防蓄電池過放保護(hù)裝置的研究

國網(wǎng)四川省電力公司甘孜供電公司 李治輝 劉泉志 鄧 滔 何文兵

本文主要通過建立蓄電池的模型對蓄電池失效進(jìn)行研究，此處使用了Thevenin電池模型、Rint電池模型、PNGV電池模型對蓄電池的內(nèi)阻進(jìn)行研究，同時(shí)，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對蓄電池容量與內(nèi)阻的關(guān)系和蓄電池電壓與內(nèi)阻的關(guān)系進(jìn)行研究，并繪制關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線對蓄電池放電過程有一個(gè)全面的了解，從而根據(jù)曲線來對蓄電池過放的影響以及如何防止蓄電池過放進(jìn)行研究。

蓄電池自發(fā)明以來，因?yàn)槠鋬?chǔ)能效益得到了廣泛應(yīng)用，隨著科技的發(fā)展，蓄電池也經(jīng)過各方面的優(yōu)化，到現(xiàn)在，在我們的生活中，蓄電池已經(jīng)應(yīng)用在各行各業(yè)，但是，蓄電池的維護(hù)中，我們需要對蓄電池進(jìn)行定期充放電試驗(yàn)，如果當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，交流失電，此時(shí)直流系統(tǒng)完全由蓄電池進(jìn)行供電，而此時(shí)蓄電池的容量無法滿足要求，那么勢必會(huì)造成蓄電池過放的發(fā)生，蓄電池一旦發(fā)生過放，將會(huì)對蓄電池造成不可逆的損壞，因此，我們通過建立模型分析蓄電池在放電過程中的內(nèi)阻與電壓變化關(guān)系，從而深入了解蓄電池過放導(dǎo)致蓄電池失效的原因，這樣才能對蓄電池進(jìn)行更好的保護(hù)。

1.鉛酸蓄電池的工作原理

1.1 蓄電池結(jié)構(gòu)

鉛酸蓄電池主要由正極板、負(fù)極板、硫酸點(diǎn)解液以及柵板等組成，靠匯流排進(jìn)行連接，正極板上有活性物質(zhì)pbO2，負(fù)極板上有活性物質(zhì)pb，電解液為硫酸水溶液。極板是蓄電池的核心部分，蓄電池之所以能夠儲(chǔ)能，都是依靠在極板上的活性物質(zhì)與電解液的化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行的。在鉛酸蓄電池的放電過程中，負(fù)極板上的活性物質(zhì)pb與硫酸水溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電子，由于電子的電化學(xué)特性，電子運(yùn)動(dòng)到正極板，在正極板上的活性物質(zhì)pbO2與硫酸水溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。正極充電過程電化學(xué)反應(yīng)可表示為：

放電過程中正負(fù)極上的活性物質(zhì)不斷消耗，電解液的濃度不斷下降，并且反應(yīng)過程中不斷產(chǎn)生難溶且不導(dǎo)電的pbSO4附著在正負(fù)極活性物質(zhì)上，放電電壓隨之下降。

1.2 Thevenin電池模型

Thevenin電池的電路模型如圖1所示，圖中E為蓄電池電動(dòng)勢，R1為歐姆內(nèi)阻，R2為極化內(nèi)阻，C為極化電容，I為蓄電池流過的電流，當(dāng)電池在充放電時(shí)，此時(shí)的端電壓為U；歐姆內(nèi)阻主要由正負(fù)極板、電解液、隔膜電阻以及各部分零件的接觸電阻組成，具有歐姆特性；

圖1 Thevenin 電池電路模型

1.3 Rint模型

Rint模型由美國愛達(dá)華國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，也稱內(nèi)阻模型。在該模型中，把電池的開路電壓等效為理想電壓源Uoc，電池電阻等效為R，電池端電壓為U，Rint模型如圖2所示。

圖2 Rint電池模型

1.4 RC電池模型

RC電池模型最初是由SAFT公司（電池制造商）提出的，該模型主要由兩個(gè)電容和三個(gè)電阻組成，兩個(gè)電容為：一個(gè)大容量電容C1，表征電池的容量，一個(gè)小容量電容C2，表征電池電極表面效應(yīng)。三個(gè)電阻分別為端電阻Rt，終止電阻Re以及容性電阻Rc。具體RC電池模型如圖3所示。

圖3 RC電池模型

1.5 PNGV電池模型

在2001年《PNGV電池試驗(yàn)手冊》和2003年《Freedom-CAR電池試驗(yàn)手冊》中，PNGV電池模型是手冊中的標(biāo)準(zhǔn)電池模型。該模型由電池開路電壓等效為理想電壓源Uoc，歐姆內(nèi)阻Ro，極化內(nèi)阻Rp，極化電容Cp，極化阻抗電流Ip，電池端電壓U以及電池開路電壓隨負(fù)載電流時(shí)間呈積分變化的等效電容Coc組成。PNGV電池模型如圖4所示。

圖4 PNGV電池模型

2.蓄電池特性

在蓄電池的實(shí)際運(yùn)行過程中，我們只能通過蓄電池的特性來對當(dāng)前運(yùn)行蓄電池的健康狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的評估；蓄電池的特征參數(shù)包括電池容量、SOC、SOH、電池內(nèi)阻、電池端電壓等。

2.1 蓄電池容量與內(nèi)阻

蓄電池容量是用于表征電池的最大蓄能能力，用單位安時(shí)（Ah）進(jìn)行表示；在實(shí)際運(yùn)用中，我們常常采用對蓄電池進(jìn)行核對性放電即使用0.1C倍率的電流對電池進(jìn)行放電至終止電壓，測得電池所放出電量的最低限度值，我們稱之為蓄電池的實(shí)際容量大小。

蓄電池內(nèi)阻是指在電池進(jìn)行充放電過程中，電流所受的阻力稱之為蓄電池的內(nèi)阻，蓄電池內(nèi)阻主要由歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻組成，歐姆內(nèi)阻由正負(fù)極極柱、內(nèi)部電解液、隔板等物理阻抗組成，遵循一般歐姆定律，一般設(shè)定為定值；極化內(nèi)阻包括電化學(xué)電阻和電解液濃度差極化電阻，主要是由電池的極化作用產(chǎn)生的。

在實(shí)際運(yùn)用中，由于電池組的木桶效應(yīng)，即串聯(lián)的電池組的放電容量等于單體電池容量的最小值，因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中，我們必須對蓄電池單體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)容量降低的蓄電池進(jìn)行更換，確保電池組正常運(yùn)行。通過對蓄電池進(jìn)行核對性容量放電試驗(yàn)得出蓄電池容量與內(nèi)阻關(guān)系的曲線圖，如圖5所示；通過圖中我們能夠得到蓄電池容量在減小到某一個(gè)值時(shí)電池的內(nèi)阻值會(huì)逐漸增大；特別是在電池容量低于20%以后，內(nèi)阻增加變大。

圖5 蓄電池容量-內(nèi)阻關(guān)系圖

2.2 蓄電池電壓與內(nèi)阻

電池電壓包含有電池開路電壓、端電壓、截止電壓以及浮充電壓等；蓄電池的開路電壓是指在開路狀態(tài)下電池正負(fù)極兩極柱之間的電壓值。當(dāng)電池處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電池的開路電壓值即為電池的電動(dòng)勢。當(dāng)蓄電池接入負(fù)載進(jìn)行工作過程中，這時(shí)候測量的電池正負(fù)極極柱之間的電壓值即為此時(shí)電池的端電壓，端電壓也稱為負(fù)載電壓。

在以前的蓄電池運(yùn)行維護(hù)過程中，我們僅僅是對蓄電池的端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，用端電壓的變化和大小來衡量一個(gè)蓄電池當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)橐坏┬铍姵亟】禒顟B(tài)下降，端電壓也會(huì)跟隨產(chǎn)生相應(yīng)的變化，同樣的，因?yàn)樾铍姵亟M的木桶效應(yīng)，如果蓄電池組中存在個(gè)別的劣質(zhì)或者不健康的蓄電池，在運(yùn)行過程中，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)該問題電池并進(jìn)行更換的話，長期的運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致該電池問題越來越嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致電池發(fā)生開路，從而致使整組電池癱瘓，因此，我們在電池組運(yùn)行一段時(shí)間后需要對電池進(jìn)行核對性放電處理，在放電過程中，能夠根據(jù)電池的電壓曲線來判斷電池的健康水平。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，蓄電池在恒流放電過程中，電壓減小，內(nèi)阻增大，并呈一定的對應(yīng)關(guān)系，在恒流放電情況下，電池內(nèi)阻隨電壓變化系數(shù)近似等效為公式：。式中x為電池的測量電壓與標(biāo)稱電壓的比值，y為測試內(nèi)阻與標(biāo)稱內(nèi)阻的比值；電池內(nèi)阻與電壓的關(guān)系式可表示如圖6中的曲線。

圖6 電池電壓-內(nèi)阻曲線

3.蓄電池失效分析

3.1 負(fù)極板硫酸鹽化

在蓄電池進(jìn)行放電過程中，根據(jù)上述蓄電池放電過程公式能夠得知，在蓄電池放電時(shí)，極板上會(huì)產(chǎn)生pbSO4，這些硫酸鉛會(huì)堆積在極板表面且過量，而且在電解液中呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，這些硫酸鉛在溫度以及電解液的催化作用下，會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶附著在極板表面，而該結(jié)晶體在蓄電池充電時(shí)不能夠再次參與極板表面轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)，從而導(dǎo)致活性物質(zhì)減少，蓄電池失效。

3.2 正極板的腐蝕

蓄電池在放電過程中，如果產(chǎn)生過放，這時(shí)候電池內(nèi)部電解液的濃度會(huì)由于失水變高，電解液的酸性過強(qiáng)，進(jìn)而引起正極板的活性物質(zhì)鉗轉(zhuǎn)換成硫酸鉛晶體覆蓋在pb表面，阻礙電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電池失效。

4.蓄電池防過放的研究

根據(jù)上述對蓄電池放電過程的研究，我們能夠清楚的了解到蓄電池內(nèi)阻與電壓的關(guān)系，在蓄電池進(jìn)行放電過程中，蓄電池組容量下降，蓄電池組端電壓也對應(yīng)降低，如果蓄電池組端電壓到達(dá)放電最低電壓值，此時(shí)必須終止對蓄電池的放電過程，否則會(huì)對蓄電池造成永久不可逆的損壞，甚至致使蓄電池失效，因此，為了避免蓄電池因?yàn)檫^放造成的損壞，我們需要對蓄電池放電過程進(jìn)行監(jiān)控，防止蓄電池過放的發(fā)生。

4.1 防止蓄電池過放裝置的原理

首先，我們需要在蓄電池組的充放電線路上面串接一個(gè)可控?cái)嗦菲鳎缓笪覀儗π铍姵亟M電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)，我們還需要對三相交流電壓進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)交流失電的情況下，此時(shí)由蓄電池組作為備用電源進(jìn)行供電，在蓄電池組放電的過程中，我們對蓄電池組電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過上述分析我們能夠得到蓄電池組的放電截止極限電壓，一旦此時(shí)蓄電池組電壓低于該放電截止極限電壓，我們對斷路器進(jìn)行操作，斷開斷路器，此時(shí)，蓄電池組脫離直流系統(tǒng)，放電終止。當(dāng)交流電恢復(fù)后，我們控制斷路器接通，此時(shí)對蓄電池進(jìn)行充電。裝置具體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 蓄電池防過放裝置結(jié)構(gòu)框圖

5.總結(jié)

通過上述對蓄電池放電過程的分析，如果在交流失電的情況下，蓄電池進(jìn)行放電，但是隨著放電時(shí)間的增加，蓄電池容量與電壓勢必會(huì)隨之降低，那么內(nèi)阻就會(huì)隨之增大，當(dāng)蓄電池容量到達(dá)最低限度，如果此時(shí)還繼續(xù)對蓄電池進(jìn)行放電，就會(huì)造成蓄電池失效的風(fēng)險(xiǎn)，為了避免該風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，當(dāng)蓄電池產(chǎn)生過放之前終止蓄電池的放電，能夠有效的避免蓄電池因?yàn)檫^放導(dǎo)致失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此，研究蓄電池防過放保護(hù)裝置就顯得尤為重要。