面向客艙照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)中鉛酸蓄電池的全生命周期主動(dòng)維護(hù)技術(shù)

劉旭濤，王 瑜，孫耀杰

(1.復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系，上海 200438；2.上海綜合能源系統(tǒng)人工智能工程技術(shù)研究中心，上海 200433)

引言

2020年9月，中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，次年兩會(huì)又將智能照明、高效照明產(chǎn)品列入“十四五規(guī)劃”。隨著國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)部署與“智能照明”的規(guī)劃發(fā)展要求，照明系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)交叉融合而生的“照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)”可有效加速照明工程的綠色化、低碳化，支持產(chǎn)業(yè)鏈綠色轉(zhuǎn)型，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。本文所研究的照明儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，自動(dòng)切換裝置可在電網(wǎng)側(cè)母線故障或斷電時(shí)，自動(dòng)切換至由鉛酸電池儲(chǔ)能設(shè)施供能，圖1中的儲(chǔ)能系統(tǒng)側(cè)還可以結(jié)合光伏、風(fēng)能等可再生能源，將照明系統(tǒng)的能量進(jìn)行存儲(chǔ)和再分配，通過(guò)能量調(diào)度提升照明系統(tǒng)與光源設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)可循環(huán)的綠色經(jīng)濟(jì)模式[1]。鉛酸蓄電池(lead acid battery，LAB)作為一項(xiàng)成熟、廉價(jià)且安全的能量存儲(chǔ)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于結(jié)合照明系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備中。

圖1 照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)基本電氣連接圖Fig.1 Basic electrical connection diagram of lighting-energy storage system

照明系統(tǒng)中的儲(chǔ)能設(shè)備長(zhǎng)期“充電—自放電—充電”循環(huán)狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致LAB長(zhǎng)期處于部分荷電狀態(tài)(Partial State of Charge，PSOC)，這會(huì)導(dǎo)致LAB發(fā)生不可逆硫化(簡(jiǎn)稱硫化)，成為導(dǎo)致使用LAB的照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)安全和可靠性下降的主要原因[2-7]。LAB的電池反應(yīng)機(jī)理如下所示：

陽(yáng)極反應(yīng)：

PbSO4(s)+2e-,E0=-0.36V

(1)

陰極反應(yīng)：

PbSO4(s)+2H2O(l),E0=1.69V

(2)

總反應(yīng)：

2PbSO4(s)+2H2O(l),E0=2.05V

(3)

硫化分為可逆的硫化和不可逆硫化(硬硫化)，但硫化機(jī)理不隨其嚴(yán)重程度發(fā)生改變[8-10]。根據(jù)上述公式，硫化機(jī)理可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面。LAB放電時(shí)的正負(fù)極反應(yīng)均會(huì)生成硫酸鉛晶體。雙硫酸鹽化理論認(rèn)為只要LAB放電，就會(huì)產(chǎn)生硫化。類似地，自放電導(dǎo)致的長(zhǎng)期PSOC狀態(tài)運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致硫化。當(dāng)電解液本體濃度變大時(shí)，充電方向的電化學(xué)反應(yīng)被抑制，直接導(dǎo)致了硫酸鉛晶體無(wú)法在充電時(shí)回到電解液中[11]。LAB失水、電化學(xué)極化、歐姆極化、濃差極化和電解液分層均會(huì)導(dǎo)致硫化[10,12,13]。

針對(duì)硫化問(wèn)題，現(xiàn)有研究主要集中在兩個(gè)方面：(1)基于電池化學(xué)和材料學(xué)的方法[14-16]；(2)基于外特性施加激勵(lì)的方法。第(1)類方法通過(guò)拆解電池并添加化學(xué)試劑的方法主要適用于設(shè)計(jì)階段的原理性驗(yàn)證和失效階段的拆解分析。解決LAB 所組成大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的硫化問(wèn)題不僅需要付出經(jīng)濟(jì)代價(jià)，其凈的環(huán)境效益正越來(lái)越受到國(guó)際組織、政府和企業(yè)的關(guān)注。如圖2所示，在LAB的全生命周期中，包含原材料提取、制造、運(yùn)輸、使用、維護(hù)、退役和回收利用等環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的影響各不相同[17]。Liu等[18]研究發(fā)現(xiàn)原材料的提取對(duì)整體環(huán)境的影響最為顯著。在LAB的全生命周期中，原材料提取環(huán)節(jié)在生命周期前期和末期均有可能經(jīng)歷。當(dāng)LAB儲(chǔ)能系統(tǒng)硫化到達(dá)壽命終點(diǎn)時(shí)，現(xiàn)有的做法是將LAB根據(jù)回收標(biāo)準(zhǔn)篩選，進(jìn)而運(yùn)輸?shù)骄哂薪饘偬崛『鸵睙捹Y質(zhì)的企業(yè)處理[19]。因此，使用第(1)類方法具有潛在的二次鉛排放污染。LAB儲(chǔ)能系統(tǒng)在使用環(huán)節(jié)中處于密閉狀態(tài)，使用環(huán)節(jié)具有最少的鉛泄漏[18]，研發(fā)基于外特性的LAB去硫化技術(shù)具有重要的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義。

圖2 LAB全生命周期分析架構(gòu)Fig.2 LAB full life cycle analysis

基于電氣外特性的研究主要集中在反向充電法、氣壓反饋法、脈沖法、正負(fù)脈沖法和高頻諧振法等方面。反向充電法經(jīng)濟(jì)性好，但是耗時(shí)。Zhang等[20]構(gòu)建了兩個(gè)半電池，結(jié)合反向充電的方法，可將惰性的硫化物活化，容量恢復(fù)達(dá)標(biāo)稱容量的54%。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛞欢ǔ潭壬辖忉尫聪虺潆娙コ蚧淖饔脵C(jī)理，但半電池和全電池是否能夠在實(shí)際應(yīng)用中完全等同還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。Karami等[2,3]選取完全硫化的LAB極板，填充標(biāo)準(zhǔn)電解液后，組裝新的電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用恒定電流進(jìn)行24 h反向充電和48 h正向充電，容量可恢復(fù)達(dá)95%。此方法是一種離線式的去硫化方法，實(shí)驗(yàn)方法和操作簡(jiǎn)單，但非常耗時(shí)。氣壓反饋法設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，在時(shí)間成本方面也不具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Shi等[21]根據(jù)電池的內(nèi)部的氣體壓力信號(hào)，進(jìn)行充放電策略實(shí)時(shí)調(diào)整，使得電池內(nèi)部的壓力維持在設(shè)定閾值附近來(lái)實(shí)現(xiàn)去硫化的目標(biāo)，該方法可恢復(fù)達(dá)到41%的容量。此方法與LAB內(nèi)部的氧循環(huán)機(jī)制相關(guān)，具有機(jī)理解釋的優(yōu)勢(shì)，但文中尚未給出深入分析。脈沖類的去硫化方法主要可以分為正脈沖法和正負(fù)脈沖法。Nelson等[22]采用頻率為5 kHz、脈寬為0.2 ms的正脈沖給12年以上未維護(hù)的單體電池充電，最終電池容量可提升3%～4%。Gumera等[23]認(rèn)為L(zhǎng)AB極板的固有頻率在1 kHz附近，因此實(shí)驗(yàn)在電池兩端施加高頻電壓脈沖，結(jié)果使得內(nèi)阻減少34.4%。正負(fù)脈沖法在正脈沖法的基礎(chǔ)上，加入幅值大但脈寬很短的負(fù)脈沖。加入負(fù)脈沖的目的是消除LAB的極化效應(yīng)，降低了本體溶液和界面之間的濃度梯度，從而增加電流接受度[24]。從脈沖法的角度看，脈沖頻率是修復(fù)效果的關(guān)鍵。但是，何種頻率范圍的脈沖對(duì)于LAB去硫化最有效，其去硫化作用的機(jī)制是如何還鮮見(jiàn)研究。Calborean等[25]關(guān)注到頻率和硫化的關(guān)系，采用高頻諧振法研究LAB(硫化)和諧振頻率之間的關(guān)系。該研究發(fā)現(xiàn)充電后的LAB諧振頻率隨著電池循環(huán)次數(shù)而顯著提升。另一方面，欠充電的電池諧振頻率的隨循環(huán)次數(shù)的波動(dòng)要小得多。這表明，LAB中硫酸鉛的濃度及其物理參數(shù)(如晶體結(jié)構(gòu))對(duì)建立諧振頻率很重要。Smith等[26]采用高頻紋波電流注入的方式來(lái)減小LAB的阻抗，以提升車(chē)載場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)電流接受度。此外，該研究表明，頻率高于30kHz以上的紋波注入不再對(duì)電池的硫化修復(fù)產(chǎn)生明顯的效果。Franke等[27]通過(guò)LAB的內(nèi)阻來(lái)表征硫化，并建立了經(jīng)驗(yàn)的硫化模型，但模型只考慮到了荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)、電壓、電流和放電深度(Depth of Discharge，DoD)，未進(jìn)行機(jī)理上的解釋。

本文所提出的LAB照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期主動(dòng)維護(hù)技術(shù)不再沿用傳統(tǒng)的退役—回收—冶煉模式，而在LAB的在線使用階段進(jìn)行診斷和維護(hù)?；诟哳l諧振的方法去除LAB照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)的硫化問(wèn)題，2 h內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)修復(fù)LAB阻抗達(dá)23%。基于全生命周期理論，以一座500 kWh的中型LAB照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，所提出的主動(dòng)維護(hù)技術(shù)可以節(jié)省3.228 t二次鉛泄漏。本文對(duì)于高效、經(jīng)濟(jì)和綠色的LAB照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐，為L(zhǎng)AB產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。

1 機(jī)艙照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究可與民航飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合，提高機(jī)上攜帶的LAB系統(tǒng)壽命，亦可降低飛行成本。其中照明系統(tǒng)部分采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(工控機(jī))與數(shù)據(jù)采集板卡結(jié)合的控制方式，主要控制燈具為L(zhǎng)ED、熒光燈和鹵素?zé)?。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)艙內(nèi)照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structural diagram of lighting system in cabin

本系統(tǒng)工控機(jī)、數(shù)據(jù)處理板卡是研華工控推出的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域的高可靠性計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理卡。工控機(jī)與數(shù)據(jù)處理板卡之間通過(guò)PCI總線方式進(jìn)行通訊。PCI總線是一種高性能的32位/64位地址數(shù)據(jù)線復(fù)用的局部總線，它為高度集成的外設(shè)控制器、擴(kuò)展板和處理器/存儲(chǔ)器系統(tǒng)之間提供一種內(nèi)部互聯(lián)機(jī)制。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，PCI是在CPU和原來(lái)的系統(tǒng)總線之間插入的一級(jí)總線，具體由一個(gè)橋接電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下層之間的接口來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸。PCI總線支持突發(fā)讀寫(xiě)操作，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備，并具有很高的傳輸速率[28]。PCI總線是目前計(jì)算機(jī)使用的標(biāo)準(zhǔn)總線。具有即插即用(Plug and Play)、中斷共享等優(yōu)點(diǎn)。與照明領(lǐng)域常用的DALI協(xié)議、485協(xié)議等總線方式相比，PCI總線的響應(yīng)速度更高、抗干擾性更好、開(kāi)放性也更好，便于后續(xù)的系統(tǒng)擴(kuò)展。

控制方面，工控機(jī)根據(jù)實(shí)際需求，發(fā)出控制指令，通過(guò)各類數(shù)據(jù)板卡控制各種燈具。系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4 機(jī)艙內(nèi)照明系統(tǒng)控制流程Fig.4 Control flow of lighting system in cabin

其中DA板卡采用PCI-1724U，是研華公司推出的14位多通道隔離模擬量輸出卡，可選擇輸出±10 V直流電壓控制信號(hào)或0～20 mA/4～20 mA直流電流信號(hào)，32路獨(dú)立輸出通道可以滿足本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)全部熒光燈的控制要求。DA卡接受指令后部分通道輸出1～10V電壓信號(hào)，結(jié)合HEP模擬調(diào)光鎮(zhèn)流器調(diào)節(jié)熒光燈亮度，調(diào)節(jié)范圍為1%～100%；DA卡部分通道輸出0～20 mA電流信號(hào)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)板調(diào)節(jié)鹵素?zé)袅炼取?/p>

IO數(shù)據(jù)板卡采用PCI-1730，是研華公司推出的16進(jìn)16出隔離數(shù)字IO卡，每路通道采用光耦隔離，保證電路安全，可輸出5～40V直流電壓，最大匯電電流達(dá)到200 mA，具有很高的輸出能力。IO卡接受工控機(jī)指令后部分通道輸出高速PWM調(diào)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)板放大后調(diào)節(jié)LED燈條的占空比，從而調(diào)節(jié)LED亮度與光色；IO卡部分通道輸出PWM信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)部分小功率LED燈具。

工控機(jī)和數(shù)據(jù)處理板卡的高速處理能力和巨大計(jì)算容量使本系統(tǒng)在對(duì)燈具的單燈調(diào)光和組合調(diào)光等多種照明控制方式，有很好的表現(xiàn)性能。此外，本系統(tǒng)還具有良好的抗干擾性和可擴(kuò)展性。結(jié)合光色傳感器件，可實(shí)現(xiàn)小空間照明系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 主動(dòng)維護(hù)技術(shù)

主動(dòng)維護(hù)技術(shù)包含硫化狀態(tài)診斷和去硫化兩個(gè)部分。本節(jié)對(duì)硫化診斷指標(biāo)和去除硫化的方法進(jìn)行論述。

2.1 硫化診斷

電化學(xué)阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)可以不通過(guò)拆解電池獲得電池內(nèi)部關(guān)于傳質(zhì)過(guò)程(低頻)和電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程(中高頻)的信息，對(duì)于電池內(nèi)部的電化學(xué)機(jī)理具有良好的解釋性。需要注意的是，EIS測(cè)試技術(shù)需要LAB滿足如體系處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)等條件，因此在測(cè)試過(guò)程中，需要保證充分的靜置時(shí)間和穩(wěn)定的測(cè)試條件。

EIS測(cè)試的原理是給電化學(xué)系統(tǒng)施加不同頻率下的微小擾動(dòng)激勵(lì)，并讀取系統(tǒng)的響應(yīng)，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，從而解析處電化學(xué)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)頻率下的復(fù)阻抗值。如果采用恒電位EIS測(cè)試技術(shù)，施加的微小電壓擾動(dòng)為v(f)=Vacos(ft+?1)，通過(guò)讀取系統(tǒng)響應(yīng)i(f)=Iacos(ft+?2)，其中Va和Ia分別是電壓激勵(lì)和電流響應(yīng)的幅值，?1和?2是對(duì)應(yīng)的相位角。那么，可以定義電化學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(f)，即復(fù)阻抗響應(yīng)Z(f)為：

(4)

其中，φ代表阻抗響應(yīng)的相位角。

EIS具有嚴(yán)苛的測(cè)試條件，可以歸納為因果性、線性和穩(wěn)定性。因果性指的是系統(tǒng)響應(yīng)i(f)是由系統(tǒng)激勵(lì)v(f)施加后產(chǎn)生的；線性指的是系統(tǒng)響應(yīng)i(f)是與系統(tǒng)激勵(lì)v(f)之間具有線性關(guān)系，即Z(f)的響應(yīng)滿足疊加原理；穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)在激勵(lì)v(f)作用下，沒(méi)有偏離平衡狀態(tài)。確保EIS測(cè)試的有效性，記錄了EIS測(cè)試的諧波分量，計(jì)算噪信比(Noise Signal Ratio，NSR)定義為：

(5)

其中，Hf代表基波分量，Hk代表諧波分量。

基于EIS測(cè)試的穩(wěn)定性條件，由于激勵(lì)是余弦信號(hào)，在一個(gè)激勵(lì)步驟中的等效作用為0，因此，需要記錄一個(gè)激勵(lì)步驟中的平均電流響應(yīng)作為衡量諧振脈沖有效性的指標(biāo)。

2.2 硫化修復(fù)

由于PbSO4是電的不良導(dǎo)體，Pb/PbO2電極和電解液均是導(dǎo)體，硫化層構(gòu)成了一個(gè)等效的電容。但是，硫化層往往粗糙不平，表征存在難度。Huck等[11]使用平板形狀的電極形式來(lái)模擬硫化層，但其研究是從電化學(xué)控制方程的角度描述硫化層的瞬態(tài)行為。為了簡(jiǎn)化模型，本文結(jié)合電容的決定式給出硫化層電容效應(yīng)的表達(dá)式：

(6)

其中，ε是PbSO4硫化層的介電常數(shù)，S是Pb/PbO2電極與PbSO4硫化層的正對(duì)面積，k是靜電力常量，d是PbSO4硫化層的厚度。硫化層電容C隨絕緣物質(zhì)的厚度d增大而減小，可以據(jù)此判斷LAB的硫化狀態(tài)。當(dāng)|Z(f)|f=fR=Re(Z(f))f=fR時(shí)，稱LAB在f=fR的頻率激勵(lì)下發(fā)生諧振。此時(shí)，LAB的等效電路從外部看，呈現(xiàn)純電阻的特性(電容效應(yīng)的強(qiáng)度最小)，電阻值為復(fù)阻抗在fR模值。在不拆解LAB的前提下，通過(guò)EIS測(cè)得LAB的諧振頻率。在此基礎(chǔ)上，給LAB施加諧振頻率下的脈沖進(jìn)行修復(fù)。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用了CHIWEE 公司生產(chǎn)的3-FM-4.5 Power Plus商用電池。這些電池的生產(chǎn)批次均一致(CW8901567D92010)，且被分為三類，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。第1類電池(下文用Cl1表示)為實(shí)際退役的電池(共計(jì)4只)，其具體的使用場(chǎng)景為小型兒童玩具車(chē)，年限約半年，SOH均降低到80%以下。第2類電池(下文用Cl2表示)為未經(jīng)循環(huán)但長(zhǎng)期擱置后，施加1000%DOD的模擬老化電池(共計(jì)3只)。第3組電池(下文用Cl3表示)為經(jīng)過(guò)5次高溫105%DOD循環(huán)的控制老化電池(共計(jì)3只)。實(shí)驗(yàn)采用ITECH公司生產(chǎn)的IT3412電池循環(huán)測(cè)試儀進(jìn)行充電和放電測(cè)試。為了得到電池的諧振頻率和內(nèi)部電化學(xué)過(guò)程的信息，采用Bio-logic公司生產(chǎn)的VMP3進(jìn)行EIS測(cè)試。施加給電池的脈沖激勵(lì)由Tektronix AFG1022信號(hào)發(fā)生器和NF BP4610功率放大器提供。

測(cè)試環(huán)境為25 ℃±2 ℃，放電制度為0.1C的恒流放電，放電截止電壓為5.4 V。充電制度為0.1C的恒流充電和7.2 V的恒壓充電，充電截止電流為0.01C。進(jìn)行測(cè)試的電池需要靜置6 h。EIS測(cè)試采用恒電位技術(shù)進(jìn)行，施加正弦擾動(dòng)電壓的幅值為10 mV，響應(yīng)信號(hào)為阻抗響應(yīng)Z(f)和平均電流響應(yīng)，讀取頻率范圍是10 mHz～1 MHz。此區(qū)間內(nèi)每10倍頻程記錄阻抗和電流采樣點(diǎn)各12個(gè)，共計(jì)各96個(gè)。在每個(gè)擾動(dòng)步驟中，測(cè)試重復(fù)進(jìn)行兩次，記錄1～7次諧波分量，計(jì)算NSR。信號(hào)發(fā)生器提供峰值為216 mV，占空比為5%，頻率約為10 kHz的電壓脈沖信號(hào)。BP4610在CC-EXT(恒流控制)模式下，輸出峰值Ip約為1.5A的脈沖電流。一次完整實(shí)驗(yàn)流程可以分為以下5個(gè)步驟：

Step1：電池放電到0%SOC并記錄電池可放出容量(激勵(lì)前)；

Step2：靜置6 h后測(cè)試EIS并記錄阻抗和電流響應(yīng)數(shù)據(jù)(激勵(lì)前)；

Step3：施加電流脈沖激勵(lì)2 h；

Step4：電池放電到0%SOC并記錄電池可放出容量(激勵(lì)后)；

Step5：靜置6 h后測(cè)試EIS并記錄阻抗和電流響應(yīng)數(shù)據(jù)(激勵(lì)后)。

為評(píng)價(jià)主動(dòng)維護(hù)的全生命周期環(huán)境影響，使用功能等效，將LAB抽象為能量存儲(chǔ)單元[18,19]。LAB儲(chǔ)能系統(tǒng)每存儲(chǔ)1 kWh能量在全生命周期中的泄露為32.04g[18]。其中，原材料提取階段占2%、制造占3%、壽命終止后的重利用占10%、回收—重冶煉過(guò)程占85%。主動(dòng)維護(hù)技術(shù)在LAB全生命周期中的環(huán)境影響E由式(7)進(jìn)行計(jì)算：

E=e×ηre×Δ

(7)

其中，e是LAB的功能等效單元(kWh)，ηre是回收—重冶煉過(guò)程占全生命周期中鉛泄漏的比重(%)，Δ是主動(dòng)維護(hù)技術(shù)對(duì)硫化修復(fù)的效果(%)。

4 結(jié)果分析

如圖5所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得沒(méi)有施加諧振電流之前三類電池的諧振頻率在fR=9.53 kHz附近。該頻率點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的電流尖峰即是電池的諧振點(diǎn)。實(shí)際退役電池、模擬老化電池和控制老化電池在0%SOC的初始復(fù)阻抗的均值分別為0.16 Ω、0.19 Ω和0.23 Ω。諧振點(diǎn)處的復(fù)阻抗分別為0.07 Ω、0.09 Ω和0.10 Ω。結(jié)果分析采用10 mHz～100 kHz的數(shù)據(jù)，在諧振脈沖激勵(lì)后，三類電池的阻抗曲線在很寬的頻率范圍內(nèi)都向著|Z|軸的負(fù)方向移動(dòng)，即阻抗減小。對(duì)于實(shí)際退役電池、模擬老化電池和控制老化電池，修復(fù)效果均值分別達(dá)到28.5%、14.7%和25.9%。根據(jù)沖量等效原理，以占空比5%、Ip=1.5 A的電流給電池充電2 h，充入的電量為150 mAh。如表1所示，在給電池施加諧振電流后，三類電池可放出的容量Ca均大于充入的容量Cb。由于硫酸鉛直接參與LAB體系的充電方向反應(yīng)(如果硫化可逆)，在相同的截止電壓條件下，說(shuō)明諧振脈沖激活了部分鈍化的硫酸鉛。

圖5 諧振脈沖對(duì)三類電池阻抗的修復(fù)Fig.5 Repair of the impedanceof three types of batteries by resonant pulse

表1 諧振脈沖對(duì)三類電池的可再充入容量提升Table 1 Re-charging capacity enhancement of three types of batteries by resonant pulses

圖6 諧振脈沖對(duì)三類電池平均響應(yīng)電流的提升Fig.6 Improvement of the average response current of three types of batteries by resonant pulses

與三類電池的復(fù)阻抗在諧振頻率fR=9.53 kHz處達(dá)到最小相對(duì)應(yīng)，在同樣的頻率處，諧振電流R達(dá)到相對(duì)最大值，即諧振電流尖峰。在很寬的頻率范圍內(nèi)(10 mHz～100 kHz)，三類電池的都提升了。實(shí)際退役電池、模擬老化電池和控制老化電池的平均電流響應(yīng)的變化分別為0.49A、0.55A和0.24A。結(jié)合諧振脈沖后三類電池的平均阻抗可知，諧振脈沖對(duì)三類電池去硫化的效果為Cl1>Cl3>Cl2，這與10 mHz～100 kHz內(nèi)阻抗修復(fù)效果是一致的。

三類電池在諧振脈沖激勵(lì)后，阻抗平均降低23%。對(duì)LAB儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施主動(dòng)維護(hù)后，LAB的生命周期中不再有回收—冶煉環(huán)節(jié)，則全部的LAB維護(hù)由諧振脈沖施加。根據(jù)式(7)，以一座500 kW的中型LAB照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，如果該儲(chǔ)能系統(tǒng)以50 kW的日平均功率進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)或能源交易，且全年不間斷運(yùn)行，則該系統(tǒng)一年內(nèi)可以節(jié)省3.228噸的等效鉛泄漏。

5 結(jié)論

本文提出的LAB照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期主動(dòng)維護(hù)技術(shù)針對(duì)照明系統(tǒng)運(yùn)行中，儲(chǔ)能設(shè)備LAB長(zhǎng)期“充電—自放電—充電”循環(huán)狀態(tài)引發(fā)的硫化問(wèn)題，利用硫化的電容性質(zhì)獲取LAB諧振頻率實(shí)現(xiàn)硫化診斷。根據(jù)諧振頻率施加諧振電流脈沖，僅用2 h實(shí)現(xiàn)硫化激活，通過(guò)EIS測(cè)試驗(yàn)證了23%的阻抗修復(fù)效果。文中提出的一種民航飛機(jī)艙內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可與LAB的主動(dòng)維護(hù)技術(shù)充分結(jié)合，提升機(jī)內(nèi)LAB的能量密度，充分發(fā)揮照明系統(tǒng)效用，降低飛行成本。本文還以一座500 kW的中型LAB照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，LAB全生命周期主動(dòng)維護(hù)技術(shù)在一年內(nèi)可以節(jié)省等效的鉛泄漏達(dá)3.228 t。雖然本文僅是對(duì)全生命周期主動(dòng)維護(hù)技術(shù)進(jìn)行初步探究，但為高效、經(jīng)濟(jì)和綠色的LAB照明—儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐，為L(zhǎng)AB產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。

致謝：本文中實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量記錄工作是在浙江天能集團(tuán)有限公司的大力支持下完成的，在此向他(她)們表示衷心的感謝。