具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图详细说明所述全钒液流电池融合模型等效电路及参数确定方法的一个实施例。

实施例一

图3是本发明实施例一提供的全钒液流电池微电网控制系统的电路结构框图；如图3所示，全钒液流电池融合模型等效电路，包括：

用于模拟全钒液流电池堆电压的等效电压V_s，用于模拟全钒液流电池电堆内阻损耗的内阻损耗模拟电路1，用于模拟循环泵损耗的泵损模拟电路2，用于模拟全钒液流电池动态响应能力的等效电容C_e；

所述内阻损耗模拟电路1的一端与等效电压V_s的负极相连，所述内阻损耗模拟电路1的另一端分别与泵损模拟电路2的一端、全钒液流电池端电压U_d的负极相连；

所述泵损模拟电路2的另一端分别与全钒液流电池端电压U_d的正极、等效电容C_e的一端相连，所述等效电容C_e的另一端与内阻损耗模拟电路1相连。

具体地，所述内阻损耗模拟电路1包括：极化电阻R_rea和欧姆内阻R_res，所述极化电阻R_rea一端与等效电压V_s的负极相连，所述极化电阻R_rea的另一端串接欧姆内阻R_res后与分别与泵损模拟电路2的一端、全钒液流电池端电压U_d的负极相连；所述等效电容C_e的另一端并接在极化电阻R_rea和欧姆内阻R_res之间的连线上。

进一步地，所述泵损模拟电路2包括：泵损电流I_P和内阻R_f；所述泵损电流I_P与内阻R_f并联连接。

如图2所示，U_d是全钒液流电池的端电压，可以被仪器采集和测量；泵损等效为泵损电流I_P并接内阻R_f，其数值与选择的循环泵的功率和工作电压、电池堆栈电流I_stack以及SOC均有关；V_s是电池的堆电压，也称为电池的内核电压或开路电压，因与电池SOC的大小和U_d有关，故采用受控电压源代替；本发明融合模型中各参数的关系如下：

其中，U_e是等效电容C_e两端的电压；I是欧姆内阻R_res的电流；U_s是V_s两端的电压；I_s是极化电阻R_rea的电流；I_d是端电压U_d的电流；I_f是内阻R_f的电流；I_e是等效电容C_e的电流。根据能斯特方程，全钒液流电池的单体开路电压可表示为：

其中：E₀为钒电池标准状态下的平衡电势；R为气体常数，R＝8.31J/K/mol；T为温度，单位为K；F为法拉第常数，F＝96500C/mol；

由上所述，可知：所述(全钒液流电池端电压，也称开路电压)等效电压V_s的表达式为：

其中：n为单体电池串联数量；V_cell为单体电池的电压；R为气体常数；T为温度；F为法拉第常数；SOC为荷电状态，取值范围为0～1。

SOC_t+1＝SOC_t+ΔSOC 式(1-4)；

其中，ΔSOC表示仿真步长时间T_step内SOC变化量；ΔΔE为能量变化；E_capacity为系统的总容量；P_stack为仿真步长时间T_step内的堆栈输出功率，两者的乘积为ΔE；系统总损耗为P_stack的W％，其中，极化电阻R_rea、欧姆内阻R_res、内阻R_f和泵损电流I_P引起的损耗分别为W₁％、W₂％、W₃％和W₄％；P_rated为钒电池输出功率，T_rating为钒电池输出功率的时间；由此可得：

堆栈输出功率：

内阻损耗模拟电路中的极化电阻R_rea的表达式为：

内阻损耗模拟电路中的欧姆内阻R_res的表达式为：

泵损模拟电路中的泵损电流I_P的表达式为：

泵损模拟电路中的内阻R_f的表达式为：

其中：I_max为电池最大电流；L为电池的泵损常数；I_s为堆电压的电流；W₃％为内阻R_f引起的损耗率。

更进一步地，所述等效电容C_e的值由单体电池的电容以及单体电池连接方式共同决定；在N_cell个单体电池串联的情况下，单体电容量为6F；因此：本实施例中，所述等效电容C_e的表达式为：

传统的全钒液流电池的电化学模型能充分反映电池的化学特性，但数学方程复杂，模拟计算量大且速度慢，建模过程中所需的微观参数难以获得；等效电路模型考虑了钒电池系统的非线性特性、伏安特性和内部损耗，却忽略了电池内部化学反应、各部件包括泵、电堆的损耗和离子运动以及浓度之间的相互制约关系。

因此，本发明提出了一种面向全钒液流电池的全钒液流电池融合模型等效电路，该融合模型的等效电路在化学模型Nernst方程的基础上，结合工程实际和等效电路模型，对电池特性进行了模拟，该模型充分考虑了全钒液流电池化学反应带来的内阻，利用能斯特方程进行SOC估计，同时综合考虑了泵损以及一些机械特性，提高了电池模型的准确性和可行性；该模型各元件的物理意义明确，无论对单个电堆仿真还是对串并联多个电堆仿真都适用，易于扩展，实用性极强。

实施例二

本发明提供的全钒液流电池融合模型等效电路的参数确定方法，包括如下步骤：

S10，构建全钒液流电池融合模型等效电路；所述全钒液流电池融合模型等效电路为如上所述的全钒液流电池融合模型等效电路；

S20，根据构建的全钒液流电池融合模型等效电路进行仿真，具体包括：

S201，获取全钒液流电池系统的运行数据，得到钒电池在不同SOC值时，电池损耗功率占堆栈功率的损耗率W％；极化电阻R_rea、欧姆内阻R_res、内阻R_f的引起的损耗率W₁％、W₂％、W₃％；

S202，根据全钒液流电池的额定功率P_rate，对电池的堆栈功率P_stack进行参数确定；

S203，根据公式(1)～公式(5)分别计算等效电压V_s、极化电阻R_rea、欧姆内阻R_res、内阻R_f、泵损电流I_P的值。

具体地，本发明在具体实施时，根据全钒液流电池系统的运行数据可知，钒电池在SOC＝0.2时，电池损耗功率为堆栈功率的21％。其中内部损耗比例为15％，外部损耗比例为6％；在15％的内部损耗中，9％为R_rea损耗，6％为R_res损耗。根据全钒液流电池的融合模型，建立如下仿真参数：

钒电池额定功率为5kW，电池容量为30kWh，电池单体个数为39，电池单体电容为0.15F，电池最大电流为105A；由上可知，在SOC＝0.2的条件下，根据式(1)～(6)可得：

电池堆栈功率：

等效电阻：

泵损电流

其中：堆栈电流I_stack与I_s取值相同；经过计算，得到仿真参数表如下所示：

表1全钒液流电池仿真参数表

图4是本发明全钒液流电池融合模型等效电路的仿真结构示意图；如图4所示，根据全钒液流电池融合模型等效电路以及上述计算公式，本发明中，在Matlab/Simulink平台中搭建了全钒液流电池融合模型的仿真模型，设置充放电电流为105A，充放电时间周期为5200s。

图4中，Current Source5为一个电流源，模拟电池的能量输出部分；Rfix5、Ipump4用于模拟泵损模拟电路中的泵损电流I_P和内阻R_f；C4用于模拟等效电容C_e；ControlledVoltage Source4用于模拟等效电压V_s；Rreaction4、Rresistive4分别用于模拟内阻损耗模拟电路中的极化电阻R_rea和欧姆内阻R_res。

具体地，根据等效电压的表达式，式(1)中，V_cell为单体电池的电压，n为单体电池串联数量，SOC的取值范围为0～1。式中的在仿真中数据为0.0517，V_cell在仿真中的数据为1.37，n在仿真中数据为39，根据上述参数，式(1)整理为：

进一步地，根据ΔSOC的表达式，式(1-5)中，设置仿真参数T_step为0.001，E_capacity在仿真中设置为30000，其中：ΔSOC表示仿真步长时间T_step内SOC变化量。ΔE为能量变化，E_capacity为系统的总容量.

根据上述参数，式(1-5)整理为：

更进一步地，根据泵损电流I_P的表达式，式(4)中，根据上述参数：

图5是本发明实施例中5kW电池电堆融合模型的SOC仿真曲线图；如图5所示，在指定的仿真设置条件下，由SOC＝20％开始进行充电，充电2600s后，SOC上升至88％，经过2600s进行放电模拟，电池的SOC下降至低于20％。由该图可知，当充放电电流一致的情况下，SOC曲线并不是完全对称的。这是由于无论充电还是放电，泵损以及等效内阻损耗都是存在的，因此，不管在充电还是放电过程，系统自身都会消耗一部分能量；所以，放电时电池释放功率要大于端口的输出功率，充电时电池实际吸收功率要小于端口的输入功率。

而传统的等效电路模型仿真结果显示充放电过程中SOC曲线是完全对称的，这是由于只考虑了外特性，并没有真正考虑化学特性，不能全面反映电池的实际运行结果。

图6是本发明实施例中电堆电压变化曲线图，如图6所示，端电压和SOC的变化基本是同步的，并存在一一对应的关系；在实际运行中，从质检部门得到的数据，单体开路电压与SOC实测数据拟合曲线基本吻合。

图7是本发明实施例中SOC-OCV关系曲线图，如图7所示，由实测曲线可看出，钒电池SOC低于10％时，端电压直线下降，对电堆的性能影响很大；因此钒电池不允许过放，否则将对电堆造成不可修复的损坏。

图8是本发明实施例中电堆电流变化曲线图；如图8所示，图8反映了充电期间堆栈中充电电流的变化；由于泵损耗和电池内部损耗，电堆的充电电流并不等于信号源提供的充电电流。恒流充电过程中输入电流一定，由于存在I_P的分流，因此I_s电流小于105A；

充电时，SOC随着电解液中化学活性物质增加而增加，由于输入电流固定也就是堆栈进入的离子数目固定，在SOC逐渐增加的过程中，电解液流量会随着减小，泵损电流I_P也会随之减小，流过I_s的电流则会增大，因此整个充电过程I_s是一个略微上升的曲线。反之，放电时，内核电压V_s作为电源，输出电流为105A，同样由于存在I_P分流，因此I_s大于105A。在恒流放电的过程中，电解液活性物质会随着SOC减小而减少，这将增大电解液的流速，泵损电流I_P也会随之增大，I_s也将增大。当放电SOC几乎接近于0的时候，I_s也趋于负的无穷大。

综上，本发明提供的全钒液流电池融合模型充分考虑了全钒液流电池化学反应带来的内阻，利用能斯特方程进行SOC估计，同时综合考虑了泵损以及一些机械特性，提高了电池模型的准确性和可行性；该模型各元件的物理意义明确，无论对单个电堆仿真还是对串并联多个电堆仿真都适用，易于扩展。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。