鉛炭電池的工作特性

鉛炭電池的工作特性嚴(yán)干貴;朱微;段雙明;李洪波【摘要】為掌握鉛炭電池工作特性，進(jìn)行電池單體和電池組充放電實(shí)驗(yàn)，研究荷電狀態(tài)(SOC)與端電壓/內(nèi)阻及充放電倍率的關(guān)系、電池組電壓特性以及充放電倍率對(duì)電池組一致性和實(shí)際可用容量的影響結(jié)果表明:受電池內(nèi)部溫度影響，在充電過(guò)程電當(dāng)SOC大于0.75時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的電壓波動(dòng);當(dāng)電池電壓達(dá)到上限2.35V或下限1.80V時(shí)不同SOC對(duì)應(yīng)不同的充放電電流.電池成組應(yīng)用時(shí)，隨著充放電倍率增加,電池組實(shí)際可用容量減少.【期刊名稱】《電池》【年(卷)，期】2019(049)003【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P221-224)【關(guān)鍵詞】鉛炭電池;特性分析;荷電狀態(tài);充放電倍率;一致性【作者】嚴(yán)干貴;朱微;段雙明;李洪波【作者單位】東北電力大學(xué)現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林132012;東北電力大學(xué)現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林132012;東北電力大學(xué)現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林132012;東北電力大學(xué)現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林132012【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM912.1鉛炭電池可解決鉛酸電池在部分荷電狀態(tài)工作時(shí)負(fù)極硫酸鹽化的問(wèn)題［1］，性價(jià)比高，在大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［2］。國(guó)內(nèi)夕卜學(xué)者主要從電池化學(xué)特性和電氣特性兩個(gè)角度對(duì)鉛炭電池進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［3］從化學(xué)角度對(duì)鉛炭電池中炭材料的作用機(jī)理進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)［4］研究了鉛炭電池析氫行為與負(fù)極電勢(shì)的關(guān)系，指出：為了防止鉛炭負(fù)極析氫，鉛炭電池的充電電壓不應(yīng)高于2.45V。文獻(xiàn)［5］從電氣角度研究了鉛炭電池大電流充放電性能，指出短時(shí)大電流頻繁充放電工作模式下循環(huán)壽命可達(dá)7500次?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要對(duì)單體電池的內(nèi)部工作機(jī)理和循環(huán)壽命進(jìn)行分析，未研究鉛炭電池充放電過(guò)程出現(xiàn)的電壓波動(dòng)及成組容量等問(wèn)題。本文作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析鉛炭電池單體和電池組充放電特性，研究鉛炭電池電壓、內(nèi)阻波動(dòng)特性以及充放電倍率對(duì)電池組電壓一致性和實(shí)際可用容量的影響。1實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)選用LC-200型額定容量200Ah和LLC-100型額定容量100Ah的鉛炭電池(江蘇產(chǎn))為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，兩種電池額定電壓均為2.00V,25°C浮充電壓為2.25V，均充電壓為2.35V，放電截止電壓為1.80V，最大充電電流為40.0^選用EBC-A40L充放電測(cè)試儀(上海產(chǎn))對(duì)電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。1.1全SOC下端電壓/內(nèi)阻特性實(shí)驗(yàn)充電實(shí)驗(yàn)：將鉛炭電池以0.1C倍率電流放電至截止電壓1.80V，認(rèn)為此時(shí)電池電量為0,即荷電狀態(tài)(SOC)等于0；采用恒流/恒壓方式對(duì)電池充電，恒流階段電流為20A，恒壓階段電壓為2.35V。單次充電容量為額定容量的5%，測(cè)量電池工作電壓和內(nèi)阻；靜置4h后，測(cè)量電池開(kāi)路電壓(OCV)和內(nèi)阻；重復(fù)②、③，直至電池SOC等于1。放電實(shí)驗(yàn)：電池在滿電狀態(tài)下采用恒流20A放電，單次放電容量為額定容量的5%，測(cè)量電池工作電壓和內(nèi)阻；靜置4h后，測(cè)量電池OCV和內(nèi)阻；重復(fù)①和②，直至電池SOC等于0。1.2不同充放電倍率對(duì)應(yīng)的SOC與端電壓特性實(shí)驗(yàn)充電實(shí)驗(yàn)：充電起始時(shí)刻電池OCV為2.10V，SOC為0.85，以5A、10A...35A對(duì)電池充電，電壓達(dá)到上限2.35V時(shí)，停止充電。記錄不同電流對(duì)應(yīng)的電壓與SOC數(shù)據(jù)。放電實(shí)驗(yàn)：放電起始時(shí)刻電池OCV為2.00V,SOC為0.40，以5A、10A...40A對(duì)電池放電，電壓達(dá)到下限1.80V時(shí)，停止放電。記錄不同電流對(duì)應(yīng)的電壓與SOC數(shù)據(jù)。1.3電池組一致性實(shí)驗(yàn)取12只同批次、LC-200鉛炭電池串聯(lián)成組，將電池標(biāo)記為1-12號(hào)。在常溫(25°C)下分別以2.3A和5.0A電流進(jìn)行恒流充放電，全程記錄電池組電壓。單體電池電壓達(dá)到電壓上限2.35V時(shí)，停止充電，計(jì)算充電電量；單體電池電壓達(dá)到電壓下限1.80V時(shí)，停止放電，計(jì)算放電電量。2結(jié)果與討論2.1全SOC下端電壓/內(nèi)阻特性實(shí)驗(yàn)2.1.1SOC與端電壓關(guān)系特性分析選用容量為200Ah的鉛炭電池分析端電壓特性，充電過(guò)程中電壓隨SOC變化曲線如圖1所示。圖1充電過(guò)程電壓隨SOC變化曲線Fig.1ChangesofvoltagewithSOCduringcharging從圖1可知，SOC在0~0.05階段，電池工作電壓迅速上升，SOC在0.05~0.75階段，電壓平穩(wěn)升高，對(duì)應(yīng)SOC線性增加，由恒流充電轉(zhuǎn)為恒壓充電的過(guò)渡階段(SOC在0.75~0.85)，電壓上升較快。充電階段，適合鉛炭電池工作的SOC范圍為0.05~0.75。恒壓充電時(shí)，電池工作電壓不變，不能反映SOC變化，而不同OCV對(duì)應(yīng)不同SOC，因此可用電池OCV估計(jì)SOC。充電過(guò)程，鉛炭電池SOC在0.75~0.85階段對(duì)應(yīng)的電壓電流變化曲線如圖2所示。圖20.75~0.85SOC充電階段電壓電流的變化Fig.2ChangesofvoltageandcurrentinthechargingstateofSOCof0.75-0.85從圖2可知，t1之前，電池工作電壓上升；t1時(shí)刻電壓為上限2.35V，電池充電模式由恒流轉(zhuǎn)為恒壓，電流開(kāi)始下降。t2時(shí)刻，電流為下限17.27A,t2之后電流上升；t3時(shí)刻，電流為20A,t3之后電池充電模式由恒壓又轉(zhuǎn)為恒流，電壓開(kāi)始下降。此電壓波動(dòng)由電池內(nèi)部溫度引起，t1-t2階段，電池內(nèi)部溫度逐漸升高，引起內(nèi)部活性物質(zhì)反應(yīng)速度加快，電池接受電荷能力加強(qiáng)，t2后電流開(kāi)始上升，t3-t4階段電池充電模式又轉(zhuǎn)為恒流。恒流階段電池溫度逐漸保持恒定，活性物質(zhì)反應(yīng)速度保持恒定。t4轉(zhuǎn)為恒壓充電，電池溫度下降。放電過(guò)程電池電壓隨SOC變化曲線如圖3所示。圖3放電過(guò)程電壓隨SOC變化曲線Fig.3ChangesofvoltagewithSOCduringdischarging從圖3可知，SOC在1.00~0.95階段，電池工作電壓變化較大，SOC在0.95~0階段，電池工作電壓變化平穩(wěn)，因此放電階段，適合鉛炭電池工作的SOC范圍為0.95~0。2.1.2SOC與內(nèi)阻關(guān)系特性分析容量為200Ah和100Ah的鉛炭電池在循環(huán)過(guò)程中內(nèi)阻隨SOC的變化曲線如圖4所示。圖4充放電過(guò)程內(nèi)阻隨SOC變化曲線Fig.4ChangesofinternalresistancewithSOCduringcharginganddischarging從圖4可知，受電極活性物質(zhì)充放電態(tài)導(dǎo)電性能的影響，鉛炭電池內(nèi)阻隨SOC的增大而減小，不同容量鉛炭電池的內(nèi)阻變化規(guī)律相同。放電過(guò)程中，隨著放電深度的增加，負(fù)極板表面堆積的硫酸鉛顆粒增大，電池導(dǎo)電率降低，內(nèi)阻增大。靜置前后，溫度變化影響內(nèi)部電解液的擴(kuò)散速度，使電池內(nèi)阻發(fā)生變化。2.2不同充放電倍率對(duì)應(yīng)的SOC與端電壓特性實(shí)驗(yàn)容量為200Ah的鉛炭電池不同充電的電流對(duì)應(yīng)的電池電壓和SOC關(guān)系曲線如圖5所示。圖5不同充放電電流下電壓和SOC的關(guān)系Fig.5RelationshipbetweenbatteryvoltageandSOCindifferentcharginganddischargingcurrents從圖5可知，電池工作電壓達(dá)到電壓上限2.35V時(shí)，充電電流越大，對(duì)應(yīng)的SOC越小，即電池可充入電量越少。電池工作電壓達(dá)到下限1.80V時(shí)，放電電流越大，對(duì)應(yīng)的SOC越大，即電池可放出電量越少。2.3電池組一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析電池組充放電過(guò)程中單體電壓曲線如圖6、7所示。圖6電池組充電單體電壓曲線(2.3A,5.0A)Fig.6Cellvoltagecurvesduringbatterycharging(2.3A,5.0A)圖7電池組放電單體電壓曲線(2.3A,5.0A)Fig.7Cellvoltagecurvesduringbatterydischarging(2.3A,5.0A)由圖6(b)可知，當(dāng)電池采用2.3A電流充電，10號(hào)電池電壓最高，首先達(dá)到電壓上限2.35V。整組電池充電容量為197.8Ah，電池組實(shí)際可用容量為額定容量的98.9%。由圖6(c)可知，當(dāng)電池采用5.0A電流充電，1號(hào)電池電壓最高，首先達(dá)到電壓上限2.35V。整組電池充電容量為194.9Ah，電池組實(shí)際可用容量為額定容量的97.5%。由圖7可知，2.3A電流放電時(shí)，3號(hào)電池電壓下降最快，首先達(dá)到電壓下限1.80V。整組電池放電容量為193.2Ah，電池組實(shí)際可用容量為額定容量的96.6%。5.0A電流放電時(shí)，9號(hào)電池電壓下降最快，首先達(dá)到電壓下限1.80V。整組電池放電容量為190.3Ah，電池組實(shí)際可用容量為額定容量的95.2%。單體電池的差異性導(dǎo)致電池組實(shí)際可用容量降低，隨著充放電倍率的增加，單體間差異性增大，電池組實(shí)際可用容量減少。為了定量分析充放電倍率對(duì)電池組一致性的影響程度，引入電壓標(biāo)準(zhǔn)差［6］概念，定義如下：(1)式(1)中：n代表電池組串聯(lián)的單體電池?cái)?shù)，n=12；Ui為單體電池電壓；為串聯(lián)電池組電壓平均值。電壓標(biāo)準(zhǔn)差越小，表示電池組一致性越好。電池組充電過(guò)程，電壓標(biāo)準(zhǔn)差曲線如圖8所示。圖8充電過(guò)程電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差曲線Fig.8Voltagestandarddeviationcurvesduringbatterycharging從圖8可知，充電電流等于2.3A時(shí)，電壓標(biāo)準(zhǔn)差主要在0.001-0.002之間變化，波動(dòng)幅度小，充電后期，電壓標(biāo)準(zhǔn)差增加，充電結(jié)束上升至0.004。充電電流等于5.0A時(shí)，電壓標(biāo)準(zhǔn)差在0.002附近變化，波動(dòng)幅度大，充電后期，電壓標(biāo)準(zhǔn)差增加，充電結(jié)束上升至0.007。電池組放電過(guò)程中電壓標(biāo)準(zhǔn)差曲線如圖9所示。圖9放電過(guò)程電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差曲線Fig.9Voltagestandarddeviationcurvesduringbatterydischarging從圖9可知，放電過(guò)程中電壓標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)與充電過(guò)程相似。電池組充放電電流越大，電壓波動(dòng)越大，電池電壓離散度越大，電池組一致性越差。3結(jié)論本文作者研究了鉛炭電池單體和電池組充放電特性，鉛炭電池安全、高效應(yīng)用得到了數(shù)據(jù)支撐。受電池內(nèi)部溫度影響，鉛炭電池充電過(guò)程，當(dāng)SOC大于0.75時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)電壓波動(dòng)問(wèn)題。受電池正負(fù)極活性物質(zhì)充放電態(tài)自身的導(dǎo)電性影響，鉛炭電池內(nèi)阻隨SOC的增大而減小，靜置前后電池溫度變化影響內(nèi)部電解液的擴(kuò)散速度，內(nèi)阻發(fā)生變化；受鉛炭電池最高電壓和最低電壓限制，充電電流越大，充入電池的電量越少，放電電流越大，放出電量越少；當(dāng)電池電壓達(dá)到電壓上限和電壓下限時(shí)，不同SOC對(duì)應(yīng)不同的上限充電電流和放電電流，必須根據(jù)SOC值設(shè)置充電和放電電流，否則會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)過(guò)充或者過(guò)放現(xiàn)象；受電池一致性影響，電池成組應(yīng)用時(shí)，實(shí)際可用容量低于額定容量，隨著充電、放電倍率的增加，電池組一致性變差，實(shí)際可用容量降低?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】陳飛，張慧，馬換玉，等.鉛炭電池的研究現(xiàn)狀[J].電池，2013，43(3):170-173.RobertsBP，SANDBERGC.Theroleofenergystorageindevelopmentofsmartgrids[J].Proceedingsofthe