基于極板老化的鉛酸蓄電池組溫度分布研究

張大興，林華城，駱志堅，盧山峰，黃優(yōu)哲

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東惠州 516000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司河源供電局，廣東河源 517000)

目前，我國變電站直流系統(tǒng)多選用閥控式鉛酸蓄電池組，其具有維護(hù)量小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點[1-3]。蓄電池組是變電站中最為可靠的直流電源，一旦發(fā)生站用直流系統(tǒng)失電等緊急情況時，蓄電池組可以立即投入供電，避免出現(xiàn)保護(hù)拒動等危及電網(wǎng)安全的事故，因此閥控式鉛酸蓄電池組的運(yùn)行狀態(tài)與變電站的穩(wěn)定安全息息相關(guān)。

溫度直接影響著閥控式鉛酸蓄電池的壽命與容量，當(dāng)溫度較基準(zhǔn)溫度(25 ℃)升高10 ℃，蓄電池的壽命會縮短一半，這是因為當(dāng)溫度升高時，會加速蓄電池組中的水分分解，內(nèi)部出現(xiàn)大量氣體，進(jìn)而發(fā)生電解液干枯、極板上的活性物質(zhì)發(fā)生松脫等現(xiàn)象。閥控式鉛酸蓄電池組在長達(dá)10 年間的使用年限間必然會產(chǎn)生極板缺陷等情況，但現(xiàn)有的相關(guān)研究仍多集中在內(nèi)阻[4]、隔板材料[5]等方面，較少著眼于蓄電池存在缺陷下的溫度分析，因此開展此項研究極有必要。

本文基于COMSOL Multiphysics 軟件建立了閥控式鉛酸蓄電池組的仿真模型，分析了蓄電池組存在極板老化情況下的溫度分布，同時研究了正常情況下與存在部分老化蓄電池組的溫度分布情況，并進(jìn)一步分析了在蓄電池組持續(xù)放電下極端情況下的溫度場。

1 基于極板老化的蓄電池組建模

1.1 站用鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)分析

變電站的閥控式鉛酸蓄電池在滿容量的情況時，其電解液為硫酸溶液，而正極和負(fù)極活性物質(zhì)分別為二氧化鉛及絨狀鉛。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其構(gòu)成為極板、隔板、匯流排及極柱。正負(fù)極板是在鉛鈣合金板柵上涂敷活性物質(zhì)及添加劑制成，而電解液均勻分布在隔板處，便于在電池中發(fā)生氧化與還原反應(yīng)。匯流排主要是起到連接各個極板的作用，最終由極柱引出至蓄電池外部。

圖1 站用鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)圖

1.2 站用蓄電池極板老化

閥控式鉛酸蓄電池主要是通過極板的活性物質(zhì)與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)充放電，負(fù)極板在放電時反應(yīng)式如下：

正極板的反應(yīng)為：

從式中可以看出，當(dāng)蓄電池進(jìn)行放電時，正極板處的鉛轉(zhuǎn)化為硫酸鉛需要水分子中的氧，而產(chǎn)生一定的H+，此過程會加速其腐蝕速度，所以在閥控式鉛酸蓄電池中，正極板腐蝕程度往往都遠(yuǎn)大于負(fù)極板[6]，因此本文主要從正極板老化缺陷展開蓄電池組的熱場分析。

為了進(jìn)一步研究老化極板的特點，對一運(yùn)行10 年的鉛酸蓄電池進(jìn)行解剖，其正極板如圖2(a)所示，圖2(b)是該極板在顯微鏡下的成像。由圖2(b)可以看到老化的正極板表面有許多破損，這是極板在充放電過程中漲裂所導(dǎo)致的。因此在建立極板老化模型時除極板腐蝕外也應(yīng)考慮極板破損。

圖2 老化正極板

1.3 單個蓄電池模型的建立

為簡化模型，本文忽略了對蓄電池?zé)釄鲇绊戄^小的匯流排與極柱，而僅考慮建立了極板和隔板的蓄電池仿真模型。本文在COMSOL Multiphysics 搭建了與變電站內(nèi)現(xiàn)用的1∶1比例三維鉛酸蓄電池模型，其構(gòu)成為8 塊正極板、9 塊負(fù)極板和18 塊隔板，如圖3 所示。其模型的尺寸長寬高設(shè)置為100 mm×2.5 mm×250 mm。模型中x軸為不同板間層疊方向，y軸為單塊極板寬度方向，z軸為高度方向。

圖3 鉛酸蓄電池內(nèi)部三維模型

為仿真蓄電池存在極板老化，首先是考慮在正負(fù)極板處設(shè)置了0.1 mm 厚的PbSO4晶體層，此外，結(jié)合電池拆解時觀測到的破損處數(shù)量與規(guī)格，在建模過程中在每一個板面設(shè)置30 個隨機(jī)分布半徑為0.01 mm 的半圓凹坑。整體的鉛酸蓄電池模型改進(jìn)的極板老化模型如圖4 所示。

圖4 極板老化模型示意圖

1.4 蓄電池組模型的建立

本文所研究的對象是直流電壓為110 V 的變電站蓄電池組，每組蓄電池共有52 個單體蓄電池組成，通常采用3 層2 列的擺放形式，如圖5(a)所示。由于對于蓄電池組而言，需要盡可能減小電池間的連接條電阻，所以站用蓄電池組之間的空隙較小，因此在本文蓄電池組模型中單列中每個蓄電池間隙距離設(shè)置為5 mm，列間距設(shè)置為5 mm，兩層蓄電池間距設(shè)置為60 mm。此外，按照上述放置方式有一列會存在2 個蓄電池空缺，本文對此做簡化處理，在模型中補(bǔ)足空缺位置，所建立的蓄電池組模型如圖5(b)所示。

圖5 蓄電池組建模

2 站用鉛酸蓄電池組溫度分布研究

2.1 正常蓄電池組的溫度分布

對于蓄電池組而言，基準(zhǔn)溫度25 ℃下為其最佳工作環(huán)境，通常配置空調(diào)將溫度始終控制在25 ℃，因此當(dāng)仿真正常情況時將環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃。針對蓄電池組而言，始終是熱量通過空調(diào)進(jìn)行耗散，所以本文將模型邊界設(shè)置為熱量流出面以模擬上述情況。圖6 給出的是蓄電池組作為直流系統(tǒng)的電源，其放電負(fù)荷電流為50 A 時，蓄電池組y-z側(cè)面的溫度分布情況。從圖中可以看出，對于蓄電池組而言，其三層兩列的擺放方式，導(dǎo)致第二層靠中間處的熱量最為集中，且上層溫度比下層溫度更高。蓄電池組溫度分布的范圍為25.83～32.15 ℃，溫度最高點位于第2 層第5 個電池上表面處，最高溫度達(dá)到32.15 ℃，此時蓄電池組的溫度仍然能夠滿足運(yùn)行要求。

圖6 正常情況蓄電池組溫度分布

2.2 極板老化蓄電池組的散熱

根據(jù)2.1 節(jié)的分析，蓄電池在長期運(yùn)行過程中會出現(xiàn)受熱不均的情況，部分電池的溫度較高，極板老化程度與溫度有著密切的關(guān)系[7-8]。為了更接近現(xiàn)實情況，本文的極板老化蓄電池組模型并未將整組蓄電池設(shè)置為極板老化的蓄電池，而是基于圖6的溫度分布情況按照表1設(shè)置部分劣化蓄電池。

表1 極板老化蓄電池分布表

圖7 給出的是極板老化蓄電池組在負(fù)荷電流為50 A 時的溫度分布圖。對比正常情況，當(dāng)電池出現(xiàn)極板老化時整體溫度明顯升高，蓄電池組的溫度分布范圍為23.83～35.82 ℃，最高溫度達(dá)到35.81 ℃，且高溫區(qū)域范圍更大。造成這種現(xiàn)象的原因可能是老化極板表面附有一層薄PbSO4晶體層，并且極板破損處也填充了PbSO4晶體，PbSO4晶體相較于正負(fù)極板的活性物質(zhì)的電導(dǎo)率更低，所以導(dǎo)致蓄電池內(nèi)阻相應(yīng)增大，最終使熱量增加，電池溫度上升，此外PbSO4晶體的比熱容更低，所以在同樣熱量下，上升溫度更高。在兩種因素的作用下，存在老化的閥控式鉛酸蓄電池組呈現(xiàn)出更為嚴(yán)重的高溫現(xiàn)象。

圖7 基于極板老化蓄電池組溫度分布

圖8 給出了蓄電池組的最高溫度與負(fù)荷電流之間的關(guān)系，可以看出最高溫度先隨著負(fù)荷電流增加而緩慢增加，其最高溫度的增長速率隨著負(fù)荷電流的增加而逐漸上升。這是因為最初隨著負(fù)荷電流增加，電池產(chǎn)生的焦耳熱越高，使得電池溫度增高，但此時環(huán)境溫度較低而使熱量迅速擴(kuò)散，因此溫度上升曲線較緩。隨著負(fù)荷電流進(jìn)一步增大，由于焦耳熱與電流的平方呈正比關(guān)系，因此蓄電池組所產(chǎn)生的熱量會大大增加，此時蓄電池組和外界環(huán)境進(jìn)行熱交換效率趨近飽和，因此最高溫度上升趨勢會更為明顯。

圖8 蓄電池組負(fù)荷電流與最高溫度關(guān)系

此外，從圖8 還可看出，存在極板老化的蓄電池組溫度增加速度明顯高于正常蓄電池組，這是由于在大電流情況下，硫酸鉛晶體的電導(dǎo)率和比熱容特性會更大程度地影響閥控式鉛酸蓄電池溫度分布。

2.3 基于極端情況的溫度分布

當(dāng)出現(xiàn)變電站全站交流失電，此時蓄電池組除需要給全站繼電保護(hù)、控制等直流負(fù)荷供電，同時也需要通過逆變給UPS 等重要交流負(fù)荷供電。此外，蓄電池室的所有空調(diào)將失去電能而停止工作，因此針對該情況，可將仿真模型中蓄電池組散熱模式變更為自然對流散熱。

圖9 為極板老化蓄電池組在上述極端情況時的溫度分布圖，圖10則是正常情況、極板老化與極板老化電池在極端情況的溫度分布對比圖。由圖9 和圖10 可以看出，在極端情況下蓄電池組和周圍環(huán)境溫度明顯高于前兩種情況，蓄電池組的溫度分布的范圍為37.21～53.22 ℃，最高溫點位于中層第5 個電池上表面，最高溫度可達(dá)到53.22℃，是正常情況的1.65 倍。此外，由于蓄電池只有自然對流這種散熱模式，整個蓄電池室空間溫度也相應(yīng)升高了許多，蓄電池室的環(huán)境溫度分布的范圍為29.93～39.31 ℃。綜上所述，在極端環(huán)境下若電池存在極板老化缺陷，則蓄電池組的溫度和環(huán)境溫度均遠(yuǎn)超過正常溫度分布，所以一旦蓄電池存在極板老化缺陷，在站用交流電源能夠供電時，蓄電池仍能夠維持正常運(yùn)行，但當(dāng)交流失壓時，極板老化缺陷會嚴(yán)重威脅蓄電池的正常供電，因此在日常運(yùn)維中要特別留意劣化電池，做好及時更換或活化。

圖9 極端情況下極板老化蓄電池組溫度分布

圖10 蓄電池組溫度分布對比圖

3 結(jié)論

本文通過搭建蓄電池組仿真模型，并分析了正常情況、存在極板老化以及交流失壓下的蓄電池組溫度分布情況，得出了以下結(jié)論：

(1)運(yùn)行中蓄電池組溫度分布不均勻，高溫區(qū)域集中于第二層靠中間位置，隨著負(fù)荷電流的增大，高溫區(qū)域向外擴(kuò)散，并且上層蓄電池組溫升速度比下層快；

(2) 正常情況中，蓄電池組的溫度分布的范圍為25.83～32.15 ℃，溫度條件滿足蓄電池組運(yùn)行要求，同時最高溫度的上升幅度隨負(fù)荷電流的增大而增大；

(3) 當(dāng)蓄電池組因受熱不均，出現(xiàn)極板老化的電池時，其溫度總體相較正常情況上升，其溫度分布的范圍為23.83～35.82 ℃，并且隨著負(fù)荷電流的增大，其溫度會相較正常情況上升更高；

(4) 當(dāng)蓄電池組處于極端工作條件時，因交流失壓，只能以自然對流形式散熱，其溫度分布的范圍可以達(dá)37.21～53.22 ℃，已遠(yuǎn)超正常溫度分布水平，所以蓄電池組的極化缺陷將嚴(yán)重制約蓄電池組的應(yīng)急供電能力。