第3章 電池管理系統
目前，電池技術的發展使得電池安全性和效率性有所提高，電池儲能受地理環境因素影響較小，在儲能實際應用中，已經逐漸成為主要的儲能方式。由於電池儲能的飛速發展，因此需要配備相應的電池能量管理系統以提高電池的工作性能，本章具體以液流電池為主展開討論電池儲能管理系統基本的硬體、軟體設施和未來技術展望。電池儲能系統主要設備包含電池（能量儲存）、儲能變流器（PCS或DC/DC等功率變換器）、本地控制器、配電單位、預製艙及其他溫度、消防等輔助設備，並在本地控制器的統一管理下，獨立或接收外部能量管理系統（EMS）指令以完成能量調度與功率控制，實現安全、高效運行。
3.1 儲能關鍵設備
儲能系統一般由儲能電池、電池管理系統、逆變器等幾個主要部分組成，並通過升壓變壓器接入10kV 及以上電壓等級。儲能管理系統與電池管理系統、雙向變流器、上級調度系統通過高速的通訊協定以及通訊網路實現資訊互動與傳輸，從而實現對儲能系統的監測、運行控制以及能量管理。針對分散式儲能系統的不同應用場景以及需要，儲能監控系統基於儲能系統中電池、雙向變流器等配套設備的運行狀態，即時控制各儲能變流器的充放電功率並優化管理儲能電池系統充放電能量的過程，不僅可實現電池儲能系統在各種場景下的應用目標，還可實現電池系統的優化調度管理，有效減緩電池劣化，實現儲能系統高效、安全、可靠、經濟運行。
3.1.1 電池
3.1.1.1 電池的定義
電池，是指利用化學反應進行能量儲存的裝置，其通過電池殼內活性物質間的電極氧化還原反應，實現化學能與電能間的轉換，並以電壓/電流的形式向外部電路輸出電力。
3.1.1.2 電池的分類
與不可充電的一次電池相比，儲能領域使用的二次液流電池可多次循環充放電使用，主要包括全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等。正是由於電池充放電過程本質上是電化學反應過程，所以往往伴隨著發燒、結晶、析氣等現象的發生，影響了電池的壽命、效率。廣義上的電池是指多個單電池組成的電池堆（簡稱電堆），目的是獲得實際應用的電壓，相鄰單電池間用雙極板隔開，雙極板起串聯上下單電池和提供液體流路的作用。單電池是組成電池堆的基本單位。
每個電池單位主要由離子傳導膜、多孔電極、電極框、雙極板和端板組成。各部件之間以密封墊間隔密封，並通過螺桿和螺帽將所有部件緊固裝配為一體。電池運行時，電解液被泵入電池，流經多孔電極，在電極表面發生電化學反應，然後流回儲液罐，如此循環。
3.1.1.3 液流電池電池堆的組成
對於液流電池而言，電池堆是將不同的電池板疊加在一起，是液流電池儲能系統的核心部分。液流電池儲能系統的成本、功率、效率等性能都與電池堆有密不可分的關係。
電池堆是液流電池儲能系統的核心部件，電池堆由多組電池單位疊合而成，相鄰電池單位通過雙極板相連，即串聯裝配，每個電池堆配有一套電解液循環系統，電堆運行時各個單位的液相迴路並聯。
3.1.1.4 液流電池電堆的流道結構設計與優化
液流電池流道結構設計與優化是改善電池內部電解液流動性能、提高電堆功率密度和可靠性的重要途徑之一。傳統流道是在石墨板上設計並行、交指和蛇形等流道結構，有流道種類單一、石墨板成本高及機械性能差的缺點。為了克服上述缺點，設計了波紋狀並行、分離式蛇形、螺旋形等新型流道，在電極上構建流道、引入獨立的流道部件，環形與梯形等異型結構能夠有效地提高液流電池性能。採用機械雕刻加工等方式在平板狀的雙極板上刻蝕流道，根據流道中電解液的流動方式不同主要分為蛇形流道、並行流道和交指流道三類。這類流場是近期液流電池流場結構設計研究的焦點。
近年來，得益於數值模擬的發展，人們利用模擬研究可獲得各個物理量在電池內部的分布情況，從而闡明流場內部過程和流場結構對電池性能的影響機制，並據此指導流道結構的設計與優化。Ishitobi等通過構建2D穩態模型，研究了以碳紙作電極並採用交指流道時垂直於膜方向上的流動、質傳和反應過程。研究發現，由於碳紙的滲透率較低，電極中流速不夠均勻，從而形成低流速區，導致低質傳係數，進一步引起大的濃差極化。故在進行電極設計時，不僅需要提高反應活性，提高其滲透性對於降低電池極化亦很關鍵。Lee等利用3D多物理場耦合模型探究了蛇形流道的尺寸對電池性能的影響。研究發現，窄而密的流道可以實現電極中更高的電解液流速和活性物質濃度，且分布更均勻。
Li等通過結合三維CFD模型和三維多物理場耦合模型探究了採用具有不同寬度肋板的交指流道的電池性能發現，肋板寬度越大，電極中的流速越大，但泵耗也越大，從而使得基於泵耗的電壓效率先快速增大後趨於穩定。Ke等利用二維模型分析了入口條件對帶有蛇形流道的液流電池中的流動分布和電極介面滲通過程的影響。Al－Yasiri等通過模擬研究發現，在低流速和高電流密度運行時，蛇形流道深度對電池性能的影響最顯著，且淺流道的能量效率和系統效率最高，對應最佳流率也最小。
為了保證良好的電導性，常採用石墨板材料作為雙極板進行流道結構設計。石墨板不僅價格昂貴，而且在加工流道的過程中會破壞石墨板的機械性能，並引入鋒利的邊緣，這些邊緣在電池運行過程中易被正極電解液氧化腐蝕，不利於液流電池的長期穩定運行和工程放大。部分研究者提出在電極上加工流道，在保留雙極板上流道結構優勢的同時提高電堆運行的穩定性和系統的經濟性。在2014年，Mayrhuber等就曾報導利用二氧化碳雷射在碳紙上鑿孔製造電解液傳遞通道。並探究了鑿孔前後以及孔的大小和分布密度對電池性能的影響。研究顯示，鑿孔有利於增強質傳，從而提高電池的峰值功率密度和極限電流密度。
碳紙較薄，其提供的活性反應位點有限，在碳紙上設計流道的空間並不大，且以碳紙為電極時往往依賴於在雙極板上加工流道以實現電解液的充分流動，不利於降低系統成本，故液流電池中電極多為多孔碳氈或石墨氈。碳氈和石墨氈的厚度通常在1mm 以上，更便於進行流道設計和加工。Bhattarai等在多孔碳氈電極上設計了4種流道，分別是靠近集流體側的並行流道、交指流道、電極中部的圓形交指流道和電極中部的交叉流道，結果表明，在給定流速下，採用靠近雙極板側的並行流道壓降減小39％，但其充放電性能較差，與傳統並行流道類似，這主要是由於電解液難以滲入電極。而採用靠近雙極板側或電極中部的交指流道均有利於提高電解液在電極中分布的均勻性，促進活性表面積的充分利用，從而提高能量效率和電壓效率。
目前，電池技術的發展使得電池安全性和效率性有所提高，電池儲能受地理環境因素影響較小，在儲能實際應用中，已經逐漸成為主要的儲能方式。由於電池儲能的飛速發展，因此需要配備相應的電池能量管理系統以提高電池的工作性能，本章具體以液流電池為主展開討論電池儲能管理系統基本的硬體、軟體設施和未來技術展望。電池儲能系統主要設備包含電池（能量儲存）、儲能變流器（PCS或DC/DC等功率變換器）、本地控制器、配電單位、預製艙及其他溫度、消防等輔助設備，並在本地控制器的統一管理下，獨立或接收外部能量管理系統（EMS）指令以完成能量調度與功率控制，實現安全、高效運行。
3.1 儲能關鍵設備
儲能系統一般由儲能電池、電池管理系統、逆變器等幾個主要部分組成，並通過升壓變壓器接入10kV 及以上電壓等級。儲能管理系統與電池管理系統、雙向變流器、上級調度系統通過高速的通訊協定以及通訊網路實現資訊互動與傳輸，從而實現對儲能系統的監測、運行控制以及能量管理。針對分散式儲能系統的不同應用場景以及需要，儲能監控系統基於儲能系統中電池、雙向變流器等配套設備的運行狀態，即時控制各儲能變流器的充放電功率並優化管理儲能電池系統充放電能量的過程，不僅可實現電池儲能系統在各種場景下的應用目標，還可實現電池系統的優化調度管理，有效減緩電池劣化，實現儲能系統高效、安全、可靠、經濟運行。
3.1.1 電池
3.1.1.1 電池的定義
電池，是指利用化學反應進行能量儲存的裝置，其通過電池殼內活性物質間的電極氧化還原反應，實現化學能與電能間的轉換，並以電壓/電流的形式向外部電路輸出電力。
3.1.1.2 電池的分類
與不可充電的一次電池相比，儲能領域使用的二次液流電池可多次循環充放電使用，主要包括全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等。正是由於電池充放電過程本質上是電化學反應過程，所以往往伴隨著發燒、結晶、析氣等現象的發生，影響了電池的壽命、效率。廣義上的電池是指多個單電池組成的電池堆（簡稱電堆），目的是獲得實際應用的電壓，相鄰單電池間用雙極板隔開，雙極板起串聯上下單電池和提供液體流路的作用。單電池是組成電池堆的基本單位。
每個電池單位主要由離子傳導膜、多孔電極、電極框、雙極板和端板組成。各部件之間以密封墊間隔密封，並通過螺桿和螺帽將所有部件緊固裝配為一體。電池運行時，電解液被泵入電池，流經多孔電極，在電極表面發生電化學反應，然後流回儲液罐，如此循環。
3.1.1.3 液流電池電池堆的組成
對於液流電池而言，電池堆是將不同的電池板疊加在一起，是液流電池儲能系統的核心部分。液流電池儲能系統的成本、功率、效率等性能都與電池堆有密不可分的關係。
電池堆是液流電池儲能系統的核心部件，電池堆由多組電池單位疊合而成，相鄰電池單位通過雙極板相連，即串聯裝配，每個電池堆配有一套電解液循環系統，電堆運行時各個單位的液相迴路並聯。
3.1.1.4 液流電池電堆的流道結構設計與優化
液流電池流道結構設計與優化是改善電池內部電解液流動性能、提高電堆功率密度和可靠性的重要途徑之一。傳統流道是在石墨板上設計並行、交指和蛇形等流道結構，有流道種類單一、石墨板成本高及機械性能差的缺點。為了克服上述缺點，設計了波紋狀並行、分離式蛇形、螺旋形等新型流道，在電極上構建流道、引入獨立的流道部件，環形與梯形等異型結構能夠有效地提高液流電池性能。採用機械雕刻加工等方式在平板狀的雙極板上刻蝕流道，根據流道中電解液的流動方式不同主要分為蛇形流道、並行流道和交指流道三類。這類流場是近期液流電池流場結構設計研究的焦點。
近年來，得益於數值模擬的發展，人們利用模擬研究可獲得各個物理量在電池內部的分布情況，從而闡明流場內部過程和流場結構對電池性能的影響機制，並據此指導流道結構的設計與優化。Ishitobi等通過構建2D穩態模型，研究了以碳紙作電極並採用交指流道時垂直於膜方向上的流動、質傳和反應過程。研究發現，由於碳紙的滲透率較低，電極中流速不夠均勻，從而形成低流速區，導致低質傳係數，進一步引起大的濃差極化。故在進行電極設計時，不僅需要提高反應活性，提高其滲透性對於降低電池極化亦很關鍵。Lee等利用3D多物理場耦合模型探究了蛇形流道的尺寸對電池性能的影響。研究發現，窄而密的流道可以實現電極中更高的電解液流速和活性物質濃度，且分布更均勻。
Li等通過結合三維CFD模型和三維多物理場耦合模型探究了採用具有不同寬度肋板的交指流道的電池性能發現，肋板寬度越大，電極中的流速越大，但泵耗也越大，從而使得基於泵耗的電壓效率先快速增大後趨於穩定。Ke等利用二維模型分析了入口條件對帶有蛇形流道的液流電池中的流動分布和電極介面滲通過程的影響。Al－Yasiri等通過模擬研究發現，在低流速和高電流密度運行時，蛇形流道深度對電池性能的影響最顯著，且淺流道的能量效率和系統效率最高，對應最佳流率也最小。
為了保證良好的電導性，常採用石墨板材料作為雙極板進行流道結構設計。石墨板不僅價格昂貴，而且在加工流道的過程中會破壞石墨板的機械性能，並引入鋒利的邊緣，這些邊緣在電池運行過程中易被正極電解液氧化腐蝕，不利於液流電池的長期穩定運行和工程放大。部分研究者提出在電極上加工流道，在保留雙極板上流道結構優勢的同時提高電堆運行的穩定性和系統的經濟性。在2014年，Mayrhuber等就曾報導利用二氧化碳雷射在碳紙上鑿孔製造電解液傳遞通道。並探究了鑿孔前後以及孔的大小和分布密度對電池性能的影響。研究顯示，鑿孔有利於增強質傳，從而提高電池的峰值功率密度和極限電流密度。
碳紙較薄，其提供的活性反應位點有限，在碳紙上設計流道的空間並不大，且以碳紙為電極時往往依賴於在雙極板上加工流道以實現電解液的充分流動，不利於降低系統成本，故液流電池中電極多為多孔碳氈或石墨氈。碳氈和石墨氈的厚度通常在1mm 以上，更便於進行流道設計和加工。Bhattarai等在多孔碳氈電極上設計了4種流道，分別是靠近集流體側的並行流道、交指流道、電極中部的圓形交指流道和電極中部的交叉流道，結果表明，在給定流速下，採用靠近雙極板側的並行流道壓降減小39％，但其充放電性能較差，與傳統並行流道類似，這主要是由於電解液難以滲入電極。而採用靠近雙極板側或電極中部的交指流道均有利於提高電解液在電極中分布的均勻性，促進活性表面積的充分利用，從而提高能量效率和電壓效率。
