五個(gè)階段，就是商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段，必須要解決一個(gè)問(wèn)題，原材料、結(jié)構(gòu)整個(gè)生產(chǎn)體系是我們國(guó)內(nèi)完全建立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)體系，這個(gè)時(shí)候就給我們帶來(lái)新的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題能不能在我們國(guó)內(nèi)得到解決就看我們能花多大的工夫。

從我們國(guó)家的政策來(lái)看，講的很清楚，就是它的商業(yè)化運(yùn)行，它不再是功能性驗(yàn)證，也不是可行性驗(yàn)證，而是商業(yè)化驗(yàn)證，也有說(shuō)我做了液流電池必須要有商業(yè)化價(jià)值，這是國(guó)家的一個(gè)著眼點(diǎn)。同時(shí)規(guī)模是什么呢？規(guī)模就是100兆瓦，當(dāng)然我們目前還沒(méi)有達(dá)到這個(gè)級(jí)別，10兆瓦級(jí)別，100兆瓦還沒(méi)有，真正的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)還沒(méi)有，怎么辦。

這個(gè)是液流電池的示范，目前市場(chǎng)上能查得到的基本上分這兩個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期基本上小功率的，2004—2006。后來(lái)到2012—2014這個(gè)時(shí)期，大規(guī)模的功能驗(yàn)證階段。目前為止商業(yè)化的還不多。

這種情況下液流電池有很多研究熱點(diǎn)，當(dāng)然可能將來(lái)會(huì)從材料到控制、到接口、到生產(chǎn)體系，它的研究熱點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)到這個(gè)地方。我們認(rèn)為它的研究熱點(diǎn)，第一個(gè)，怎么研究下一代高興能、低成本的液流電池，材料的生產(chǎn)體系出來(lái)，包括原材料的生產(chǎn)。另外一個(gè)，泵，為什么強(qiáng)調(diào)泵，工作過(guò)程里面泵的高效運(yùn)行，這里面是非常重要的東西，目前沒(méi)有很好的泵解決這個(gè)問(wèn)題。還有模擬仿真，如果說(shuō)我們真的建了100兆瓦、4小時(shí)的液流電池，意味著花15億到20億左右，那么大的液流電池里面，整個(gè)電解液系統(tǒng)、電堆系統(tǒng)、電控系統(tǒng)是不是可靠的，沒(méi)有人知道，這個(gè)時(shí)候需要一個(gè)仿真分析、計(jì)算。當(dāng)然最后是它的電極系統(tǒng)到底怎么做。

這是我們國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)讓我們的電池有很好的保駕護(hù)航的方法，我做了液流電池至少知道我是好的還是壞的，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都有。國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了很多很多的研發(fā)機(jī)構(gòu)，包括融科儲(chǔ)能、上海電氣、科學(xué)院武漢，包括清華大學(xué)、武漢理工等等，這里面還有沒(méi)列的，抱歉，肯定還有很多機(jī)構(gòu)在做這個(gè)事情。

液流電池的基本原理我們認(rèn)為，除了這個(gè)系統(tǒng)之外還有電池管理、還有DC/DC，還有管路、電解液罐，應(yīng)該是考慮一體化的去建模，怎么去控制。就像我們現(xiàn)在的電機(jī)一樣，我們生產(chǎn)電機(jī)，但是電機(jī)的控制和接口同樣重要，所以我們整體講。基于這個(gè)思路，我們對(duì)電池里面的結(jié)構(gòu)做了一個(gè)分析，第一種是我們電堆采用串并聯(lián)，罐體是兩個(gè)獨(dú)立的罐體，這是一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的建模比較復(fù)雜。第二種結(jié)構(gòu)是電堆和罐獨(dú)立的這種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)目前在用戶側(cè)比較多，在發(fā)電側(cè)它的大功率少一點(diǎn)，這兩種都需要。當(dāng)然從電池本身的材料來(lái)講它有包括電機(jī)、電解液、質(zhì)子交換膜、密封等等進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)然有很多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。例如面電阻，測(cè)試方法就是這個(gè)測(cè)試方法，顯然這個(gè)測(cè)試方法我們?cè)陔姵厣a(chǎn)完了之后是沒(méi)辦法測(cè)試的，這是一個(gè)很大的問(wèn)題，包括電化學(xué)交流阻抗，密封性、形變率這些怎么來(lái)做。在性能測(cè)試?yán)锩嫖覀儸F(xiàn)在講的都是離線的測(cè)試方法，這些離線的測(cè)試方法在我們的生產(chǎn)體系里面怎么體現(xiàn)，在我們電池的使用過(guò)程里面到底怎么體現(xiàn)，沒(méi)有人解決。

第三個(gè)，我們講電池的模型，一種是早期的電化學(xué)模型，到后邊的電路模型。下邊我們看一下第二種模型。這里面我列了很多文章，我們也做了大量細(xì)致的梳理工作，我們從電路的接口兩講有模型的看法，但是這個(gè)看法已經(jīng)現(xiàn)在已經(jīng)不能用了。另外一種考慮電流的損耗模型，還有考慮熱相關(guān)的電氣模型。我們認(rèn)為，應(yīng)該考慮到這三類，應(yīng)該考慮它的容量衰減包括支路的損耗包括電堆在一起的這種混合模型，在混合模型里面至少包括三個(gè)部分，第一個(gè)部分是這個(gè)部分，是它的流體力學(xué)，因?yàn)槿绻鄠€(gè)電堆并聯(lián)，電解液獨(dú)立的話，現(xiàn)在電池整個(gè)工作過(guò)程里邊流量是變化的，這種情況下流量的損耗、壓力的損耗、做工要發(fā)生作用。另外一個(gè)，電化學(xué)的模塊，這個(gè)電化學(xué)的模塊在電堆里面、在電解液里面，它的均勻的過(guò)程、它的離子濃度怎么去刻畫，另外就是它的電堆與外面的接口部分，這一步它的模型。

基于這三個(gè)部分的模型，第一個(gè)，等效的電路模型，這個(gè)模型應(yīng)該說(shuō)大家都比較熟悉了，包括這個(gè)是內(nèi)阻，這個(gè)是泵的電路。另外一個(gè)電化學(xué)模型，在電化學(xué)模型里面，電堆里面的動(dòng)態(tài)方程，罐體里的方程，這個(gè)方程很好看，但是怎么測(cè)，傳感器準(zhǔn)不準(zhǔn)，測(cè)的動(dòng)態(tài)性怎么樣，能不能反映實(shí)際情況，這些東西還需要做很多工作，我們做了很多工作，時(shí)間原因不再講了。

另外電堆的損耗，包括管路的損耗，因?yàn)槲覀児苈泛芏啵@個(gè)管路里面有閥門、有直通、有三通，各種回流閥、還有泵，電堆里面有導(dǎo)流槽，電堆里面有多孔介質(zhì)，這些阻力到底怎么做，這里面我們做了管道壓降、電堆壓降等等，管壓降我們通過(guò)硬件結(jié)構(gòu)做分析。

基于這個(gè)我們做了仿真，把參數(shù)放進(jìn)去做了一些仿真，目前我們?cè)谟蒙虾ｋ姎馑麄兊碾姸眩€有其他的一些東西，我們實(shí)測(cè)它的系統(tǒng)和我們實(shí)際仿真系統(tǒng)之間對(duì)比分析，到底這個(gè)差距在哪個(gè)地方。

這是我們得到的一些結(jié)果，例如在電堆里面，就是說(shuō)我工作的情況下電堆發(fā)電才能用，這個(gè)時(shí)候離子怎么變化、電壓怎么變化，得到一些參數(shù)。另外，我泵在傳輸?shù)臅r(shí)候，這是我恒電壓或者恒電流，在充電、放電，這個(gè)里面我們的恒壓和恒恒電的充放電到底怎么考慮的，來(lái)做一些實(shí)驗(yàn)。另外調(diào)整它的電流，這個(gè)時(shí)候它的電壓、里面的離子濃度怎么變的，通過(guò)這個(gè)我們得出結(jié)論，這個(gè)數(shù)學(xué)模型基本上反映里面的整體特征，有很多學(xué)者如果愿意做我們可以把這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)貢獻(xiàn)給他。

我們?cè)?千瓦的液流電池上進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了我們這個(gè)數(shù)學(xué)模型和它的物理模型之間的準(zhǔn)確性和可實(shí)用性，實(shí)用條件是什么，大家都說(shuō)仿真系統(tǒng)是不行的，我們看很多材料很好看，圖形很好看，但是我們知道這個(gè)材料里面很多仿真軟件是沒(méi)有的，我們國(guó)內(nèi)自己做自己的仿真軟件，當(dāng)然這也是一個(gè)很好的起始。

這個(gè)是SOC的估計(jì)，液流電池SOC的估計(jì)非常復(fù)雜，不單單是離子濃度的問(wèn)題，當(dāng)然我們通過(guò)離子濃度知道了它的理論值是什么樣的，但是我們發(fā)現(xiàn)它的SOC實(shí)際上和電堆的結(jié)構(gòu)、和你的有效的膜電極和你的快速性是有關(guān)系的，雖然我理論的SOC發(fā)不出來(lái)，有可能出現(xiàn)這種情況，所以SOC到底怎么做。在這個(gè)過(guò)程里面我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)SOC是一個(gè)多變量耦合的系統(tǒng)，不是簡(jiǎn)單的一個(gè)開(kāi)路電壓的問(wèn)題，所以這里面我們采用了兩個(gè)方法，第一步解決參數(shù)變時(shí)的問(wèn)題，因?yàn)樵谖覀兊囊毫麟姵乩锩妫诰€的測(cè)試這個(gè)參數(shù)，基于這個(gè)參數(shù)和模型在線的估計(jì)它可用的SOC是多少。

這是我們做的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)做的很苦，這個(gè)里面我們自己有BMS、電堆的循環(huán)泵，包括電解液這是我們說(shuō)最早的第一代電池，現(xiàn)在我們正在用上海電氣的電堆進(jìn)行測(cè)試，我們的模型和他們的模型之間的關(guān)系是什么關(guān)系。這是我們的一些參數(shù)，基本上我們說(shuō)，我們的模型和物理模型之間的誤差在2%左右，這是扣除了我們的傳感器誤差之后的部分。這是我們的模型驗(yàn)證，我在SOC值不確定的形成下怎么做，這個(gè)部分解決了SOC初始值不知道的情況下怎么做。有的同行可能問(wèn)SOC怎么會(huì)不知道，因?yàn)镾OC外部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的時(shí)候、它的溫度發(fā)生改變的時(shí)候，它的SOC初始值發(fā)生變化了，怎么辦。

我們做了一些比較，通過(guò)這個(gè)辦法，在它的初始值不準(zhǔn)的情況下快速抽檢到我的期望值，我們發(fā)表了下面的文章，可以查閱到。

另外一個(gè)部分，全釩液流電池接口的建模。全釩液流電池這種儲(chǔ)能系統(tǒng)有兩種接口，一種是交流，就是交流互聯(lián)，還有一種是直流互聯(lián)，在交流互聯(lián)里面比較清楚的DC/AC的模型非常多，我們主要做的直流互聯(lián)怎么做，雙向直流分類非常多的，有隔離的、非隔離的，這個(gè)過(guò)程里面引起大家重視的就是隔離性的，對(duì)我們液流電池安全問(wèn)題非常重要，目前鋰電池很多DC/DC是非隔離的，安全的問(wèn)題、供電的問(wèn)題等等，在大功率的全釩液流電池里面我們一貫推薦用隔離性的DC/DC。這是不隔離的DC/DC的建模，這是它的電路模型，我們通過(guò)分析得到了它的數(shù)學(xué)模型，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)學(xué)模型，我們把數(shù)學(xué)模型和電路模型對(duì)比分析，我們來(lái)看這種建模方法是不是好的。

第二個(gè)，這種模型就是全橋的電路，我們對(duì)它的狀況進(jìn)行分析，然后找出它的電路，最后得到它的方程。但是我們發(fā)現(xiàn)，普通的建模方法是不行的，必須在改進(jìn)的我狀態(tài)下去建模，我們得出它的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜。最后我們把這個(gè)數(shù)學(xué)模型和實(shí)際的電路模型對(duì)比，然后得到了它的差異性，我們后來(lái)發(fā)現(xiàn)，與變壓器內(nèi)阻的關(guān)系，當(dāng)然這個(gè)變壓器的內(nèi)阻是可以測(cè)定的。

在大多數(shù)情況下，我們往往使用全橋帶隔離性的，前面加上降壓和升壓的DC/DC，就是兩級(jí)的DC/DC，這個(gè)情況下怎么辦，進(jìn)行建模，得到等效的電路模型，然后數(shù)學(xué)模型，最后進(jìn)行模擬驗(yàn)證，把我的數(shù)學(xué)模型和他的電路模型進(jìn)行驗(yàn)證，后來(lái)發(fā)現(xiàn)有3%的誤差，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)兩個(gè)DC/DC并聯(lián)的時(shí)候有一個(gè)耦合的問(wèn)題。

后續(xù)我們說(shuō)研究這是一塊電池、這是一塊電池，這是直流母線，三端口的DC/DC，解決后面研究四端口DC/DC、六端口DC/DC，一個(gè)電池通過(guò)子耦合連多個(gè)系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)就非常安全，而且方便調(diào)度，這個(gè)值得研究，這個(gè)研究也是熱點(diǎn)之一。

另外一個(gè)，液流電池的控制。液流電池的控制我們分為三個(gè)層次，第一個(gè)層次就是本地的控制，就是液流電池本身的流速和泵的SOC和電流電壓之間的控制，這里面要有電池的充放電控制等等。第二個(gè)部分，液流電池的功率分配，多個(gè)電池串起來(lái)以后，通過(guò)DC/DC直流母線怎么調(diào)度。另外，通過(guò)電力系統(tǒng)對(duì)我的PCS調(diào)度。我們往往會(huì)把這三個(gè)層次變成兩個(gè)層次或者一個(gè)層次，實(shí)際上是是不妥的，有可能出現(xiàn)一個(gè)情況，同一個(gè)電網(wǎng)里面這個(gè)電池這個(gè)廠家生產(chǎn)的、那個(gè)電池是那個(gè)廠家生產(chǎn)的，這個(gè)時(shí)候模型是不一樣的。

這是我們的充放電設(shè)備，這是我們的控制，這是我們單體的充放電得到的一些結(jié)果。

這是液流電池系統(tǒng)協(xié)調(diào)數(shù)學(xué)模型，包括各種各樣的目標(biāo)函數(shù)，包括成本、損耗、SOC的一致性、約束條件，約束條件包括整體出力、單個(gè)處理、爬坡能力，爬坡能力就是調(diào)度性。評(píng)價(jià)指標(biāo)，怎么評(píng)價(jià)，我的充放電次數(shù)多少次，雖然我的液流電池次數(shù)非常多，但是也不能無(wú)限制使用，每次都是有成本的。這是液流電池的協(xié)調(diào)控制，我們?cè)谶@里面做了一些算法，我們?cè)?0個(gè)液流電池并聯(lián)運(yùn)行里面做了一個(gè)仿真，都有哪些算法，我們有一些算力，在我們實(shí)物仿真系統(tǒng)得到了驗(yàn)證。這是我們算的結(jié)果，這個(gè)圖表達(dá)不同的液流電池在不同階段被誰(shuí)調(diào)度了、為什么調(diào)度，這里看的很清楚。最后得到的結(jié)果，SOC不同的情況下，通過(guò)我的調(diào)度SOC是相同的，增長(zhǎng)成本是趨于一致的。

這是傳統(tǒng)的功率分配和我們的功率分配的差異，傳統(tǒng)的功率分配是這個(gè)差異，最后是這個(gè)差異，中間是不變的，我們通過(guò)那個(gè)方法可以是變化的。這個(gè)是策略的對(duì)比。

我們研究所做了大量的數(shù)學(xué)建模的工作，這個(gè)就是我們做的一些本體的建模、系統(tǒng)調(diào)度的建模，我們研究所也承擔(dān)了一些國(guó)家自然資金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)、工信部的一些項(xiàng)目，獲得了安徽省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)。這是我們的一些專利，發(fā)表了一些文章。這是我們研究所做的一些項(xiàng)目，這是我們實(shí)驗(yàn)室，在合肥建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，我可以通過(guò)遠(yuǎn)程把狀態(tài)拿來(lái)不斷的迭代，這是我們做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這是我們做的一些內(nèi)部的短路。當(dāng)然我們說(shuō)把算法做得很好，最后就是算法，我要把算法集成到BMS里面去，BMS很簡(jiǎn)單，確實(shí)很簡(jiǎn)單，但是BMS是我們單個(gè)液流電池電堆和管路系統(tǒng)的感知系統(tǒng)，如果說(shuō)它這個(gè)系統(tǒng)不全或者不及時(shí)，對(duì)于后面的控制是很危險(xiǎn)的，所以這塊還要花大工夫去做。

這是我們內(nèi)部的電路做切換，可以全部智能化的切換，這是我們做的驗(yàn)證平臺(tái)。這是我們現(xiàn)在正在花大力氣做的兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，有些電池是真實(shí)的，有些電池是模型，我們可以把這個(gè)電池放大，基于兆瓦級(jí)的液流電池，可以對(duì)它進(jìn)行分析。我們下一步想做百兆瓦級(jí)的液流電池的仿真平臺(tái)。

這是我們研究所的一些學(xué)生，有些已經(jīng)畢業(yè)了，有些在中心，他們前期做了非常多的工作。非常感謝大家，有不妥的地方多多批評(píng)。（以上內(nèi)容根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審核）