中国储能网讯：摘要：通过matlab/simulink仿真软件建立20kW等级钒电池系统压损模型，发现钒电池系统压损主要取决于电堆的碳毡孔隙率、管道直径、电解液流量；通过对自制的20kW等级钒电池系统进行性能测试，验证了系统仿真模型的可靠性；通过考察电解液流量对电堆性能影响，流量从30L/min增加到50L/min，钒电池能量效率从79.6%增长到82.4%，电解液输出能量从2300Wh提升到4080Wh，容量提高了77.4%，钒电池系统效率与泵功耗存在最佳效率点，当电解液流量为50L/min时，钒电池系统效率达到78.7%。

  风电、太阳能等新能源发电的快速发展并网，风电、光电的随机性、波动性特点势必导致电网的短时能量不平衡。开展储能技术进行电网调频变的愈加重要，钒液流电池作为一种新型电化学储能电池，具有功率、容量相互独立、设计灵活、相应速度快、安全性好、长寿命等优点，受到人们的广泛关注。与传统的电池技术不同，钒电池的功率等级和电能容量相互独立，电能容量与电解液浓度、体积相关，电池节数、电流密度则决定了钒电池的功率等级。电解液通过泵打入电堆，在电堆内部进行电化学反应，通过钒离子价态变化实现电能的存储、释放。钒电池的系统效率可由式（1）得出：

  研究表明：电解液循环泵作为钒电池的系统核心部件之一，泵的能量消耗占到整个钒电池系统能量的5%~14%，优化降低泵功耗是非常有意义的。

  本文通过Matlab/Simulink仿真软件，建立一套20 kW等级钒电池系统压损模型，为电堆系统、管道设计提供依据。并对自制的20 kW等级钒电池系统进行性能测试，验证系统仿真模型的可靠性，同时通过考察电解液流量对钒电池性能影响，进一步优化提升电池系统效率、电解液容量。

  1、系统压损计算

  1.1管道压力损失

  管道压力损失由电解液在外部管道内流动产生，可表示为：

  式中，ΔPpipe为沿程损失，ΔPform为管道局部损失。

  式中，ρ为电解液密度；ν为外部管道内电解液平均流速；λ为流动摩擦系数；L为外部管道长度；D为管道直径；f为局部损失系数，不同管道部件局部损失系数见表1。

  式中，μ为电解液动力黏度系数。

  式中，Dp表示水力直径；A为电解液的横截面积；s为电解液与管道接触的周长。摩擦系数λ的计算，首先通过雷诺系数Re值判断电解液在管道中是层流还是湍流，再根据式（7）计算得出。

  1.2电堆压力损失

  钒电池由N个平行的单体电池串联构成，每个单体电池由双极板、离子交换膜、碳毡多孔电极、液流框等部件组成。电堆中压力损失主要为碳毡电极的压力损失。其中，碳毡电极内部类似于多孔海绵结构，其压力损失ΔPfelt可采用达西方程计算：

  式中，l为电解液在碳毡电极中的流经长度，Qh-cell为单个电池碳毡表面电解液的流量；A为垂直于电解液流动方向的碳毡横截面积；κ为钒液流电池电极渗透率，可由Kozeny-Carman方程求得：

  式中，df为碳毡纤维的直径；K为Kozeny-Carman常数；ε为碳毡电极孔隙率。

  1.3钒电池性能和效率

  钒电池的性能参数主要包括库伦效率、电压效率、能量效率以及系统效率，其计算公式如下：

  1.4模型仿真

  本文通过Matlab/Simulink仿真软件对20 kW等级钒液流电池系统的压力损失进行仿真计算，整个系统压力损失主要分为Pstack电堆内部压损、Ppipe沿程损失、Pform局部损失三部分。其Simulink仿真模型如图1所示，仿真所用参数见表2。

  为验证仿真模型的有效性，将仿真结果与实际测试数据进行对比。实验充放电测试条件为：测试温度：25~30℃，电解液为1.7 mol/L V3.5++3.5mol/L的H2SO4水溶液；充放电电流：400A，充电截止电压：62V，放电截止电压：44V。电解液体积：正、负极电解液各125L。

  2、实验结果分析

  图2为simulink仿真与实验测试数据对比图。

  从图2可以看出：实测值比理论仿真值有所增加，但理论仿真值与实测数据具有相似的规律，随着流量的不断增大，系统压力损失ΔP也相应的呈线性增加。从30L/min流量到60L/min流量，对应ΔP压力损失增大了近1倍。

  图3为系统压损仿真图。

  从图3中得出，随着流量的逐步增大，管道压损和电堆压损也相应增大，而电堆压损在钒电池系统压力损失中占比近90%，这主要是由于电解液流经电堆碳毡，引起的压力损失。因此，降低碳毡压损是减少系统压损的关键。

  图4为碳毡孔隙率对系统压损的影响曲线图。

  从图4仿真结果：碳毡的孔隙率对电堆压力损失有很大影响。孔隙率越大，对应电堆压力损失越小。随着流量的不断增大，不同孔隙率的电堆压力损失差别愈加明显。影响碳毡孔隙率的因素主要有碳毡自身孔隙率以及碳毡压缩比两个方面，在实际碳毡选择、电堆设计中，尽管碳毡压缩会降低孔隙率，导致压损增加，但碳毡压缩也会减少电堆碳毡与膜、双极板的接触电阻，有利于减少电池极化电压。

  图5为管径对泵压损的影响曲线图。

  从图5得出，钒电池系统管径的选择，对系统压损有较大影响，管径越小，系统压损越大，这主要是管径越小，电解液流速越快，对应的管道内流动摩擦损失越大。管径在DN32~50范围时，电堆系统压损差别较小，但当管径减少到DN20~25时，电堆泵压损开始急剧增大。因此，本实验中优选DN32管径。

  图6为流量对钒电池性能影响的曲线图。

  从图6得出，随着电解液流量的不断增大，钒电池的电压效率、能量效率明显提升，流量从30L/min提升到50L/min，钒电池电压效率从80.9%提升到84.9%，能量效率从79.6%增长到82.4%，这主要是由于电解液流量增大，钒电池内部由于钒离子浓差极化引起的极化电压减小，电池自身极化内阻也相应减小，电压效率因此得以提升。而流量从50L/min增加到60L/min，钒电池能量效率维持在82.38%，电池能量效率，电压效率趋于平衡。说明当电解液流量达到50L/min后，钒电池的浓差极化已经相对趋于稳定。

  图7显示了不同电解液流量对电池容量的影响，相同截止电压（充电：62V，放电：44V）条件下，电解液流量增大，电池的储能容量不断增加。流量从30L/min提升到50L/min，钒电池的电压逐渐降低，电池极化电压减少，电解液容量从46Ah提升到75.2Ah，这说明提高电解液流量，可以有效提高电解液的储电容量。

  图8为不同电解液流量对电池效率、输出能量的影响。

  其进一步说明了不同电解液流量对电池效率输出能量的影响流量提高，电解液输出能量从30L/min对应的2300Wh提升到50L/min对应的4080Wh，容量提高了77.4%。电解液利用率达到大幅提升。尽管流量的提高有利于钒电池能量效率、电解液储电容量的提升，但流量提高同样会导致泵功耗的增加，流量从30L/min提升到50 L/min，钒电池的系统效率从77.7%提高到78.7%，说明此阶段电池的能量效率提升值大于泵功耗增加值；流量在50L/min时，系统效率开始出现拐点，随着流量继续增加，泵功耗值继续增大，而钒电池能量效率趋于平衡，所以钒电池系统效率开始加速下降。

  3、实验结论

  本实验通过搭建Simulink仿真模型，并通过对20 kW钒电池进行实验测试，得出以下结论：

  （1）钒电池系统压损主要取决于电堆的碳毡孔隙率、管道直径、电解液流量等。通过Simulink仿真，可以为前期工程管道设计，以及泵型选择提供理论依据；

  （2）工程实际运行中，电解液流量对钒电池性能、电解液容量影响很大，电解液流量增加，有利于钒电池性能提升，流量从30L/min增加到50L/min，钒电池能量效率从79.6%增长到82.4%。电解液输出能量从2300Wh提升到4080Wh，容量提高了77.4%。

  （3）钒电池系统效率与泵功耗存在最佳效率点，当电解液流量为50 L/min时，钒电池系统效率最佳，达到78.7%。