基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的蓄電池容量計算

余穎鴻 劉侯志 郭孝東

1．中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司 四川成都 610041

2．中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦 四川遂寧 629000

3．四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 四川成都 610000

在國內(nèi)的工程項目中，蓄電池的容量計算多采用《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》中的階梯負(fù)荷法或GB 51194-2016《通信電源安裝工程設(shè)計規(guī)范》中的計算公式，而國外項目中，蓄電池容量的計算基本上遵循IEEE標(biāo)準(zhǔn)。為了讓工程設(shè)計人員在評判國外項目廠家提供的蓄電池容量計算是否滿足要求，本文對蓄電池容量計算的相關(guān)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡要介紹，并提供了簡單的計算實例。

1 蓄電池容量計算的相關(guān)IEEE標(biāo)準(zhǔn)

1.1 IEEE 485

IEEE 485側(cè)重于鉛酸蓄電池（Lead-Acid Battery）在全浮充操作（full float operation）下的容量計算，包括直流負(fù)荷的定義、影響蓄電池選擇的參數(shù)以及安裝、維護(hù)、測試的程序等。

1.2 IEEE 1115

IEEE 1115側(cè)重于鎳鉻蓄電池（Nickel-Cadmium Battery）在全浮充操作下的容量計算，包括直流負(fù)荷的定義、影響蓄電池選擇的參數(shù)以及安裝、維護(hù)、測試的程序等。

1.3 IEEE 1184

IEEE 1184是UPS蓄電池的選擇指南，主要內(nèi)容涵蓋排氣式鉛酸蓄電池（VLA）、閥控鉛酸蓄電池（VRLA）及鎳鉻蓄電池的選擇、安裝、維護(hù)及測試程序，包括了基于UPS容量的蓄電池容量計算。

1.4 幾種標(biāo)準(zhǔn)的差異

鉛酸蓄電池和鎳鉻蓄電池容量計算的方法是一致的，計算公式及計算表格略有差異?？紤]到石油天然氣行業(yè)中VRLA蓄電池使用較為普遍，本文主要介紹基于IEEE 485的蓄電池容量計算方法，鎳鉻蓄電池的容量計算方法本文不做詳細(xì)介紹。

IEEE 1184介紹的UPS的蓄電池容量計算主要是通過UPS容量（kVA）及輸出功率因數(shù)和逆變器效率計算負(fù)荷，不涉及負(fù)荷分類及統(tǒng)計。

2 基本概念

2.1 負(fù)荷分類

由蓄電池供電的直流負(fù)荷可分為連續(xù)負(fù)荷、或非連續(xù)負(fù)荷，其中持續(xù)時間小于等于1分鐘的非連續(xù)負(fù)荷稱為短時負(fù)荷（Momentary Loads）。隨機(jī)產(chǎn)生的非連續(xù)性負(fù)荷稱為隨機(jī)負(fù)荷（Random Loads）。

2.1.1 連續(xù)負(fù)荷

典型的連續(xù)負(fù)荷包括照明、連續(xù)運(yùn)行的電機(jī)、變流器（如逆變器）、指示燈、連續(xù)通電的線圈、信號負(fù)荷、通信系統(tǒng)等。

2.1.2 非連續(xù)性負(fù)荷

典型的非連續(xù)性負(fù)荷包括應(yīng)急機(jī)泵、關(guān)鍵通風(fēng)系統(tǒng)的電機(jī)、消防系統(tǒng)、開關(guān)柜操作電源、電動閥操作電源、隔離開關(guān)操作電源、電機(jī)啟動電流、勵磁涌流等。

2.2 工作周期圖（ Duty Cycle Diagram）

工作周期圖用于顯示蓄電池工作周期內(nèi)任意時間段內(nèi)的所有負(fù)荷。工作周期圖也可以稱為負(fù)荷圖（Load Profile），該圖應(yīng)由工程設(shè)計人員根據(jù)負(fù)荷的實際情況進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計、繪制，并提供給蓄電池廠家進(jìn)行蓄電池容量的計算。

2.3 溫度校正系數(shù)（Temperature Correction Factor）

鉛酸蓄電池的容量受溫度影響較大，蓄電池的額定容量是基于標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃，如果電解液的溫度低于該標(biāo)準(zhǔn)溫度，則需要選擇更大容量的蓄電池。

2.4 壽命系數(shù)（Aging Factor）

IEEE標(biāo)準(zhǔn)推薦的做法是當(dāng)蓄電池容量降低到額定容量的80%時，應(yīng)更換蓄電池。因此為了確保蓄電池在整個生命周期內(nèi)能夠滿足設(shè)計負(fù)荷，蓄電池的額定容量應(yīng)為125%（即壽命系數(shù)1.25）的設(shè)計容量。

2.5 設(shè)計裕量（Design margin）

由于維護(hù)不當(dāng)、近期放電、環(huán)境溫度低于預(yù)期溫度等因素而導(dǎo)致蓄電池低于理想的運(yùn)行條件時，應(yīng)在設(shè)計容量的基礎(chǔ)上額外考慮10%-15%的設(shè)計裕量。如果蓄電池運(yùn)行條件良好，設(shè)計裕量系數(shù)可取1.0。

2.6 容量系數(shù)（Capacity rating factor） Ct

容量系數(shù)體現(xiàn)的是蓄電池在特定放電率、環(huán)境溫度25℃、至蓄電池最低電壓條件下的性能，有以下兩種術(shù)語可用于表示容量系數(shù)：

Rt：蓄電池在特定放電率、環(huán)境溫度25℃、至蓄電池最低電壓條件下每個正極板的電流。

Kt：蓄電池的額定安時容量（在標(biāo)準(zhǔn)放電率、環(huán)境溫度25℃、至標(biāo)準(zhǔn)最低電壓）與蓄電池在特定放電率、環(huán)境溫度25℃、至蓄電池最低電壓條件下電流的比值。

Rt是基于蓄電池正極板的性能，其曲線不是每個廠家都能提供，如果缺乏此數(shù)據(jù)，可使用b）中的Kt。

Kt可以通過蓄電池性能參數(shù)查表計算。如蓄電池額定容量為160Ah，通過其性能參數(shù)表查得8h放電率時的電流為20A，則8h放電率時的Kt=160Ah/20A=8。

3 結(jié)束語

采用GB 51194標(biāo)準(zhǔn)計算蓄電池容量，不依賴于具體的蓄電池性能，并且沒有涉及負(fù)荷的分類及統(tǒng)計，計算過程簡單明了，所有影響蓄電池容量的因素統(tǒng)一采用1.25的可靠系數(shù)進(jìn)行計算，該方法適用于蓄電池容量的估算。但是該方法的缺點是沒有提供階梯負(fù)荷的計算方法。手冊中的階梯負(fù)荷法計算，與IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的計算方法類似，但是沒有考慮溫度系數(shù)，并且容量轉(zhuǎn)換系數(shù)為典型值，與具體的蓄電池性能無關(guān)，也只適用于估算。IEEE標(biāo)準(zhǔn)推薦的計算方法，計算過程繁瑣，對負(fù)荷的分類及統(tǒng)計給出了推薦做法，計算蓄電池容量時考慮的因素較多，包括溫度系數(shù)、壽命系數(shù)、設(shè)計裕量等，并且關(guān)鍵參數(shù)容量系數(shù)依賴于具體的蓄電池性能，計算結(jié)果更為準(zhǔn)確，該方法適用于詳細(xì)設(shè)計階段，尤其是海外項目，根據(jù)具體的蓄電池性能參數(shù)，對蓄電池的容量進(jìn)行計算、選擇。