阀控铅酸蓄电池放电特性研究

《电源世界》２００５年第６期　蓄电池　Ｂａ￣ｅＧ　阀控铅酸蓄电池放电特性研究　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ＣｈａｒａｃｔｅｒｉＳｔｉｃＳ　ｏｆ　ＶＲＬＡ　Ｂａｔｔｅｒｙ　刘金虎阿城继电器股份有限公司火电公司（阿城１５０３０２）　Ｌｉｕ　Ｊｉｎｈｕ　ｃｈｅｎｇＲｅｌａｙ　ＳｈａｒｅＣｏ．，Ｌｔｄ．（１５０３０２）　摘要：本文通过对阀控铅酸蓄电池工作原理、负极钝化机理，以及放电电流、放电温度对放电容量等的影响等方面的说明来分析阀控铅酸　蓄电池的放电特性。　叙词：蓄电池放电特性￣负极钝化　：Ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＶＲＬＡ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＶＲＬＡ　ｂａｔｔｅｒｙ，ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄｄｉｓｃｈａｒｉｇｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ￣　Ｋ　：ｂａｔｔｅｒｙ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ　［中图分类号］ＴＭ９１１［文献标识码］Ａ文章编号：１５６１—０３４９（２００５）０６００４１—０３　ｌ引言　在许多电池使用场合都希望了解电池放电期间的剩余电量。　因此，蓄电池监测装置的一个最重要功能就是剩余电量（９（）Ｃ）的计　算。　目前，在蓄电池深度循环放电使用场合，电池电量计算技术发　＋Ｈｓ（　＋３Ｈ　＋２ｅ≈ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ　（３）　电池的电动势为　Ｅ一（　一　）＋器ｈ１　（４）　式中，　鲫４为硫酸的活度；　。为水的活度；　０　吧仪孙－ｒ止吧　ａ．。　和二氧化铅的晶体结构有关，二氧化铅有　Ｐｂ　和ｆｆＰｔ￣的　展日趋成熟，尤其是锂离子电池的应用，因为锂离子电池的充放电　两种变体，通常得到的　是两种变体的综合值。　容量效率接近１００　，且与放电电流和工作温度的关系不大，因此，　其智能化的技术相对简单。　阀控铅酸蓄电池（Ｖａｌｖｅ　Ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　Ｌｅａｄ　Ａｃｉｄ　Ｂａｔｔｅｒｙ，ＶＲＬＡＢ）　因此，铅酸蓄电池的电动势除了与标准电位　有关外，还与硫　酸的浓度有关。　电池的电动势受温度影响，其温度系数表示电池电动势与温度　电池的放电过程是—个动态非线性过程，对其放电过程的物理化学　之间的关系，也可以用来计算一些热力学参数。因为电池的电动势　反应的研究有利于监测装置和算法的设计。　ＶＲＬＡ蓄电池的工作原理与传统蓄电池类似，其放电和充电的　电极反应可以用双极硫酸盐理论来描述：　Ｐｂ＋Ｐｂ０２＋２Ｈ２　９０｝一２Ｐｔｘ￣＋２Ｈ２Ｏ　（１）　与电池反应的焓变有关，它们的关系可以用吉布斯一亥姆霍兹方程式　表示：　＝一Ｋ△Ｈ＋砌（蓦）　式中，Ｋ为热功当量；ｆ＼　１为电池电动势的温度系数。ｄ』，Ｐ　　（５）　电池在充放电时，两极的电化学反应是：　负极：　充电　铅酸电池的电解液，即硫酸水溶液，除了起导电作用外，还参加　Ｐｂ＋Ｈｓｌ　一２ｅ铮Ｐｂｓ０ｌ＋Ｈ　（２）　成流反应，因此它对电池的性能有直接影响。　阀控密封铅酸蓄电池的关键技术之一是密封。为使蓄电池在　正极：　４１　Ｉ　Ｔｈｅ　ｄ　维普资讯 http://www.cqvip.com

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∞　ｌ１０　一日【Ｉ—ｇ＿Ｉ　＿　＜电源世界》２００５年第６期　蓄电池　Ｂａｔｔｅｒｙ　关，有利于高过饱和度的条件，诸如高电流密度、低温度和硫酸　浓度较高，都会促使生成比较薄的硫酸铅钝化层，因而使铅电极　的容量降低。　铅负极的钝化与电极上电流密度的分布存在着内在的联　系。钝化首先在那些电流密度集中的部位发生，当这部分活性　物质丧失工作能力后，电流又转向原来电流密度较小的那一部　分活性物质上，最终导致全部钝化。　硫酸铅钝化层的厚度依赖于硫酸铅结构，包括其尺寸、空隙　率和孔径。　０　２　４　６　８　１０１２１４１６１８　２０２２２４２６　２８　３０　３２３４　３６３８４０４２４４４６４８　５０　５２５４５６５８６０６２６４　图６到达放电电压下限时的输出容量　３放电电流的影响　由于钝化机理的作用，蓄电池的放电输出电压和容量受放　电电流大小的影响，电池厂家一般根据实际测试数据给出参考　４放电温度的影响　ＶＲＩ　Ａ蓄电池的放电容量与温度的关系密切。温度的影响　不仅仅在于促使铅负极的钝化。首先，按照电池端电压温度系　曲线和数据，但很少给出计算公式。　图５是日本ＹＵＡＳＡ公司ＮＰ２型电池在不同倍率下的放电　曲线。　ｆＶ）　（Ｖ）　（Ｖ）　１２Ｖ　６Ｖ　４Ｖ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｊ　咔·ＪＪ　ｌ３．０一　●·ｍ㈨　舯加　蛳　Ⅲ　数可知，在低温下电池的开路电压下降。更重要的是，电解液的　电阻明显增加，电解液的黏度增加，导致硫酸的扩散速度或电解　液在活性物质孔隙中的流动能力下降，这时的液相传质过程成　为电极反应的主要因素。这一原则也适合于正极。可以用　＼　、　—一　——。～　、、　、、　＼　。＼　Ｉ．０一　４．０　ｌ２．０　‘’、电池容量温度系数的概念来表征温度的影响。容量的温度系数　ｉ．５一　３．６７　＼　、　　＼　‘＼　ｌ１．０　、　｛　‘、　＼．　、　‘、‘／即温度每下降１￣Ｃ时，容量相对于２５℃时下降的百分数。温度　的影响在高速率放电制下尤为明显。　图７是某种电池放电输出容量与电池温度的关系。在２Ｏ＊（２　以上能输出１００％的容量，而在低温下输出容量明显下降。　ＣＡ　Ｉ　ｌ０．０　；０一　３．３３　０一　２．６７　、　’‘ｌ　＼　｜　　｜　、　一＾　０●＿　．１Ｉ　●　ｌ　，　．一Ｄ．ｑ　ＣＡ　６ＣＡ　，＾　９．０　１．５一　３．０　８．０　，１ｒ　二ＩＩ　：Ａ　、，一　‘≥　卜———一ａｒｉｎ————————叶———一ｈ—————　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｔｉｍｅ　图５　不同放电倍率下的电压一时间曲线　对于同样的完全充电的电池，在相同的温度下，采用不同倍　率的放电电流，其放电输出电压幅值有很大的差别。　到达放电电压下限时的输出容量如图６所示。　电池温度／℃　图７放电容量与温度的关系　ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ　ｌｌ８８—１９９６中，对于在不同温度下电池放电容量　根据不同使用需要所设计的蓄电池的输出曲线会有差别，　电信使用的备用电池一般设计为工作在低倍率情况下，例如，备　用时间２４小时，电池放电倍率低，其输出容量与电流的变化关　系不大。　提出了修正公式如下：　一　（６）　式中，　一一校正后的放电时间；　ｔ　一一实际放电时间；　ＵＰＳ电源一般是中高倍率放电，其后备电池往往只维持几　十分钟甚至更短，电池工作在超高倍率，而且负载的功率范围随　志——温度系数，一般为０．００４￣０．０１１；　机性很大，剩余电量的准确估计尤其重要。由于高倍率下的以　钝化为主的电池内部反应的存在，使得高倍率下的输出容量出　现严重的非线性。　ｌ１，一、＾‘一　．一＾一——　放电温度；　Ｔｓ　ｄ一一标准温度（２５￣Ｃ）。　（下转第６４页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

元器件应用　Ｅｌｅｍｅｎｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　《电源世界》２００５年第６期　用第３．５代的时机已经来到。为缓解原胞密度增高后栅面积增　大引起栅电荷过分增大的问题，一种折衷的结构也随之出现。　ＦＥＴ导通过渡期间，在漏一源极之间所产生的损耗。计算该损耗　可通过计算图１２所示的在ＭＯＳＦＥＴ导通和关断时，由　（ｆ）　那就是将漏极的原胞结构改为条状漏极。这时候可以有同样窄　与Ｉｐ，ｓ（￡）交叠而成的　角形面积得到：　的栅极（条密度很高）而不至于增加太多栅极面积，所以栅电荷　得以减小。　（３）　Ｐ　一Ｐ　㈨　一　Ｄｎ）（ｊ　６　ＭｏＳＦＥＴ功率损耗分析　为减小滤波电容和磁性元件的尺寸，目前ＳＭＰＳ大多选用　Ｕｒｎ（ｏｎ）　高速开关ＭＯＳＦＥＴ作为开关器件，以使ＳＭＰＳ在较高的频率上　工作。ＭＯＳＦＥＴ在电路中工作所产生的损耗主要包括导通损耗　（Ｐｃ）、栅极电荷损耗（Ｐ　）和渡越损耗（Ｐ　）三个方面。　（１）导通损耗　该损耗的定义为在ＭＯＳＦＥＴ导通期间，其漏一源极之间所　产生的损耗。导通损耗可利用下式计算：　Ｐ　一Ｌ　（　）·Ｒｒ）ｓ（　）　（１）　。　ｆ　ｍ　０　图１２关于电感性能负载ＭＯＳＦＥＴ的渡越波形　从式（１）～式（３）可知，欲减小Ｍ０ＳＦＥＴ的开关损耗，必须　降低Ｒ　和　，减小渡越时间。同时发现，尽管提高工作频率　式中，Ｒｄｓｃ　与栅一源极之间的驱动电压　ｓ和结温密切相关。　（２）栅极电荷损耗　栅极电荷损耗的定义为栅极电容Ｃｉ　充电和放电期间所产　生的损耗，可用下式计算：　Ｐｇ＿　一Ｖａｓ　（２）　有利于提高ＳＭＰＳ密度，但会增大Ｍ０ＳＦＥＴ的开关损耗，这与　提高效率是相矛盾的。在工作频率选定之后，ＭＯＳＦＥＴ的损耗　主要取决于通态电阻和栅极电荷的大小。　收稿日期：２００５－－０３—２１　定稿日期：２００５—０４—２６　式中，　为在　下的总栅极电荷，　为开关频率。　（３）渡越损耗　该损耗的定义为在开通的ＭＯＳＦＥＴ关断或关断的ＭＯＳ　（上接第４３页）　２７８—２８１．　室内备用场合的电池一般工作在１０～一３０￣Ｃ，而随着无线　网络的发展，室外接入网设备需要在很宽的室外温度下正常工　作。　［２］胡信国，毛贤仙．阀控式密封铅酸蓄电池的最新进展．电源技　术，２４（４）：２０００，２３０—２３７．　Ｅ３］Ｊ．八Ｍｉｌｌｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ａｄｖａｎｃｅｄ，ｉｎ　ｓｉｔｕ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｅｌｅｃ—　ｔｒｉｃ－ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．Ｊ．Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　７８　（１９９９）２３１—２３６．　５　结语　本文重点研究ＳＯＣ的测量方法。分析了影响放电性能的以　钝化为主的电化学现象，目的在于为不同使用场合下的ＳＯＣ测　量方法选择提供理论依据。　参考文献　收稿日期：２００５—０３—０２　定稿日期：２００５－－０３—２９　更正：本Ｔｆｆ２ｏｏ５￣第五期封面广　（北京承力电源有限公司）Ｌ｝Ｊ，右上　角有关产晶介绍内容的右起第四列中“提供一７０℃～１　５０试验环境”更正　［１］张纪元．阀控铅酸蓄电池的使用和维护．电池，２７（６）：１９９７，　为“提供一７０￣Ｃ～１　５Ｏ＇Ｃ试验环境”，特此更正，并向北京承力电源有限公　我国开始建设风　目前我国仍处在风电建设的初期阶段，风电事业受到风机制造水平较低、科技人才不足和措施跟不上等三大因素制　约。我国幅员辽阔，风能资源丰富，风电又属绿色能源，发展风电的条件很好。到２０１０年，全国风电装机容量达到４００万千瓦，　大型风电场基本立足于国内制造的装备，风电上网电价进一步降低，使风力发电基本能与常规电力相竞争。（Ｐ）　ＴｈｅＷｏｒｌｄｏｆ　Ｐｃ　ｅｒ　ｙＩ　６４