第4章蓄电池及其充放电模式

第4章蓄电池及其充放电模式蓄电池是太阳能光伏发电系统主要储能设备。本章主要介绍蓄电池的基本概念、运行模式、工作原理和充放电控制。4.1蓄电池的基本概念与特性蓄电池的功能是储存太阳能电池方阵受光照时发出电能并可随之向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求：①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率髙；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。目前我国与光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池，特别是阀控式密封铅酸蓄电池，因此，本章主要以铅酸蓄电池为研究对象。4.1.1蓄电池的基本概念蓄电池的主要功能是当日照量减少或者夜间不发电时补充负荷要求的功率。一般系统当太阳能发电功率急剧下降时，蓄电池起缓冲作用，保证电压的稳定。蓄电池属于电化学电池，它把化学中的氧化还原所释放出来的能量直接转变为直流电能，因此，它是一种储藏电能的装置。蓄电池的结构图如图4.1所示；图4.2为蓄电池内部结构组成图。下面对蓄电池内部的结构做一个详细的说明：正极活性物质：蓄电池正极中的填充物质，蓄电池放电时得到电子，发生还原反应。负极活性物质：蓄电池负极中的填充物质，蓄电池放电时放出电子，发生氧化反应。电解质：为蓄电池内部离子提供导电的一种介质。隔膜：一般为绝缘性比较好的材料，为了防止正负极活性物质直接接触导致短路而增加的隔片。外壳：为蓄电池的容器，能耐电解液的腐蚀，耐髙温，能抗一定的机械强度。放电：蓄电池内部发生自发反应，向外部用电设备输送电流的过程。充电：外部向蓄电池内输入电能，形成与放电电流方向相反的电流，使蓄电池内部发生与放电反应相反的反应，此过程称为充电。充电后，两个电极分别有平衡电势为和φ+和φ-。4.1.2蓄电池的主要参数了解蓄电池主要参数的物理意义是光伏发电系统中有效使用蓄电池的前提之一。蓄电池的主要参数归纳如下：1.蓄电池的电动势电动势体现了电源把其他形式的能量转换成电能的本领，电动势使电源两端产生电压。电动势为蓄电池在理论上输出能量多少的一个标度，一般来说，电动势越高，输出的能量则越高（容量越高），使用价值愈高。理论上，蓄电池的电动势等于蓄电池正负极平衡电势之差，开路时用电压表直接测量电源两端的电压即为蓄电池的电动势。2.蓄电池工作电压、开路电压和终止电压工作电压——蓄电池接通负荷后在放电过程中显示出来的电压，亦称放电电压。在蓄电池最初始放电时的工作电压称为初始工作电压，工作电压在整个放电过程中会不断的降低。开路电压——蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压。蓄电池的开路电压等于正极电势和负极电势之差，数值上就等于蓄电池的电动势。蓄电池的开路电压是保持不变的，而端电压则会随着充电放电过程而不断地变化，其变化曲线如图4.3和图4.4所示。终止电压——蓄电池放电时电压下降到不宜再放电时（至少能再反复充电使用）的最低工作电压，为了防止电池不至于过于放电而损耗极板，各种标准的蓄电池在不同放电倍率和温度下放电时，都规定了电池的终止电压。3.蓄电池内阻蓄电池在工作时，电流通过蓄电池内部时受到各种阻力，使得蓄电池的电压降低，该阻力总和称为蓄电池的内阻。蓄电池内阻受各种因素的影响，包括活性物质的重量、电解液的浓度和温度等等。在放电过程中，内阻是随着放电过程不断地变化。蓄电池的内阻在不同规格和型号的蓄电池均不相同，不同的放电模式也会影响内阻的大小。一般来说，蓄电池容量大则内阻小，低倍率放电时蓄电池内阻小；但是在高倍率放电时，蓄电池的内阻明显增大。（倍率：放电电流数值与电池额定容量之比）蓄电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，两者之和即为蓄电池的总内阻。欧姆内阻遵守欧姆定律呈线性关系；而极化内阻不遵守欧姆定律，随电流密度增大而增大，随温度增大而增大，呈非线性关系。4.蓄电池的能量蓄电池的能量是指在一定的放电条件下，蓄电池所能放出的电能，通常用瓦时（W.h）表示，它表征蓄电池放电能力的大小。能量等于蓄电池容量与电动势的乘积，即W=CV，通常蓄电池的能量分为理论能量和实际能量。实际上，为了准确地比较不同类型电池能量的大小，常用比能量来比较不同的蓄电池系列。比能量是蓄电池单位质量或单位体积所能输出的能量，单位分别为W.h/kg或者W.h/L。比能量同样也分为理论比能量和实际比能量。5.蓄电池的容量蓄电池的容量就是蓄电池的蓄电能力，通常以充足电后的蓄电池放电（端电压截止到终止电压时）所能放出的总电量来表示，标志符号为C。容量常用的单位为安培小时,简称安时（A.h）。通常在C的下角处标明放电时率，如C10表示10小时率的放电容量，C120表示120小时率的放电容量。根据计量条件的不同，电池的容量包括理论容量、实际容量和额定容量。理论容量是蓄电池中活性物质的质量按法拉第定律计算得到的最高理论值。为了比较不同种类、不同系列的蓄电池，常用比容量来比较，比容量为单位体积或单位质量蓄电池所能给出的理论电量，单位为A.h/kg或者A.h/L。实际容量是指蓄电池在一定放电条件下实际所能输出的电量，数值上等于放电电流与放电时间的乘积，其数值小于理论容量。额定容量国外也称为标称容量，是按照国家或有关部门颁布的标准，在电池设计时要求电池在一定的放电条件下（通信电池一般规定在25℃环境下以10小时率电流放电至终止电压）应该放出的最低限度的电量值。总之，在实际蓄电池的设计和制造中，正、负极的容量一般是不相等的，因此，蓄电池容量是由两电极中较小容量的电极决定。6.蓄电池的输出效率光伏发电系统所选用的蓄电池是可逆电池，但是实际的蓄电池在工作过程中必有一定的能量损耗，通常用容量输出效率和能量输出效率来表示。容量输出效率是指电池放电时输出的电量与充电时输入的电量之比，公式为：式中：Cdis为放电时输出的电量；Cch为充电时输入的电量。影响蓄电池容量输出效率的主要因素是蓄电池内部的各种副反应。当蓄电池充电时，有一部分电量消耗在水的分解上；此外，充入的电量也不能全部输出；再加上自放电、电极活性物质的脱落、活性物质结块、孔率收缩等原因，容量输出效率一定小于100%。能量输出效率是指放电输出能量与充电输入能量之比，公式为：Qdis为放电时输出的能量，而Qch为充电时输入的能量。7.蓄电池的使用寿命在规定条件下，蓄电池的有效寿命期限称为该电池的使用寿命。蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指蓄电池可供使用的时间，包括蓄电池的存放时间；使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数，也称为循环寿命。蓄电池每一次全充电和全放电的过程叫做一个周期或一个循环。电池系列不同或者同一系列但用途不同的电池，使用寿命都不同。影响铅酸蓄电池寿命的主要因素包括放电深度、过充电程度、温度、硫酸浓度和放电电流密度等。图4.6为蓄电池寿命与温度的关系曲线。8.蓄电池的放电深度在蓄电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。铅酸蓄电池寿命受放电深度影响很大。设计考虑的重点就是深循环使用、浅循环使用还是浮充使用。若把浅循环使用的电池用于深循坏使用时，则铅酸蓄电池会很快失效。9.自放电率蓄电池的自放电现象是指蓄电池在独立存放期间容量逐渐减小的现象。自放电率用单位时间内容量降低的百分数表示。电池储存温度越低，自放电率也越低，但也应注意温度过低或过高均有可能造成电池损坏无法使用，常规电池要求储存温度范围为-20℃~45℃。电池充满电搁置一段时间后，一定程度的自放电属于正常现象。目前常用的阀控式密封铅酸蓄电池的月自放电率低于4%，经3个月存放容量仍然在90%以上。其中，Ca表示电池储藏前的容量，而Cb表示储藏后的容量，T为储藏时间，一般用天、月计算。10.放电速率放电速率简称放电率，是指放电的快慢，常用时率和倍率表示。时率是以放电时间表示的放电速率，即某电流放电至厂家规定产品终止电压所经历的时间。倍率是电池放电电流的数值为额定容量数值的倍数。一般用符号C及其下标表示放电时率。譬如放电电流为0.1C20，对于一个60A.h(C20)的电池，即以0.1×60=6A的电流故电；3C60则指180A的电流放电。4.1.3蓄电池的基本特性1.蓄电池的运行方式根据光伏发电系统使用的要求，可将多个同型号蓄电池串联、并联或串并联构成蓄电池组。蓄电池组主要有3种运行方式：循环充放电制、定期浮充制和连续浮充制。（1）循环充放电制循环充放电制属于全充全放型模式，该循环方式比较简单，光伏电池直接向蓄电池供电，再由蓄电池向外部负荷放电。循环制多用于移动型，其工作线路简单，直流电流中无脉动交流成分，如蓄电池车、矿灯和手提灯等。（2）连续浮充制该运行方式是长期将蓄电池组并接在外部负载回路上。正常情况下，总有光伏直流电压附加在蓄电池两端上，当蓄电池电压低于光伏阵列电源电压时，光伏电源就向蓄电池充电，再由蓄电池向负荷供电；当光伏阵列电源不够或者完全没有电时，就启动蓄电池对负荷供电,从而保证不中断负荷电源。（3）定期浮充制定期浮充制是光伏阵列直流电源和蓄电池并联给负荷供电的一种工作方式。部分时间由蓄电池供电，部分时间由光伏阵列电源供电，并且同时补充蓄电池组已经放出的容量和自放电损失的容量。图4.7为蓄电池的浮充制运行方式原理图。2.蓄电池充电充电是蓄电池得以持续工作的重要手段，也是独立光伏发电系统得以持续工作的必备条件。良好的充电设备和充电技术是做好充电工作的主要基础。目前常用的充电方法大致可分为恒流充电、恒压充电、恒压限流充电和间隙式充电方法、快速充电和智能充电。（1）恒流充电在充电过程中，充电电流自始至终不变的充电方式，叫做恒流充电。该电流采用控制充电器的办法来达到。这种充电方法虽然缩短了充电时间，但是电池极板长期处于大电流冲击之中，使得活性物质变得疏松，对电池寿命极为不利，所以这种充电方法虽然有时用在启动铅酸蓄电池上，但应逐步淘汰。一般免维护的蓄电池不适用于此充电方法。（2）恒压充电在蓄电池充电过程中，充电电源电压始终保持不变，叫做恒压充电。(式中：U为被测电池的端电压；E为被测电池的电动势；R为充电电路中内阻。）由公式(4.4)可得：充电开始，电动势小，充电电流大；充电中期和后期由于电池极化作用的影响，正极电位变得更高，而负极电位变得更低，致使电动势增高从而电流减小。该充电方法的优点是简单、不需要调整电流，充电过程中析气量小、充电时间短、能耗低、充电效率可高达80%。但是在充电初期，如果蓄电池的放电深度过度，初始充电电流过大，不仅危及充电器的安全而且造成蓄电池的损伤；此外，充电末期，充电电流过小，形成长期充电不足，影响电池的使用寿命；同时对蓄电池的端电压很难补偿，对低压蓄电池的完全充电很难完成。这种充电方法一般用在固定式防酸隔式蓄电池。（3）恒压限流充电采用恒压限流的方法主要是为补救恒压充电的缺点。由于恒压充电初期若无限流电路，在蓄电池接如入的瞬间，会产生很大瞬间尖峰电流，并且，当充电电压达到电池电压限定的电压值时，仍有很大的冲击电流，这样会造成通信设备故障。因此，目前比较常用的是低压恒压限流充电。这种充电方法目前巳被广泛推广使用。（4）间隙式充电间隙式充电方法是指对蓄电池充电一段时间，然后再静置一段时间，然后再充电、静置，多次循环，直至电池充满的方法。这种充电方法有利于提高蓄电池的寿命。（5）快速充电快速充电一般是使电流以脉冲方式输给蓄电池，并随着充电时间的延续，蓄电池有一个瞬时间的大电流放电，使其电极去极化。它能在短时间内将蓄电池充足电，既不用恒流大电流充电，也不用较高的恒定电压。长时间高恒流和高恒压充电都会导致蓄电池很快升温，损伤电极和浪费电能。快速充电是目前光伏发电系统中充电的主要模式之（6）智能充电智能充电是一种动态自动踉踪蓄电池可接受的充电电流，从而使得充电电流与蓄电池内部极化电流保持一致的充电方式，也是被称为最小损耗的充电模式。智能充电系统是由充电器与被充电蓄电池组成的二元环回路，充电器可以根据蓄电池的状态及时地确定充电参数，使充电电流自始至终处在蓄电池可接受的充电电流曲线附近，（蓄电池可接受充电电流曲线如图4.8所示）从而使蓄电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对蓄电池无损伤。该充电方