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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要儲(chǔ)能設(shè)備。本章主要介紹蓄電池的基本概念、運(yùn)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(chǔ)存太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出電能并可隨之向負(fù)載供電。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)蓄電池的基本要求：自放電率低；使用壽命長(zhǎng)；深放電能力強(qiáng)；充電效率髙；少維護(hù)或免維護(hù)；工作溫度范圍寬；價(jià)格低廉。目前我國(guó)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(duì)象。4.1.1蓄電池的基本概念蓄電池的主要功能是當(dāng)日照量減少或者夜間不發(fā)電時(shí)補(bǔ)充負(fù)荷要求的功率。一般系統(tǒng)當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電功率急劇

2、下降時(shí)，蓄電池起緩沖作用，保證電壓的穩(wěn)定。蓄電池屬于電化學(xué)電池，它把化學(xué)中的氧化還原所釋放出來(lái)的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，因此，它是一種儲(chǔ)藏電能的裝置。蓄電池的結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示；圖4.2為蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成圖。下面對(duì)蓄電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)做一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明：正極活性物質(zhì)：蓄電池正極中的填充物質(zhì)，蓄電池放電時(shí)得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。負(fù)極活性物質(zhì)：蓄電池負(fù)極中的填充物質(zhì)，蓄電池放電時(shí)放出電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。電解質(zhì)：為蓄電池內(nèi)部離子提供導(dǎo)電的一種介質(zhì)。隔膜：一般為絕緣性比較好的材料，為了防止正負(fù)極活性物質(zhì)直接接觸導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度。放電

3、：蓄電池內(nèi)部發(fā)生自發(fā)反應(yīng)，向外部用電設(shè)備輸送電流的過(guò)程。充電：外部向蓄電池內(nèi)輸入電能，形成與放電電流方向相反的電流，使蓄電池內(nèi)部發(fā)生與放電反應(yīng)相反的反應(yīng)，此過(guò)程稱為充電。充電后，兩個(gè)電極分別有平衡電勢(shì)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(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)體現(xiàn)了電源把其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能的本領(lǐng)，電動(dòng)勢(shì)使電源兩端產(chǎn)生電壓。電動(dòng)勢(shì)為蓄電池在理論上輸出能量多少的一個(gè)標(biāo)度，一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)越高，輸出的能量則越高（容量越高），使用價(jià)值愈高。理論上，蓄電池的電動(dòng)勢(shì)等于蓄電池正負(fù)極平衡電勢(shì)之差，開路

4、時(shí)用電壓表直接測(cè)量電源兩端的電壓即為蓄電池的電動(dòng)勢(shì)。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(fù)荷后在放電過(guò)程中顯示出來(lái)的電壓，亦稱放電電壓。在蓄電池最初始放電時(shí)的工作電壓稱為初始工作電壓，工作電壓在整個(gè)放電過(guò)程中會(huì)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(shì)和負(fù)極電勢(shì)之差，數(shù)值上就等于蓄電池的電動(dòng)勢(shì)。蓄電池的開路電壓是保持不變的，而端電壓則會(huì)隨著充電放電過(guò)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(shí)電壓下降到不宜再放電時(shí)（至少能再反復(fù)充電使用）的最低工作電壓，為了防止電池不至于過(guò)于放電而損耗極板，各種標(biāo)準(zhǔn)

5、的蓄電池在不同放電倍率和溫度下放電時(shí)，都規(guī)定了電池的終止電壓。3. 蓄電池內(nèi)阻蓄電池在工作時(shí)，電流通過(guò)蓄電池內(nèi)部時(shí)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(nèi)阻。蓄電池內(nèi)阻受各種因素的影響，包括活性物質(zhì)的重量、電解液的濃度和溫度等等。在放電過(guò)程中，內(nèi)阻是隨著放電過(guò)程不斷地變化。蓄電池的內(nèi)阻在不同規(guī)格和型號(hào)的蓄電池均不相同，不同的放電模式也會(huì)影響內(nèi)阻的大小。一般來(lái)說(shuō)，蓄電池容量大則內(nèi)阻小，低倍率放電時(shí)蓄電池內(nèi)阻??；但是在高倍率放電時(shí)，蓄電池的內(nèi)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(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，兩者之和即為蓄電池的總內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻遵守歐姆定律呈線

6、性關(guān)系；而極化內(nèi)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(guān)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(shí)（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(dòng)勢(shì)的乘積，即W = CV，通常蓄電池的能量分為理論能量和實(shí)際能量。實(shí)際上，為了準(zhǔn)確地比較不同類型電池能量的大小，常用比能量來(lái)比較不同的蓄電池系列。比能量是蓄電池單位質(zhì)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(shí)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(shí)）所能放出的總電量來(lái)表示，標(biāo)志符號(hào)為C。容量常用的單位為安培小時(shí), 簡(jiǎn)稱安時(shí)（A.h）。通常在C的下角處標(biāo)明放電時(shí)率，如C10表示10小時(shí)率的放電容量，C120表示120小時(shí)率的放電容量。根據(jù)計(jì)量條件的不同，電池的容量包括理論容量、實(shí)際容量和額定容量。理論容量是蓄電池中活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)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(lái)比較，比容量為單位體積或單位質(zhì)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(shí)際容量是指蓄電池在一定放電條件下實(shí)際所能輸出的電量，數(shù)值上等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，其數(shù)值小于理論容量。額定容量國(guó)外也稱

8、為標(biāo)稱容量，是按照國(guó)家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，在電池設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)率電流放電至終止電壓）應(yīng)該放出的最低限度的電量值?？傊趯?shí)際蓄電池的設(shè)計(jì)和制造中，正、負(fù)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(shí)際的蓄電池在工作過(guò)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(lái)表示。容量輸出效率是指電池放電時(shí)輸出的電量與充電時(shí)輸入的電量之比，公式為：式中：Cdis為放電時(shí)輸出的電量；Cch為充電時(shí)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(nèi)部的各種副反應(yīng)。當(dāng)蓄電池充電時(shí)，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(zhì)的脫落、活性物質(zhì)結(jié)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(shí)輸出的能量，而Qch為充電時(shí)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(shí)間，包括蓄電池的存放時(shí)間；使用周期是指蓄電池可供重復(fù)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(guò)程叫做一個(gè)周期或一個(gè)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(guò)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(guān)系曲線。8. 蓄電池的放電深度在蓄電池使用過(guò)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(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)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(shí)，則鉛酸蓄電池會(huì)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(dú)立存放期間容量逐漸減小的現(xiàn)象。自放電率用單位時(shí)間內(nèi)容量降低的百分?jǐn)?shù)表示。電池儲(chǔ)存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過(guò)低或過(guò)高均有可能造成電池

11、損壞無(wú)法使用，常規(guī)電池要求儲(chǔ)存溫度范圍為-2045。電池充滿電擱置一段時(shí)間后，一定程度的自放電屬于正?，F(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(jīng)3個(gè)月存放容量仍然在90%以上。其中，Ca表示電池儲(chǔ)藏前的容量，而Cb 表示儲(chǔ)藏后的容量，T為儲(chǔ)藏時(shí)間，一般用天、月計(jì)算。10. 放電速率放電速率簡(jiǎn)稱放電率，是指放電的快慢，常用時(shí)率和倍率表示。時(shí)率是以放電時(shí)間表示的放電速率，即某電流放電至廠家規(guī)定產(chǎn)品終止電壓所經(jīng)歷的時(shí)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(hào)C及其下標(biāo)表示放電時(shí)率。譬如放電電流為0.1C20，對(duì)于一個(gè)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(yùn)行方式根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的要求，可將多個(gè)同型號(hào)蓄電池串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)構(gòu)成蓄電池組。蓄電池組主要有3種運(yùn)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(jiǎn)單，光伏電池直接向蓄電池供電，再由蓄電池向外部負(fù)荷放電。循環(huán)制多用于移動(dòng)型，其工作線路簡(jiǎn)單，直流電流中無(wú)脈動(dòng)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(yùn)行方式是長(zhǎng)期將蓄電池組并接在外部負(fù)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(dāng)蓄電池電壓低于光伏陣列電

13、源電壓時(shí)，光伏電源就向蓄電池充電，再由蓄電池向負(fù)荷供電；當(dāng)光伏陣列電源不夠或者完全沒(méi)有電時(shí)，就啟動(dòng)蓄電池對(duì)負(fù)荷供電,從而保證不中斷負(fù)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(fù)荷供電的一種工作方式。部分時(shí)間由蓄電池供電，部分時(shí)間由光伏陣列電源供電，并且同時(shí)補(bǔ)充蓄電池組已經(jīng)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(yùn)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(dú)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(shè)備和充電技術(shù)是做好充電工作的主要基礎(chǔ)。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(guò)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(lái)達(dá)到。這種充電方法雖然縮短了充電時(shí)間，但是電池極板長(zhǎng)期處于大電流沖擊之中，使得活性物質(zhì)變得疏松，對(duì)電池壽命極為不利，所以這種充電方法雖然有時(shí)用在啟動(dòng)鉛酸蓄電池上，但應(yīng)逐步淘汰。一般免維護(hù)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(guò)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(cè)電池的端電壓；E為被測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)；R為充電電路中內(nèi)阻。）由公式(4.4)可得：充電開始，電動(dòng)勢(shì)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(fù)極電位變得更

15、低，致使電動(dòng)勢(shì)增高從而電流減小。該充電方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、不需要調(diào)整電流，充電過(guò)程中析氣量小、充電時(shí)間短、能耗低、充電效率可高達(dá)80%。但是在充電初期，如果蓄電池的放電深度過(guò)度，初始充電電流過(guò)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(guò)小，形成長(zhǎng)期充電不足，影響電池的使用壽命；同時(shí)對(duì)蓄電池的端電壓很難補(bǔ)償，對(duì)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(bǔ)救恒壓充電的缺點(diǎn)。由于恒壓充電初期若無(wú)限流電路，在蓄電池接如入的瞬間，會(huì)產(chǎn)生很大瞬間尖峰電流，并且，當(dāng)充電電壓達(dá)到電池電壓限定的電壓值時(shí)，仍有很大

16、的沖擊電流，這樣會(huì)造成通信設(shè)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(duì)蓄電池充電一段時(shí)間，然后再靜置一段時(shí)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(shí)間的延續(xù)，蓄電池有一個(gè)瞬時(shí)間的大電流放電，使其電極去極化。它能在短時(shí)間內(nèi)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(zhǎng)時(shí)間高恒流和高恒壓充電都會(huì)導(dǎo)致蓄電池很快升溫，損傷電極和浪費(fèi)電能?？焖俪潆娛悄壳肮夥l(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(dòng)態(tài)自動(dòng)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(nèi)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(shí)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(wú)氣體析出的條件下充電，做到既節(jié)約用電又對(duì)蓄電池?zé)o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(shù)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(lái)說(shuō)明酸性蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理；而以鎳氫蓄電池為例來(lái)說(shuō)明堿性蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理。4.2.1 酸性蓄電池的結(jié)構(gòu)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(hù)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(jiǎn)稱VRLB電池）。該電池的

19、特點(diǎn)是使用期間不用加酸加水維護(hù)，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)漏酸，也不會(huì)排酸霧，電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥（安全閥），該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過(guò)一定值時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開，排除氣體，然后關(guān)閉氣閥，防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部。其結(jié)構(gòu)如圖4.9所示：免維護(hù)鉛酸蓄電池的工作原理為：放電化學(xué)反應(yīng)：Pb02 + 2H2SO4 + Pb = 2PbSO4 + 2H2O (4.5)從放電反應(yīng)式可以看出，隨著蓄電池放電，硫酸逐漸消耗掉。充電化學(xué)反應(yīng)：2PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4 + Pb (4.6)從充電反應(yīng)式可以看出，隨著蓄電池充電,，原來(lái)被消耗的硫酸復(fù)原了。以上化學(xué)反應(yīng)為可逆的，即放電時(shí)

20、金屬鉛、二氧化鉛和硫酸發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鉛和水，充電時(shí)硫酸鉛和水在電場(chǎng)作用下還原為金屬鉛、二氧化鉛和硫酸；當(dāng)蓄電池通過(guò)太陽(yáng)能光伏控制器接到太陽(yáng)能電池板上，在太陽(yáng)電池電場(chǎng)作用下，發(fā)生充電化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)部電解形成的帶電離子，分別向蓄電池正負(fù)極板堆積，隨著電荷堆積越來(lái)越多，蓄電池電壓逐漸升高，蓄電池將太陽(yáng)能電池板從太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化來(lái)的電量?jī)?chǔ)存起來(lái)；當(dāng)蓄電池通過(guò)陽(yáng)能光伏控制器接到負(fù)載（太陽(yáng)能燈具光源）上，蓄電池將儲(chǔ)存的電量放出，同時(shí)發(fā)生放電化學(xué)反應(yīng)，蓄電池電壓逐漸降低。4.2.2 堿性蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理鎳氫蓄電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH（放電時(shí)）和Ni(OH)2（充電時(shí)），負(fù)極板的活性物質(zhì)為H2（放電

21、時(shí)），H2O（充電時(shí)），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，電化學(xué)反應(yīng)如下：從方程式可以看出：充電時(shí)，正極由氫氧化亞鎳變成氫氣化鎳（NiOOH）和氧氣，負(fù)極析出的氫氣儲(chǔ)存在容器中；放電時(shí)氫氣在負(fù)極被消耗，而正極由氫氧化鎳轉(zhuǎn)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(dá)500 次后，鎳氫蓄電池的容量無(wú)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(biāo)稱容量的75%85%之間。循環(huán)次數(shù)高：其充放電次數(shù)可達(dá)到1000次，無(wú)污染，無(wú)記憶效應(yīng)，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(chǔ)能電池以它們獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中不斷地涌現(xiàn)出來(lái)，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(shì)，目前能量密度可高達(dá)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(dāng)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(shí)，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(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好、沒(méi)有污染，是一種

23、真正的綠色能源，但是價(jià)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(shí)鋰離子從正極材料中脫出，在電化學(xué)勢(shì)梯度的趨勢(shì)下經(jīng)由電解液向負(fù)極遷移，同時(shí)電子在外電路從正極流向負(fù)極，到達(dá)負(fù)極后得到電子的鋰離子接著向負(fù)極晶格中嵌入；放電過(guò)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(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。這種裝置的最大特點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)程中不涉及燃燒，因此其能量轉(zhuǎn)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(dá)50%60% ，通過(guò)對(duì)余熱的二次利用，總效率可高達(dá)80%85%，作為動(dòng)力源，其實(shí)際能源

24、利用效率是普通內(nèi)燃機(jī)的23倍。4.3 蓄電池充放電特牲在生產(chǎn)過(guò)程中，蓄電池會(huì)出現(xiàn)電壓過(guò)低或者過(guò)高、極板腐蝕、熱失控、容量下降等現(xiàn)象，掌握和應(yīng)用好蓄電池的充放電特性是光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于鉛酸蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，本節(jié)重點(diǎn)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(shí)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，而放電時(shí)則將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供給外部用電系統(tǒng)，其電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：從上面反應(yīng)方程可以看出，充電過(guò)程存在水分解反應(yīng)，正極充電到70%時(shí)開始析出氧氣，而負(fù)極充電到90%時(shí)開始析出氫氣，如果反應(yīng)析出的氫氧氣不能重新復(fù)合再利用，則電池會(huì)失水干涸。1.

25、充電過(guò)程在外加電源的作用下，正負(fù)離子各向兩極遷移，從而產(chǎn)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(chǎng)的作用下，（H+）向負(fù)極遷移而（OH-）則向正極遷移，與此同時(shí)，正負(fù)極板的硫酸鉛亦發(fā)生分解正極板上的Pb2+在外電場(chǎng)作用下釋放出電子而形成Pb4+，Pb4+與正極板附近的OH-反應(yīng)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(shí)負(fù)極板上的Pb2+和正極板上Pb2+輸送來(lái)的電子復(fù)合還原為Pb；電解質(zhì)中H+和SO42-結(jié)合生成H2SO4。即整個(gè)充電過(guò)程為：充電過(guò)程中，正極板上的PbSO4逐漸轉(zhuǎn)

26、化為PbO2；而負(fù)極板上的PbSO4逐漸轉(zhuǎn)化為Pb。同時(shí)電解質(zhì)溶液中的H2SO4逐漸增加，而水分子逐漸減少，從而導(dǎo)致電解質(zhì)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(guò)程放電過(guò)程中，電解質(zhì)發(fā)生電解如下所示：在蓄電池內(nèi)部，正離子H+通過(guò)溶液向正極遷移，負(fù)離子SO42-以相反方向向負(fù)極遷移。在蓄電池外部，負(fù)極上的負(fù)電荷源源不斷地從負(fù)極流向正極，整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)回路。同時(shí)，在蓄電池負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，如下所示：蓄電池正極上發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)式為：由于正極上的還原反應(yīng)，正極板電極電位逐漸降低，同時(shí)負(fù)極板上的氧化反應(yīng)促使電極電位的升髙，所以導(dǎo)致了蓄電池電動(dòng)勢(shì)的降低。另外，電解質(zhì)溶液H2

27、SO4逐漸電解成水，引起了電解質(zhì)溶液比重的下降，導(dǎo)致蓄電池容量的減小。4.3.2 過(guò)充過(guò)放現(xiàn)象“過(guò)充”就是過(guò)量給蓄電池充電而產(chǎn)生的一種對(duì)蓄電池化學(xué)和物理性能起破壞作用的現(xiàn)象。“過(guò)充”主要是整流器的原因，如果蓄電池中的整流器轉(zhuǎn)換性能被破壞或者調(diào)整不當(dāng)，長(zhǎng)期得不到修復(fù)或者修正，易導(dǎo)致電池長(zhǎng)期處于過(guò)充狀態(tài)，從而失水嚴(yán)重、壽命縮短或發(fā)生熱失控及膨脹等問(wèn)題。另外，鉛酸蓄電池一個(gè)重要保護(hù)措施是電池放電至一定的電壓后就應(yīng)該停止放電。如果保護(hù)措施失效，則電池放電電壓過(guò)低，會(huì)造成電池容量難以修復(fù)，長(zhǎng)期如此，電池壽命將大大縮短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池失效。為了有效地防止過(guò)充過(guò)放現(xiàn)象，必須對(duì)蓄電池的充放電過(guò)程進(jìn)行有效的控

28、制，將在本章的第四節(jié)詳細(xì)說(shuō)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(jìn)行充電，那么在任何時(shí)間t內(nèi)，存儲(chǔ)于蓄電池內(nèi)的電荷量Q是充電電流從時(shí)間0到時(shí)間t曲線下的積分，如下式所示：可以看出，充電結(jié)束時(shí)充入的電荷量也是原來(lái)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(gè)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(shí)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(guò)程中受3個(gè)基本規(guī)律支配（1）第一定律對(duì)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(duì)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(guān)，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(duì)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(guān)，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(gè)階段以不同的放電率放電后，可接受的充電電流是各個(gè)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?cè)萘俊Ｒ陨?個(gè)基本規(guī)律為蓄電池的充放電莫定了理論基礎(chǔ)，揭示了充電電流與放電量之間的內(nèi)在關(guān)系，指明了在充電過(guò)程中實(shí)施恰當(dāng)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(shí)間，加快充電進(jìn)程。4.3.4充放電中的極化過(guò)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(shí)間，在額定的充電電量的前提下，可以縮短總充電時(shí)間。事實(shí)上影響蓄電池充電速度和充電電流的主要因素是充電過(guò)程中的極化現(xiàn)象。在蓄電池的化學(xué)反應(yīng)中，這種電動(dòng)勢(shì)超過(guò)勢(shì)力學(xué)平衡值的現(xiàn)象，稱之為極化現(xiàn)象。極化現(xiàn)象的產(chǎn)生主要?dú)w結(jié)為以下兩個(gè)方面的原因。1. 濃差極

31、化當(dāng)蓄電池不接負(fù)載時(shí)，電化學(xué)體系處于平衡狀態(tài)，電解質(zhì)溶液的濃度分布各處均勻；當(dāng)蓄電池接上負(fù)載，其內(nèi)部發(fā)生了變化。隨著電極化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，電極表面的反應(yīng)物不斷減少而生成物不斷增加，為了維持平衡，反應(yīng)物能及時(shí)補(bǔ)充而生成物應(yīng)該及時(shí)離去。然而實(shí)際上生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散遷移速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上化學(xué)反應(yīng)的速度，也就造成了電極表面到中部溶液電解質(zhì)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(shí)產(chǎn)生濃差極化，最好的辦法是在充電過(guò)程中始終保持對(duì)電解液的攪拌，促使粒子遷移的速度與化學(xué)反應(yīng)的速度相同。2. 電化學(xué)極化電極反應(yīng)總是分若干步進(jìn)行，若其中一步反應(yīng)較慢，反應(yīng)較慢的過(guò)程需要較髙的活化能，為了使電極反應(yīng)順利進(jìn)行，

32、所額外施加的電壓稱為電化學(xué)超電勢(shì)(亦稱為活化超電勢(shì)），這種極化現(xiàn)象稱為電化學(xué)極化。根據(jù)法拉第定律，若通過(guò)電解質(zhì)的電流強(qiáng)度為I，不論是正極板還是負(fù)極板，發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)摩爾數(shù)均為：若以dm/dt表示電極反應(yīng)速度V，則：m為物質(zhì)摩爾數(shù)，n、F為比率常數(shù)，從上式可以看出，電極反應(yīng)速度V與充電電流成正比，電流越大，電極化學(xué)反應(yīng)越快，從而加劇了濃差極化和電化學(xué)極化，整個(gè)反應(yīng)將無(wú)法進(jìn)行，形成惡性循環(huán)。3. 歐姆極化蓄電池充電過(guò)程中，內(nèi)部的正、負(fù)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(guò)程中不可避免地受到一些阻力，該阻力稱之為歐姆內(nèi)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(nèi)阻為

33、尺，所對(duì)應(yīng)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(dǎo)致蓄電池充電過(guò)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(yáng)能電池陣列和蓄電池組的復(fù)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(shí)現(xiàn)設(shè)定的充電模式，必須對(duì)充電過(guò)程進(jìn)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(dòng)轉(zhuǎn)換、充電各階段模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及停充控制等方面。4.4.1 蓄電池充電過(guò)程中常見(jiàn)的幾個(gè)問(wèn)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(hào)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(huì)使蓄電池組中容量低的蓄電池更容易過(guò)充電或者過(guò)放電，從而使蓄電池組的極板硫化加劇、蓄電池容量差距進(jìn)一步擴(kuò)大。這不僅會(huì)縮短蓄電池的使用壽命，還會(huì)因?yàn)樾铍姵貥O板硫化而使其內(nèi)阻增大、有效活性物質(zhì)減小，從而使蓄電池組充放電能量轉(zhuǎn)換效率、輸出功率下降，使蓄電池性能狀態(tài)迅速惡化而過(guò)早報(bào)廢。改善該缺點(diǎn)可以采取基于消除蓄電池極板硫化的均衡充電，對(duì)容量低的蓄電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹斑^(guò)充電”來(lái)減小或消除其極板硫化，以恢復(fù)其容量，并使其他蓄電池能充電至“充足電”的狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各蓄電池性能參數(shù)不擴(kuò)大并趨于一致的目的。2. 放電對(duì)蓄電池性能的影響為了防止蓄電池的記憶效應(yīng)（

35、所謂記憶效應(yīng)是電池因?yàn)槭褂枚闺姵貎?nèi)部物質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶的一種效應(yīng)，產(chǎn)生的原因是電池重復(fù)的充電或放電不完全所致），在充電器設(shè)計(jì)中需要加入放電環(huán)節(jié)，對(duì)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(huì)減慢蓄電池的充電速度，所以為了加快蓄電池的充電進(jìn)度,應(yīng)避免蓄電池的深度放電。蓄電池放電電流越大，再充電時(shí)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(huì)產(chǎn)生大量的熱量，引起溫度上升，因而放電電流不宜過(guò)大。3. 快速充電及極化快速充電是快速提高蓄電池儲(chǔ)能速度的有效方法，但是快速充電會(huì)引起蓄電池的極化現(xiàn)象，造成蓄電池極板活

36、性物質(zhì)脫落，直至損壞蓄電池。蓄電池極化現(xiàn)象嚴(yán)重阻礙化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致電池的不可逆反應(yīng)，進(jìn)而縮短電池壽命。因此快速充電與提高蓄電池壽命是一對(duì)矛盾。所以消除極化現(xiàn)象是快速安全充電技術(shù)的關(guān)鍵所在。目前消除極化現(xiàn)象主要采取以下幾種方法。（1）強(qiáng)制消除。強(qiáng)制消除，是在大電流充電過(guò)程中，強(qiáng)制電流反向。即在蓄電池的充電過(guò)程中實(shí)施瞬時(shí)的一定深度的放電。該過(guò)程中，蓄電池正負(fù)極板上尚未參加化學(xué)反應(yīng)的多余電荷各自向著與原來(lái)充電相反的方向運(yùn)動(dòng)，極板上原來(lái)積累的多余電荷會(huì)迅速減少，減弱或者消除了電池的電化學(xué)極化。同時(shí)，放電過(guò)程中，正負(fù)離子向著與原來(lái)充電相反的方向運(yùn)動(dòng)，起到攪拌電解質(zhì)的作用，這可以有效地控制濃差極化；而

37、且在放電過(guò)程中蓄電池將一部分因歐姆極化產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到負(fù)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(guò)程中，讓蓄電池瞬時(shí)停止充電，歐姆極化將迅速消失，同時(shí)，對(duì)由于電荷運(yùn)動(dòng)、離子遷移和化學(xué)反應(yīng)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(wèn)題。實(shí)踐表明，兩者均與充電過(guò)程中產(chǎn)生的端電壓有很大關(guān)系。在消除極化的前提下，單個(gè)蓄電池電壓達(dá)到2.3V以前，析出氣量和溫升并不明顯。因此，通過(guò)檢測(cè)蓄電池在充電過(guò)程中所產(chǎn)生的端電壓，并以此作為反饋指令來(lái)控制充電電流的大小。4.4.2蓄電池的充放電控制技術(shù)在實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池中，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)

38、定的充電模式，必須對(duì)充電過(guò)程進(jìn)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(guò)程的階段劃分充電過(guò)程一般分為主充、均充和浮充3個(gè)階段。充電末期主要是以恒小電流長(zhǎng)時(shí)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(jiàn)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(guò)程中，因?yàn)殡姵氐膫€(gè)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(shì)的惡化，需要提高電池組的充電電壓，對(duì)電池進(jìn)行活化充電。為了保護(hù)蓄電池不過(guò)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(yīng)充電后期蓄電池可接受充電電流的減小。當(dāng)浮充電壓值與蓄電池端電壓相等時(shí)便會(huì)自動(dòng)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(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，使得充電比較徹底。2. 充電程度判斷蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，必須隨時(shí)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(shí)際容量值的檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)實(shí)際容量值與額定容量值進(jìn)行比較，從而判定蓄電池的充電程度。（2）檢測(cè)蓄電池端電壓。當(dāng)蓄電池端電壓與其額定值相差比較大時(shí)，說(shuō)明處于充電初期；當(dāng)兩者相差很小時(shí)，說(shuō)

40、明充電過(guò)程已快完成。3. 充電各階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換目前常用的充電各階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法有：（1）時(shí)間控制，即預(yù)先設(shè)定各階段的充電時(shí)間，由時(shí)間繼電器或CPU來(lái)控制轉(zhuǎn)換時(shí)刻。（2）設(shè)定轉(zhuǎn)換點(diǎn)的充電電流或蓄電池端電壓值，當(dāng)實(shí)際電流或電壓值達(dá)到設(shè)定值時(shí), 即自動(dòng)轉(zhuǎn)換。（3）采用積分電路在線檢測(cè)蓄電池的容量，當(dāng)容量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，則發(fā)信號(hào)改變充電電流的大小。以上3種自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法，各有優(yōu)勢(shì)。時(shí)間控制比較簡(jiǎn)單，但是該方法缺乏來(lái)自蓄電池的實(shí)時(shí)信息，控制比較粗略；容量監(jiān)控方法控制電路比較復(fù)雜，但是控制精度明顯增高。4. 停充控制當(dāng)蓄電池充足電時(shí)，必須適時(shí)地切斷充電電源，否則將造成蓄電池的過(guò)充，出現(xiàn)大量析氣、失水和升溫

41、等反應(yīng)，嚴(yán)重危及蓄電池的便用壽命。主要的停充控制方法有：（1）定時(shí)控制采用恒流充電時(shí)，蓄電池所需要的充電時(shí)間可根據(jù)蓄電池容量和充電電流的大小來(lái)確定，因此只需要預(yù)先設(shè)定好充電時(shí)間，時(shí)間一到，定時(shí)器即可發(fā)出信號(hào)停充或者降為涓流充電(通常當(dāng)電池接近充滿時(shí)，控制電路會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為涓流充電。涓流充電時(shí)能把電池充的很足，但是涓流充電時(shí)間實(shí)在太長(zhǎng)，因此很少單獨(dú)使用，總是與其他充電方式一起使用）。這種方法簡(jiǎn)單，但是充電時(shí)間不能根據(jù)蓄電池充電前的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整，所以可能會(huì)出現(xiàn)欠充或者總是處于充電過(guò)程的現(xiàn)象。（2）溫度控制正常充電時(shí)，蓄電池的溫度變化并不明顯，但是當(dāng)蓄電池過(guò)充時(shí)，其內(nèi)部氣體壓力將明顯增大，負(fù)極板上氧化反應(yīng)使內(nèi)部發(fā)熱，溫度迅速上