對馬斯理論中K1值的實驗研究

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(1.遼寧太陽能研究應(yīng)用有限公司,遼寧 沈陽 110136;2.沈陽建筑大學(xué),遼寧 沈陽 110168;3.西藏拉薩市交警支隊,西藏 拉薩 850000)

對馬斯理論中K1值的實驗研究

殷孝雎1,王福忠2,鄧?yán)?,王兆盛1,鄧雅文3

(1.遼寧太陽能研究應(yīng)用有限公司,遼寧 沈陽 110136;2.沈陽建筑大學(xué),遼寧 沈陽 110168;3.西藏拉薩市交警支隊,西藏 拉薩 850000)

針對光伏供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合馬斯理論可顯著縮短充電時間、減少氣化、提高充電效率的優(yōu)點(diǎn)，提出了在光伏供電系統(tǒng)中應(yīng)用馬斯理論進(jìn)行快速充電的思想，并通過測試對馬斯理論的參數(shù)K1值進(jìn)行了深入的實驗研究，以探索馬斯定律在光伏供電系統(tǒng)中應(yīng)用的實現(xiàn)方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：K1值在任何條件下都并非定值。

光伏供電系統(tǒng)；馬斯定律；K1值；放電歷史；放電深度

K1; the history of discharge；the depth of discharge

0 引言

長期以來，世界能源主要依靠石油和煤炭等礦物燃料。但是，石油與煤都面臨枯竭，能源危機(jī)已成為困擾全球的最大問題[1]。利用太陽能發(fā)電已成為當(dāng)今各國密切關(guān)注的問題[2]。太陽能在節(jié)能減排上也有較強(qiáng)的優(yōu)越性[3]。而儲能是其中最為重要的環(huán)節(jié)。

在能源枯竭的大背景下，電動汽車的、特別是太陽能充電的電動汽車發(fā)展方興未艾，實現(xiàn)“零排放”是汽車工業(yè)的未來?！笆濉逼陂g，國家863計劃設(shè)立電動汽車專項，國家和地方政府直接劃撥以及國有企業(yè)投入的資金總額約30億元[4]。太陽能電力公交要實現(xiàn)，快速充電是關(guān)鍵。

目前，太陽能光伏供電系統(tǒng)基本上都是采用恒流恒壓的方法對蓄電池進(jìn)行充電[5]。恒流恒壓方式是目前最接近文獻(xiàn)[5]中所闡述的馬斯充電的充電方式。但是它的效果跟馬斯充電相比還是差距很大。恒流恒壓充電存在兩方面的問題。一方面：它的充電時間長。根據(jù)所做的實驗數(shù)據(jù)，12 V/40 AH的蓄電池其充電時間基本上要達(dá)到12 h以上，12 V/500 AH的蓄電池需要兩天以上才能將其充滿。充電時間過長，對用戶的使用造成極大不便。尤其是現(xiàn)在光伏供電系統(tǒng)多用于一些偏遠(yuǎn)的無電地區(qū)，光伏供電系統(tǒng)是當(dāng)?shù)鼐用袷褂秒娏Φ奈ㄒ粊碓?，充電時間過長，將嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳睢?/p>

另一方面，光伏組件產(chǎn)生的電能不能被有效存儲起來，浪費(fèi)嚴(yán)重。恒流恒壓的充電過程為：首先對蓄電池進(jìn)行C10或C20的恒流充電，到電壓升至2.4～2.5 V(2 V單體蓄電池)時，改為恒壓充電，直到低于設(shè)定的截止電流蓄電池充電結(jié)束。整個充電過程中充電電流被限制在C10或C20以下。而在光照充足的時候，光伏組件能夠提供的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C10或C20。這樣，在光照充足的時候，電能就不能被最大限度的儲存起來，很大部分被浪費(fèi)。

對此，我們?yōu)閷崿F(xiàn)太陽能光伏供電系統(tǒng)的快速充電進(jìn)行了努力探索。緊接著文獻(xiàn)[6]的研究，我們對蓄電池做了大量實驗，對馬斯充電方法做了進(jìn)一步的研究。

1 蓄電池充電理論的研究

20世紀(jì)60年代中期，美國科學(xué)家馬斯，發(fā)現(xiàn)了可實現(xiàn)最低出氣率的蓄電池可接受充電曲線,如圖1所示。其方程為

i=I0e-at

(1)

式中i——任意時刻t時蓄電池可接受充電電流；

I0——可接受最大初始充電電流；

a——蓄電池的充電接受比。

實驗表明，如果充電電流按公式的指數(shù)曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對蓄電池沒有損害；如果充電電流在此曲線下會延長蓄電池充電時間；而當(dāng)充電電流在此曲線之上時，蓄電池的充電效率并不會增加，反而會增加氣化降低蓄電池壽命。這條曲線被稱為最佳充電曲線。1972年，在第二屆世界電動汽車年會上，馬斯又提出了著名的馬斯三定律[7]，即：

定律一：對于任意給定的放電電流，蓄電池的充電接受電流I0正比于放出電量的平方根C1/2,即

(2)

式中C——蓄電池放出的容量。

定律二：對于任何給定的放電量，蓄電池充電電流接受比a與放電電流Id的對數(shù)成正比,即

a=K2C-1/2lg(K3Id)

(3)

結(jié)合一、二定律得

K1=K2lg(K3Id)

(4)

由此只要測得蓄電池的剩余容量，即可得放出電量

C=Csum-CS

(5)

式中Csum——蓄電池的測量容量(可近似為額定容量)；

CS——蓄電池的剩余容量。

由馬斯第一定律可知：只要得到常數(shù)值K1、放出容量C，即可知道接受率a和最大接受電流I0，確定充電電流的大小。剩余容量的在線測量已經(jīng)有辦法實現(xiàn)，只要獲得K1值，即可對蓄電池進(jìn)行馬斯充電。為得到K1的經(jīng)驗值，以及K1的變化規(guī)律，我們對12 V/40 AH鉛酸蓄電池做了大量實驗。

2 蓄電池K1值的研究

文獻(xiàn)[8]指出:充電設(shè)備用閥值電壓對蓄電池短時間恒壓充電，實時采集充電電流值，此時得到的充電電流與充電時間的關(guān)系曲線可以認(rèn)為是蓄電池在該狀態(tài)下的固有充電特性曲線。固可據(jù)此判斷蓄電池的初始K1值。文獻(xiàn)[9]也從電解液方面著手驗證了此方法的可行性。本實驗均采用氣泡電壓14.5 V對蓄電池短暫恒壓充電，以10 ms間隔對充電過程進(jìn)行采樣，取前100 ms平均值作為蓄電池在該狀態(tài)下實際的K1值。

2.1 放電深度對K1值的影響

我們對12 V/40 AH的鉛酸蓄電池分別以4 A恒流放電8 AH、12 AH、16 AH、20 AH、24 AH，然后取其相應(yīng)的K1值。每次放電結(jié)束后都對其恒流恒壓充電到截止?fàn)顟B(tài)。表1為其所得實驗數(shù)據(jù)。

表1 不同放電深度的K1值

注：表1中的數(shù)據(jù)與設(shè)定值有偏差是因為每次放電以后充電到同一截止?fàn)顟B(tài)，所充進(jìn)的電量有時比放出的略多，有時略少。所以就造成了放出電量與設(shè)定值有偏差的結(jié)果。

從文獻(xiàn)[6]可知，K2,K3為不同種類、不同型號、不同狀態(tài)蓄電池的固有特性參數(shù)。由式(4)可知，對于固定種類、固定型號、固定狀態(tài)的蓄電池，K1只與放電電流有關(guān)，它與放電電流Id成對數(shù)關(guān)系，K1為放電電流常數(shù)。本實驗中以相同電流放不同電量，從表2中的數(shù)據(jù)可以看到，隨放電深度的不同K1值變化較小，與該理論吻合。

2.2 放電電流對K1值的影響

我們對前面實驗中12 V/40 AH蓄電池以4 A電流恒流充電，直到蓄電池端電壓達(dá)到14.4 V時，轉(zhuǎn)為14.4 V恒壓充電，到電流小于0.5 A時充電截止。之后對蓄電池進(jìn)行5次放電實驗，分別以10 A、8 A、6 A、4 A、2 A放電22 AH。每次放電結(jié)束后，都對蓄電池進(jìn)行恒流恒壓充電到截止?fàn)顟B(tài)。表2所示為所得實驗數(shù)據(jù)。

表2 不同放電電流放20 AH的K1值

注：表2中數(shù)據(jù)與設(shè)定值之間的偏差情況與表1相同。

從表中數(shù)據(jù)可以看出: K1值隨放電電流的減小而減小。這個結(jié)果與文獻(xiàn)[6,10-12]的研究剛好相互應(yīng)證。

2.1和2.2中的實驗說明：短暫恒壓充電獲取K1值的方法確實是可行的。這點(diǎn)在我們做的其他相關(guān)實驗中也得到了應(yīng)證。并證明了其結(jié)果是穩(wěn)定的、可靠的。

2.3 放電間斷情況對K1值的影響

為得到放電過程有變化時，K1值的變化情況，我們用同一個蓄電池進(jìn)行了間斷放電實驗。首先，將恒流恒壓充電到截止?fàn)顟B(tài)的蓄電池以4 A恒流放電8 AH。然后每放電半個小時，對蓄電池進(jìn)行一次短時的恒壓充電，獲取此狀態(tài)時的K1值。其實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

圖1 恒壓放電瞬間電流截圖

表3 間斷放電不同深度的K1值

從圖1和表3中數(shù)據(jù)可以看到：同樣是以相同電流4 A放電，K1值卻隨放電深度的增加而不斷變化，且變化十分明顯。由此可以得到：蓄電池在狀態(tài)不穩(wěn)定的情況下，其K1值不是恒定不變的。

3 結(jié)論

由實驗分析得知：蓄電池內(nèi)部的化學(xué)變化以及原材料做功等的偏差，導(dǎo)致即使同一型號的蓄電池，其K1值在不同條件下都不是一個定值。

在太陽能光伏供電系統(tǒng)中，由于電池所接的負(fù)載實時變化，導(dǎo)致蓄電池放電歷史復(fù)雜、難以預(yù)測；控制器在蓄電池處于任何狀態(tài)下時，都有可能對其進(jìn)行連續(xù)充放電。由此導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)不穩(wěn)定，蓄電池的K1變化較大，難以采用經(jīng)驗值。

實驗證明，采用閥值電壓短暫充電獲取I0值,并與所測得的C值運(yùn)算得a值，進(jìn)而得到馬斯充電曲線的方法是可行并且可靠的。

本論文的所有測試數(shù)據(jù)均為Digatron UBT100-018-6ME(德國)蓄電池綜合測試儀所測得。

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TheExperimentalResearchforK1ofMasTheory

YIN Xiao-ju1,WANG Fu-zhong2,DENG Kun2,WANG Zhao-sheng1,DENG Ya-wen3

(1.Liaoning Solar Energy R&D CO.Ltd.,Shenyang 110136,China;2.Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China;3.Lhasa Traffic Poilic Detachment,Lhasa 85000,China)

In the light of the characteristics of the Solar photovoltaic(PV) power supply systems,combining the advantage of vastly shorter charge times,reducing gasification,and significantly improving charge efficiency of Mas theory, this paper puts forward the idea on quick charge of PV systems through applying Mas theory, and do the more in-depth research for theK1of Mas theory by test, in order to explore options to make use of Mas theory in PV systems. The result shows that k1 is not fixed in any situation.

PV systems; Mas theory;

2013-03-19修訂稿日期2013-05-16

遼寧省自然科學(xué)基金(201202177)

殷孝雎(1974～)，男，碩士，高級工程師,研究方向為線性系統(tǒng)的可靠控制、光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器的設(shè)計。

TM615

A

1002-6339 (2014) 01-0042-03