Vanadium redox flow batteries: models of dynamics and measurements

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This article introduces readers to vanadium redox flow batteries, their operating principles, and state-space models. Vanadium redox flow batteries (VRFBs) are a promising technology for stationary storage of electric energy, which has a number of advantages over traditional storage batteries based on lithium-ion batteries. One of the features of VRFBs is a hydraulic system with pumps that provide a continuous supply of electrolyte from the tanks where it is stored to the stacks where the electrochemical reactions take place. This entails the need to build dynamic models of such systems, which are used for monitoring and control tasks. The article presents the basic models of vanadium battery dynamics with concentrated parameters, along with models of available measurements, and analyzes their features. In addition, new models are proposed that allow a more accurate and convenient description of the change in concentrations during VRFB operation.

About the authors

Stanislav Dmitrievich Bogdanov

Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: s.bogdanov@skoltech.ru
Moscow

Sergei Ernestovich Parsegov

Skolkovo Institute of Science and Technology, V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of RAS

Email: s.e.parsegov@gmail.com
Moscow

Mikhail Aleksandrovich Pugach

Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: m.pugach@skoltech.ru
Moscow

References

  1. AARON D., TANG Z., PAPANDREW A., ZAWODZINSKI T.Polarization curve analysis of all-vanadium redox flowbatteries // Journal Of Applied Electrochemistry. – 2011. –Vol. 41. – P. 1175–1182.
  2. BAROTE L., MARINESCU C. A new control method forVRB SOC estimation in stand-alone wind energy systems //Int. Conf. On Clean Electrical Power, (ICCEP-2009). – 2009. –P. 253–257.
  3. BARTON J., BRUSHETT F. A one-dimensional stack modelfor redox flow battery analysis and operation // Batteries. –2019. – Vol. 5.
  4. BHATTACHARJEE A., ROY A., BANERJEE N., PATRA S.,SAHA H. Precision dynamic equivalent circuit model of aVanadium Redox Flow Battery and determination of circuitparameters for its optimal performance in renewable energyapplications // Journal Of Power Sources. – 2018. – Vol. 396. –P. 506–518.
  5. BOGDANOV S., PUGACH M., PARSEGOV S., VLASOV V.,IBANEZ F., STEVENSON K., VOROBEV P. Dynamicmodeling of vanadium redox flow batteries: Practicalapproaches, their applications and limitations // Journal OfEnergy Storage. – 2023. – Vol. 57, 106191.
  6. CHAHWAN J., ABBEY C., JOOS G. VRB modelling forthe study of output terminal voltages, internal losses andperformance // IEEE Canada Electrical Power Conference(EPC-2007). – 2007. – P. 387–392.
  7. CHANG W. The State of Charge Estimating Methods forBattery: A Review // ISRN Applied Mathematics. – 2013. –P. 1–7.
  8. CHEN Y., XU Z., WANG C., BAO J., KOEPPEL B., YAN L.,GAO P., WANG W. Analytical modeling for redox flow batterydesign // Journal Of Power Sources. – 2021. – Vol. 482. –P. 228817.
  9. CLEMENTE A., CECILIA A., COSTA-CASTELLO R.Online state of charge estimation for a vanadium redox flowbattery with unequal flow rates // Journal Of Energy Storage. –2023. – Vol. 60. – P. 106503.
  10. CLEMENTE A., COSTA-CASTELLO R. Redox flowbatteries: A literature review oriented to automatic control //Energies. – 2020. – Vol. 13. – P. 1–31.
  11. CLEMENTE A., MONTIEL M., BARRERAS F., LOZANO A.,COSTA-CASTELLO R. Vanadium Redox Flow Battery State ofCharge Estimation Using a Concentration Model and a SlidingMode Observer // IEEE Access. – 2021. – Vol. 9. –P. 72368–72376.
  12. COLTHORPE A. China’s largest solar-plus-flow batteryproject will be accompanied by vrfb gigafactory [Элек-тронный ресурс] // Energy Storage News. – URL:https://www.energy-storage.news/chinas-largest-solar-plus-flow-battery-project-will-be-accompanied-by-vrfb-gigafactory(дата обращения: 04.04.2022).
  13. CORCUERA S., SKYLLAS-KAZACOS M. State-of-ChargeMonitoring and Electrolyte Rebalancing Methods for theVanadium Redox Flow Battery // European ChemicalBulletin. – 2012. – Vol. 1. – P. 511–519.
  14. JIENKULSAWAD P., JIRABOVORNWISUT T., CHEN Y.,ARPORNWICHANOP A. Improving the Performance of anAll-Vanadium Redox Flow Battery under Imbalance Conditions:Online Dynamic Optimization Approach // ACS SustainableChemistry And Engineering. – 2020. – Vol. 8. – P. 13610–13622.
  15. KAZACOS M., CHENG M., SKYLLAS-KAZACOS M.Vanadium redox cell electrolyte optimization studies // JournalOf Applied Electrochemistry. – 1990. – Vol. 20. – P. 463–467.
  16. KHAKI B., DAS P. An equivalent circuit model for VanadiumRedox Batteries via hybrid extended Kalman filter and Particlefilter methods // Journal Of Energy Storage. – 2021. – Vol. 39. –P. 102587.
  17. KNEHR K., AGAR E., DENNISON C., KALIDINDI A.,KUMBUR E. A Transient Vanadium Flow Battery ModelIncorporating Vanadium Crossover and Water Transportthrough the Membrane // Journal Of The ElectrochemicalSociety. – 2012. – Vol. 159. – P. A1446–A1459.
  18. KONIG S., SURIYAH M., LEIBFRIED T. Validating andimproving a zero-dimensional stack voltage model of theVanadium Redox Flow Battery // Journal Of Power Sources. –2018. – Vol. 378. – P. 10–18.
  19. LI B., LUO Q., WEI X., NIE Z., THOMSEN E., CHEN B.,SPRENKLE V., WANG W. Capacity decay mechanism ofmicroporous separator-based all-vanadium redox flow batteriesand its recovery // ChemSusChem. – 2014. – Vol. 7. –P. 577–584.
  20. MOHAMED M., AHMAD H., SEMAN M., RAZALI S.,NAJIB M. Electrical circuit model of a vanadium redox flowbattery using extended Kalman filter // Journal Of PowerSources. – 2013. – Vol. 239. – P. 284–293.
  21. MUNOZ C., DEWAGE H., YUFIT V., BRANDON N. A UnitCell Model of a Regenerative Hydrogen-Vanadium Fuel Cell //Journal Of The Electrochemical Society. – 2017. – Vol. 164. –P. F1717–F1732.
  22. NGAMSAI K., ARPORNWICHANOP A. Measuring the stateof charge of the electrolyte solution in a vanadium redox flowbattery using a four-pole cell device // Journal Of PowerSources. – 2015. – Vol. 298. – P. 150–157.
  23. OH K., WON S., JU H. A comparative study of speciesmigration and diffusion mechanisms in all-vanadium redoxflow batteries // Electrochimica Acta. – 2015. – Vol. 181. –P. 238–247.
  24. PUGACH M., KONDRATENKO M., BRIOLA S., BISCHI A.Zero dimensional dynamic model of vanadium redox flowbattery cell incorporating all modes of vanadium ionscrossover // Applied Energy. – 2018. – Vol. 226. – P. 560–569.
  25. PULESTON T., CECILIA A., COSTA-CASTELLO R.,SERRA M. Vanadium redox flow batteries real-time Stateof Charge and State of Health estimation under electrolyteimbalance condition // Journal Of Energy Storage. – 2023. –Vol. 68. – P. 107666.
  26. SEAMAN A., DAO T., MCPHEE J. A survey of mathematics-based equivalent-circuit and electrochemical battery models forhybrid and electric vehicle simulation // Journal Of PowerSources. – 2014. – Vol. 256. – P. 410–423.
  27. SEEPANA M., SAMUDRALA S., SURESH P., VOORADI R.Unit Cell Modelling and Simulation of All Vanadium RedoxFlow Battery // Chemical Product And Process Modeling. –2018. – Vol. 13. – P. 1-13.
  28. SHAH A., TANGIRALA R., SINGH R., WILLS R., WALSH F.A Dynamic Unit Cell Model for the All-Vanadium FlowBattery // Journal Of The Electrochemical Society. – 2011. –Vol. 158. – P. A671.
  29. SHI Y., WEI Z., LIU H., ZHAO J. Dynamic modeling oflong-term operations of vanadium/air redox flow battery withdifferent membranes // Journal Of Energy Storage. – 2022. –Vol. 50. – P. 104171.
  30. SKYLLAS-KAZACOS M., CHAKRABARTI M.,HAJIMOLANA S., MJALLI F., SALEEM M. Progressin flow battery research and development // Journal Of TheElectrochemical Society. – 2011. – Vol. 158. – P. R55.
  31. SKYLLAS-KAZACOS M., GOH L. Modeling of vanadium iondiffusion across the ion exchange membrane in the vanadiumredox battery // Journal Of Membrane Science. – 2012. –Vol. 399. – P. 43–48.
  32. SKYLLAS-KAZACOS M., KAZACOS M. State of chargemonitoring methods for vanadium redox flow battery control //Journal Of Power Sources. – 2011. – Vol. 196. – P. 8822–8827.
  33. TANG A., BAO J., SKYLLAS-KAZACOS M. Dynamicmodelling of the effects of ion diffusion and side reactions onthe capacity loss for vanadium redox flow battery // Journal OfPower Sources. – 2011. – Vol. 196. – P. 10737–10747.
  34. TANG A., BAO J., SKYLLAS-KAZACOS M. Thermalmodelling of battery configuration and self-discharge reactionsin vanadium redox flow battery // Journal Of Power Sources. –2012. – Vol. 216. – P. 489–501.
  35. TANG A., BAO J., SKYLLAS-KAZACOS M. Studies onpressure losses and flow rate optimization in vanadium redoxflow battery // Journal Of Power Sources. – 2014. – Vol. 248. –P. 154–162.
  36. TANG A., MCCANN J., BAO J., SKYLLAS-KAZACOS M.Investigation of the effect of shunt current on battery efficiencyand stack temperature in vanadium redox flow battery //Journal Of Power Sources. – 2013. – Vol. 242. – P. 349–356.
  37. TROVO A., MARINI G., SUTTO A., ALOTTO P.,GIOMO M., MORO F., GUARNIERI M. Standby thermalmodel of a vanadium redox flow battery stack with crossoverand shunt-current effects // Applied Energy. – 2019. –Vol. 240. – P. 893–906.
  38. TROVO A., SACCARDO A., GIOMO M., GUARNIERI M.Thermal modeling of industrial-scale vanadium redox flowbatteries in high-current operations // Journal Of PowerSources. – 2019. – Vol. 424. – P. 204–214.
  39. VYNNYCKY M. Analysis of a model for the operation of avanadium redox battery // Energy. – 2011. – Vol. 36. – P. 2242–2256.
  40. WANDSCHNEIDER F., ROHM S., FISCHER P.,PINKWART K., TUBKE J., NIRSCHL H. A multi-stacksimulation of shunt currents in vanadium redox flow batteries //Journal Of Power Sources. – 2014. – Vol. 261. – P. 64–74.
  41. WANG H., POURMOUSAVI S., SOONG W., ZHANG X.,ERTUGRUL N. Battery and energy management systemfor vanadium redox flow battery: A critical review andrecommendations // Journal Of Energy Storage. – 2023. –Vol. 58.
  42. WANG Q., QU Z., JIANG Z., YANG W. Numerical study onvanadium redox flow battery performance with non-uniformlycompressed electrode and serpentine flow field // AppliedEnergy. – 2018. – Vol. 220. – P. 106–116.
  43. WANG T., FU J., ZHENG M., YU Z. Dynamic control strategyfor the electrolyte flow rate of vanadium redox flow batteries //Applied Energy. – 2018. – Vol. 227. – P. 613–623.
  44. WEAVER J. World’s largest battery: 200MW/800MWhvanadium flow battery —site work ongoing // Electrek. – 2017
  45. WEI Z., JET K., WAI N., MARIANA T., SKYLLAS-KAZACOS M. Adaptive estimation of state of charge andcapacity with online identi fi ed battery model for vanadiumredox fl ow battery // Journal Of Power Sources. – 2016. –Vol. 332. – P. 389–398.
  46. WU X., YUAN X., WANG Z., LIU J., HU Y., DENG Q.,YIN X., ZHOU Q., ZHOU W., WU Y. Electrochemicalperformance of 5 kW all-vanadium redox flow battery stack witha flow frame of multi-distribution channels // Journal Of SolidState Electrochemistry. – 2017. – Vol. 21. – P. 429–435.
  47. XIONG B., YANG Y., TANG J., LI Y., WEI Z., SU Y.,ZHANG Q. An Enhanced Equivalent Circuit Model ofVanadium Redox Flow Battery Energy Storage SystemsConsidering Thermal Effects // IEEE Access. – 2019. – Vol. 7. –P. 162297–162308.
  48. XIONG B., ZHAO J., SU Y., WEI Z., SKYLLAS-KAZACOS M. State of Charge Estimation of Vanadium RedoxFlow Battery Based on Sliding Mode Observer and DynamicModel Including Capacity Fading Factor // IEEE Trans. OnSustainable Energy. – 2017. – Vol. 8. – P. 1658–1667.
  49. XU Q., ZHAO T., LEUNG P. Numerical investigations of flowfield designs for vanadium redox flow batteries // AppliedEnergy. – 2013. – Vol. 105. – P. 47–56.
  50. YANG X., YE Q., CHENG P., ZHAO T. Effects of the electricfield on ion crossover in vanadium redox flow batteries //Applied Energy. – 2015. – Vol. 145. – P. 306–319.
  51. YIN C., GAO Y., XIE G., LI T., TANG H. Three dimensionalmulti-physical modeling study of interdigitated flow field inporous electrode for vanadium redox flow battery // JournalOf Power Sources. – 2019. – Vol. 438. – P. 227023.
  52. YOU X., YE Q., CHENG P. The Dependence of MassTransfer Coefficient on the Electrolyte Velocity in Carbon FeltElectrodes: Determination and Validation // Journal Of TheElectrochemical Society. – 2017. – Vol. 164. – P. E3386–E3394.
  53. ZHANG B., LEI Y., BAI B., XU A., ZHAO T. A two-dimensional mathematical model for vanadium redox flowbattery stacks incorporating nonuniform electrolyte distributionin the flow frame // Applied Thermal Engineering. – 2019. –Vol. 151. – P. 495–505.
  54. ZHANG Y., ZHAO J., WANG P., SKYLLAS-KAZACOS M.,XIONG B., BADRINARAYANAN R. A comprehensiveequivalent circuit model of all-vanadium redox flow battery forpower system analysis // Journal Of Power Sources. – 2015. –Vol. 290. – P. 14–24.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».