劉亞楠

（機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

0 引言

IEC 62932-2-1《固定式液流電池能源系統(tǒng)第2-1部分：性能通用要求和測(cè)試方法》于2020年正式發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)牽頭制定的第一項(xiàng)液流電池領(lǐng)域國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2014年，我國(guó)向國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）提出了關(guān)于制定“固定式液流電池能源系統(tǒng)性能通用要求和測(cè)試方法”的提案。經(jīng)國(guó)際電工委員會(huì)二次電池和電池組（IEC/TC21）各成員國(guó)投票，該提案獲準(zhǔn)立項(xiàng)，并確定由國(guó)際電工委員會(huì)二次電池和電池組（IEC/TC21）與國(guó)際電工委員會(huì)燃料電池（IEC/TC105）合作成立國(guó)際電工委員會(huì)液流電池聯(lián)合工作組（IEC/TC21 JWG7）負(fù)責(zé)組織制定該標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)6年制定完成，與另外兩項(xiàng)液流電池領(lǐng)域國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62932-1《固定式液流電池能源系統(tǒng)第1部分：術(shù)語(yǔ)和通用要求》和IEC 62932-2-2《固定式液流電池能源系統(tǒng)第2-2部分：安全要求》形成系列標(biāo)準(zhǔn)，均于2020年正式發(fā)布。

本文重點(diǎn)關(guān)注的IEC 62932-2-1：2020《固定式液流電池能源系統(tǒng)第2-1部分：性能通用要求和測(cè)試方法》，適用于固定地點(diǎn)設(shè)計(jì)和使用的液流電池能源系統(tǒng)或液流電池系統(tǒng)。固定式的提出明確了該標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于離網(wǎng)或并網(wǎng)場(chǎng)景，是相對(duì)于便攜式定義的，便攜式具有可攜帶，可移動(dòng)的特性，例如車載、筆記本用或手機(jī)用等應(yīng)用情景。

1 制定背景和意義

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大規(guī)模利用可再生能源、實(shí)現(xiàn)能源多樣化成為世界各國(guó)能源安全和可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。但是，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電受地域環(huán)境、季節(jié)等因素影響，具有明顯的不連續(xù)、不可控的非穩(wěn)態(tài)特性，催生了大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)解決可再生能源發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定的問(wèn)題。

作為一種新型大容量電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，液流電池系統(tǒng)的輸出功率和容量相互獨(dú)立，具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、電池使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性和可靠性高、可深度放電、選址自由度大、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)成本低、安全性高（無(wú)爆炸或著火危險(xiǎn)）等一系列優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。

典型的液流電池工作原理如圖1所示。

圖1 液流電池工作原理圖

如圖1所示，液流電池的正極和負(fù)極電解質(zhì)溶液儲(chǔ)存于電池外部的儲(chǔ)罐中，電池內(nèi)部正負(fù)極之間利用隔膜分隔為兩室（正極側(cè)和負(fù)極側(cè)），電池工作時(shí)正負(fù)極電解液通過(guò)泵和管路輸送到電池內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，參與氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。充電時(shí)電池外接電源，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液中；放電時(shí)電池外接負(fù)載，將儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供負(fù)載使用。從液流電池工作原理圖中可以看出，各子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，是系統(tǒng)可靠性的重要保障，IEC 62932-2-1對(duì)液流電池能源系統(tǒng)的技術(shù)要求和測(cè)試方法做出了統(tǒng)一規(guī)定。

2 主要內(nèi)容

IEC 62932-2-1對(duì)液流電池能源系統(tǒng)（Flow Battery Energy System：FBES）、液流電池系統(tǒng)（Flow Battery System，F(xiàn)BS）的范圍做出明確界定，如圖2所示。液流電池能源系統(tǒng)（FBES）由液流電池系統(tǒng)（FBS）和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Power Conversion System，PCS）組成。液流電池系統(tǒng)（FBS）由電池管理系統(tǒng)（Battery Management System：BMS）、電池支撐系統(tǒng)（Battery Support System：BSS）、電堆（Stacks）和液路循環(huán)系統(tǒng)（Fluid Circulation System，F(xiàn)CS）構(gòu)成。連接點(diǎn)（Point of Connection，POC）是液流電池能源系統(tǒng)連接到電網(wǎng)或最終應(yīng)用的參考點(diǎn)，整個(gè)液流電池能源系統(tǒng)通過(guò)連接點(diǎn)（POC）連接到電力系統(tǒng)中。

圖2 液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)邊界

電池管理系統(tǒng)（BMS）是由電子電路設(shè)備構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。電池支撐系統(tǒng)（BSS）是由換熱器、通風(fēng)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等組成的輔助設(shè)備。電堆（Stacks）由單電池疊加組成，單電池包括集流板、雙極板、電極、隔膜等部件。液路循環(huán)系統(tǒng)（FCS）是指用于儲(chǔ)存和循環(huán)電解液的部件和設(shè)備，如儲(chǔ)罐、管道、泵和傳感器等。

電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池支持系統(tǒng)（BSS）和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）的輔助能量可由以下方式之一提供：

——直接連接外部電源；

——液流電池能源系統(tǒng)（FBES）的內(nèi)部電源或液流電池系統(tǒng)（FBS）本身。

IEC 62932-2-1要求液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠承受在運(yùn)輸、搬運(yùn)和使用過(guò)程中受到的機(jī)械應(yīng)力、震動(dòng)和沖擊；在符合設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，要求制造商提供有關(guān)液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試操作、維護(hù)和使用的文件。液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）應(yīng)滿足IEC 62932-2-1提出的性能要求，與安全有關(guān)的要求和試驗(yàn)方法應(yīng)符合IEC 62932-2-2的規(guī)定。

IEC 62932-2-1給出了對(duì)測(cè)試對(duì)象測(cè)量過(guò)程中所使用的儀器精度，規(guī)定的測(cè)試環(huán)境溫度為25℃±5K，除非另有規(guī)定或由制造商和用戶協(xié)商確定。測(cè)量點(diǎn)（Point of Measurement，POM）是電路中供測(cè)量記錄的電池能量傳遞以及電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池支撐系統(tǒng)（BSS）消耗能量的物理位置。測(cè)量點(diǎn)（POM）可由制造商指定，并在合同文件中注明。根據(jù)輔助能源的提供方式不同，連接點(diǎn)（POC）和測(cè)量點(diǎn)（POM）的選擇也不同。標(biāo)準(zhǔn)中給出了三種連接點(diǎn)（POC）和測(cè)量點(diǎn)（POM）的示例及條件供測(cè)試選擇。

IEC 62932-2-1明確了液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）和測(cè)試對(duì)象單元（TOU）三個(gè)測(cè)試對(duì)象，并對(duì)其測(cè)試范圍進(jìn)行了規(guī)定。液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）因受限不便測(cè)試時(shí)，可定義測(cè)試對(duì)象單元（TOU）以代替測(cè)試，但應(yīng)包括液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）測(cè)試范圍內(nèi)的所有部件。測(cè)試過(guò)程中還應(yīng)充分考慮直流或交流功率影響產(chǎn)生的輔助能耗，并記錄相應(yīng)的連接點(diǎn)、測(cè)試點(diǎn)和環(huán)境溫度等測(cè)試條件。

IEC 62932-2-1在明確以上測(cè)試條件后，給出了測(cè)試對(duì)象的額定能量、最大輸出功率、最大輸入功率、額定能量效率和循環(huán)壽命的測(cè)試方法。

液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測(cè)試對(duì)象單元（TOU）的額定能量是指在額定功率下測(cè)量的放電輸出總能量和輔助設(shè)備消耗的輔助能耗，具體測(cè)試過(guò)程如下：

1）測(cè)試單元應(yīng)連接負(fù)載電路，根據(jù)需要負(fù)載電路可以對(duì)測(cè)試單元進(jìn)行充放電。在測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)有適當(dāng)?shù)脑O(shè)備來(lái)測(cè)定輔助設(shè)備的輔助能耗。

2）測(cè)試單元應(yīng)按照制造商規(guī)定的方法充電100%荷電狀態(tài)（SOC）。

3）測(cè)試單元應(yīng)以額定功率進(jìn)行放電直至放電截止條件。該功率應(yīng)保持在±2%以內(nèi)。放電截止條件應(yīng)在測(cè)試中說(shuō)明并執(zhí)行。

液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測(cè)試對(duì)象單元（TOU）的最大輸出功率受放電時(shí)間、充電狀態(tài)等多種因素影響，因此，所確定的最大輸出功率值具有典型性，僅適用于液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測(cè)試對(duì)象單元（TOU）的特定運(yùn)行條件下。測(cè)試對(duì)象的最大輸出功率應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行測(cè)試：

1）放電持續(xù)時(shí)間應(yīng)在試驗(yàn)前進(jìn)行規(guī)定，推薦采用額定能量與額定功率之比的1/50來(lái)定義持續(xù)時(shí)間，或者使用制造商聲明的持續(xù)時(shí)間。

2）測(cè)試單元應(yīng)按照所制造商聲明的方法充電至理想的荷電狀態(tài)。

3）測(cè)試單元應(yīng)在選定的恒功率下放電直至放電截止條件。應(yīng)記錄放電的持續(xù)時(shí)間。該功率應(yīng)保持在+2%以內(nèi)。必須注意所選擇的放電功率不會(huì)對(duì)設(shè)備造成不可挽回的損害。

4）如果放電持續(xù)時(shí)間大于規(guī)定的持續(xù)時(shí)間值，則提高功率重復(fù)2）和3）步驟，直到放電持續(xù)時(shí)間達(dá)到所規(guī)定的持續(xù)時(shí)間值。測(cè)試過(guò)程中應(yīng)保持環(huán)境溫度、放電截止條件等其他條件不變，建議按照從高功率到低功率的順序進(jìn)行測(cè)試。

5）如果放電持續(xù)時(shí)間小于規(guī)定的持續(xù)時(shí)間，則降低功率重復(fù)2）和3）步驟，直到放電持續(xù)時(shí)間達(dá)到所規(guī)定的持續(xù)時(shí)間值。測(cè)試過(guò)程中應(yīng)保持環(huán)境溫度、放電截止條件等其他條件不變。

6）應(yīng)記錄最大輸出功率值和相應(yīng)的輔助功耗。最大輸出功率與放電時(shí)間、充電狀態(tài)和環(huán)境溫度有關(guān)。

7）驗(yàn)證制造商聲明的最大輸出功率值。應(yīng)按照3）步驟進(jìn)行，測(cè)得的放電持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于制造商聲明的持續(xù)時(shí)間值。

楊年豐嘆了口氣，繼續(xù)說(shuō)道：“原本我以為，就這么相安無(wú)事地過(guò)下去，就讓娟兒頂替曉梅生活著，但沒想到，今年年初的一天，老太太的眼睛突然能看到東西了，可惜，她復(fù)明了僅僅幾分鐘的時(shí)間。不巧的是，當(dāng)時(shí)娟兒正在老太太的身邊扮演小女兒，于是老太太不動(dòng)聲色地把我單獨(dú)叫來(lái)，責(zé)問(wèn)我事情的真相。我無(wú)法隱瞞，只好把當(dāng)年你二表哥告訴我的事情經(jīng)過(guò)講給了老太太?！?/p>

液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測(cè)試對(duì)象單元（TOU）的最大輸入功率受放電時(shí)間、充電狀態(tài)等多種因素影響，因此，所確定的最大輸入功率值都具有典型性，僅適用于液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測(cè)試對(duì)象單元（TOU）的特定運(yùn)行條件下。測(cè)試對(duì)象的最大輸入功率應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行測(cè)試：

1）充電持續(xù)時(shí)間應(yīng)在試驗(yàn)前進(jìn)行規(guī)定。推薦采用額定能量與額定功率之比的1/50來(lái)定義持續(xù)時(shí)間，或者使用制造商聲明的持續(xù)時(shí)間。

2）測(cè)試單元應(yīng)按照所制造商聲明的方法放電至理想的荷電狀態(tài)。

3）測(cè)試單元應(yīng)在選定在恒功率下充電直至充電截止條件。應(yīng)記錄充電的持續(xù)時(shí)間。該功率應(yīng)保持在+2%以內(nèi)。必須注意所選擇的充電功率不會(huì)對(duì)設(shè)備造成不可挽回的損害。

4）如果充電持續(xù)時(shí)間大于規(guī)定的持續(xù)時(shí)間值，則提高功率重復(fù)2）和3）步驟，直到充電持續(xù)時(shí)間達(dá)到所規(guī)定的持續(xù)時(shí)間值。應(yīng)保持環(huán)境溫度、放電截止條件等其他條件不變，建議從高功率到低功率的順序進(jìn)行測(cè)試。出于安全原因，初始測(cè)試功率不應(yīng)高于制造商聲明的最大輸入功率。

5）如果充電持續(xù)時(shí)間小于規(guī)定的持續(xù)時(shí)間，則降低功率重復(fù)2）和3）步驟，直到充電持續(xù)時(shí)間達(dá)到所規(guī)定的持續(xù)時(shí)間值。測(cè)試過(guò)程中應(yīng)保持環(huán)境溫度、放電截止條件等其他條件不變。

6）應(yīng)記錄最大輸入功率值和相應(yīng)的輔助功率。最大輸入功率值與充電時(shí)間、充電狀態(tài)和環(huán)境溫度有關(guān)。

7）驗(yàn)證制造商聲明的最大輸入功率值，應(yīng)按照3）步驟進(jìn)行，測(cè)得的充電持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于制造商聲明的持續(xù)時(shí)間值。

液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）或測(cè)試對(duì)象單元（TOU）的額定能量效率在測(cè)試運(yùn)行期間充放電過(guò)程中，受功率水平和輔助能耗的影響，測(cè)定的值具有典型性，僅適用于液流電池能源系統(tǒng)（FBES）、液流電池系統(tǒng)（FBS）或測(cè)試對(duì)象單元（TOU）的特定運(yùn)行條件下。測(cè)試對(duì)象的額定能量效率測(cè)試應(yīng)按照下列程序進(jìn)行：

1）測(cè)試單元應(yīng)連接負(fù)載電路，根據(jù)需要負(fù)載電路可對(duì)測(cè)試單元進(jìn)行充放電。在測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)有適當(dāng)?shù)脑O(shè)備來(lái)測(cè)定輔助設(shè)備的輔助能耗。

2）測(cè)試單元應(yīng)以額定功率進(jìn)行放電直至放電截止條件。

3）測(cè)試單元應(yīng)以額定功率進(jìn)行充電直至充電截止條件。該功率應(yīng)保持在+ 2 %以內(nèi)。

4）測(cè)試單元應(yīng)以額定功率進(jìn)行放電直至放電截止條件。該功率應(yīng)保持在+ 2 %以內(nèi)。

5）記錄3）步驟中測(cè)試單元的充電能量和放電的能量，以及3）步驟和4）步驟中輔助設(shè)備消耗的能量。

6）能源效率定義為4）步驟中放電能量與3）步驟充電能量的比率。

7）因測(cè)試對(duì)象的能量效率值受功率變化，穩(wěn)定狀態(tài)等很多因素影響，因此有關(guān)能量效率的聲明都應(yīng)給出相應(yīng)的運(yùn)行條件。對(duì)于驗(yàn)證制造商聲明的額定能量效率，應(yīng)在額定功率下連續(xù)測(cè)量三次，三次測(cè)量值的平均值應(yīng)大于或等于制造商聲明的額定能量值。液流電池能源系統(tǒng)（FBES）或液流電池系統(tǒng)（FBS）或測(cè)試對(duì)象單元（TOU）的循環(huán)壽命測(cè)試建議根據(jù) IEC 61427 -2對(duì)相應(yīng)的離網(wǎng)、并網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。

為了更好地體現(xiàn)液流電池能源系統(tǒng)放電功率與放電能量之間的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)給出了資料性附錄A，提出了在6.1和6.4中所述的不同恒定功率水平下進(jìn)行多次能量和能量效率測(cè)試，可生成能量和能量效率相對(duì)于功率水平的曲線，以表征液流電池能源系統(tǒng)的特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

IEC 62932-2-1為固定式液流電池能源系統(tǒng)的有效測(cè)量和性能表征提供了依據(jù)和保障，標(biāo)準(zhǔn)的制定將進(jìn)一步提升我國(guó)液流電池技術(shù)和產(chǎn)品在國(guó)際上的話語(yǔ)權(quán)，對(duì)推動(dòng)液流電池的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用起到重要的促進(jìn)作用，同時(shí)也將為用戶、相關(guān)檢驗(yàn)部門提供規(guī)范的質(zhì)量評(píng)價(jià)依據(jù)。建議標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)機(jī)構(gòu)及時(shí)將IEC 62932系列標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高液流電池相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性和指導(dǎo)性。