全钒液流电池堆故障的检测方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010796672.3 (22)申请日 2020.08.10 (71)申请人 湖南钒谷新能源技术有限公司 地址 410007 湖南省长沙市雨花区环保中 路188号5#6#栋B102房 (72)发明人 邹涛史小虎 (74)专利代理机构 北京美智年华知识产权代理 事务所(普通合伙) 11846 代理人 汪永生 (51)Int.Cl. H01M 8/04664(2016.01) (54)发明名称 全钒液流电池堆故障的检测方法 (57)摘要 本发明提供一种全钒液流电池堆故障的检 测。

2、方法， 包括下面的步骤： S1)获得各单电池的实 时理论电压V理 论； S2)获得各单电池的实时实际电 压V实 际； S3)计算获得所述实时实际电压与实时理 论电压的电压差； S4)通过所述电压差的绝对值 是否大于预设值S， 判定单电池是否有故障。 本方 法借助参比电池， 得到电堆中各单电池的理论电 压与实际电压的电压差， 分析出单电池故障所在 位置和类型。 单电池故障诊断无需其他感应器， 也无需前期制定大量的标准曲线。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 111900441 A 2020.11.06 CN 111900441 A 1.一种全钒液流电池堆故障的检测方法， 包括下面的步骤。

3、： S1获得各单电池的实时理论电压V理 论； S2获得各单电池的实时实际电压V实 际； S3计算获得所述实时实际电压与实时理论电压的电压差V； S4通过所述电压差V的绝对值是否大于一预设值S， 判定单电池是否有故障。 2.根据权利要求1所述的方法， 其中， 步骤S4的判定方法如下： 充电状态中VS， 并且放电状态中V-S， 判断故障为堵塞； 充电状态中|V|S， 即无故障， 放电状态中V-S， 判断故障为电极腐蚀或单侧双 极板腐蚀； 充电状态中V-S， 放电状态中V-S， 判断故障为膜损坏； 对于两个相邻单电池， 其中一个在充电状态V-S， 放电状态V-S， 另外一个单电 池出现充电状态中VS。

4、， 放电状态中VS， 判断故障为中间双极板破损。 3.根据权利要求2所述的方法， 其中， 在步骤S1中， 通过下面的公式获得所述实时理论 电压： V理 论V参 比+I*R 式中： V参 比为参比电池的电压； I为单电池的电流， 充电时电流为正值， 放电时电流为负 值； R为单电池内阻。 4.根据权利要求3所述的方法， 其中单电池的内阻通过下面的公式获得： 其中， V参 比为参比电池电压， k1、 k2、 k3、 k4、 k5、 k6、 k7、 k8为拟合参数。 5.根据权利要求2所述的方法， 其中， 预设值S为0.02V。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111900441 A 2 全钒液流。

5、电池堆故障的检测方法 技术领域 0001 本发明涉及新能源技术领域， 特别涉及一种新能源电池的故障检测方法。 背景技术 0002 随着光伏发电、 风能发电等新兴能源规模的不断扩大， 为保证电能的的质量， 提高 能源的利用率， 必须配备相应的大规模储能系统。 电化学储能方式以成本低、 安装方便等特 点， 近年来得到广泛使用。 全钒液流电池储能系统作为近年来崛起的电化学储能技术的代 表， 具有容量和功率可单独设计， 安全性高， 使用寿命长等独特的优势， 成为规模化储能的 研究和应用热点。 近年来大型全钒液流电池储能系统不断投入建设及运营， 兆瓦级别甚至 百兆瓦级别的储能电站项目也开始实施， 使全钒。

6、液流电池储能系统得到更加广泛的应用。 0003 电堆是全钒液流电池电池储能系统的核心部件， 保证电堆能持续稳定的运行是最 关键的问题。 电堆经过长期使用后， 实际电压会超过或者低于设定值。 造成这种情况出现的 原因有很多， 主要有电堆内关键材料的性能下降， 电解液的析出， 隔膜的破损等。 目前的电 堆都采用封闭式设计， 从外部无法看出电堆运行状态， 只能通过系统充放电能量、 电流效 率、 能量效率等了解电堆基本情况。 在大型电堆中， 经常采用串联多个单电池的方式来提高 电堆电压， 单个电池出现异常， 在充放电数据中难以判断出具体原因， 也无法判断出现问题 的具体位置。 因此， 判断电堆中异常的。

7、单体， 确定单体出现问题的原因成为了电堆稳定运行 的重要因素。 电堆作为全钒液流电池储能系统的核心重要部件之一， 目前， 针对全钒液流电 池故障诊断的方法较少。 0004 CN111044914A中通过检测正极电解液储罐上层空间气体， 判断电池堆单节电池电 压升高的原因， 若检测到CO2和CO气体， 则证明正极被氧化， 若没有检测到， 则说明电池欧姆 内阻升高导致。 该方法需要多次充放电循环才能得到判断结论， 其诊断的故障类型似乎局 限于正极材料被氧化和电池内阻是否升高， 另外， 只能判断电堆中是否出现故障， 而无法判 断故障所在位置。 0005 CN 105242211A中通过制定充放电参数。

8、的特征标准曲线， 结合自有监控系统采集 参数数据， 判断采集数据偏离特征曲线的情况， 判断电池是否出现故障和类型。 故障类型包 括外漏、 内漏、 结晶、 堵塞、 失衡、 老化。 这种通过制定特征标准曲线的方法较为复杂， 测试过 程中工步的变化， 电流密度的变化以及容量的衰减， 均会导致充放电曲线严重偏低标准曲 线。 发明内容 0006 本发明的目的是提供一种全返液流电池堆的故障检测方法， 该方法通过单电池的 电压值就可以分析出故障类型， 方法简便， 不需拆解整个电池堆。 而且测试过程不需要多次 充放电循环， 在一次充放电循环既可以完成。 0007 根据本发明的全钒液流电池堆故障的检测方法， 包。

9、括下面的步骤： 0008 S1获得各单电池的实时理论电压V理论； 说明书 1/4 页 3 CN 111900441 A 3 0009 S2获得各单电池的实时实际电压V实际； 0010 S3计算获得所述实时实际电压与实时理论电压的电压差； 0011 S4通过所述电压差值的绝对值是否大于预设值S， 判定单电池是否有故障。 0012 具体而言， 步骤S4的判定方法如下： 0013 1)充电状态中VS， 并且放电状态中V-S， 判断故障为堵塞； 0014 2)充电状态中|V|S， 即无故障， 放电状态中V-S， 判断故障为电极腐蚀或 单侧双极板腐蚀； 0015 3)充电状态中V-S， 放电状态中V-S。

10、， 判断故障为膜损坏； 0016 4)相邻单电池同时出现充电状态中V-S， 放电状态中V-S， 判断故障为中 间双极板破损。 0017 本发明提供一种全钒液流电池单电池故障类型的判断方法， 以全钒液流电池单电 池采集系统数据作为基础， 通过与参比电池电压进行比较， 分析出单电池故障所在位置和 类型。 单电池故障诊断无需其他感应器， 也无需前期制定大量的标准曲线， 只需根据参比电 池确认单电池内阻， 通过公式计算实际电压与理论电压差距， 即可判断单电池材料故障。 附图说明 0018 图1示出在充电和放电状态下单电池内阻与参比电池电压关系； 0019 图2示出正常状态下的参比电池电压、 理论电压与。

11、实际电压； 0020 图3是实施例2中单电池隔膜破损时参比电池、 理论电压与实际电压对比； 0021 图4是实施例3中单电池出现流道堵塞时参比电池、 理论电压和实际电压对比。 具体实施方式 0022 根据本发明的基本构思之一， 将单电池在工作状态的实际电压与理论电压的电压 差V的大小， 作为判断电池堆中是否存在V故障的依据。 本发明通过电压差V可以分析 出堵塞、 电极活性变差、 膜破损、 双极板破损这四种故障。 0023 我们给V的绝对值设定一个预设值S， 单位是伏特(V)。 这个预设值S可以根据钒 电池的规格和质量要求而选定。 0024 当充电状态中， 出现电压差VS的情况， 并且放电状态中。

12、出现电压差V-S， 可以判断单电池内存在堵塞现象。 是由于单电池中存在流道堵塞时， 在充电过程中， 单电池 腔体内部流速变慢， 单电池内部活性物质反应得更加彻底， 单电池荷电状态比系统中荷电 状态高， 因此， 实际电压比理论电压高。 在放电过程中， 单电池腔体内部流速变慢， 单电池内 部活性物质也反应得更彻底， 单电池荷电状态比系统中荷电状态更低， 因此， 实际电压比理 论电压更低。 0025 充电状态中|V|S， 即无故障， 放电状态中V-S， 判断故障为电极或单侧双 极板腐蚀。 存在此种故障时， 单电池充电状态电压与理论电压基本相同， 在放电状态时， 实 际电压下降速度较快， 放电后期实际。

13、电压远小于理论电压。 0026 如果某一个单电池出现充电状态中V-S， 放电状态中V-S， 判断故障为膜 损坏。 由于单电池中存在隔膜破损， 在充放电过程中， 正极活性离子V5+和负极活性离子V2+ 通过隔膜破损处进行反应， 导致充放电过程中， 单电池内荷电状态比系统中荷电状态低， 因 说明书 2/4 页 4 CN 111900441 A 4 此实际电压比理论电压低。 0027 对于两个相邻单电池中而言， 如果其中一个单电池在充电状态中V-S， 放电状 态中V-S， 另外一个单电池出现充电状态中VS， 放电状态中VS， 此种故障可判 断为相邻单电池中间双极板破损。 这是由于双极板破损对两侧的单。

14、电池电压都有影响， 其 中一个单电池实际电压会全部增加， 另外一个单电池实际电压会全部降低。 0028 在本发明的一种优选实施方式中， 选定S为0.02V。 0029 单电池的实时电压和电流， 可以用电池测试仪来获得。 如果发现某电堆出现故障， 可以用电池测试仪测出每个单电池的实时数据。 实时电压可以用一个或者多个压力传感器 获得。 0030 在本发明的一个优选实施方式中， 单电池的实时理论电压是通过参比电池和单电 池的实时电流获得， 借助下面的公式： 0031 V理 论V参 比+I*R 0032 式中： V参 比为参比电池的电压； I为单电池的电流， 充电时电流为正值， 放电时电流 为负值；。

15、 R为单电池内阻。 0033 在本发明的一个优选实施方式中， 单电池内阻R是通过下述公式计算获得： 0034 0035 0036 其中， V参 比为参比电池电压， k1、 k2、 k3、 k4、 k5、 k6、 k7、 k8为拟合参数。 0037 该公式是在电堆测试环节， 通过充放电数据拟合出的电堆内阻与参比电池电压之 间的关系， 并确定这些拟合参数的具体数值。 对于同种型号和材质的单电池， 这些拟合参数 是常数。 在用参比电池测单电池内阻R时， 只要获得参比电池的电压即可以。 0038 下面通过具体实施例例举说明本发明的方法。 这些实施例采用额定功率为35kW的 电堆， 每个电堆有88个单电。

16、池， 每节电池电压设置充电截止电压为1.550V， 放电截止电压为 1.155V。 通过前期准备测试阶段， 拟合电堆单电池内阻与参比电池电压间关系， 如附图1所 示。 在该设置的电压范围内， 测试时只要得到参比电池的电压， 就可以得到单电池的内阻R。 在这些实施例中， 我们选定预设值S为0.02V。 0039 实施例1： 在上述电堆中， 数据采集参比电池电压和单电池实际电压， 根据参比电 池电压计算出理论电压。 如图2所示， 在充电过程中， 电池电压随时间稳定增加至1.55V， 实 际电压与理论电压间差值非常小， 电池|V|接近0， 电堆单电池故障系统没有报警； 在放电 过程中， 电池电压随时。

17、间稳定减小至1.155V， 实际电压与理论电压间差值存在， 但|V|远 小于0.02V， 因此， 电堆单电池故障系统没有报警。 0040 实施例2： 在上述规格的电堆， 数据采集参比电池电压和单电池实际电压， 根据参 比电池电压计算出理论电压。 如图3所示， 在充电初期， 实际电压与理论电压存在差值， V -0.022V， 超过设定值-0.02V， 单电池故障系统报警， 电池测试继续进行； 在充电中期和后 期， 实际电压与理论电压差值一直存在， 且差值基本保持不变。 在放电初期， 实际电压与理 论电压也存在差值， V-0.035V， 超过设定值-0.02V， 单电池故障系统报警， 电池测试继 。

18、续进行后， 在放电末期和放电后期， 实际电压与理论电压差值存在， 基本保持不变， 略微缩 小， 为-0.0244V， 应判断为单电池中存在隔膜破损。 在后续拆解电堆中， 对隔膜进行了检测， 说明书 3/4 页 5 CN 111900441 A 5 验证了对此次故障的判断。 0041 实施例3： 对上述规格的电堆， 数据采集参比电池电压和单电池实际电压， 根据参 比电池电压计算出理论电压。 如图4所示， 在充电初期， 实际电压与理论电压基本无差值， 随 着充电的进行V逐渐开始增大， 在充电1.85小时后， V超过设定值0.02V， 单电池故障系 统报警， 电池测试继续进行， 在充电末期时， V最。

19、大值达到0.031V。 在放电初期， 实际电压 与理论电压基本一致， 随着放电的进行， |V|不断增加， 在放电1.01小时后， |V|超过设 定值0.02V， 单电池故障系统报警， 电池测试继续进行， 在放电末期时， |V|达到最大值， 为 0.061V。 在后续拆解电堆中， 发现框体中流道小部分被多余密封胶堵塞， 同时验证了对此次 故障的判断。 0042 以上仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人 员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 4/4 页 6 CN 111900441 A 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 111900441 A 7 图3 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 111900441 A 8 。