蓄電池充放電原理及其相關(guān)知識點

1、1蓄電池的發(fā)展背景在全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的背景下，電力儲能在基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)和電動汽車中發(fā)揮著越來越重要的作用。要大力發(fā)展新能源，儲能技術(shù)是關(guān)鍵。儲能技術(shù)引起了各國的重視，并得到了廣泛的關(guān)注。我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，給蓄電池行業(yè)帶來空前的機(jī)遇。汽車業(yè)“十二五”規(guī)劃的提出，在未來五年里，國家將大力扶持傳統(tǒng)燃料的節(jié)能環(huán)保汽車、以純電動車為主的新能源汽車。十二五計劃提出，一是要大力發(fā)展新興能源產(chǎn)業(yè)，加快核電建設(shè)，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能，改善城鄉(xiāng)居民的用電條件，加強(qiáng)廣大農(nóng)村地區(qū)的能源建設(shè)。在第三次中美戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)對話上，中美雙方就能源合作達(dá)成了多項共識，將深入開展清潔能源的生產(chǎn)和

2、存儲、智能電網(wǎng)技術(shù)、大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)以及高效能源解決方案等方面的務(wù)實合作。這一合作的建立，意味這中國相關(guān)企業(yè)將有可能打開美國能源市場。中美新能源合作帶來大機(jī)遇，蓄電池行業(yè)潛力大。2蓄電池的基本概念 （1）蓄電池定義： 蓄電池(Storage Battery)是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置，是按可再充電設(shè)計的電池，通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)再充電，通常是指鉛酸蓄電池，它是電池中的一種，屬于二次電池。它的工作原理：充電時利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學(xué)能，需要放電時再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出，比如生活中常用的手機(jī)電池等。它用填滿海綿狀鉛的鉛基板柵（又稱格子體）作負(fù)極，填滿二氧化鉛的

3、鉛基板柵作正極，并用密度1.26-1.33g/mlg/ml的稀硫酸作電解質(zhì)。電池在放電時，金屬鉛是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發(fā)生還原反應(yīng)，生成硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成單質(zhì)鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復(fù)到放電前的狀態(tài)，組成化學(xué)電池。鉛蓄電池是能反復(fù)充電、放電，它的單體電壓是2V，電池是由一個或多個單體構(gòu)成的電池組，簡稱蓄電池，最常見的是6V、12V蓄電池，其它還有2V、4V、8V、24V蓄電池。如汽車上用的蓄電池（俗稱電瓶）是6個鉛蓄電池串聯(lián)成12V的電池組。對于傳統(tǒng)的干荷鉛蓄電池（如汽車干荷電池、摩托車干荷電池等）在使用一段時間后要補充蒸餾水，使稀硫

4、酸電解液保持1.28g/ml左右的密度；其使用直到壽命終止都不再需要添加蒸餾水。 （2）電池電壓： a 開路電壓：電池在開路狀態(tài)下的端電壓。 b 工作電壓：電池接通負(fù)荷后在放電過程中顯示的電壓。工作電壓與放電條件有關(guān)，放電電流越大，工作電壓越低；溫度越低，工作電壓越低。 （3）電池的容量：通常電源設(shè)備的容量用Kv·A或kW來表示。然而，作為電源的VRLA電池，選用安時（A·h）表示其容量則更為準(zhǔn)確，蓄電池容量定義為t0tdt，理論上t可以趨于無窮，但實際上當(dāng)電池放電低于終止電壓明仍繼續(xù)放電，這可能損壞電池，故t值有限制，電池行業(yè)中，以小時（h）表示電池的可持續(xù)放電時間，覺的

5、有C24、C20、C10、C8、C3、C1等標(biāo)稱容量值。小電池的標(biāo)稱容量以毫安時（mA·h）計，大電池的標(biāo)稱容量則以安時（A·h）、千安時（kA·h）計，電信工業(yè)常取C10、C8等標(biāo)稱容量值。例如，常見的Deka電池12AVR100SH為12V單體，100 A·h容量，即可持續(xù)放電10h，電流為10A,共放出安時數(shù)為10*10=100 A·h（實際測試中，為使電流值保持恒穩(wěn)，當(dāng)電壓變化時，應(yīng)調(diào)整外電路負(fù)載，以便計量）a 電池的理論容量：活性物質(zhì)按法拉第定律而得的最高理論值。例如鉛酸蓄電池的電化當(dāng)量對于Pb，4價為0.517 A·h/g

6、，2價為0.259 A·h/g，對于Pb02，4價為0.488 A·h/g，2價為0.224 A·h/g 。 b 電池的實際容量：電池在一定條件下所能輸出的電量，它等于放電電流與放電電流時間的成績。實際容量取決于活性物質(zhì)的量及利用率，活性物質(zhì)與鉛板相關(guān)，但并不等同于鉛重量，利用蓄與蓄電池極板的結(jié)構(gòu)形式、放電電流的大小、溫度、終止電壓、原材料質(zhì)量及制造工藝、技術(shù)和使用方法有關(guān)，而且是變化的，當(dāng)今，已知單塊極板最大容量為100 A·h/2V。c 電池的額定容量：又稱為標(biāo)稱容量，是按國家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定條件下的最低限度的容量，例如，97 A

7、·h電池標(biāo)稱100 A·h，而有些廠家的電池則是在使用幾個循環(huán)之后，實際容量達(dá)到或超出標(biāo)稱容量。 正常情況下，三者的關(guān)系是：理論容量>實際容量>額定容量 （4）電池的內(nèi)阻： 電流通過電池的內(nèi)部時受到阻力，使電池的電壓降低。電池的內(nèi)阻不是常數(shù)，因為活性物質(zhì)的組成、電解液溫度和濃度都在不斷的變化。內(nèi)阻可分為歐姆內(nèi)阻和極化阻，歐姆內(nèi)阻符合歐姆定律；極化內(nèi)阻隨著放電流的增大而增大，但不是直線關(guān)系而是對數(shù)關(guān)系。 （5）充放電： a 充電：蓄電池從其化直流電源（如充電器）獲得電能電做充電。 b 放電：蓄電池對外電路輸出電能時叫做放電。 c 浮充放電：蓄電池和其他直流電源并聯(lián)

8、，對外電路輸出電能叫做浮充放電，有不間斷供電要求的設(shè)備，起備用電源作用的蓄電池都處于該種放電狀態(tài)。 （6）放電率： 放電率表示蓄電池放電電流大小，分為時間率和電流率，放電時間率指在一定放電槍兵上蓄電池放電至放電終止電壓的時間長短，例如在25環(huán)境下如果蓄電池以電流It放電至放電終止電壓的時間為t這一放電過程稱為t小時率，放電It稱為t小時率放電電流，IEC標(biāo)準(zhǔn)，放電時間率有20、10、5、3、1、0.5小時率及分鐘率，放電電流率是為了比較額定容量不同的蓄電池電流大小而設(shè)立的，t小時率放電電流以It表示，通常以10小時率電流為標(biāo)準(zhǔn)I10表示。a 自由放電率：由于電池的局部作用造成的電池容量的消耗，

9、容量損失與擱置之前的容量之比，叫做蓄電池的自由放電率。 （7）放電終止電壓：在25環(huán)境溫度下以一定的放電率放電至能再反復(fù)充電使用的最低電壓稱為放電終止電壓，一般10小時率蓄電池單體放電終止電壓為1.8V,3小時率蓄電池單體放電終止電壓為1.8V，1小時率芳電池單體放電終止電壓為1.75V。 （8）電量效率：是指輸出電量與輸入電量之間的比叫做電池的電量效率，也叫做安時效率。 （9）使用壽命：蓄電池每充電、放電一次，叫做一次充放電循環(huán)，蓄電池在保持輸出一定的容量的情況下所能進(jìn)行的充放電循環(huán)次數(shù)，叫做蓄電池的使用壽命。3 蓄電池的種類蓄電池的種類大致可以為：鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子

10、電池、鎳鎘電池、鈉硫蓄電池、鎳鋅蓄電池、鋅空氣蓄電池、飛輪電池。 （1）鉛酸蓄電池：鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史最久用于最廣泛的一種電池，廣泛用用于內(nèi)燃機(jī)汽車的起動動力源。它也是成熟的電動汽車蓄電池，它可靠性好、原材料易得、價格便宜；比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但它也存在很大的缺點；一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，使用成本過高；屬于強(qiáng)酸型，污染嚴(yán)重。（2）鎳氫蓄電池：鎳氫蓄電池屬于堿性電池，鎳氫蓄電池循環(huán)使用壽命較長，無記憶效應(yīng)，但價格較高。它的初期購置成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長期的實際使用成本并不高。目前國外生

11、產(chǎn)電動汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovonie、豐田和松下的一個合資公司。Ovonie現(xiàn)有80Ah和130Ah兩種單元電池，其比能量達(dá)7580Wh/kg，循環(huán)使用壽命超過600次。這種蓄電池裝在幾種電動汽車上試用，其中一類車一次充電可行駛345km，有一輛車一年中行駛了8萬多公里。由于價格較高，目前尚未大批量生產(chǎn)。國內(nèi)已開發(fā)出55Ah和100Ah 單元電池，比能量達(dá)65 Wh/kg，功率密度大于800W/kg的鎳氫蓄電池。（3）鋰離子電池：鋰離子二次電池作為新型高電壓、高能量密度的可充電電池，其獨特的物理和電化學(xué)性能，具有廣泛的民用（如手機(jī)電池）和國防應(yīng)用的前景。其突出的特點是：重量輕、儲能大、

12、無污染、無記憶效應(yīng)、使用壽命長。在同體積重量情況下，鋰電池的蓄電能力是鎳氫電池的1.6倍，是鎳鎘電池的4倍，并且目前人類只開發(fā)利用了其理論電量的20%30%，開發(fā)前景非常光明。同時它是一種真正的綠色環(huán)保電池，不會對環(huán)境造成污染，是目前最佳的能應(yīng)用到電動車上的電池。（4） 鎳鎘電池：鎳鎘電池的應(yīng)用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池，其比能量可達(dá)55Wh/kg，比功率超過190W/kg?？煽焖俪潆?，循環(huán)使用壽命較長，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達(dá)到2000多次，但價格為鉛酸蓄電池的45倍。它的初期購置成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長期的實際使用成本并不高。缺點是有“記憶效應(yīng)”，容易因為充放

13、電不良而導(dǎo)致電池可用容量減小。須在使用十次左右后，作一次完全充放電，如果已經(jīng)有了“記憶效應(yīng)”，應(yīng)連續(xù)作35次完全充放電，以釋放記憶。另外鎘有毒，使用中要注意做好回收工作，以免鎘造成環(huán)境污染。 （5）鈉硫蓄電池：鈉硫電池的優(yōu)點：一個是比能量高。其理論比能量為760Wh/kg，實際已大于100Wh/kg，是鉛酸電池的34倍；另一個是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達(dá)200300mA/mm2,并瞬時間可放出其3倍的固有能量；再一個是充放電效率高。由于采用固體電解質(zhì)，所以沒有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾乎100。鈉硫電池缺點，主要其工作溫度在300350，

14、所以，電池工作時需要一定的加熱保溫。而高溫腐蝕嚴(yán)重，電池壽命較短。現(xiàn)在已有采用高性能的真空絕熱保溫技術(shù)，可有效地解決這一問題。也有性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問題。在8090年代，國外重點發(fā)展鈉硫電池作為固定場合下（如電站儲能）應(yīng)用，并越來越顯示其優(yōu)越性。  （6）鎳鋅蓄電池：新型密封鎳鋅電池具有高質(zhì)量能、高質(zhì)量功率和大電流放電的優(yōu)勢。這種優(yōu)勢使得鎳鋅電池能夠滿足電動車輛在一次充電行程、爬坡和加速等方面對能量的需求。鎳鋅電池是美國國家能源研究公司(ERC)開發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)品，廈門電池總廠已與其合作引進(jìn)此產(chǎn)品。鎳鋅電池是極具競爭力的電池。其優(yōu)點：是其比能量達(dá)到50Wh/k以上，體積能

15、量已超過鎳鎘電池，小于鎳氫電池。大電流放電，電池的電壓將在寬廣的范圍是平衡的，且具很長的使用壽命，循環(huán)壽命500次。充電時間3.5h，快速充電1h。特別值得一提的是自放電抗電荷量衰減性十分好，在室溫下一個月，自放電量不到30%額定電荷量。在50高溫，以C/3放電，電池電荷量衰減10%額定電荷量，而在15，C/3放電30%。鎳鋅電池與鉛酸電池外廓上具有很好的兼容性，凡現(xiàn)在應(yīng)用鉛酸電池的車輛，均可換用鎳鋅電池。從現(xiàn)在的價格看，鎳鋅還顯稍貴些，但相信待其應(yīng)用量上去后，價格自然會降下來。與鉛酸電池外形輪廓的兼容性，使鎳鋅電池更方便替代鉛酸電池而成為電動車?yán)硐雱恿﹄娫础?（7）鋅空氣蓄電池：鋅空氣電池又

16、稱鋅氧電池，是金屬空氣電池的一種。鋅空氣電池比能理論值是1350Wh/kg，現(xiàn)在的比能量已達(dá)到了230Wh/kg，幾乎是鉛酸電池的8倍?？梢婁\空氣電池的發(fā)展空間非常大。鋅空氣電池只能采取抽換鋅電極的辦法進(jìn)行“機(jī)械式充電”。更換電極的時間在3min即可完成。換上新的鋅電極，“充電”時間極短，非常方便。如此種電池得到發(fā)展，省去了充電站等社會保障設(shè)施的興建。鋅電極可在超市、電池經(jīng)營點、汽配商店等購買，對普及此電池電動車十分有利。這種電池具有體積小，電荷容量大，質(zhì)量小，能在寬廣的溫度范圍內(nèi)正常工作，且無腐蝕，工作安全可靠，成本低廉等優(yōu)點?，F(xiàn)在試驗電池的電荷容量僅是鉛酸電池的5倍，不甚理想。但5倍于鉛酸

17、電池的電荷量已引起了世人的關(guān)注，美國、墨西哥，新加坡及一些歐洲國家都已在郵政車、公共汽車、摩托車上進(jìn)行試用，也是一極有前途的電動車用電池。（8）飛輪電池：飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。當(dāng)飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲存電能，就很像標(biāo)準(zhǔn)電池。飛輪電池中有一個電機(jī)，充電時該電機(jī)以電動機(jī)形式運轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能；放電時，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機(jī)械能(動能)到電能的轉(zhuǎn)換。

18、當(dāng)飛輪電池出電的時，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電池的飛輪是在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高(200000r/min)，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能可達(dá)150Wh/kg，比功率達(dá)500010000W/kg，使用壽命長達(dá)25年，可供電動汽車行駛500萬公里。4 蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)汽車的起動動力源領(lǐng)域，現(xiàn)在我們將主要介紹鉛酸蓄電池的工作原理。 （1）構(gòu)成鉛蓄電池之主要成份如下： 陽極板（過氧化鉛.PbO2）-> 活性物質(zhì)； 陰極板（海綿狀鉛.Pb） -> 活性物質(zhì)； 電解液（稀硫酸） -> 硫酸（H2SO4） +蒸餾水（H2O）； 電池外

19、殼 、蓋（PP ABS阻燃）、隔離板 (AGM)、安全閥、正負(fù)極柱、正負(fù)極柱等。 （2）化學(xué)原理： 化學(xué)反應(yīng)方程式如下： 總反應(yīng)：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l) 放電時：負(fù) Pb(s)-2e-+SO42-(aq)=PbSO4(s) 正 PbO2(s)+2e-+SO42-(aq)+4H+(aq)=PbSO4(s)+2H2O(l) 充電時（電解池） ： 陰極 PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq) 陽極 PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=Pbo2(s)+SO42-(aq)+4H+(a 注（充電時陰極為放電時負(fù)極） （3）

20、鉛酸蓄電池電動勢的產(chǎn)生:鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛(PbO2)，在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛(Pb(OH)4 )，氫氧根離子在溶液中，鉛離子(Pb4+ )留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛(Pb)，與電解液中的硫酸(H2SO4)發(fā)生反應(yīng)， 變成鉛離子(Pb2+)，離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的2個電子(2e)?？梢?，在未接通外電路時(電池開路)，由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。 （4）鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng): 鉛酸蓄電池放電時，在蓄電

21、池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流，同時在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個鉛原子放出兩個電子后，生成的鉛離子(Pb2+)與電解液中的硫酸根離子(SO42-)反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛(PbSO4 )。正極板的鉛離子(Pb4+ )得到來自負(fù)極的兩個電子(2e)后，變成二價鉛離子(Pb2+ )，與電解液中的硫酸根離子(S042-)反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛(PbSO4 )。正極板水解出的氧離子(O2-)與電解液中的氫離子(H+)反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續(xù)

22、放電。放電時H2SO4濃度不斷下降，正負(fù)極上的硫酸鉛(PbSO4)增加，電池內(nèi)阻增大(硫酸鉛不導(dǎo)電)，電解液濃度下降，電池電動勢降低。如圖1所示。 圖1：放電原理圖 圖2：充電原理圖 表1：充放電過程概述表 （4）鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng): 充電時，應(yīng)在外接一直流電源(充電極或整流器)，使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子(Pb2+)和硫酸根負(fù)離子(S042-)，由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價鉛離子(Pb2+ )不斷放出2個電子來補充，變成四價鉛離子(Pb )，

23、并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛(PbO2)。在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子(Pb2+)和硫酸根負(fù)離子(SO42-)，由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價鉛離子(Pbz+)被中和為鉛(Pb)，并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子(H+)和硫酸根離子(SO42-)，負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子(SO42-)，在電場的作用下，氫離子向負(fù)極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應(yīng)。如圖2所示。 （5）鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化: 鉛酸塹在充電時，在電能的作用下，轉(zhuǎn)化為PbO

24、2 、Pb和H2SO4也就是說充電是由電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。放電時，正極板接受了負(fù)極板送來的電子，鉛離子有正4  價變?yōu)檎?價。與硫酸根接觸生成難溶于水的 硫酸鉛，負(fù)極的鉛由于輸出2個電子，變成正2價。同樣也生成硫酸鉛。也就是說放電時，再由貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能。蓄電池在充電過程中，或在充電終了時，電極上會伴隨著水的分解反應(yīng)。其原因是因為鉛酸電池正極充電接受能力較差，一旦正極充電狀態(tài)達(dá)到70%時，氧氣開始在正極上析出。負(fù)極充電狀態(tài)超過90%時，氫氣在負(fù)極上析出。一般地講，正電極充電到額定電量的120%時。才能達(dá)到完全充電狀態(tài)，所以，鉛酸電池每次充電均會產(chǎn)

25、生水的分解反應(yīng)消耗水，因此定期補水維護(hù)不可避免。 （6）鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化: 鉛酸蓄電池放電時，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。鉛酸蓄電池充電時，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。在實際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。 （7）物理量聯(lián)系 電量與電壓的關(guān)系：蓄電池的剩余電量可通過測量蓄電池的電壓粗略地得出。車用12V鉛酸蓄電池電壓與剩余電量的關(guān)系見下表：電壓 (v)剩余電量12.7100%12.590%12.480%12.370%12.260%12.150%11.940%11.830%11.620%11.310%10.50

26、%內(nèi)阻與容量關(guān)系：蓄電池內(nèi)阻與容量之間的關(guān)系其中有兩種含義：一是電池內(nèi)阻跟額定容量的關(guān)系；二是同一型號電池的內(nèi)阻跟荷電態(tài)SOC的關(guān)系。十多年前人們曾經(jīng)試圖利用閥控密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻（或電導(dǎo)）的變化去在線檢測電池的容量和預(yù)測電池壽命，但卻未能如愿；人們對動力電池的大電流放電能力提出了越來越高的要求，這就要求盡可能降低電池內(nèi)阻，因而將進(jìn)一步探索和闡明一些常用蓄電池內(nèi)阻與容量之間的內(nèi)在關(guān)系。閥控密封鉛酸蓄電池當(dāng)前閥控密封鉛酸蓄電池已逐步取代開口式流動電解液鉛酸蓄電池，廣泛用于郵電通信電源、UPS、儲能電源系統(tǒng)等。動力型閥控密封鉛酸蓄電池不僅已廣泛用于電動助力車。這些領(lǐng)域都要求在線檢測蓄電池的荷電態(tài)蓄

27、電池的內(nèi)阻跟荷電態(tài)的關(guān)系：蓄電池的荷電態(tài)SOC指的是電池可以放出的容量跟其額定容量的比。這一數(shù)據(jù)對郵電通信電源系統(tǒng)和正在使用的動力電池組十分重要。1992年David Feder發(fā)表了用MIDTrONic Celltronand Midtron電導(dǎo)測試儀對閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）的測試和統(tǒng)計結(jié)果。由此有人提出對于在線使用的閥控密封鉛酸蓄電池，可以用測得的電導(dǎo)值去推測它們的剩余容量。雖然十多年前本人從客觀實際出發(fā)已多次對這一觀點提出了否定的看法，而后被眾多的同行專家所認(rèn)可。 （8）電流和溫度對蓄電池充放電特性的影響：從事光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)必然對鉛酸蓄電池充放電特性非常熟悉，但充放電

28、電流變化對蓄電池充放電特性的影響往往被忽略或重視不夠，然而恰恰就是系統(tǒng)中蓄電池充放 電電流的不斷變化和波動影響著充放電保護(hù)器的有效性。電流和溫度對蓄電池充電特性的影響： a鉛酸蓄電池充電特性 鉛酸蓄電池充電特性如圖3所示： 圖3鉛酸蓄電池充電特性 圖4 鉛酸蓄電池放電特性 由充電曲線可以看出，蓄電池充電過程有3個階段，初期（OA）電壓快速上升，中期(ABC)電壓緩慢上升，延續(xù)較長時間，C點開始為充電末期,電化學(xué)反應(yīng)接近結(jié)束,電壓開始迅速上升，接近D點時，負(fù)極析出氫氣，正極析出氧氣，水被分解。上述所有跡象表明D點電壓標(biāo)志著蓄電池已充滿電，應(yīng)立即停止充電，否則將給鉛酸蓄電池帶來損壞。b電流對蓄電池

29、充電特性的影響:圖3所示的鉛酸蓄電池的充電特性，將隨著充電電流的大小而改變，在同一溫度下，當(dāng)充電電流增大時，充電終了D點，電壓將升高，充電時間將縮短。反之，當(dāng)充電電流減小時，充電終了D點，電壓將下降，充電時間將延長。在光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里，蓄電池組的充電電流隨著日照強(qiáng)弱或風(fēng)力的大小時刻在改變。因此， 作為判據(jù)蓄電池充電終了的D點電壓也在變化。c溫度對蓄電池充電特性的影響：圖3所示的鉛酸蓄電池的充電特性， 將隨著電解液溫度變化而改變"在同一充電電流下!當(dāng)溫度下降時，充電終了D點電壓將升高，充電時間將縮短。反之，當(dāng)溫度上升時充電終了D點，電壓將下降，充電時間將延長。在光伏或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里

30、，蓄電池的電解液溫度有季節(jié)性的長周期變化，也有因受充電和放電影響的經(jīng)常性波動，因此作為判據(jù)蓄電池充電終了的D點電壓也在變化。電流和溫度對蓄電池放電特性的影響： a鉛酸蓄電池放電特性:鉛酸蓄電池放電特性如圖4所示：由放電曲線可以看出!，蓄電池放電過程有3個階段，開始OE階段電壓下降較快，中期EFG電壓緩慢下降，延續(xù)較長時間，G點后放電電壓急劇下降。其原因首先是酸濃度降低，引起電動勢降低，其次是活性物質(zhì)的不斷消耗，反應(yīng)面積減小，使極化不斷增加。此外由于硫酸鉛的不斷生成，使電池內(nèi)阻不斷增加。上述使放電電壓急劇下降的所有跡象表明G點電壓標(biāo)志著蓄電池已接近放電終了，應(yīng)立即停止放電,否則將給鉛酸蓄電池帶來

31、不可逆轉(zhuǎn)的損壞。b電流對蓄電池放電特性的影響：圖4所示的鉛酸蓄電池的放電特性，將隨著放電電流的大小而改變。在同一溫度下，當(dāng)放電電流增大時，放電終止G點，電壓將下降，放電時間將縮短；反之， 當(dāng)放電電流減小時，放電終止G點，電壓將升高，放電時間將延長。在光伏或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里，蓄電池組的放電電流將隨著系統(tǒng)負(fù)荷的大小經(jīng)常在改變， 因此作為判據(jù)蓄電池放電終止的G點電壓也在變化。c溫度對蓄電池放電特性的影響：圖4所示的鉛酸蓄電池的放電特性：將隨著電解液溫度變化而改變，在同一放電電流下，當(dāng)溫度下降時，放電終止G點，電壓將下降，放電時間將縮短；反之，當(dāng)溫度上升時，放電終止G點，電壓將升高，充電時間將延長。在光

32、伏或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里，蓄電池的電解液溫度有季節(jié)性的長周期變化，也有因受充放電影響的經(jīng)常性波動，因此作為判據(jù)蓄電池放電終了的G點電壓也在變化。 （9）蓄電池充放電保護(hù)技術(shù)分析：從前面對鉛酸蓄電池充放電特性的分析可知：欲實現(xiàn)對蓄電池合理而有效的保護(hù)，必須檢測蓄電池的端電壓( 充放電電流和電解液溫度3個參量。將依據(jù)檢測端電壓對蓄電池進(jìn)行保護(hù)的方法稱“電壓型” 蓄電池充放電保護(hù)法， 將檢測端電壓同時檢測充放電電流的方法稱為“電壓-電流型”蓄電池充放電保護(hù)法。 蓄電池充放電保護(hù)原理的基本依據(jù)：由電化學(xué)原理和國內(nèi)外發(fā)表的若干論文及專利可知，在一定的溫度和電解液密度范圍內(nèi)，鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)與電解液密度變化

33、呈線性關(guān)系，同時蓄電池電動勢又與電解液密度變化呈近似線性關(guān)系，這樣可以推斷鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)與其電動勢變化也具有近似線性關(guān)系。在光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，關(guān)注的是蓄電池的荷電狀態(tài)"并不要求準(zhǔn)確的測定蓄電池的荷電量，因此將荷電狀態(tài)與其電動勢變化具有近似線性關(guān)系的原理，用于對鉛酸蓄電池過充電和過放電保護(hù)"完全可以滿足工程上的要求?！半妷盒汀毙铍姵爻浞烹姳Ｗo(hù)器的缺點： “電壓型” 蓄電池充放電保護(hù)器必須測得靜置狀態(tài)下的蓄電池開路電壓值， 才能準(zhǔn)確地判斷蓄電池的荷電狀態(tài)，然而 這一要求在獨立運行的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中很難滿足，這是因為在光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池組經(jīng)常處

34、于充電或放電過程中由于受充電或放電電化學(xué)過程的影響，即便蓄電池出現(xiàn)短時的靜置狀態(tài)，其開路電壓值與真實的電動勢值也相差很多。通過實驗室測試觀察：依據(jù)充放電電流大小的不同" 蓄電池一般需靜置4到8小時后，其開路電壓值才近似于電動勢值?；谝陨侠碛桑豢紤]蓄電池充放電狀態(tài)的單純“電壓型”蓄電池充放電保護(hù)器，其充放電保護(hù)電壓閥值亦稱門限電壓$，很難設(shè)置得合理。當(dāng)然也不能有效地防止蓄電池過充電和過放電。 電壓-電流型" 充放電保護(hù)原理及優(yōu)點： 通過以上分析可知， 由于充放電電流的存在，使蓄電池端電壓產(chǎn)生了變化和波動，無法檢測到真實反映電動勢的開路端電壓值。為此，必須找出蓄電池在同一溫

35、度下，不同充放電電流的閉路端電壓值與開路端電壓值之間的相關(guān)關(guān)系。 掌握了這一相關(guān)關(guān)系后，可以通過檢測蓄電池的閉路端電壓值和充放電電流值判斷出開路端電壓值，即近似電動勢值，從而推斷出蓄電池的荷電狀態(tài)%蓄電池閉路端電壓值與開路端電壓值相關(guān)關(guān)系數(shù)據(jù)，可以通過對蓄電池進(jìn)行反復(fù)的充放電試驗取得。為實現(xiàn)“電壓-電流型”蓄電池保護(hù)原理，在新電路中必須設(shè)置兩個閥值點（門限）即判斷蓄電池充電或放電電流大小的電流閥值和判斷蓄電池過充電或過放電的電壓閥值， 相應(yīng)地在電路中還需增加一個電流比較器。完善的“電壓-電流型”蓄電池保護(hù)器還應(yīng)設(shè)置控制充電電流和放電電流大小的調(diào)整電路?！半妷?電流型”蓄電池充放電保護(hù)器的優(yōu)點是

36、" 在蓄電池工作過程中就可以判斷其其荷電狀態(tài)，從而確保了對鉛酸蓄電池過充電和過放電保護(hù)的有效性。（9）蓄電池充放電保護(hù)的溫度補償： 從前面的分析可知，電解液溫度變化對蓄電池過充電和過充放電保護(hù)效果的影響不容忽視。近年來，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用的蓄電池充放電保護(hù)器，多數(shù)都設(shè)置了基準(zhǔn)電壓的溫度補償電路，但是，在實際使用中有些充放電保護(hù)器的溫度補償功能不理想，甚至沒有起到應(yīng)有的作用。影響溫度補償效果的因素有溫度傳感器的選擇和設(shè)置，溫度補償電路的穩(wěn)定性，以及信號傳輸噪聲等。溫度傳感器的選擇和安裝溫度傳感器有多種類型，常用的如熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器等。在選擇時應(yīng)注意溫度傳感器的準(zhǔn)確度、

37、靈敏度、穩(wěn)定性和安裝固定的可靠性，溫度傳感器的安裝位置或溫度測量點的選擇十分重要。采樣點的溫度必須能反映電解液的溫度變化，有的充放電保護(hù)器以室內(nèi)溫度作為蓄電池溫度的參照點，這是不正確的!，這是因為電解液溫度不僅受環(huán)境溫度影響，同時還受蓄電池充放電化學(xué)反應(yīng)熱的影響。通常，溫度傳感器固定在蓄電池容器外表面比較適當(dāng)，這樣不僅能較好地反映電解液溫度的變化，而且便于安裝和固定。信號傳輸和噪聲這里的噪聲是泛指可引起信號畸變和誤差的干擾信號的統(tǒng)稱。溫度傳感器信號很弱，傳輸距離又比較遠(yuǎn)，任何微小的噪聲干擾都有可能使溫度信號畸變，而產(chǎn)生測量誤差和傳輸誤差。因此，必須評估溫度信號在傳輸過程中是否受到了噪聲干擾，其

38、中特別要注意共模干擾在信號傳輸過程中的影響。此外，在充放電保護(hù)器中，還要注意分析檢測及放大等電子線路接地點的安排與設(shè)置是否合理?；鶞?zhǔn)電壓的穩(wěn)定性由于基準(zhǔn)電壓是確定過充和過放電電壓閥值的參考電壓，該電壓的精確度和穩(wěn)定性極為重要。因此， 要選用高穩(wěn)定度和低溫度系數(shù)的穩(wěn)壓二極管或其他電壓基準(zhǔn)元件。此外，由基準(zhǔn)電壓變換為閥值電壓的線路和工藝設(shè)計也很重要，必須認(rèn)真仔細(xì)和充分地進(jìn)行基準(zhǔn)電壓的精密測量與環(huán)境試驗。在光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，標(biāo)稱電壓2V的鉛酸蓄電池放電前后，其電動勢最大變化范圍大約是180mV。 如果系統(tǒng)規(guī)定只允許蓄電池放出50%的荷電量，則電動勢變化范圍大約只有90mV。由此可知，在交直流

39、強(qiáng)電混合的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里，蓄電池充放電保護(hù)器在承載很強(qiáng)的直流電（千瓦級）的同時，還需要采集和處理很弱的毫伏級信號。鑒于蓄電池充放電保護(hù)器所處的工作條件和環(huán)境如此苛刻，對基準(zhǔn)電壓電路進(jìn)行認(rèn)真篩選和精心調(diào)試就顯得非常重要了。5 蓄電池的硫酸鹽化及其失效機(jī)理 （1）硫酸鹽化： 由于硫酸鉛在不同溫度、不同濃度硫酸介質(zhì)中溶解度的變化，使鉛酸蓄電池兩極上硫酸鉛晶粒變得粗大堅硬。其原因是長期擱置，不及時充電等。粗大晶粒的硫酸鉛在充電時很難通過溶解-沉積過程分別轉(zhuǎn)化成正極活性物質(zhì)二氧化鉛和負(fù)極活性物質(zhì)海綿狀金屬鉛，使蓄電池容量下降甚至損壞。 （2）蓄電池失效機(jī)理： 隨著蓄電池的使用次數(shù)增加，放電容量

40、不斷減小，由于人們對電池的使用要求不對，所以報廢標(biāo)準(zhǔn)也不相同。一般來講，正常使用電池，容量低于額定容量60%。即為報廢電池，需要維護(hù)或維修。由于電池的制造條件，使用方式有差別，最終導(dǎo)致電池報廢的原因也各不相同，但歸納起來的因素主要有以下五種： 溫度對蓄電池的影響： 蓄電池室環(huán)境溫度過高，極板腐蝕就會加劇，嚴(yán)重時可使電解液干涸、溶化甚至爆裂。在判定電池壽命與溫度關(guān)系時，一個大致的經(jīng)驗是：平均溫度超過25時，每升高 8.3電池的壽命就縮短50。一般的浮充電壓是以 25下設(shè)置的，每升高 1，浮充電壓下降 0.003V/ 單體。 充電電壓對蓄電池的影響： 浮充電壓主要影響電池正極板柵腐蝕速率和電池內(nèi)氣體的排放。當(dāng)電池的浮充電壓超過一定值時，板柵腐蝕現(xiàn)象加劇，進(jìn)一步使電池劣化、壽命縮短。增大的浮充電流會產(chǎn)生更多的盈余氣體，通過排氣閥排放，從而造成電池失水。均衡充電時氣體的產(chǎn)生量要比浮充充電時多幾十倍，所以，如均衡充電時間太長，會加劇電池的失水量和板柵腐蝕，從而損壞電池。 放電對蓄電池的影響： 蓄電池在放電過程中因為直流負(fù)荷的不可控，致使放電電流不可控。實踐證明，大電流放電釋放出的容量較小，小電流放電易形成硫酸鉛結(jié)晶體，過度放電會導(dǎo)致蓄電池陰極“硫酸鹽化”，使其內(nèi)阻增大，電池的充、放電性能就變差，蓄電池的使用命就會縮短