蓄電池選型介紹及釋氫分析課件

蓄電池選型介紹及釋氫分析電氣設(shè)計(jì)研究部2012年9月匯報(bào)內(nèi)容一、蓄電池的定義和分類二、蓄電池的種類三、閥控鉛酸蓄電池四、鎳鎘蓄電池五、釋氫分析六、總結(jié)和問題一、蓄電池的定義和分類原電池(一次電池)：放電一次，不可再充電；蓄電池(二次電池)：放電后可以再次充電恢復(fù)電能儲存；按應(yīng)用分類

——作為能量儲存裝置，需要時(shí)，將儲存的能量提供給負(fù)載。如作為應(yīng)急電源系統(tǒng)和備用電源，作為動力回收系統(tǒng)或電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)；

——作為便攜式用電設(shè)備、電動工具和電動車輛的能量源。

二、蓄電池的種類堿性蓄電池

——鐵鎳蓄電池，車輛用，已逐步淘汰；

——氧化銀蓄電池，軍事及空間應(yīng)用，成本很高；

——鋅鎳蓄電池，輕便車輛用，循環(huán)壽命較低；

——?dú)潆姌O電池，航天領(lǐng)域和電動車，成本很高；

——鋅二氧化錳電池，便攜工具設(shè)備，循環(huán)壽命和倍率差；

——鋰離子蓄電池，電子電信市場為主，成本較高；

——鎳鎘蓄電池：應(yīng)用最廣泛，成本只高于鉛酸，低于其他

——袋式極板結(jié)構(gòu)：最常見、最常用

——燒結(jié)極板結(jié)構(gòu)：高放電率和低溫性能更出色，還可細(xì)分為泡沫鎳電極、纖維鎳電極和涂膏式電極；

——密封式：與密封鉛酸電池相似(電子產(chǎn)品、設(shè)備類)三、閥控鉛酸蓄電池化學(xué)原理當(dāng)電池充電接近完成且大部分PbSO4已經(jīng)被轉(zhuǎn)化為Pb和PbO2時(shí)，過充電反應(yīng)就會開始，導(dǎo)致氫氣和氧氣的生成并損失水。VRLA技術(shù)特點(diǎn)

——氧氣復(fù)合原理：過充電過程產(chǎn)生的大部分氧氣能夠在內(nèi)部重化合

——純鉛錫合金板柵的應(yīng)用減少氫氣的生成，氫氣通過塑料殼和排氣孔釋放出去。

——為了減少析氫，對充電器的技術(shù)要求較高；

——可以在排氣孔安裝催化栓，使氫氣與氧氣再次化合達(dá)到平衡；水份重組

一般特性

——密封：不是真正密封，通過減壓閥控制氣體排出；

——免維護(hù)：殼蓋密封技術(shù)使電池理論上不能進(jìn)行再次修理；

三、閥控鉛酸蓄電池VRLA電池性能特征(以方形電池為例)

——放電曲線(20攝氏度，C20率)三、閥控鉛酸蓄電池VRLA電池性能特征(以方形電池為例)

——溫度與放電率對電池放電容量的影響四、鎳鎘蓄電池化學(xué)原理發(fā)展過程

——袋式極板結(jié)構(gòu)(有極板盒式開口鎳鎘電池)：可靠、耐用、長壽、使用溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、能承受過充、反極、短路等濫用、低維護(hù)

——燒結(jié)式極板結(jié)構(gòu)：極板厚度更薄，內(nèi)阻更小，高倍率性能和低溫性能更優(yōu)良；燒結(jié)式極板的發(fā)展——纖維極板鎳鎘電池(FNC)燒結(jié)式極板的發(fā)展——密封免維護(hù)鎳鎘電池：采用與VRLA類似技術(shù)

——黏結(jié)式電極結(jié)構(gòu)：主要用于航空和便攜式密封電池。對“開口”(VENT)的說明：“開口”的意義并不是字面上理解的電池敞開的意思。是指電池正負(fù)極之間設(shè)置有氣體阻擋層，防止電池內(nèi)生成的氣體復(fù)合，當(dāng)過充時(shí)，水被電解并通過安全閥將氫氣和氧氣排出，消耗了水。四、鎳鎘蓄電池鎳鎘蓄電池特性

——溫度對電池容量的影響

——溫度下限：標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)-20攝氏度，增大電解質(zhì)濃度可降至-50攝氏度

——溫度上限：45攝氏度通常是鎳鎘電池長期工作的溫度上限；

——曲線如下，選取中等倍率袋式極板鎳鎘電池，C5率；

四、鎳鎘蓄電池使用壽命(充放電循環(huán)次數(shù)/時(shí)間)

——正常條件下循環(huán)壽命2000次以上；時(shí)間為8至25年；

——影響壽命因素：溫度(主要是高溫)、放電深度、充電制度記憶效應(yīng)

——僅存在于燒結(jié)式鎳鎘電池，完全可逆，通過深度維護(hù)循環(huán)可恢復(fù)；——袋式極板、纖維極板、黏結(jié)極板式電池?zé)o此效應(yīng)；四、鎳鎘蓄電池-開口燒結(jié)式開口燒結(jié)式鎳鎘電池

——技術(shù)成熟

——體積比能量比袋式極板電池高出50%——薄極板設(shè)計(jì)，低內(nèi)阻，高倍率特性，低溫性能優(yōu)良；

——放電電壓平穩(wěn)，適合高功率應(yīng)用，廣泛用于發(fā)動機(jī)啟動和低溫環(huán)境應(yīng)用

——成本較高

——有記憶效應(yīng)(可逆)——為延長壽命需要充電系統(tǒng)具有溫度控制開口原理

——正、負(fù)極間以隔膜隔開，作為氣體阻擋層和絕緣層；

——電解質(zhì)較多，將極板和隔膜完全淹沒，屬于”富液型電池”；

——開口電池在充電終點(diǎn)時(shí)電壓升高，可作為充電控制標(biāo)志；

四、鎳鎘蓄電池-開口燒結(jié)式析氫反應(yīng)

——開口式電池負(fù)極充電至基本達(dá)到100%荷電狀態(tài)時(shí)，開始析氫；——過充電期間，全部電流都用于將水電解為氫氣和氧氣；

——過充電反應(yīng)消耗水，控制過充電量可限制水的損失，增大補(bǔ)水間隔；充電特性

——開口電池正負(fù)極之間的氣體阻擋層可以防止電池內(nèi)生成的氣體在極板間遷移并發(fā)生復(fù)合反應(yīng)。這一方法可使正、負(fù)極都達(dá)到滿荷電狀態(tài)，從而使過充電開始時(shí)出現(xiàn)過電壓，作為控制充電的反饋信號；

——根據(jù)這一特性，可進(jìn)行高充電率充電；

——較多的過充電可使電池恢復(fù)到較高的容量；

——過充電量越多，消耗的水越多；

——通常充電量約為放電容量的101%至105%；四、鎳鎘蓄電池-纖維板式纖維電極鎳鎘電池(FNC電池)

——核心是三維鍍鎳?yán)w維矩陣結(jié)構(gòu)極板，增加了活性物質(zhì)載入量和利用率；

——進(jìn)一步改善低溫性能(-40攝氏度)

——降低充電系數(shù)，提高了充電效率減少了過充電析氣反應(yīng)

——高使用壽命(20-25年)

——生產(chǎn)靈活性(技術(shù)覆蓋范圍廣)

超高、高、中、低倍率覆蓋——FNC體系在所有應(yīng)用中具有相同的性質(zhì)和基本特點(diǎn)

——促進(jìn)了密封電池的發(fā)展

四、鎳鎘蓄電池-纖維板式再談密封電池和開口電池

——水溶液鎳電極充電過程總是存在競爭反應(yīng)(水的電解)——在充電末期，正極析出氧氣，負(fù)極析出氫氣

——電池對析出氣體的處理方式?jīng)Q定電池是否能密封：密封電池：氣體在電池內(nèi)部復(fù)合開口電池：氣體排出電池外

開口電池過充電反應(yīng)：密封電池過充電反應(yīng)：

四、鎳鎘蓄電池-纖維板式FNC鎳鎘電池特性

——放電特性曲線，20攝氏度，C5率，低倍率型四、鎳鎘蓄電池-纖維板式FNC鎳鎘電池特性

——溫度與容量曲線五、釋氫分析-鉛酸電池鉛酸電池

——所有鉛酸蓄電池在使用過程中都會產(chǎn)生氫氣——?dú)錃鈦碓矗簝煞N過程

——過充電過程中，電解水副反應(yīng)中產(chǎn)生

——開路擱置期間自放電反應(yīng)

——開口式一般失水率為1.38g/Ah，折合氫氣1.71L/Ah；閥控式密封鉛酸蓄電池

——采用多元優(yōu)質(zhì)合金板柵，提高氣體釋放過電位(由2.30V至2.35V)相對減少氣體釋放量

——負(fù)極比正極多出10%容量，充電后期正極釋放的氧氣與負(fù)極復(fù)合

——負(fù)極由于氧氣作用處于欠充電狀態(tài)，不產(chǎn)生氫氣

——正負(fù)極間隔板采用超細(xì)玻璃纖維隔板(AGM，非膠體電解質(zhì))，利于氧氣迅速流通到負(fù)極

——采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，酸霧無法逸出；五、釋氫分析-鉛酸電池閥控式密封鉛酸電池不逸出氣體的狀態(tài)和條件

——開路存放期間

——充電電壓在2.35V單體以下(25攝氏度)——放電期間——當(dāng)充電電壓超過2.35V單體時(shí)就有可能使氣體逸出，原因是電池內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生的大量氣體來不及被負(fù)極吸收(復(fù)合)；超壓后安全閥排氣；

——閥控式密封鉛酸蓄電池對充電電壓要求非常嚴(yán)格，不能過充電；實(shí)際充電過程分析

——實(shí)際中蓄電池的過充是存在的，分為兩種情況（1）蓄電池的充電是整組進(jìn)行，單體電池存在差異，出現(xiàn)個(gè)別電池過充是普遍現(xiàn)象；（2）充電時(shí)間的要求，工業(yè)用戶對后備電池充電時(shí)間一般要求放電后8-10小時(shí)內(nèi)充完，而單體充電電壓低于2.35V，充電時(shí)間長達(dá)20-30小時(shí)；如要在8小時(shí)內(nèi)充完，單體充電電壓一般要達(dá)到2.45V；五、釋氫分析-鎳鎘電池開口式鎳鎘電池

——充電過程中，鎳鎘電池的充電效率：袋式極板約71.5%，纖維極板約83.3%；

——必然有一部分能量須以其他形式耗散-即電解水，引起電池失水；

——放電過程中不產(chǎn)生氣體

——析氣產(chǎn)生是周期性的，在每次充電快要結(jié)束時(shí)的過充期；耗水分析

——只有在過充過程中才產(chǎn)生電解水

——理論計(jì)算：

每1Ah的過程電量將電解0.366cm3的水；

注：實(shí)際電解水的量要略小于上述量，因?yàn)檫^充電流還要抵消電極自放電，并不完全用于電解水。

五、釋氫分析-鎳鎘電池開口式鎳鎘電池

——析氫計(jì)算

每1Ah的過充電量將電解0.366cm3的水；每1cm3水電解產(chǎn)生1.865升氣體，其中2/3為氫氣；1/3為氧氣；計(jì)算可得每1Ah的過充電可產(chǎn)生氫氣為：

0.366x1.865x2/3=0.45升氫氣；

——對于某型開口式鎳鎘蓄電池組：每小時(shí)產(chǎn)生的氫氣可用下式計(jì)算：

H2(L)/h=單體電池塊數(shù)x充電電流Ix0.45LH2(m3)/h=單體電池塊數(shù)x充電電流Ix0.00045m3

五、釋氫分析-鎳鎘電池開口式鎳鎘電池

——實(shí)例計(jì)算

假設(shè)110V直流系統(tǒng)電池組由96塊單體電池組成(1.2V/塊)；容量為280Ah；C5率；充電電流一般限制在0.3C5以下，考慮到8至10小時(shí)充電，則充電電流至少為

0.1C5；則充電電流為28A；根據(jù)計(jì)算公式，在最惡劣工況下，氫氣釋放量為：H2(m3)/h=96x28x0.00045=1.21m3/h通風(fēng)分析(理論分析)

——假設(shè)房間5mx3mx3m=45m3；假設(shè)電池體積為2m3，則房間凈空間為43m3；

——假設(shè)過充一小時(shí)后，房間中氫氣占空比為：1.21/43=2.8%——假設(shè)允許的最大氫氣含量為2%，則房間每小時(shí)換風(fēng)量為:2.8/2=1.4次/小時(shí)

——按照CCS相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：0.11*I*n=296m3/h

五、總結(jié)和問題電池選型

——渤海海域不建議使用鉛