鉛炭電池的工作特性

鉛炭電池的工作特性嚴干貴;朱微;段雙明;李洪波【摘要】為掌握鉛炭電池工作特性，進行電池單體和電池組充放電實驗，研究荷電狀態(tài)(SOC)與端電壓/內阻及充放電倍率的關系、電池組電壓特性以及充放電倍率對電池組一致性和實際可用容量的影響結果表明:受電池內部溫度影響，在充電過程電當SOC大于0.75時，會出現(xiàn)短時的電壓波動;當電池電壓達到上限2.35V或下限1.80V時不同SOC對應不同的充放電電流.電池成組應用時，隨著充放電倍率增加,電池組實際可用容量減少.【期刊名稱】《電池》【年(卷)，期】2019(049)003【總頁數】4頁(P221-224)【關鍵詞】鉛炭電池;特性分析;荷電狀態(tài);充放電倍率;一致性【作者】嚴干貴;朱微;段雙明;李洪波【作者單位】東北電力大學現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室，吉林吉林132012;東北電力大學現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室，吉林吉林132012;東北電力大學現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室，吉林吉林132012;東北電力大學現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室，吉林吉林132012【正文語種】中文【中圖分類】TM912.1鉛炭電池可解決鉛酸電池在部分荷電狀態(tài)工作時負極硫酸鹽化的問題［1］，性價比高，在大規(guī)模電化學儲能領域具有廣闊的應用前景［2］。國內夕卜學者主要從電池化學特性和電氣特性兩個角度對鉛炭電池進行研究。文獻［3］從化學角度對鉛炭電池中炭材料的作用機理進行了分析與評價。文獻［4］研究了鉛炭電池析氫行為與負極電勢的關系，指出：為了防止鉛炭負極析氫，鉛炭電池的充電電壓不應高于2.45V。文獻［5］從電氣角度研究了鉛炭電池大電流充放電性能，指出短時大電流頻繁充放電工作模式下循環(huán)壽命可達7500次?，F(xiàn)有文獻主要對單體電池的內部工作機理和循環(huán)壽命進行分析，未研究鉛炭電池充放電過程出現(xiàn)的電壓波動及成組容量等問題。本文作者通過實驗分析鉛炭電池單體和電池組充放電特性，研究鉛炭電池電壓、內阻波動特性以及充放電倍率對電池組電壓一致性和實際可用容量的影響。1實驗工況設計選用LC-200型額定容量200Ah和LLC-100型額定容量100Ah的鉛炭電池(江蘇產)為實驗對象，兩種電池額定電壓均為2.00V,25°C浮充電壓為2.25V，均充電壓為2.35V，放電截止電壓為1.80V，最大充電電流為40.0^選用EBC-A40L充放電測試儀(上海產)對電池進行充放電實驗。1.1全SOC下端電壓/內阻特性實驗充電實驗：將鉛炭電池以0.1C倍率電流放電至截止電壓1.80V，認為此時電池電量為0,即荷電狀態(tài)(SOC)等于0；采用恒流/恒壓方式對電池充電，恒流階段電流為20A，恒壓階段電壓為2.35V。單次充電容量為額定容量的5%，測量電池工作電壓和內阻；靜置4h后，測量電池開路電壓(OCV)和內阻；重復②、③，直至電池SOC等于1。放電實驗：電池在滿電狀態(tài)下采用恒流20A放電，單次放電容量為額定容量的5%，測量電池工作電壓和內阻；靜置4h后，測量電池OCV和內阻；重復①和②，直至電池SOC等于0。1.2不同充放電倍率對應的SOC與端電壓特性實驗充電實驗：充電起始時刻電池OCV為2.10V，SOC為0.85，以5A、10A...35A對電池充電，電壓達到上限2.35V時，停止充電。記錄不同電流對應的電壓與SOC數據。放電實驗：放電起始時刻電池OCV為2.00V,SOC為0.40，以5A、10A...40A對電池放電，電壓達到下限1.80V時，停止放電。記錄不同電流對應的電壓與SOC數據。1.3電池組一致性實驗取12只同批次、LC-200鉛炭電池串聯(lián)成組，將電池標記為1-12號。在常溫(25°C)下分別以2.3A和5.0A電流進行恒流充放電，全程記錄電池組電壓。單體電池電壓達到電壓上限2.35V時，停止充電，計算充電電量；單體電池電壓達到電壓下限1.80V時，停止放電，計算放電電量。2結果與討論2.1全SOC下端電壓/內阻特性實驗2.1.1SOC與端電壓關系特性分析選用容量為200Ah的鉛炭電池分析端電壓特性，充電過程中電壓隨SOC變化曲線如圖1所示。圖1充電過程電壓隨SOC變化曲線Fig.1ChangesofvoltagewithSOCduringcharging從圖1可知，SOC在0~0.05階段，電池工作電壓迅速上升，SOC在0.05~0.75階段，電壓平穩(wěn)升高，對應SOC線性增加，由恒流充電轉為恒壓充電的過渡階段(SOC在0.75~0.85)，電壓上升較快。充電階段，適合鉛炭電池工作的SOC范圍為0.05~0.75。恒壓充電時，電池工作電壓不變，不能反映SOC變化，而不同OCV對應不同SOC，因此可用電池OCV估計SOC。充電過程，鉛炭電池SOC在0.75~0.85階段對應的電壓電流變化曲線如圖2所示。圖20.75~0.85SOC充電階段電壓電流的變化Fig.2ChangesofvoltageandcurrentinthechargingstateofSOCof0.75-0.85從圖2可知，t1之前，電池工作電壓上升；t1時刻電壓為上限2.35V，電池充電模式由恒流轉為恒壓，電流開始下降。t2時刻，電流為下限17.27A,t2之后電流上升；t3時刻，電流為20A,t3之后電池充電模式由恒壓又轉為恒流，電壓開始下降。此電壓波動由電池內部溫度引起，t1-t2階段，電池內部溫度逐漸升高，引起內部活性物質反應速度加快，電池接受電荷能力加強，t2后電流開始上升，t3-t4階段電池充電模式又轉為恒流。恒流階段電池溫度逐漸保持恒定，活性物質反應速度保持恒定。t4轉為恒壓充電，電池溫度下降。放電過程電池電壓隨SOC變化曲線如圖3所示。圖3放電過程電壓隨SOC變化曲線Fig.3ChangesofvoltagewithSOCduringdischarging從圖3可知，SOC在1.00~0.95階段，電池工作電壓變化較大，SOC在0.95~0階段，電池工作電壓變化平穩(wěn)，因此放電階段，適合鉛炭電池工作的SOC范圍為0.95~0。2.1.2SOC與內阻關系特性分析容量為200Ah和100Ah的鉛炭電池在循環(huán)過程中內阻隨SOC的變化曲線如圖4所示。圖4充放電過程內阻隨SOC變化曲線Fig.4ChangesofinternalresistancewithSOCduringcharginganddischarging從圖4可知，受電極活性物質充放電態(tài)導電性能的影響，鉛炭電池內阻隨SOC的增大而減小，不同容量鉛炭電池的內阻變化規(guī)律相同。放電過程中，隨著放電深度的增加，負極板表面堆積的硫酸鉛顆粒增大，電池導電率降低，內阻增大。靜置前后，溫度變化影響內部電解液的擴散速度，使電池內阻發(fā)生變化。2.2不同充放電倍率對應的SOC與端電壓特性實驗容量為200Ah的鉛炭電池不同充電的電流對應的電池電壓和SOC關系曲線如圖5所示。圖5不同充放電電流下電壓和SOC的關系Fig.5RelationshipbetweenbatteryvoltageandSOCindifferentcharginganddischargingcurrents從圖5可知，電池工作電壓達到電壓上限2.35V時，充電電流越大，對應的SOC越小，即電池可充入電量越少。電池工作電壓達到下限1.80V時，放電電流越大，對應的SOC越大，即電池可放出電量越少。2.3電池組一致性實驗結果分析電池組充放電過程中單體電壓曲線如圖6、7所示。圖6電池組充電單體電壓曲線(2.3A,5.0A)Fig.6Cellvoltagecurvesduringbatterycharging(2.3A,5.0A)圖7電池組放電單體電壓曲線(2.3A,5.0A)Fig.7Cellvoltagecurvesduringbatterydischarging(2.3A,5.0A)由圖6(b)可知，當電池采用2.3A電流充電，10號電池電壓最高，首先達到電壓上限2.35V。整組電池充電容量為197.8Ah，電池組實際可用容量為額定容量的98.9%。由圖6(c)可知，當電池采用5.0A電流充電，1號電池電壓最高，首先達到電壓上限2.35V。整組電池充電容量為194.9Ah，電池組實際可用容量為額定容量的97.5%。由圖7可知，2.3A電流放電時，3號電池電壓下降最快，首先達到電壓下限1.80V。整組電池放電容量為193.2Ah，電池組實際可用容量為額定容量的96.6%。5.0A電流放電時，9號電池電壓下降最快，首先達到電壓下限1.80V。整組電池放電容量為190.3Ah，電池組實際可用容量為額定容量的95.2%。單體電池的差異性導致電池組實際可用容量降低，隨著充放電倍率的增加，單體間差異性增大，電池組實際可用容量減少。為了定量分析充放電倍率對電池組一致性的影響程度，引入電壓標準差［6］概念，定義如下：(1)式(1)中：n代表電池組串聯(lián)的單體電池數，n=12；Ui為單體電池電壓；為串聯(lián)電池組電壓平均值。電壓標準差越小，表示電池組一致性越好。電池組充電過程，電壓標準差曲線如圖8所示。圖8充電過程電池電壓標準差曲線Fig.8Voltagestandarddeviationcurvesduringbatterycharging從圖8可知，充電電流等于2.3A時，電壓標準差主要在0.001-0.002之間變化，波動幅度小，充電后期，電壓標準差增加，充電結束上升至0.004。充電電流等于5.0A時，電壓標準差在0.002附近變化，波動幅度大，充電后期，電壓標準差增加，充電結束上升至0.007。電池組放電過程中電壓標準差曲線如圖9所示。圖9放電過程電池電壓標準差曲線Fig.9Voltagestandarddeviationcurvesduringbatterydischarging從圖9可知，放電過程中電壓標準差的變化趨勢與充電過程相似。電池組充放電電流越大，電壓波動越大，電池電壓離散度越大，電池組一致性越差。3結論本文作者研究了鉛炭電池單體和電池組充放電特性，鉛炭電池安全、高效應用得到了數據支撐。受電池內部溫度影響，鉛炭電池充電過程，當SOC大于0.75時，會出現(xiàn)短時電壓波動問題。受電池正負極活性物質充放電態(tài)自身的導電性影響，鉛炭電池內阻隨SOC的增大而減小，靜置前后電池溫度變化影響內部電解液的擴散速度，內阻發(fā)生變化；受鉛炭電池最高電壓和最低電壓限制，充電電流越大，充入電池的電量越少，放電電流越大，放出電量越少；當電池電壓達到電壓上限和電壓下限時，不同SOC對應不同的上限充電電流和放電電流，必須根據SOC值設置充電和放電電流，否則會導致電池出現(xiàn)過充或者過放現(xiàn)象；受電池一致性影響，電池成組應用時，實際可用容量低于額定容量，隨著充電、放電倍率的增加，電池組一致性變差，實際可用容量降低?！鞠嚓P文獻】陳飛，張慧，馬換玉，等.鉛炭電池的研究現(xiàn)狀[J].電池，2013，43(3):170-173.RobertsBP，SANDBERGC.Theroleofenergystorageindevelopmentofsmartgrids[J].Proceedingsofthe