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2015/4/251第五部分电池第五部分电池ØØ电池基本原理电池基本原理ØØUPSUPS系统电池设计系统电池设计ØØ铁锂电池铁锂电池ØØ高倍率电池高倍率电池一、电池基本原理一、电池基本原理2015/4/252一、电池基本原理一、电池基本原理Ø正极板：PbO2(放电产生PbSO4)Ø负极板：Pb(放电产生PbSO4)Ø隔膜或隔板：AGM电池采用吸附式玻璃纤维隔膜；胶体电池一般Ø采用PVC隔膜Ø电解液：硫酸溶液Ø外壳：一般采用PP或者ABS外壳Ø安全阀：常见安全阀设计有2种，胶帽式安全阀和组合式安全阀Ø极柱：通常为铅极柱或者铅镶铜极柱，用于导出电流一、电池基本原理一、电池基本原理2015/4/253一、电池基本原理一、电池基本原理电压：标称的电池单体电压为2V，市面的4V,6V,12V电池通常为内部多只2V单体串联结构；电池满充电电压一般在2.2V寿命：•浮充寿命：指的是电池的浮充使用预期寿命，一般为根据国标YDT799或者国际行业标准（如Telcordia)模拟测试得出的寿命值•循环寿命：指的是电池在频繁充放电使用环境下的预期放电次数（以80%容量作为失效标准），一般为测试数据容量：电池容量通常用Ah标示，根据国标YDT799，电池上所标示的容量通常为10小时放电容量阀控式铅酸电池主要参数一、电池基本原理一、电池基本原理阀控式铅酸电池主要特性放电特性2015/4/254一、电池基本原理一、电池基本原理阀控式铅酸电池主要特性充电特性一、电池基本原理一、电池基本原理阀控式铅酸电池主要特性循环特性2015/4/255一、电池基本原理一、电池基本原理阀控式铅酸电池主要特性温度特性一、电池基本原理一、电池基本原理阀控式铅酸电池主要特性浮充寿命2015/4/256一、电池基本原理一、电池基本原理电池失效•容量不足！•关于蓄电池容量:–通常蓄电池的容量在初始的几个周期会出现小幅增长–但几个放电循环之后，容量会达到一个巅峰，然后容量会随着蓄电池的使用逐渐下降–在蓄电池使用寿命后期，容量下降十分迅速–按照国标及国际标准：容量低于标称容量的80%即可以视为蓄电池失效–容量低于标称容量80%的蓄电池继续使用，容量下降会十分迅速，极有可能保障不了下次备电需求一、电池基本原理一、电池基本原理电池失效负极板电解液充电电流上升正极板正极板腐蚀失水酸比重上升正极板生长极板变薄氧复合反应加剧活性物质脱落电解液失效负极板活性物质氧化加剧无法反应负极板活性物质硫酸盐化容量不足电池失效2015/4/257一、电池基本原理一、电池基本原理电池失效影响寿命的几大因素•硫酸盐化–欠充•极板腐蚀–过充•活性物质失效–结构、设计、温度•电解液分层–设计二、二、UPSUPS系统电池设计系统电池设计11、蓄电池充电、蓄电池充电终期电流表终期电流表充电电压(Ｖ/单体)充电终期电流（mA/Ah)10℃15℃20℃25℃30℃35℃40℃2.301.42.43.95.28.611202.3534.28.08.815.420362.405.68.412.614.82332.455)25-tK(1CtCd+=22、蓄电池容量特性受、蓄电池容量特性受环境温度影响较大环境温度影响较大，其折算公式为：，其折算公式为：3、密封蓄电池的充电特性曲线2015/4/258二、二、UPSUPS系统电池设计系统电池设计蓄电池型号(AH)10小时率放电1小时率放电大电流放电终止电压1.80终止电压1.75终止电压1.70电流(A)容量(Ah)电流(A)容量(Ah)电流(A)容量(Ah)10010100454512510200202009090250105005050022522562510100010010004504501250102000200200090090025001044、、蓄电池放电时率表5、密封蓄电池的放电特性曲线二、二、UPSUPS系统电池设计系统电池设计u蓄电池的恒电流放电曲线法（根据最大放电电流确定）：Imax=P*COSΦ/(η*E临界*K）P—UPS的标称输出功率（va）；COSΦ—负载功率因数，计算机负载为0.8；η—UPS逆变器的效率（0.85-0.9）；K—电池放电效率（取0.95）；E临界—UPS蓄电池组的临界放电电压（通常12V-10.5V、6V-5.25V、2V-1.75V）；如：一套UPS，P=200kva、后备时间要求20min、逆变器工作电压384V*2（半桥），电池采用12V*32节，临界放电电压320V*2（单节10V）、COS=0.8、逆变器效率0.9、电池放电效率0.95，最大放电电流为：Imax=200000VA*0.8/(0.9*0.95*320*2）=292A查表可选接近200Ah的蓄电池，具体选用时按厂商提供的数据考虑；2015/4/259ØIj--计算负荷电流；ØPj--计算负荷功率；Øμ--UPS逆变器效率；ØUj--蓄电池组计算电压，Uj=UN*0.925。ØUN--蓄电池组额定电压①按电流计算:jjjUPIm=hqTKIQj≥ØQ--蓄电池组容量(Ah)；ØK--安全系数，K=1.25；ØIj--计算负荷电流(A)；ØT--后备时间(h)；Øη--蓄电池放电容量系数；Øθ--环境温度系数。②按功率计算:nKPPjnmq=Pn--单节(2V)蓄电池计算功率(w)；K--安全系数，K＝1.25；n--蓄电池组节数(2V)。NnPPN≥N--选定容量规格的蓄电池组数；PN--选定规格的单节蓄电池，在规定放电时间下的放电功率(w)。③放电容量系数和环境温度系数放电时间0.5h1h放电终止电压(V/2V节)1.701.751.701.75放电容量系数(阀控式铅酸)0.450.400.580.55环境温度5℃15℃5℃15℃环境温度系数0.80.90.840.92二、二、UPSUPS系统电池设计系统电池设计二、二、UPSUPS系统电池设计系统电池设计1.电池失水：失水量达到3.5ml/Ah时，电池可用容量降低25%以上，当失水量达25%时，电池寿命终结；2.外壳变形：外壳变形致使电池内阻增大、电解液不能有效发挥；3.电池漏液：产生腐蚀、高内阻等缺陷；4.电池容量不足：极板腐蚀变形、内部材料配置不合格、工艺不当、正极板活性物质不足；5.电池浮充电压均匀性差：常规要求电池电压与整组平均值差小于50mv；6.热失控：电池内部发生复合热反应、环境温升1°C，单电池电压降约3mv；7.排气阀失效：致使内压升高而变形损坏。电池失效2015/4/2510三、铁锂电池三、铁锂电池三、铁锂电池三、铁锂电池LiM1-xFexPO4+6CM1-xFexPO4+LiC6充电放电ChargeDischarge稳定的晶格结构；稳定的化学键3.2V放电平台，稳定的电压平台工作原理：一种新型的二次电池2015/4/2511三、铁锂电池三、铁锂电池Ø磷酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键强，结构更加稳定磷酸铁锂电池内部结构三、铁锂电池三、铁锂电池优势明显1.安全2.超长寿命3.能量密度高4.低成本5.耐高温6.大电流充放电7.无记忆效应8.绿色环保电池成份磷酸铁锂电池钴酸锂电池锰酸锂电池铅酸电池镍氢电池安全性及环保要求安全性最佳，不爆炸，不起火，不冒烟。且最符合环保要求无任何毒性，未使用任何稀缺资源稳定性极差，非常不安全易爆炸容易导致热失控(同时释放助燃剂氧)，进而起火、爆炸安全性可接受。污染土壤和水源，还会引发人体多种疾病。废旧铅酸蓄电池回收困难，利用成本较高稳定性较差，滥用测试有起火现象寿命（循环次数）1C充放电循环2000次，容量保持率95％以上；尚可接受〈500次能接受约300-500次寿命短，100%DOD条件下，约150次，需常维护。尚可接受能量密度可接受（100-200wh/kg佳可接受低(32-37wh/kg)可接受(75-80wh/kg)长期使用成本最经济高较高安全寿命成本高于磷酸铁锂电池较高温度耐受性极佳一般差差一般2015/4/2512三、铁锂电池三、铁锂电池•安全•寿命长•出色的高温性能•高能量密度•大倍率放电•能量转化效率高•无污染•成本电池开口，不爆炸迅速剧烈爆炸电池发鼓起火并爆炸电池发鼓起火并爆炸铁电池钴酸锂电池150度炉温放置6小时过充测试火烧测试稳定的晶格结构稳定的化学键周详的电池结构设计三、铁锂电池三、铁锂电池•安全•寿命长出色的高温性能•高能量密度•大倍率放电•能量转化效率高•无污染•成本0204060801001200200400600800100012001400160018002000CycleNumberCapacity(%)TestCondition:Charge/Discharge:0.5C/0.5C,3.8~2.5V,100%DODat25ºC60.0%70.0%80.0%90.0%100.0%110.0%05010015020025030035025℃容量维持率40℃容量维持率循环测试连续均充测试续浮充测试1.电池在常温25℃的环境下以0.05C充电至3.6V，截止电流50mA，以0.2C放电至2.3V，作为初始容量；2.电池以0.05C充电至3.60V，结束后随即用恒流恒压源(调至3.60V/0.05C)在测试温度下连续均充30天；3.浮充每30天，以0.2C放电至2.3V，记录放电容量。常温1C循环寿命2000次0.1C循环寿命5000次30ºC设计使用寿命10年100%DOD深度充放2015/4/2513三、铁锂电池三、铁锂电池•安全•寿命长•出色的高温性能•高能量密度•大倍率放电•能量转化效率高•无污染•成本不同温度下的容量循环曲线45℃可正常使用，无需增设空调设备，无需进行充电温度补偿三、铁锂电池三、铁锂电池EnergyDensity35801203100100200300400ByWeight(Wh/kg)ByVolume(Wh/l)VRLAFeCell•安全•寿命长•出色的高温性能•高能量密度•大倍率放电•能量转化效率高•无污染•成本电池pack：体积减少1/3-1/4重量减少1/2-1/3铅酸电池铁电池重量能量密度★35Wh/kg★★★☆120Wh/kg体积能量密度★80Wh/l★★★☆310Wh/l2015/4/2514三、铁锂电池三、铁锂电池•安全•寿命长•出色的高温性能•高能量密度•大倍率充放电•能量转化效率高•无污染•成本1C放电时可放出90%的容量10C放电时可放出40%的容量半小时内的备电应用：4.2Ah的铁电池可取代7Ah的铅酸电池可一小时内充满电，适用于恶劣电网地区不同倍率放电电流的容量-电压曲线（12V150Ah铁电池模块）三、铁锂电池三、铁锂电池•安全•寿命长•出色的高温性能•高能量密度•大倍率放电•能量转化效率高•无污染•成本铁锂电池12V150AH14.5V/50A充电放电电流充电时间(Min)放电时间(Min)充电功(wh)放电功(wh)效率(%)30A261.25309.92060.571999.2497.02%25A258.23732061.562007.9297.40%15A266.85602.72001.431950.3097.45%6.25A369.651497.12054.622025.9398.60%充放电副反应少能量转化效率高节能减排铅酸电池的能量转化效率仅有80%-90%2015/4/2515三、铁锂电池三、铁锂电池三、铁锂电池三、铁锂电池磷酸铁锂电池特点-快速充电性能好Ø2C快充，半小时充足95%Ø1C充放，3.3~3.0V平台容量达到93%以上Ø放电平台稳定，可作大电流高功率充放电Ø高倍率放电特性好，10C充放电效率达到96％以上2015/4/2516三、铁锂电池三、铁锂电池磷酸铁锂电池铅酸镍镉电池镍氢电池自放电率/月＜5%10%13%~15%25%~35%Ø几种类型电池自放电性能比较三、铁锂电池三、铁锂电池磷酸铁锂电池与铅酸电池外观结构对比n铅酸电池n磷酸铁锂电池电池外型电池外型内部结构内部结构2015/4/2517三、铁锂电池三、铁锂电池