第4章 蓄電池及其充放電模式

1、第4章 蓄電池及其充放電模式蓄電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要儲能設備。本章主要介紹蓄電池的基本概念、運行模式、工作原理和充放電控制。4.1 蓄電池的基本概念與特性蓄電池的功能是儲存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出電能并可隨之向負載供電。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池的基本要求：自放電率低；使用壽命長；深放電能力強；充電效率髙；少維護或免維護；工作溫度范圍寬；價格低廉。目前我國與光伏發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池，特別是閥控式密封鉛酸蓄電池，因此，本章主要以鉛酸蓄電池為研究對象。4.1.1蓄電池的基本概念蓄電池的主要功能是當日照量減少或者夜間不發(fā)電時補充負荷要求的功率。一般系統(tǒng)當太陽能發(fā)電功率急劇

2、下降時，蓄電池起緩沖作用，保證電壓的穩(wěn)定。蓄電池屬于電化學電池，它把化學中的氧化還原所釋放出來的能量直接轉變?yōu)橹绷麟娔?，因此，它是一種儲藏電能的裝置。蓄電池的結構圖如圖4.1所示；圖4.2為蓄電池內部結構組成圖。下面對蓄電池內部的結構做一個詳細的說明：正極活性物質：蓄電池正極中的填充物質，蓄電池放電時得到電子，發(fā)生還原反應。負極活性物質：蓄電池負極中的填充物質，蓄電池放電時放出電子，發(fā)生氧化反應。電解質：為蓄電池內部離子提供導電的一種介質。隔膜：一般為絕緣性比較好的材料，為了防止正負極活性物質直接接觸導致短路而增加的隔片。外殼：為蓄電池的容器，能耐電解液的腐蝕，耐髙溫，能抗一定的機械強度。放電

3、：蓄電池內部發(fā)生自發(fā)反應，向外部用電設備輸送電流的過程。充電：外部向蓄電池內輸入電能，形成與放電電流方向相反的電流，使蓄電池內部發(fā)生與放電反應相反的反應，此過程稱為充電。充電后，兩個電極分別有平衡電勢為和+和-。4.1.2 蓄電池的主要參數(shù)了解蓄電池主要參數(shù)的物理意義是光伏發(fā)電系統(tǒng)中有效使用蓄電池的前提之一。蓄電池的主要參數(shù)歸納如下：1. 蓄電池的電動勢電動勢體現(xiàn)了電源把其他形式的能量轉換成電能的本領，電動勢使電源兩端產生電壓。電動勢為蓄電池在理論上輸出能量多少的一個標度，一般來說，電動勢越高，輸出的能量則越高（容量越高），使用價值愈高。理論上，蓄電池的電動勢等于蓄電池正負極平衡電勢之差，開路

4、時用電壓表直接測量電源兩端的電壓即為蓄電池的電動勢。2. 蓄電池工作電壓、開路電壓和終止電壓工作電壓蓄電池接通負荷后在放電過程中顯示出來的電壓，亦稱放電電壓。在蓄電池最初始放電時的工作電壓稱為初始工作電壓，工作電壓在整個放電過程中會不斷的降低。開路電壓蓄電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓。蓄電池的開路電壓等于正極電勢和負極電勢之差，數(shù)值上就等于蓄電池的電動勢。蓄電池的開路電壓是保持不變的，而端電壓則會隨著充電放電過程而不斷地變化，其變化曲線如圖4.3和圖4.4所示。終止電壓蓄電池放電時電壓下降到不宜再放電時（至少能再反復充電使用）的最低工作電壓，為了防止電池不至于過于放電而損耗極板，各種標準

5、的蓄電池在不同放電倍率和溫度下放電時，都規(guī)定了電池的終止電壓。3. 蓄電池內阻蓄電池在工作時，電流通過蓄電池內部時受到各種阻力，使得蓄電池的電壓降低，該阻力總和稱為蓄電池的內阻。蓄電池內阻受各種因素的影響，包括活性物質的重量、電解液的濃度和溫度等等。在放電過程中，內阻是隨著放電過程不斷地變化。蓄電池的內阻在不同規(guī)格和型號的蓄電池均不相同，不同的放電模式也會影響內阻的大小。一般來說，蓄電池容量大則內阻小，低倍率放電時蓄電池內阻小；但是在高倍率放電時，蓄電池的內阻明顯增大。（倍率：放電電流數(shù)值與電池額定容量之比）蓄電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻，兩者之和即為蓄電池的總內阻。歐姆內阻遵守歐姆定律呈線

6、性關系；而極化內阻不遵守歐姆定律，隨電流密度增大而增大，隨溫度增大而增大，呈非線性關系。4. 蓄電池的能量蓄電池的能量是指在一定的放電條件下，蓄電池所能放出的電能，通常用瓦時（W.h）表示，它表征蓄電池放電能力的大小。能量等于蓄電池容量與電動勢的乘積，即W = CV，通常蓄電池的能量分為理論能量和實際能量。實際上，為了準確地比較不同類型電池能量的大小，常用比能量來比較不同的蓄電池系列。比能量是蓄電池單位質量或單位體積所能輸出的能量，單位分別為W.h/kg或者W.h/L。比能量同樣也分為理論比能量和實際比能量。5. 蓄電池的容量蓄電池的容量就是蓄電池的蓄電能力，通常以充足電后的蓄電池放電（端電壓

7、截止到終止電壓時）所能放出的總電量來表示，標志符號為C。容量常用的單位為安培小時, 簡稱安時（A.h）。通常在C的下角處標明放電時率，如C10表示10小時率的放電容量，C120表示120小時率的放電容量。根據(jù)計量條件的不同，電池的容量包括理論容量、實際容量和額定容量。理論容量是蓄電池中活性物質的質量按法拉第定律計算得到的最高理論值。為了比較不同種類、不同系列的蓄電池，常用比容量來比較，比容量為單位體積或單位質量蓄電池所能給出的理論電量，單位為A.h/kg或者A.h/L。實際容量是指蓄電池在一定放電條件下實際所能輸出的電量，數(shù)值上等于放電電流與放電時間的乘積，其數(shù)值小于理論容量。額定容量國外也稱

8、為標稱容量，是按照國家或有關部門頒布的標準，在電池設計時要求電池在一定的放電條件下（通信電池一般規(guī)定在25環(huán)境下以10小時率電流放電至終止電壓）應該放出的最低限度的電量值。總之，在實際蓄電池的設計和制造中，正、負極的容量一般是不相等的，因此，蓄電池容量是由兩電極中較小容量的電極決定。6. 蓄電池的輸出效率光伏發(fā)電系統(tǒng)所選用的蓄電池是可逆電池，但是實際的蓄電池在工作過程中必有一定的能量損耗，通常用容量輸出效率和能量輸出效率來表示。容量輸出效率是指電池放電時輸出的電量與充電時輸入的電量之比，公式為：式中：Cdis為放電時輸出的電量；Cch為充電時輸入的電量。影響蓄電池容量輸出效率的主要因素是蓄電池

9、內部的各種副反應。當蓄電池充電時，有一部分電量消耗在水的分解上；此外，充入的電量也不能全部輸出；再加上自放電、電極活性物質的脫落、活性物質結塊、孔率收縮等原因，容量輸出效率一定小于100%。能量輸出效率是指放電輸出能量與充電輸入能量之比，公式為：Qdis為放電時輸出的能量，而Qch為充電時輸入的能量。7. 蓄電池的使用壽命在規(guī)定條件下，蓄電池的有效壽命期限稱為該電池的使用壽命。蓄電池的使用壽命包括使用期限和使用周期。使用期限是指蓄電池可供使用的時間，包括蓄電池的存放時間；使用周期是指蓄電池可供重復使用的次數(shù)，也稱為循環(huán)壽命。蓄電池每一次全充電和全放電的過程叫做一個周期或一個循環(huán)。電池系列不同或

10、者同一系列但用途不同的電池，使用壽命都不同。影響鉛酸蓄電池壽命的主要因素包括放電深度、過充電程度、溫度、硫酸濃度和放電電流密度等。圖4.6為蓄電池壽命與溫度的關系曲線。8. 蓄電池的放電深度在蓄電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度。鉛酸蓄電池壽命受放電深度影響很大。設計考慮的重點就是深循環(huán)使用、淺循環(huán)使用還是浮充使用。若把淺循環(huán)使用的電池用于深循壞使用時，則鉛酸蓄電池會很快失效。9. 自放電率蓄電池的自放電現(xiàn)象是指蓄電池在獨立存放期間容量逐漸減小的現(xiàn)象。自放電率用單位時間內容量降低的百分數(shù)表示。電池儲存溫度越低，自放電率也越低，但也應注意溫度過低或過高均有可能造成電池

11、損壞無法使用，常規(guī)電池要求儲存溫度范圍為-2045。電池充滿電擱置一段時間后，一定程度的自放電屬于正常現(xiàn)象。目前常用的閥控式密封鉛酸蓄電池的月自放電率低于4%，經3個月存放容量仍然在90%以上。其中，Ca表示電池儲藏前的容量，而Cb 表示儲藏后的容量，T為儲藏時間，一般用天、月計算。10. 放電速率放電速率簡稱放電率，是指放電的快慢，常用時率和倍率表示。時率是以放電時間表示的放電速率，即某電流放電至廠家規(guī)定產品終止電壓所經歷的時間。倍率是電池放電電流的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。一般用符號C及其下標表示放電時率。譬如放電電流為0.1C20，對于一個60A.h(C20)的電池，即以0.1×

12、;60=6A的電流故電；3C60則指180A的電流放電。4.1.3蓄電池的基本特性1. 蓄電池的運行方式根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的要求，可將多個同型號蓄電池串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)構成蓄電池組。蓄電池組主要有3種運行方式：循環(huán)充放電制、定期浮充制和連續(xù)浮充制。（1）循環(huán)充放電制循環(huán)充放電制屬于全充全放型模式，該循環(huán)方式比較簡單，光伏電池直接向蓄電池供電，再由蓄電池向外部負荷放電。循環(huán)制多用于移動型，其工作線路簡單，直流電流中無脈動交流成分，如蓄電池車、礦燈和手提燈等。（2）連續(xù)浮充制該運行方式是長期將蓄電池組并接在外部負載回路上。正常情況下，總有光伏直流電壓附加在蓄電池兩端上，當蓄電池電壓低于光伏陣列電

13、源電壓時，光伏電源就向蓄電池充電，再由蓄電池向負荷供電；當光伏陣列電源不夠或者完全沒有電時，就啟動蓄電池對負荷供電,從而保證不中斷負荷電源。（3）定期浮充制定期浮充制是光伏陣列直流電源和蓄電池并聯(lián)給負荷供電的一種工作方式。部分時間由蓄電池供電，部分時間由光伏陣列電源供電，并且同時補充蓄電池組已經放出的容量和自放電損失的容量。圖4.7為蓄電池的浮充制運行方式原理圖。2. 蓄電池充電充電是蓄電池得以持續(xù)工作的重要手段，也是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)得以持續(xù)工作的必備條件。良好的充電設備和充電技術是做好充電工作的主要基礎。目前常用的充電方法大致可分為恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電和間隙式充電方法、快速充電和

14、智能充電。（1）恒流充電在充電過程中，充電電流自始至終不變的充電方式，叫做恒流充電。該電流采用控制充電器的辦法來達到。這種充電方法雖然縮短了充電時間，但是電池極板長期處于大電流沖擊之中，使得活性物質變得疏松，對電池壽命極為不利，所以這種充電方法雖然有時用在啟動鉛酸蓄電池上，但應逐步淘汰。一般免維護的蓄電池不適用于此充電方法。（2）恒壓充電在蓄電池充電過程中，充電電源電壓始終保持不變，叫做恒壓充電。(式中：U為被測電池的端電壓；E為被測電池的電動勢；R為充電電路中內阻。）由公式(4.4)可得：充電開始，電動勢小，充電電流大；充電中期和后期由于電池極化作用的影響，正極電位變得更高，而負極電位變得更

15、低，致使電動勢增高從而電流減小。該充電方法的優(yōu)點是簡單、不需要調整電流，充電過程中析氣量小、充電時間短、能耗低、充電效率可高達80%。但是在充電初期，如果蓄電池的放電深度過度，初始充電電流過大，不僅危及充電器的安全而且造成蓄電池的損傷；此外，充電末期，充電電流過小，形成長期充電不足，影響電池的使用壽命；同時對蓄電池的端電壓很難補償，對低壓蓄電池的完全充電很難完成。這種充電方法一般用在固定式防酸隔式蓄電池。（3）恒壓限流充電采用恒壓限流的方法主要是為補救恒壓充電的缺點。由于恒壓充電初期若無限流電路，在蓄電池接如入的瞬間，會產生很大瞬間尖峰電流，并且，當充電電壓達到電池電壓限定的電壓值時，仍有很大

16、的沖擊電流，這樣會造成通信設備故障。因此，目前比較常用的是低壓恒壓限流充電。這種充電方法目前巳被廣泛推廣使用。（4）間隙式充電間隙式充電方法是指對蓄電池充電一段時間，然后再靜置一段時間，然后再充電、靜置，多次循環(huán)，直至電池充滿的方法。這種充電方法有利于提高蓄電池的壽命。（5）快速充電快速充電一般是使電流以脈沖方式輸給蓄電池，并隨著充電時間的延續(xù)，蓄電池有一個瞬時間的大電流放電，使其電極去極化。它能在短時間內將蓄電池充足電，既不用恒流大電流充電，也不用較高的恒定電壓。長時間高恒流和高恒壓充電都會導致蓄電池很快升溫，損傷電極和浪費電能。快速充電是目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中充電的主要模式之（6）智能充電智能

17、充電是一種動態(tài)自動踉蹤蓄電池可接受的充電電流，從而使得充電電流與蓄電池內部極化電流保持一致的充電方式，也是被稱為最小損耗的充電模式。智能充電系統(tǒng)是由充電器與被充電蓄電池組成的二元環(huán)回路，充電器可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)及時地確定充電參數(shù)，使充電電流自始至終處在蓄電池可接受的充電電流曲線附近，（蓄電池可接受充電電流曲線如圖4.8所示）從而使蓄電池幾乎在無氣體析出的條件下充電，做到既節(jié)約用電又對蓄電池無損傷。該充電方式的前提必須是已知蓄電池可接受充電電流的曲線。智能充電是光伏發(fā)電系統(tǒng)中充電技術最具潛力的方向。4.2 蓄電池分類及工作原理常用蓄電池按照電解質不同一般分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類。凡是以

18、呈酸性水溶液作為電解質的蓄電池統(tǒng)稱為酸性蓄電池，其中最為典型的是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池又可分為防酸隔爆鉛酸蓄電池和閥控式密封鉛酸蓄電池；而以KOH、NaOH水溶液為電解質的蓄電池稱之為堿性蓄電池，包栝鐵鎳、鎘鎳、氫鎳、氫化物鎳以及鋅銀蓄電池等。本節(jié)主要以閥控式密封鉛酸蓄電池為例來說明酸性蓄電池的結構和工作原理；而以鎳氫蓄電池為例來說明堿性蓄電池的結構和工作原理。4.2.1 酸性蓄電池的結構和工作原理在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，目前最受歡迎的是免維護鉛酸蓄電池，正規(guī)名稱叫閥控式密封鉛酸蓄電池，闊控式鉛酸蓄電池的英文名稱為Valve Regulated Lead Battery（簡稱VRLB電池）。該電池的

19、特點是使用期間不用加酸加水維護，電池為密封結構，不會漏酸，也不會排酸霧，電池蓋子上設有單向排氣閥（安全閥），該閥的作用是當電池內部氣體量超過一定值時，排氣閥自動打開，排除氣體，然后關閉氣閥，防止空氣進入電池內部。其結構如圖4.9所示：免維護鉛酸蓄電池的工作原理為：放電化學反應：Pb02 + 2H2SO4 + Pb = 2PbSO4 + 2H2O (4.5)從放電反應式可以看出，隨著蓄電池放電，硫酸逐漸消耗掉。充電化學反應：2PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4 + Pb (4.6)從充電反應式可以看出，隨著蓄電池充電,，原來被消耗的硫酸復原了。以上化學反應為可逆的，即放電時

20、金屬鉛、二氧化鉛和硫酸發(fā)生反應生成硫酸鉛和水，充電時硫酸鉛和水在電場作用下還原為金屬鉛、二氧化鉛和硫酸；當蓄電池通過太陽能光伏控制器接到太陽能電池板上，在太陽電池電場作用下，發(fā)生充電化學反應，電池內部電解形成的帶電離子，分別向蓄電池正負極板堆積，隨著電荷堆積越來越多，蓄電池電壓逐漸升高，蓄電池將太陽能電池板從太陽光轉化來的電量儲存起來；當蓄電池通過陽能光伏控制器接到負載（太陽能燈具光源）上，蓄電池將儲存的電量放出，同時發(fā)生放電化學反應，蓄電池電壓逐漸降低。4.2.2 堿性蓄電池的結構和工作原理鎳氫蓄電池正極的活性物質為NiOOH（放電時）和Ni(OH)2（充電時），負極板的活性物質為H2（放電

21、時），H2O（充電時），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，電化學反應如下：從方程式可以看出：充電時，正極由氫氧化亞鎳變成氫氣化鎳（NiOOH）和氧氣，負極析出的氫氣儲存在容器中；放電時氫氣在負極被消耗，而正極由氫氧化鎳轉變成氫氧化亞鎳。鎳氫蓄電池與同體積的鎳鎘蓄電池相比，容懂增加一倍，并且充放電循環(huán)次數(shù)達500 次后，鎳氫蓄電池的容量無明顯減小。鎳氫蓄電池具有較好的低溫放電特性，自放電率低：充足電后常溫放置28天，蓄電池容量仍然保持在標稱容量的75%85%之間。循環(huán)次數(shù)高：其充放電次數(shù)可達到1000次，無污染，無記憶效應，被稱為綠色蓄電池，使用極其方便，為光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先推薦的蓄電池種類。4.2

22、.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用的其他電池除了常規(guī)的酸堿蓄電池之外，一些新型的儲能電池以它們獨特的優(yōu)勢在光伏發(fā)電系統(tǒng)中不斷地涌現(xiàn)出來，譬如鋰離子電池、燃料蓄電池等等。1. 鋰離子電池光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用充放電的二次鋰離子電池與現(xiàn)有的可充放電電池（鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池）相比，在能量密度上占有明顯的優(yōu)勢，目前能量密度可高達170180W.h/kg，是Cd/Ni電池的4倍，MH/Ni電池的2倍，鋰離子電池的高工作電壓（3.6V）使其相當于3節(jié)鎳鎘蓄電池或金屬氫化物鎳電池的串聯(lián)，有利于電源的小型化、輕量化。同時，鋰離子電池具有自放電率低（一般月自放電率小于6%）、循環(huán)壽命長、對環(huán)境友好、沒有污染，是一種

23、真正的綠色能源，但是價格比較昂貴，所以在廣泛使用上受到一定的限制。目前商品化的鋰離子電池采用LiGoO2做正極，其工作原理為：充電時鋰離子從正極材料中脫出，在電化學勢梯度的趨勢下經由電解液向負極遷移，同時電子在外電路從正極流向負極，到達負極后得到電子的鋰離子接著向負極晶格中嵌入；放電過程則與之相反，如圖4.10所示。2. 燃料蓄電池燃料蓄電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置。這種裝置的最大特點是反應過程中不涉及燃燒，因此其能量轉換效率不遵守“卡諾循環(huán)”的限制，大部分的燃料蓄電池的效率高達50%60% ，通過對余熱的二次利用，總效率可高達80%85%，作為動力源，其實際能源

24、利用效率是普通內燃機的23倍。4.3 蓄電池充放電特牲在生產過程中，蓄電池會出現(xiàn)電壓過低或者過高、極板腐蝕、熱失控、容量下降等現(xiàn)象，掌握和應用好蓄電池的充放電特性是光伏發(fā)電系統(tǒng)應用的基礎。由于鉛酸蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的普遍應用，本節(jié)重點介紹鉛酸蓄電池的充放電原理和特性。4.3.1鉛睡蓄電池充放電原理鉛酸蓄電池充電時將電能轉化為化學能儲存在電池內部，而放電時則將化學能轉化為電能供給外部用電系統(tǒng)，其電化學反應方程式如下：從上面反應方程可以看出，充電過程存在水分解反應，正極充電到70%時開始析出氧氣，而負極充電到90%時開始析出氫氣，如果反應析出的氫氧氣不能重新復合再利用，則電池會失水干涸。1.

25、充電過程在外加電源的作用下，正負離子各向兩極遷移，從而產生電流。在充電電流的作用下，水分子（H2O）被分解為氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-），（H+）在外電場的作用下，（H+）向負極遷移而（OH-）則向正極遷移，與此同時，正負極板的硫酸鉛亦發(fā)生分解正極板上的Pb2+在外電場作用下釋放出電子而形成Pb4+，Pb4+與正極板附近的OH-反應成Pb(OH)4，生成的Pb(OH)4又被分解為和水，如下：生成的PbO2依附在正極板上，同時負極板上的Pb2+和正極板上Pb2+輸送來的電子復合還原為Pb；電解質中H+和SO42-結合生成H2SO4。即整個充電過程為：充電過程中，正極板上的PbSO4逐漸轉

26、化為PbO2；而負極板上的PbSO4逐漸轉化為Pb。同時電解質溶液中的H2SO4逐漸增加，而水分子逐漸減少，從而導致電解質溶液的濃度升高，端電壓增加，蓄電池的能量也隨之增加。2. 放電過程放電過程中，電解質發(fā)生電解如下所示：在蓄電池內部，正離子H+通過溶液向正極遷移，負離子SO42-以相反方向向負極遷移。在蓄電池外部，負極上的負電荷源源不斷地從負極流向正極，整個系統(tǒng)形成一個回路。同時，在蓄電池負極上發(fā)生氧化反應，如下所示：蓄電池正極上發(fā)生還原反應，反應式為：由于正極上的還原反應，正極板電極電位逐漸降低，同時負極板上的氧化反應促使電極電位的升髙，所以導致了蓄電池電動勢的降低。另外，電解質溶液H2

27、SO4逐漸電解成水，引起了電解質溶液比重的下降，導致蓄電池容量的減小。4.3.2 過充過放現(xiàn)象“過充”就是過量給蓄電池充電而產生的一種對蓄電池化學和物理性能起破壞作用的現(xiàn)象。“過充”主要是整流器的原因，如果蓄電池中的整流器轉換性能被破壞或者調整不當，長期得不到修復或者修正，易導致電池長期處于過充狀態(tài)，從而失水嚴重、壽命縮短或發(fā)生熱失控及膨脹等問題。另外，鉛酸蓄電池一個重要保護措施是電池放電至一定的電壓后就應該停止放電。如果保護措施失效，則電池放電電壓過低，會造成電池容量難以修復，長期如此，電池壽命將大大縮短，嚴重時會導致電池失效。為了有效地防止過充過放現(xiàn)象，必須對蓄電池的充放電過程進行有效的控

28、制，將在本章的第四節(jié)詳細說明各種控制方法。4.3.3充放電中電流規(guī)律如果蓄電池始終按照可接受的電流進行充電，那么在任何時間t內，存儲于蓄電池內的電荷量Q是充電電流從時間0到時間t曲線下的積分，如下式所示：可以看出，充電結束時充入的電荷量也是原來蓄電池放出的電荷量。Q=I0/a，即a = I0/Q。被稱為電流接受比，是充電初始電流I0與待充入電荷量之比，是一個重要參數(shù)。a值越大則初始充電電流越大，充電速度越快。如果充電電流始終按照可接受的值變化，那么a值將維持不變，充電將始終維持其實際可接受的充電電流，此為最佳充電狀態(tài)。鉛酸蓄電池充電過程中受3個基本規(guī)律支配（1）第一定律對于任意大小的放電量，蓄

29、電池充電電流接受比與放電電流的對數(shù)是成正比的，即：Idis為放電電流；K，k為常數(shù)。I0=Qa，得第一定律也可以表示為：由該式可得，蓄電池接受充電電流的能力與蓄電池的放電電流有關，放電電流越大，則蓄電池可接受充電電流的能力也越大。（2）第二定律對于任意給定的放電電流，蓄電池電流接受比a與蓄電池的放電容量c的平方根成反比，即：該式表示，蓄電池可接受的初始充電電流I0與蓄電池的容量有關，蓄電池容量越大，蓄電池可接受的初始充電電流越大。（3）第三定律電流的可加性原則，蓄電池各個階段以不同的放電率放電后，可接受的充電電流是各個放電率的可接受充電電流的總和，即：as為總充電電流接受比；Is為總的可接受充

30、電電流；Qs為蓄電池放出的總容量。以上3個基本規(guī)律為蓄電池的充放電莫定了理論基礎，揭示了充電電流與放電量之間的內在關系，指明了在充電過程中實施恰當深度的放電是提高充電電流可接受比的有效途徑，從而有效地縮短充電時間，加快充電進程。4.3.4充放電中的極化過程從圖4.8中看出，蓄電池固有的可接受充電電流總是以一定比率衰減，如果能盡可能的維持初始充電電流的時間，在額定的充電電量的前提下，可以縮短總充電時間。事實上影響蓄電池充電速度和充電電流的主要因素是充電過程中的極化現(xiàn)象。在蓄電池的化學反應中，這種電動勢超過勢力學平衡值的現(xiàn)象，稱之為極化現(xiàn)象。極化現(xiàn)象的產生主要歸結為以下兩個方面的原因。1. 濃差極

31、化當蓄電池不接負載時，電化學體系處于平衡狀態(tài)，電解質溶液的濃度分布各處均勻；當蓄電池接上負載，其內部發(fā)生了變化。隨著電極化學反應的進行，電極表面的反應物不斷減少而生成物不斷增加，為了維持平衡，反應物能及時補充而生成物應該及時離去。然而實際上生成物和反應物的擴散遷移速率遠遠趕不上化學反應的速度，也就造成了電極表面到中部溶液電解質容度的不均勻。該現(xiàn)象為濃差極化。為了有效地防止充電時產生濃差極化，最好的辦法是在充電過程中始終保持對電解液的攪拌，促使粒子遷移的速度與化學反應的速度相同。2. 電化學極化電極反應總是分若干步進行，若其中一步反應較慢，反應較慢的過程需要較髙的活化能，為了使電極反應順利進行，

32、所額外施加的電壓稱為電化學超電勢(亦稱為活化超電勢），這種極化現(xiàn)象稱為電化學極化。根據(jù)法拉第定律，若通過電解質的電流強度為I，不論是正極板還是負極板，發(fā)生氧化還原反應的物質摩爾數(shù)均為：若以dm/dt表示電極反應速度V，則：m為物質摩爾數(shù)，n、F為比率常數(shù)，從上式可以看出，電極反應速度V與充電電流成正比，電流越大，電極化學反應越快，從而加劇了濃差極化和電化學極化，整個反應將無法進行，形成惡性循環(huán)。3. 歐姆極化蓄電池充電過程中，內部的正、負離子各向兩極遷移。由于離子間的碰撞，從而使離子在遷移過程中不可避免地受到一些阻力，該阻力稱之為歐姆內阻。為了克服阻力就必須額外增加一定的電壓。如果兩極間內阻為

33、尺，所對應的額外電壓為IR。額外電壓向環(huán)境散發(fā)熱童為I2R，該現(xiàn)象稱之為歐姆極化。歐姆極化隨著電流的增大而加劇，導致蓄電池充電過程中溫度的升高。4.4 蓄電池充放電控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量系統(tǒng)為太陽能電池陣列和蓄電池組的復合系統(tǒng)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究中，蓄電池的壽命是制約系統(tǒng)利用效率的瓶頸。為了更好地發(fā)揮蓄電池的性能，為實現(xiàn)設定的充電模式，必須對充電過程進行控制。充電控制主要包括充電程度判斷、從放電狀態(tài)到充電狀態(tài)的自動轉換、充電各階段模式的自動轉換及停充控制等方面。4.4.1 蓄電池充電過程中常見的幾個問題1. 鉛酸蓄電池的不一致性與均衡充電蓄電池的不一致性是指同一型號規(guī)格蓄電池的電壓、電阻、容

34、量等參數(shù)存在差別。組成蓄電池組的各蓄電池參數(shù)的不一致性，會使蓄電池組中容量低的蓄電池更容易過充電或者過放電，從而使蓄電池組的極板硫化加劇、蓄電池容量差距進一步擴大。這不僅會縮短蓄電池的使用壽命，還會因為蓄電池極板硫化而使其內阻增大、有效活性物質減小，從而使蓄電池組充放電能量轉換效率、輸出功率下降，使蓄電池性能狀態(tài)迅速惡化而過早報廢。改善該缺點可以采取基于消除蓄電池極板硫化的均衡充電，對容量低的蓄電池進行適當?shù)摹斑^充電”來減小或消除其極板硫化，以恢復其容量，并使其他蓄電池能充電至“充足電”的狀態(tài)，來實現(xiàn)各蓄電池性能參數(shù)不擴大并趨于一致的目的。2. 放電對蓄電池性能的影響為了防止蓄電池的記憶效應（

35、所謂記憶效應是電池因為使用而使電池內部物質產生結晶的一種效應，產生的原因是電池重復的充電或放電不完全所致），在充電器設計中需要加入放電環(huán)節(jié)，對放電深度不夠的蓄電池先放電至一定程度再開始重新充電。蓄電池放電深度越大，蓄電池放出的電量越多，蓄電池可接受的充電電流越小，會減慢蓄電池的充電速度，所以為了加快蓄電池的充電進度,應避免蓄電池的深度放電。蓄電池放電電流越大，再充電時可接受的初始充電電流數(shù)值也越大，充電速度加快；但是大電流充電會產生大量的熱量，引起溫度上升，因而放電電流不宜過大。3. 快速充電及極化快速充電是快速提高蓄電池儲能速度的有效方法，但是快速充電會引起蓄電池的極化現(xiàn)象，造成蓄電池極板活

36、性物質脫落，直至損壞蓄電池。蓄電池極化現(xiàn)象嚴重阻礙化學反應的進行，導致電池的不可逆反應，進而縮短電池壽命。因此快速充電與提高蓄電池壽命是一對矛盾。所以消除極化現(xiàn)象是快速安全充電技術的關鍵所在。目前消除極化現(xiàn)象主要采取以下幾種方法。（1）強制消除。強制消除，是在大電流充電過程中，強制電流反向。即在蓄電池的充電過程中實施瞬時的一定深度的放電。該過程中，蓄電池正負極板上尚未參加化學反應的多余電荷各自向著與原來充電相反的方向運動，極板上原來積累的多余電荷會迅速減少，減弱或者消除了電池的電化學極化。同時，放電過程中，正負離子向著與原來充電相反的方向運動，起到攪拌電解質的作用，這可以有效地控制濃差極化；而

37、且在放電過程中蓄電池將一部分因歐姆極化產生的熱量轉移到負載上，這可以有效地控制蓄電池的溫度。（2）自然消除。在大電流充電過程中，讓蓄電池瞬時停止充電，歐姆極化將迅速消失，同時，對由于電荷運動、離子遷移和化學反應速度引起的差異、極化起到緩沖作用。（3）反饋控制。抑制出氣與溫升是蓄電池快速充電要解決的兩大主要問題。實踐表明，兩者均與充電過程中產生的端電壓有很大關系。在消除極化的前提下，單個蓄電池電壓達到2.3V以前，析出氣量和溫升并不明顯。因此，通過檢測蓄電池在充電過程中所產生的端電壓，并以此作為反饋指令來控制充電電流的大小。4.4.2蓄電池的充放電控制技術在實際光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池中，為了實現(xiàn)設

38、定的充電模式，必須對充電過程進行控制，掌握正確的充電控制方法，有利于提高蓄電池充電效率和使用壽命。1. 充電過程的階段劃分充電過程一般分為主充、均充和浮充3個階段。充電末期主要是以恒小電流長時間充電的涓流充電為主。（充電倍率小于0.1C吋，稱為涓流充電。）主充一般是快速充電，如二階段充電、變流間歇式充電和脈沖式充電都是現(xiàn)階段常見的主充模式。慢充模式主要是低充電電流的恒流充電模式。所謂均充就是均衡電池特性的充電，是指在電池的使用過程中，因為電池的個體差異、溫度差異等原因造成電池端電壓不平衡，為了避免這種不平衡趨勢的惡化，需要提高電池組的充電電壓，對電池進行活化充電。為了保護蓄電池不過充，在蓄電池

39、快速充電至80%90%容量后，一般采用浮充模式（即恒壓充電），以適應充電后期蓄電池可接受充電電流的減小。當浮充電壓值與蓄電池端電壓相等時便會自動停充，為了防止可能出現(xiàn)的蓄電池充電不足，在此之后可以加上涓流充電，使已基本充足電的蓄電池極板內部較多的活性物質參加化學反應，使得充電比較徹底。2. 充電程度判斷蓄電池進行充電時，必須隨時判斷蓄電池的充電程度，以便控制充電電流大小。目前充電程度的判斷方法主要有：（1）蓄電池實際容量值的檢測。通過檢測實際容量值與額定容量值進行比較，從而判定蓄電池的充電程度。（2）檢測蓄電池端電壓。當蓄電池端電壓與其額定值相差比較大時，說明處于充電初期；當兩者相差很小時，說

40、明充電過程已快完成。3. 充電各階段的自動轉換目前常用的充電各階段的自動轉換方法有：（1）時間控制，即預先設定各階段的充電時間，由時間繼電器或CPU來控制轉換時刻。（2）設定轉換點的充電電流或蓄電池端電壓值，當實際電流或電壓值達到設定值時, 即自動轉換。（3）采用積分電路在線檢測蓄電池的容量，當容量達到一定數(shù)值時，則發(fā)信號改變充電電流的大小。以上3種自動轉換方法，各有優(yōu)勢。時間控制比較簡單，但是該方法缺乏來自蓄電池的實時信息，控制比較粗略；容量監(jiān)控方法控制電路比較復雜，但是控制精度明顯增高。4. 停充控制當蓄電池充足電時，必須適時地切斷充電電源，否則將造成蓄電池的過充，出現(xiàn)大量析氣、失水和升溫

41、等反應，嚴重危及蓄電池的便用壽命。主要的停充控制方法有：（1）定時控制采用恒流充電時，蓄電池所需要的充電時間可根據(jù)蓄電池容量和充電電流的大小來確定，因此只需要預先設定好充電時間，時間一到，定時器即可發(fā)出信號停充或者降為涓流充電(通常當電池接近充滿時，控制電路會自動轉換為涓流充電。涓流充電時能把電池充的很足，但是涓流充電時間實在太長，因此很少單獨使用，總是與其他充電方式一起使用）。這種方法簡單，但是充電時間不能根據(jù)蓄電池充電前的狀態(tài)自動調整，所以可能會出現(xiàn)欠充或者總是處于充電過程的現(xiàn)象。（2）溫度控制正常充電時，蓄電池的溫度變化并不明顯，但是當蓄電池過充時，其內部氣體壓力將明顯增大，負極板上氧化反應使內部發(fā)熱，溫度迅速上