October 9, 2026

第一作者：张启安 通讯作者：唐奡 通讯单位：中科院沈阳金属研究所 DOI：10.1016/j.est.2026.124874 工作简介 本研究开发了一个百千瓦级VFB模块的动态模型，并将其与旁路电流模型耦合，从而能够在实际恒定功率充放电运行工况下，对百千瓦级VFB模块进行有效的时变评估。系统研究了250kW和500kW模块的三种串并联配置。仿真结果表明在恒定功率运行模式下，串联更多电堆的模块在中间电堆与末端电堆之间表现出更大的电流不均匀性，进而导致更显著的效率损失。相比之下，采用更长分支管道的布局可有效缓解旁路电流引起的损耗，并在相同功率额定值下提升CE与EE。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 【论文奖励】2026年8月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年7月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年5~6月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年4月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年3月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年2月液流电池论文奖励清单！ 研究背景 旁路电流是VFB电堆模块中导致容量损失与效率下降的主要因素之一。电池电堆通过共享的电解液管道相互连接，电解液中的离子提供了额外的导电通路，使得部分电流可在电池电堆内部通过管道循环，而非参与外部充放电过程。旁路电流不仅会降低CE，还会导致不同位置电池电堆之间的工作电流分布不均。在串联电池电堆数量较多或管道布局欠佳的储能模组中，电流不均匀性更为显著，进而引发各独立电池电堆之间的SOC、电解液浓度及充放电深度不一致，最终降低模组层面的容量利用率与EE。既往研究已从等效电路建模、管道电阻优化、电气连接设计及系统效率评估等角度探讨了VFB电池中的旁路电流问题。研究表明增加管道长度、优化管道直径以及调整电池电堆连接拓扑结构，均可有效抑制旁路电流引发的损耗。然而，现有模型多聚焦于静态旁路电流分布或固定工况下的效率评估，而旁路电流与电池电堆动态运行之间的耦合效应尚未得到充分探讨。在恒功率充放电运行过程中，电池电堆电压、电流及电解质浓度随时间连续变化，而旁路电流则同时受瞬时电池电堆电压差、管路电阻及模块拓扑结构的影响。因此，仅依靠静态模型无法全面反映实际百千瓦级VFB模块的动态电流分布、容量衰减及效率演变。 核心内容 图1.a)由32kW电池电堆以四串两并方式组成的250kW VFB模块示意图；(b，c)在恒功率充放电循环条件下，单个四电堆串联支路的电压与电流曲线 本文构建并分析了一个由32个3kW电堆组成的250kW VFB模块，该模块采用四串两并配置。该模块包含八个电堆，每个支路中四个电堆串联，两个支路并联。串联电堆的电解液管道相互连接，在电堆电压差与电解液离子电导率的共同作用下，为旁路电流提供了导电通路。因此，这种配置代表了电气与液压网络耦合的典型多堆结构。每个电堆包含44个电芯，因此一个该支路由176个单元组成。支路电压维持在约260V，与四个串联电堆的电压累积值相符。循环过程中电压的周期性变化源于电解质浓度与SOC的动态演变。相应地，由于单支路的额定功率约为128kW，根据公式I=P/U估算的电流为128000/260≈492A，与仿真结果高度吻合。充电时，随着电压升高，电流减小以维持恒功率；放电时，随着电压降低，绝对电流增大。结果证实该耦合模型能够准确捕捉四串两并模块的动态电压–电流响应特性，并为后续并联电流分析提供理论基础。 图2.(a，b)四个串联电堆单元在单次充放电循环中的电压与电流分布曲线；(c)充放电结束时各电堆单元的电流分布；(d)长期循环过程中电堆单元出口电解液内V²⁺、V³⁺、VO2+及VO2+的浓度变化趋势 四个串联电堆在放电末期电压曲线几乎完全重合，电堆电压始终保持在约69.3V，表明在此运行条件下，各电堆之间的电压偏差可忽略不计。结果表明仅凭电压响应不足以揭示由互联电解质管道引起的非均匀运行现象。除了电压响应外，相应电流曲线在放电末期显示出明显差异，表明即使电堆电压几乎相同，旁路电流路径仍可能重新分配实际运行电流。 此外，充电结束时，外侧电堆的电流分别约为453.5A和453.7A，而中间两个电堆的电流较低，约为452.3A，两者相差约1.3A。相比之下，放电结束时则观察到相反的趋势：中间电堆的绝对电流约为674A，比外侧电堆的电流高约1.9A。结果证实了串联支路内旁路电流引起的电流位置依赖性非均匀性。除电学响应外，浓度变化反映了活性物质的动态利用情况，而V³⁺与VO₂⁺的浓度窗口则与可用电解液容量密切相关。 图3.a、b)分别展示在不同管道配置下，充电与放电结束时单个串联支路内的电流分布情况；(c)不同管道配置下的CE；(d)不同管道配置下的EE与VE 在所有情况下，中间电堆的电流均低于末端电堆，表明互连电解质管道中的旁路电流路径导致了电流分布随位置变化的现象。采用最长分支管道的配置可减小中间电堆与末端电堆之间的电流差异终端电堆电流密度约为0.7A，而最不利的构型则显示出约1.3A的较大偏差。结果表明延伸分支管道可提升等效性能。管道电阻可抑制旁路电流引起的电流失衡。从放电运行角度分析，电流分布呈现相反趋势：中间电堆的绝对电流值高于末端电堆。尽管如此，优化后的管道配置仍显著提升了电流均匀性，相较于最不利工况下的0.9A，电流差值降至约0.5A，证实分支管道延伸设计能有效缓解充放电过程中的电流不均匀性。 此外，单循环CE最高可达94.16%，较最低值提升约0.14%。由于模型中已考虑钒离子跨膜效应，计算所得CE更接近实际电堆性能。并且，由于各电堆内部电阻设定相同，VE基本保持不变。因此，EE的提升主要源于旁路电流损耗减少所导致的CE提高。综上结果表明优化分支管道长度可有效改善电流均匀性与储能模块效率。 图4.a)由34kW电堆按五串三并配置构成的500kW储能模块示意图；(b)单个串联支路在1000h恒功率充放电循环中的电压与电流曲线，以及第2次与末次循环的局部放大图 五个电堆单元串联构成一个支路，三个支路并联构成完整模块。除物理模块配置外，单个串联支路在1000小时循环测试中的电压与电流响应曲线显示该支路的额定功率约为170kW。第二及最后一次循环的放大曲线显示支路电压在约265–360V之间波动，而工作电流从充电时的约+580A变化至放电时的−620A，与170kW串联支路在恒功率运行下的预期响应一致。此外，长期运行中电压与电流曲线的高度可重复性表明该耦合模型能够稳定地捕捉500kW模块在恒功率充放电条件下的动态行为。 图5.(a)1000小时循环测试中放电容量与SOC窗口随时间的变化趋势，分别下降5.9%与5.6%；(b)长期循环过程中CE、EE及VE的变化趋势 该电池组的运行SOC范围从约83.4%降至77.8%，降幅约为5.6%。与此同时，放电容量容量从29563Ah降至27807Ah，降幅约为5.9%。SOC窗口与放电容量的同步下降，主要源于因离子跨膜及材料降解导致的电化学可用钒物种的逐渐流失与重新分布。随着可用SOC范围逐渐缩小，放电时间也随之缩短，进而降低了可获取的放电容量。在效率方面，该模块在1000小时内保持稳定性能，CE、EE及VE分别稳定在约94.3%、82.5%和87.5%。由于所有电池电堆均被赋予相同的内阻，VE仅呈现微小变化，而EE的演变则主要受CE影响。CE的轻微上升不应被解读为内在电化学性能的改善；相反，SOC窗口的逐渐收缩缩短了充放电时间，从而减少了每个循环中因旁路电流及钒离子跨膜导致的累积寄生电荷损耗。 图6.(a，b)在不同管道配置下，充电与放电结束时单个串联支路内的电堆电流分布；(c)不同管道配置下的CE；(d)不同管道配置下的EE与VE 在所有管路配置下，充电末期中间电堆的电流均低于末端电堆，表明高功率模组中存在显著的电流位置依赖性非均匀性。采用最长分支管路时，中间电堆与末端电堆间的电流差值降至约1.4A；而在最不利的配置条件下，该差值可达约7.2A。结果证实延长分支管路可增加等效管路电阻，从而有效抑制旁路电流引发的电流偏差。关于放电过程，与充电过程相反，中间电堆的绝对电流值高于末端电堆。优化后的管路设计将电流差值降至约0.9A，而最不利的设计下该值达5.4A，表明优化设计可显著提升充放电过程中的电流均匀性。 此外，单个循环的CE最高可达94.37%，相较于最不利的配置，提升了约1.1%，表明分支管道设计对高功率模块的旁路电流损耗具有显著影响。由于所有电堆单元均被赋予相同的内部电阻，VE几乎保持不变。因此，EE的提升主要源于CE的提高，最大增幅约为1.05%。总体而言，优化分支管道长度可有效缓解电流不均匀性，从而提高500kW VFB模块的运行效率。 图7.(a)由42kW电堆组成的500kW模块的示意图，采用六串两并配置；(b)在首次及(c)最终循环期间，两种500kW模块配置中单个串联支路的电压与电流曲线；(d)500kW六串两并模块在不同电流路径配置下，充放电结束时电堆的电流分布；(e)不同电流路径配置下CE、VE、EE、充电容量及放电容量的雷达图对比 充电与放电结束时的实际工作电流分布显示随着串联电堆数量的增加，电流分布的位点依赖性愈发显著：充电结束时，中间电堆的电流值低于末端电堆；而在采用最长分支管路的优化设计方案中，电流差值被控制在约2.6A以内，相比之下，最差配置方案的电流差值则高达约11.7A。放电结束时，电流分布呈现相反趋势，中间电堆的绝对电流值高于末端电堆；优化设计下的对应电流差值约为2.1A，而最差设计时该值增至约8.6A。上述结果证实延长分支管道可增加等效管道阻力，从而有效抑制旁路电流引起的电流不均匀性。 核心结论 本研究开发了一种耦合建模框架用于量化百千瓦级VFB模块中旁路电流引起的损耗。针对多堆式结构和电解液管道网络，建立了等效电路模型，并采用网孔电流法来确定各堆中的旁路电流分布及实际工作电流。一项关键的方法学进展是将恒功率充放电操作纳入耦合旁路电流与动态电堆模型中。与基于静态或预设电流的传统分析方法不同，本框架能够捕捉电压、电流、功率、电解质浓度及效率随时间变化的演变过程，这些参数随着工作电流不断调整以适应模块瞬时电压而动态变化。本研究系统评估了四种典型管道布局及三种串并联配置：一种250kW模块，包含32kW电堆，采用四串两并配置；一种500kW模块，包含34kW电堆，采用五串三并配置；以及一种500kW模块，包含42kW电堆，采用六串两并配置。结果表明旁路电流会导致电流分布出现位置依赖性不均匀现象，尤其是在中间电堆与末端电堆之间。随着串联电堆数量的增加，效应愈发显著，进而导致更大的容量损失与效率下降。相反，更长的分支管道可有效增加等效离子电阻，抑制旁路电流引起的电流重新分布，并提高CE和EE。