閥控式膠體鉛酸蓄電池的模型研究

李春萍， 巨 輝， 嚴(yán)寒冰

(1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，四川成都610225；2.成都信息工程學(xué)院控制工程學(xué)院，四川成都610225)

閥控式膠體鉛酸蓄電池的模型研究

李春萍1， 巨 輝2， 嚴(yán)寒冰2

(1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，四川成都610225；2.成都信息工程學(xué)院控制工程學(xué)院，四川成都610225)

閥控式膠體蓄電池使用性能穩(wěn)定，可靠性高，使用壽命長，對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)能力(高、低溫)強(qiáng)，承受長時(shí)間放電能力、循環(huán)放電能力、深度放電及大電流放電能力強(qiáng)，有過充電及過放電自我保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，而被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著閥控式膠體蓄電池的廣泛應(yīng)用，其模型的研究也越來越迫切?，F(xiàn)在大部分模型都是基于其他類型的蓄電池，并沒有專門針對(duì)膠體蓄電池的模型。針對(duì)閥控式膠體鉛酸蓄電池，結(jié)合電氣和電化學(xué)兩方面，通過Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。建立的仿真模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，具有較高的實(shí)用價(jià)值，可以應(yīng)用在蓄電池管理和研究中。

閥控式；膠體鉛酸蓄電池；SOC；仿真；模型

閥控式膠體鉛酸蓄電池是將原有的硫酸溶液替換成膠體電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。膠體鉛酸蓄電池采用凝膠電解質(zhì)，存在部分游離液體，在同等體積下電解質(zhì)容量大，熱容量大，熱消散能力強(qiáng)，能避免一般蓄電池易產(chǎn)生熱失控的現(xiàn)象；電解質(zhì)濃度低，對(duì)極板的腐蝕作用弱；濃度均勻不存在電解液分層現(xiàn)象。目前，膠體蓄電池被廣泛應(yīng)用于電信、電力、鐵路和醫(yī)療領(lǐng)域中，并且在應(yīng)急和維生系統(tǒng)中也是必不可少的。

自從蓄電池誕生以來，人們對(duì)蓄電池的研究逐漸從參數(shù)的測量向更具概括性和前瞻性的整體模型上邁進(jìn)。早在1965年，Shepherd提出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)等式來描述放電曲線[1]，這是用來描述放電特性的最早的一般模型，并在此基礎(chǔ)上延伸出了更多的模型。一直到1990年，Giglioli提出四階模型，該模型能較精確地描述電池特性，但是計(jì)算復(fù)雜度高，需要的時(shí)間久。2000年Massimo提出了三階模型[2]，對(duì)于四階模型的高精確度和高復(fù)雜度做出了一定的均衡，在保證一定精確度的程度上大大降低了復(fù)雜度，縮短了計(jì)算時(shí)間。目前大部分的建模方法都是基于上述方法[3-6]。對(duì)蓄電池建立仿真模型對(duì)于電池制造業(yè)、電池使用管理和理論研究都有著很大的幫助。但由于上文中所提到的大部分模型在建模和實(shí)驗(yàn)過程中針對(duì)的是非膠體蓄電池，對(duì)于膠體蓄電池來說，準(zhǔn)確度較低。為此本文針對(duì)閥控式膠體鉛酸蓄電池建立模型，以期能夠在實(shí)際應(yīng)用中使用。

1 閥控式膠體蓄電池的充放電機(jī)理

膠體電池中的電解液是通過二氧化硅凝膠固定的。所有制劑是平均粒徑很小(約10 nm)的氣相二氧化硅。當(dāng)氣相二氧化硅與硫酸電解液混合時(shí)，形成粘稠的溶液，靜置后變?yōu)槟z體。氧氣是通過膠體中的裂縫擴(kuò)散。裂縫是電池在壽命初期，通過部分的干涸(失水)以及伴隨著膠體的收縮而形成的。

膠體電池的充放電反應(yīng)即鉛酸蓄電池的充放電反應(yīng)一致，為：

負(fù)極反應(yīng)：

正極反應(yīng)：

電池反應(yīng)：

蓄電池的充放電曲線如圖1所示，在放電初期，電壓迅速下降。這是因?yàn)樽畛蹼姌O附近的硫酸濃度與整體的硫酸濃度相同，放電開始后電極附近的硫酸被迅速消耗，使電極附近的硫酸濃度下降，而硫酸溶液整體向表面擴(kuò)散得緩慢，來不及補(bǔ)充表面消耗的硫酸于是就產(chǎn)生了濃度差。隨著放電的進(jìn)行，硫酸溶膠中的硫酸開始向電極附近擴(kuò)散，放電電壓也變得平穩(wěn)。放電過程進(jìn)行到后期，硫酸的濃度整體下降，使得電極表面的的硫酸濃度下降，同時(shí)由于反應(yīng)物在電極附近的積累使得反應(yīng)進(jìn)行得越來越困難，因此造成放電電壓下降至終止電壓，放電過程結(jié)束。

圖1 電池充放電曲線

在充電開始時(shí)，硫酸鉛轉(zhuǎn)化為二氧化鉛、鉛和硫酸，電池的端電壓迅速升高，電極附近的硫酸濃度升高。隨著反應(yīng)進(jìn)行，硫酸濃度高于溶液的整體濃度，發(fā)生擴(kuò)散，電壓不再急劇上升。充電快結(jié)束時(shí)開始發(fā)生析氣反應(yīng)，此時(shí)如果繼續(xù)充電達(dá)到過充電的程度后，電池電壓又開始急劇上升。

對(duì)于膠體蓄電池來說，電池充電時(shí)，正極會(huì)析出氧氣而負(fù)極會(huì)析出氫氣。但是兩者并不是同時(shí)發(fā)生，在充電達(dá)到70%時(shí)正極開始析出氧氣，析出的氧氣會(huì)通過膠體中的裂縫到達(dá)負(fù)極，發(fā)生反應(yīng)：

從而吸收氧氣。氫氣的析出要到充電90%時(shí)才會(huì)發(fā)生。由于負(fù)極的吸氧反應(yīng)，使負(fù)極本身氫過電位升高，氫氣就不會(huì)大量析出。

2 等效模型的建立

針對(duì)蓄電池在放電初期、穩(wěn)定放電時(shí)期和充電階段電池內(nèi)發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，建立相應(yīng)的模型可以保證其準(zhǔn)確性，同時(shí)簡化模型便于計(jì)算。

2.1 放電初期的瞬態(tài)模型

在放電初期，電荷轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在電極與電極附近的電解液之間，也就是說只存在電化學(xué)極化內(nèi)阻，同時(shí)也不存在析氣反應(yīng)，所以采用如圖2所示的等效電路模擬放電初期的膠體蓄電池。

圖2 放電初期等效電路

2.2 穩(wěn)定放電階段及充電階段模型

在放電開始一段時(shí)間以后，電解液中開始出現(xiàn)擴(kuò)散，隨著活性物質(zhì)的擴(kuò)散電池端電壓不再下降，進(jìn)入穩(wěn)定放電階段。該階段電池內(nèi)部既存在電化學(xué)極化內(nèi)阻，也存在電荷擴(kuò)散內(nèi)阻，再加上歐姆內(nèi)阻就組成了穩(wěn)定放電時(shí)期的電池內(nèi)阻。在充電階段電池的端電壓隨著時(shí)間逐漸增加，同時(shí)存在析氣反應(yīng)。同時(shí)考慮到電池的自放電現(xiàn)象，提出該階段的電池等效電路如圖3所示。

圖3 充電階段電池等效電路

放電：

充電：

3 模型仿真與誤差分析

根據(jù)上文所提出的等效電路建立模型。首先根據(jù)圖2，建立放電初期的膠體鉛酸蓄電池模型。根據(jù)式(6)畫出放電曲線，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)選用的是德國銀杉公司生產(chǎn)的VEG系列2VEG200電池，該電池容量大，性能好。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度在20～25℃，電池密度為2.31 kg/L，額定容量為200 Ah。

圖4 放電初期電池放電曲線

通過圖4可以看出放電開始時(shí)，電池端電壓陡降，這是因?yàn)殡姌O附近的電解液中的活性物質(zhì)被迅速消耗，同時(shí)電解液內(nèi)部的活性物質(zhì)還未擴(kuò)散到外部。圖中仿真值與測量值走勢基本一致，雖略有誤差，但基本能夠描述該階段的放電行為。

根據(jù)圖3建立蓄電池在穩(wěn)定放電時(shí)期和充電時(shí)期的仿真模型。由此畫出充放電曲線，并與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖5和圖6所示。

圖5 電池充電曲線

圖6 電池放電曲線

從圖5和圖6可以看出，本文所提出的模型的仿真曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，走勢一致，能夠反映電池在穩(wěn)定放電和充電時(shí)期的電化學(xué)行為。對(duì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，得到表1，通過表1可以看出仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，所以該模型可靠性較高。

表1 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

上文中的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比存在一定誤差，但誤差較小。誤差的產(chǎn)生原因主要包括兩個(gè)方面：首先，對(duì)于此模型中所使用的部分參數(shù)計(jì)算方法是前人所提出的，存在一定特定性，雖然是通用的，但卻不是準(zhǔn)確的，而且蓄電池，尤其是膠體蓄電池內(nèi)部的反應(yīng)是復(fù)雜的多重相關(guān)聯(lián)的，并不是一個(gè)單一的方程就可以準(zhǔn)確概括，使用代數(shù)方法只能把握其走向；其次，對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，受設(shè)備和技術(shù)的限制，必然存在一定的測量誤差。

4 總結(jié)

現(xiàn)階段對(duì)于蓄電池模型的研究大多致力于對(duì)通用模型的研究，但是對(duì)于蓄電池來說，隨著技術(shù)的發(fā)展，蓄電池的種類越來越多，性能和制造工藝也趨于多樣化，再使用通用的模型套用，必然會(huì)不合適。通用模型可以反映電池大致特性，但是對(duì)于某一電池的某些特性不能很好地體現(xiàn)。所以針對(duì)某一類電池研究設(shè)計(jì)特定模型，將制造工藝帶入到模型建立中必然會(huì)大大優(yōu)化模型的性能。這也許會(huì)成為電池模型研究的一條新思路。

本文所提出的根據(jù)電池充放電過程中不同時(shí)期建立不同模型，可以提高模型的準(zhǔn)確性，簡化計(jì)算提高效率。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明該模型具有一定實(shí)用價(jià)值，可以應(yīng)用于電池管理和理論研究中。

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Research of modeling of valve regulated lead gel battery

Stable working quality,high reliability,long using life,adaptable to ambient temperature were advantages of the valve regulated lead gel battery.The battery could protect itself from overcharge and over-discharge.Compared to normal valve regulated lead storage battery,the valve regulated lead gel battery could bear discharge,discharge cycle,deep discharge,heavy load discharge long time.Because of these characters,the valve regulated lead gel battery was used in every filed.Accompany with the valve regulated lead gel battery spread used,it was important to research the model of the valve regulated lead gel battery.Most models were based on normal battery,there had no special model for the valve regulated lead gel battery.Based on the two aspect knowledge of eclectic and electrochemistry, the model of the valve regulated lead gel battery was proposed.The model was set up in matlab/simulink and the simulation data was analyzed with the experimental data.The results prove that the proposed model has higher practical value,and can be used in management and research of battery.

valve egulated lead;gel battery;SOC;simulation;model

TM 912

A

1002-087(2016)03-0583-02

2015-08-18

李春萍(1990—)，女，山東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)獲取技術(shù)及應(yīng)用。