太阳能光伏发电系统原理与应用技术第4章 蓄电池ppt课件.ppt

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1、第4章 光伏蓄电池,第4章 光伏蓄电池,光伏蓄电池电能化学能,第4章 光伏蓄电池,光伏发电系统中，蓄电池是重要组成部件。由于太阳光变化无常，光伏发电系统的功率输出也变化无常，因此光伏发电系统产生的电能需要蓄电池进行储存和调节。在日照不足发电很少或需要维修光伏发电系统时，蓄电池也能够提供相对稳定的电能。蓄电池的投资占系统总投资的20%25%。蓄电池的合理选择、正确使用和维护等，是光伏发电系统设计和运行、管理中至关重要的问题。,4.1 光伏蓄电池概述,4.1.1 蓄电池简介 化学电池是将化学能转换为电能的装置，分为原电池和蓄电池两大类。 原电池的活性物质只能利用一次，放完电后废弃，又称一次电池。蓄

2、电池放电后可以用与放电电流相反的电流进行充电，重新获得复原而再次使用，又称二次电池，能量转换过程是可逆的。电能 化学能,4.1 光伏蓄电池概述,4.1.1 蓄电池简介 蓄电池的分类：铅酸蓄电池；镉镍（NiCd）蓄电池；氢镍（NiMH）蓄电池；锂离子（Liion）蓄电池。 蓄电池的主要技术指标：工作电压，放电曲线上的平台电压；蓄电池容量，常用安时（Ah）或毫安时（mAh）表示；工作温区，正常放电温度范围；循环寿命，正常工作的充、放电次数。 蓄电池的特性曲线：充电曲线；放电曲线；充放电循环曲线；温度曲线；储存曲线；等 光伏发电系统使用最普遍的是阀控密封式铅酸蓄电池（Valve-Regulated

3、Lead Acid Battery，VRLA）。,4.1 光伏蓄电池概述,4.1.2 铅酸蓄电池的基本概念 （1）单体蓄电池单体蓄电池指蓄电池的最小单元（格）。（2）蓄电池组 蓄电池组由单体蓄电池串联和并联组成，以满足存储大容量电能的需要。其作用是储存太阳电池方阵发出的电能并随时向负载供电。 （3）电池充电电池充电是外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反应，从而把电能转化成化学能而储藏起来的操作。 （4）过充电过充电是对完全充电的蓄电池或蓄电池组继续充电。,4.1 光伏蓄电池概述,（5）热失控 热失控是指蓄电池在恒压充电时充电电流和电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏蓄电池现象。VRLA

4、蓄电池过充时正极产生的大量氧气在负极复合，复合反应产生的热使蓄电池温度进一步升高。温度升高又使电池内阻下降，导致浮充电流增大。这样，增大的浮充电流使蓄电池温度升高，升高的温度又使浮充电流增大，如此反复形成恶性循环热失控。 VRLA铅酸蓄电池“热失控”故障的原因： 电池失水； 单格电池提前失效故障； 充电器与铅酸蓄电池组不匹配（充电电压过高 ）； 电池的氧循环气路过于畅通。,4.1 光伏蓄电池概述,（6）放电在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。 （7）活性物质在电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质，或者说是正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。（8）板极硫化电池放电后未及时充电，或

5、长时期处于半放电或充电不足，甚至过充电情况下或者长时间充电和放电都会形成难溶的PbSO4晶体，无法恢复原来的状态板极硫化。板极硫化导致充电困难或电池失效。,4.1 光伏蓄电池概述,（9）容量 容量是在规定的放电条件下电池输出的电荷。其单位常用安时(Ah)表示。 能量和比能量 能量 蓄电池的能量是指在一定放电制下，蓄电池所能给出的能量，通常用W表示，其单位为瓦时（Wh）。 理论能量可以用理论容量和电动势的乘积表示； 实际能量为一定放电条件下的实际容量与平均工作电压的乘积。 比能量 蓄电池的比能量是单位体积或单位重量（质量）的蓄电池所给出的能量，分别称为体积比能量(Wh/L)和重量比能量（Wh/k

6、g）。,4.1 光伏蓄电池概述,功率和比功率 功率 蓄电池的功率是指蓄电池在一定放电制下，在单位时间内所给出的能量的大小，通常用P表示，单位为瓦（W）。 理论功率为一定放电条件下的放电电流与蓄电池电动势的乘积; 实际功率为一定放电条件下的放电电流与平均工作电压的乘积。 比功率 是指单位体积或单位质量的蓄电池输出功率，分别称为体积比功率（W /L）和质量比功率（W /kg）。 比功率是蓄电池的重要的技术性能指标，蓄电池的比功率大，表示它承受大电流放电的能量强。,4.1 光伏蓄电池概述,（10）相对密度相对密度是指电解液与水的密度的比值，用来检验电解液的强度。相对密度与温度变化有关。25时，满充的

7、电池电解液相对密度值为1.265。密封式电池，相对密度值无法测量。纯酸溶液的密度为1.835g/cm3，完全放电后降至1.l20g/cm3。 大部分铅酸电池的密度在1.11.3 g/cm3范围内，满充之后一般为1.231.3 g/cm3。 高温或者低温中的电池，相对密度也会受影响。,4.1 光伏蓄电池概述,（11）运行温度 温度对电池性能影响很大。 电池运行一段时间，就感到烫手，铅酸电池具有很强的发热性。当运行温度超过25，每升高10，铅酸电池的使用寿命就减少50%。所以电池的最高运行温度应比外界低，运行温度变化超过5时应带温度补偿充电措施。电池温度传感器应安装在阳极上，且与外界绝缘。,4.2

8、 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.2.1 铅酸蓄电池的结构 结构：铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液组成。 活性物质： 正极，PbO2， 负极，Pb； 电解液：H2SO4 电化学反应同时， e、H、HSO4不断产生，不断复合。,图4-1 VRLA蓄电池的基本结构,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,1.极板极板由板栅和活性物质组成。板栅是极板的骨架，用于支撑活性物质，传导电流。 （1）正极板(阳极)阳极指发生氧化反应的电极。铅酸蓄电池的阳极板就是正极。它是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为储存电能的活性物质，正常为红褐色，铅酸蓄电池的每个单元也分正极和负极，阳极是放电时的负极，充电时的正

9、极。（2）负极板(阴极)负极指发生还原反应的电极。负极板是放电时的正极，充电时的负极。负极(阴极板)是以海绵状的金属铅作为储存电能的物质，正常为灰色。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,2.隔板在电池两极板组间插入的隔离物，防止正、负极板相互接触而发生短路和活性物质脱落。 隔板由防止渗透离子的材料制成，主要有AGM（超细玻璃纤维）隔板和PVC-SiO2隔板两类 3.容器容器用于盛装电解液和支撑极板， 硬橡胶式及塑料槽。4.电解液含有可移动离子，具有离子导电性的液体或固体物质叫做电解液。一般为稀硫酸，有一部分做成胶体。 电解液在铅酸蓄电池中的作用是：参加电化学反应；溶液正、负离子的传导体；极板温

10、升的热扩散体。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.2.2铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池由两组极板插入稀硫酸溶液中构成。电极在完成充电后，正极板为二氧化铅，负极板为海绵状铅。放电后，在两极板上都产生细小而松软的硫酸铅，充电后又恢复为原来物质。 铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是“双硫酸化理论”，其含义：放电时，两电极的有效物质和硫酸发生作用，均转化为硫酸化合物硫酸铅；充电时，又恢复为原来的铅和二氧化铅，如图4-1（b）所示。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,1.铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池充电后，正极板的PbO2在硫酸溶液中水分子的作用下，少量与水生成可离

11、解的不稳定物质氢氧化铅(Pb(OH)4)，氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4+ ）留在正极板上，因此正极板上缺少电子。同时负极板的Pb与电解液中的H2SO4发生反应，变成铅离子（Pb2+），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子(2e)。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。铅酸蓄电池单体（格）的电动势为2.0V。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,2.铅酸蓄电池充、放电过程的电化学反应 蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参加化学反应。铅酸蓄电池充、放电化学反应的方程式如下

12、: 正极 电解液 负极 正极 水 负极放电过程：PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4+2H2O+PbSO4充电过程：PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4+2H2O+PbSO4 化学反应的同时，有电子和离子的产生。 正极：PbO2+H2SO4PbSO4+H2O 负极：Pb+H2SO4PbSO4+H2 总反应：PbO2+2H2SO4+Pb 2PbSO4+2H2O,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,铅酸蓄电池在充、放电过程伴随着的副反应为2H2O 2H2+ O22Pb+ O2 2PbOPbO+H2SO4 PbSO4 +H2O 该反应使电池中水分逐渐损失，需不断补充纯水才能保持

13、正常使用。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.2.3 铅酸蓄电池的分类和命名 1.铅酸蓄电池的分类 （1）按照电解液数量和电池槽结构分类 传统开口式铅酸蓄电池：开口半密封式结构，电解液处于富液状态，使用过程中需要加水调节酸密度； 阀控密封式铅酸蓄电池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA）：全密封式结构，电解液为贫液状态，使用过程中不需要进行加水或加酸维护“免维护”。 AGM电池：主要采用AGM（玻璃纤维）隔板，电解液被吸附在隔板孔隙内； GEL电池：主要采用PVC-SiO2隔板，电解质为已经凝胶的胶体电解质。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4

14、-1 AGM电池与GEL电池结构比较,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-2 AGM电池与GEL电池性能比较,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（2）按照电池的用途分类 循环和启动使用电池：铁路电池、汽车电池、太阳能电池、电动车电池、牵引电池等类型。 浮充使用电池：浮充电池主要是后备电池。（3）按照电池的使用环境分类固定型电池：主要用于后备电源，广泛用于邮电、电站和医院等，最大要求是安全可靠，因其使用固定在一地方，重量不是关键问题。 移动型电池：主要有内燃机车用电池、铁路客车用电池、摩托车用电池、电动汽车及牵引车用电池等。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,2.蓄电池的命名方法、型号组成及

15、其代表意义 蓄电池名称由单体蓄电池格数、型号、额定容量、电池功能或形状等组成(图4-2)。当单体蓄电池格数为1时(2V)省略，6V、12V分别为3和6。各公司的产品型号有不同的解释，但产品型号中的基本含义相同。表4-3为常用字母的含义。,图4-2 蓄电池名称的组成,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-3 蓄电池常用字母的含义,例：GFM-500，1个单体，G为固定型，F为阀控式，M为密封，500为10小时率的额定容量；6-GFMJ-100，6为6个单体，电压12V，G为固定型，F为阀控式，M为密封，J为胶体，100为10小时率的额定容量。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,广泛应用于太阳能

16、、风能发电系统，太阳能路灯，广告箱等领域的蓄电池型号、规格如表4-4、表4-5所示，供选用参考。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-4 12V系列免维护铅酸蓄电池,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-5 12V系列胶体蓄电池,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.2.4 蓄电池的性能参数（铅酸蓄电池）1.蓄电池的电压 （1）蓄电池电动势（E） 蓄电池的电动势在数值上等于蓄电池达到稳定时的开路电压，它是由蓄电池电极的活性物质与电解质的电化学特性决定的。 铅酸蓄电池的电动势与硫酸密度的关系如图4-3所示。由图可知，硫酸密度增加（在硫酸密度为1.051.300g/cm3范围时），蓄电池电动

17、势的值也相应增加，呈线性关系。,图4-3 蓄电池电动势与硫酸密度的关系,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（1）蓄电池电动势（E） 蓄电池的电动势可以从下面近似公式得出E0.85+d （4-1）式中，0.85为VRLA蓄电池的电动势常数；d为电解液的比重，单位采用g/cm3。,图4-3 蓄电池电动势与硫酸密度的关系,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（2）开路电压（Uk） 蓄电池的开路电压是蓄电池在开路状态（无电流状态）下的端电压。UkEz Ef （4-2）式中， Ez为蓄电池正极电位；Ef为蓄电池负极电位。 蓄电池达到稳定时的开路电压在数值上等于蓄电池的电动势，也可由UkE0.85+d近似得

18、出。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（3）工作电压（U） 蓄电池的工作电压是指蓄电池接通负荷后在放电过程中显示的端电压，又称负荷（载）电压或放电电压。工作电压的大小是变化的，既与电池的放电电流有关，又与电池的内阻有关。U=UkI(R0+Rj) （4-3）式中，I为蓄电池放电电流；R0为蓄电池的欧姆电阻；Rj为蓄电池的极化电阻。 （4）充电电压 蓄电池的充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄电池两端的电压。 （5）初始电压 蓄电池的初始电压是蓄电池在放电初始时的工作电压。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（6）浮充电压 电池充电器对蓄电池进行浮充电时设定的电压值。 铅酸蓄电池的单体（格）

19、电压为2V/格，实际电压随充、放电情况而有变化，充电结束时电压有2.52.7V/格，以后缓慢降到2.05V/格左右的稳定状态；放电时，电压缓慢下降，低到1.7V时，便不能再继续放电，否则会损坏蓄电池的极板。200Ah以上的铅酸蓄电池每只为一单体，电压为2V；200Ah以下的铅酸蓄电池每只一般为6个单体（格）串联，电压为12V。 VRLA蓄电池在25时浮充电压U开路电压+极化电压=Uk（0.100.18）。 镉镍蓄电池的单体电压为1.2V/格。蓄电池组的电压由串联的蓄电池单体只数确定，有24V、48V、60V、110V等。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,铅酸蓄电池端电压与放电时间关系曲线如图

20、4-4所示,图4-4 铅酸蓄电池端电压与放电时间关系曲线,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,铅酸蓄电池充电时间与电压及电流关系曲线如图4-5所示。,图4-5 铅酸蓄电池充电时间与电压及电流关系曲线,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（7）蓄电池的放电终止电压 放电终止电压是指蓄电池放电时电压下降到不宜再放电时的最低工作电压。放电终止电压随放电率不同而变化。小于10h的小电流放电，终止电压取值稍高；大于10h的大电流放电，终止电压取值稍低。 放电率对终止电压的影如图4-6所示。,图4-6 放电率对终止电压的影响,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,2.蓄电池的容量 蓄电池的容量是蓄电池储存电能的能

21、力。处于完全充电状态的铅酸蓄电池在一定的放电电流和一定的电解液温度下，单格电池的电压降到规定的终止电压时所能提供的电量称为电池容量，以符号C表示，通常可采用两种表示方法：安时容量（Ah），瓦时容量（Wh）。 当蓄电池以恒定电流放电时，安时容量=放电电流放电时间，瓦时容量=安时容量平均放电电压。目前铅酸蓄电池产品容量可从1安时到几千甚至上万安时。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,理论容量是把蓄电池活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值。 法拉第电解定律：电解过程中，通过的电量相同，所析出或溶解出的不同物质的物质的量相同。也可以表述为：电解1mol的物质，所需用的电量都是1个“法拉第”

22、(F)，1F=26.8Ah=96500C。其中，1C=6.251018电子电量(e)；1e1.60218921018 C；1mol6.0231023。 实际容量是指蓄电池在一定放电条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积。 实际容量小于理论容量。实际容量与理论容量之比叫做活性物质的利用率。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,额定容量（标称容量）是按照国家或有关部门颁布的标准，在电池设计时要求电池在一定的放电条件下（一般规定在25环境下以10小时率电流放电至终止电压）应该放出的最低限度的电量值。额定容量常用来标定10小时率蓄电池的型号。 为了比较不同系列的蓄电池，常用比容量的概念，即

23、单位体积或单位质量蓄电池所能给出的能量，分别称为体积比容量和重量比容量，其单位分别为Ah/L或Ah/kg。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（1）蓄电池容量与放电率的关系同一个电池放电率不同时，给出的容量也不同。放电率有小时率（时间率）和电流率（倍率）两种不同的表示方法。小时率（时间率）：是以一定的电流放完额定容量所需的时间，或以一定电流放电至规定终止电压所经历的时间。标识为20h、10h、5h、3h、1h、0.5h等。例如，某12V的蓄电池，如果用2A放电，5h降到10.5V（5小时率放电，则容量为C5=2A5h=10Ah 同样是这个电池，如果用1.2A放电，10h降到10.5V（10小时

24、率放电），则容量为C10 =1.2A 10hl2Ah 前者称5小对放电率，容量用C5表示；后者称10小时放电率，容量用C10表示； 1小时放电率，容量用C表示；等。C的下脚标就是小时率。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,电流率（倍率）：是指放电电流相当于电池额定容量的倍数。例如，容量为100Ah的蓄电池，以100Ah/10h =10A电流放电，10h将全部电量放完，则电流率为0.1C10；若以100A电流放电，则1h将全部电量放完，则电流率为1C10，依此类推。 蓄电池的额定容量按放电率标定。国际标准规定： 启动型蓄电池，其额定容量以20h率标定，表示为C20； 固定型蓄电池，其额定容量以1

25、0h率标定，表示为C10。 光伏应用一般采用20小时率容量。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,放电电流越大，蓄电池容量越小，放电率对蓄电池容量的影响见表4-6。 表4-6 放电率对蓄电池容量的影响,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（2）蓄电池容量与温度的关系铅酸蓄电池电解液的温度对蓄电池的容量有一定影响，温度高时，电解液的黏度下降，电阻减小，扩散速度增大，电池的化学反应加强，这些都会使容量增大。但是温度升高时，蓄电池的自放电会增加，电解液的消耗量也会增多。 蓄电池在低温下容量迅速下降，通用型蓄电池在温度降到5时，容量会降到70%左右。低于15容量将下降到不足60%，且在10以下充电反应非常

26、缓慢，可能造成放电后难以恢复。放完电后若不能及时充电，在温度低于30时有冻坏的危险。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,3.蓄电池的使用寿命蓄电池寿命有三种评价方法（主要考虑前两种）： 蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环。在一定的放电条件下，电池使用至某一容量规定值之前，电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。 蓄电池的使用寿命（浮充寿命）是指蓄电池在规定的浮充电压和环境温度下，蓄电池寿命终止时浮充运行的总时间，以蓄电池的工作年限来衡量。 恒流过充电寿命是指采用一定的充电电流对蓄电池进行连续过充电，一直到蓄电池寿命终止时所能承受的过充电时间。 蓄电池寿命终止条件一般设定在容量低于10小时率额

27、定容量的80%。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,蓄电池的使用寿命与蓄电池本身质量及工作条件、使用和维护情况等因素有很大关系。 放电深度对蓄电池循环使用寿命的影响如图4-7所示。,图4-7 蓄电池放电深度与循环次数关系曲线,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.蓄电池的效率 蓄电池在实际工作过程中有一定的能量损耗，通常用能量效率和安时效率来表示。（1）能量效率：蓄电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。影响能量效率的主要因素是蓄电池的内阻。（2）充电效率（也称库仑效率）：蓄电池放电时输出的电量与充电时输入的电量之比。影响充电效率的主要因素是蓄电池内部的各种负反应，如自放电。 对于一般的离

28、网光伏发电系统，平均充电效率大约为80%85%，在冬天可增加到90%95%。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,5.蓄电池的自放电 在蓄电池不使用时，随着放置时间的延长，储电量会自动减少，这种现象称为自放电。自放电与储存时间关系曲线如图4-6所示。,图4-8 自放电与储存时间关系曲线,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,自放电的主要原因是：（1）电解液中含有杂质（其它金属如铜、铁等），或添加的不是纯净水，这些杂质与蓄电池极板形成局部微小电池，从而使蓄电池形成自放回路。实验表明，电解液中如含有1%的铁，蓄电池充足电后会在24h之内将电能全部放完。蓄电池极板成分不纯，含锑量过高或含有其它有害杂质时，

29、也会形成许多微小蓄电池。杂质与极板间或不同杂质之间产生电位差，变成一个局部蓄电池，并通过电解液构成回路，产生局部电流，从而形成自放电。（2）蓄电池电极间污垢较多，如泥土及水等均为导体，使蓄电池正、负电极间形成放电回路而自行放电。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（3）蓄电池负极板的自溶和正极板二氧化铅的自动还原。负极板的海绵状铅在蓄电池搁置过程中会以铅离子形式溶入电解液中，形成硫酸铅，而且铅与电解液总是含有一定的杂质，会引起氢的析出，从而加速铅的自溶，加快蓄电池自放电。PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2OPbO2 2Ag2H2SO4PbSO4Ag2SO42H2O5 PbO2 2Sb6

30、H2SO4(SbO2)2SO45PbSO46H2OPbO2 H2H2SO4PbSO42H2OPbH2SO4PbSO4H2,（4）电池长期放置不用，硫酸下沉，下部密度较上部大，极板上、下部发生电位差及温度的变化都可引起自放电。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,6.蓄电池的放电深度与荷电态 蓄电池放电深度（Depth of Discharge，DOD）是指从蓄电池使用过程中放出的有效容量占该电池额定容量的比值，通常以百分数表示。 17%25%为浅循环放电； 30%50%为中等循环放电； 60%80%为深循环放电。 光伏发电系统中，DOD一般为3080。 蓄电池的荷电态（State of char

31、ger，SOC)，定义为 式中，Cr、Ct分别为某时刻蓄电池的剩余电量和总电量。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,7.蓄电池内阻 电池内阻有欧姆内阻和极化内阻两部分： 欧姆内阻主要由电极材料、隔膜、电解液、接线柱等构成，也与电池尺寸、结构及装配有关。 极化内阻是由电化学极化和浓差极化引起的，是电池放电或充电过程中两电极进行化学反应时极化产生的内阻。极化内阻除与电池制造工艺、电极结构及活性物质的活性有关外，还与电池工作电流大小和温度等因素有关。 电池内阻严重影响电池工作电压、工作电流和输出能量，因而内阻愈小的电池性能愈好。 电池内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，因为活性物质组成、电解

32、液浓度和温度都在不断变化。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,8.蓄电池的串联和并联 将多只蓄电池的正极接负极依次连接称为串联，组成的蓄电池组的电压为串联的蓄电池电压之和，容量不变。例如55只2V/250Ah的铅酸蓄电池串联，组成的串联蓄电池组的电压为110V，容量为250Ah。 将多只蓄电池的正极和负极分别连接起来称为并联，组成的蓄电池组的电压不变，容量为并联的蓄电池容量之和。例如10只2V/250Ah铅酸蓄电池并联，组成的蓄电池组的电压为2V，容量为2500Ah。蓄电池组也可以并联，例如两组110V/250Ah的蓄电池组并联，组成的蓄电池组的电压为110V，容量为500Ah。 蓄电池串、并

33、联时应尽可能保证每只蓄电池的性能一致。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,9.蓄电池的充电方法（1）恒压充电法在充电过程中，充电电压保持不变。这样在刚开始充电时，能以较大的电流对蓄电池充电，随着充电时间的增加，电流逐渐减少。然而充电电流太大会使电池寿命减少，而且容易造成电池温度上升，因此需要额外加入限流电路及温度补偿电路。（2）恒流充电法在充电过程中，充电电流保持不变。这样可以避免恒压充电法因电流太大而产生的问题。其缺点是恒流充电可能造成充电电压过高而影响蓄电池的寿命。而且恒流充电不能像恒压充电法那样使电池保持在浮充状态，因此无法将蓄电池完全充足电。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（3）二

34、阶段充电法二阶段充电法=恒流充电法+恒压充电法 先以恒定电流对蓄电池充电，等蓄电池电压达到气化电压后，再以恒定电压充电，使蓄电池保持在浮充状态。二阶段充电法在蓄电池寿命和充电时间上已有很大改善。然而在恒压充电阶段，由于充电电流很小，因此必须消耗很长的时间对蓄电池充电，这是其不足之处。（4）三阶段充电法（此法最优！）三阶段充电法=恒流充电法+ “充电吸收” +恒压充电法 第一阶段是以恒定电流充电，第三阶段是以恒定电压充电，但在第一阶段与第三阶段之间加入称为“充电吸收”的第二阶段。在第二阶段中，充电电压维持在气化电压以下，但充电电流缓慢下降，这样可以大幅度缩短恒压充电的时间。,4.3 VRLA蓄电

35、池的充、放电特性,4.3.1 VRLA蓄电池的充电特性 1.VRLA蓄电池的充电技术 蓄电池保证使用寿命的技术指标是在环境温度为25下给出的。蓄电池特性与温度密切相关： 蓄电池电压温度系数约为4mV/； 温度一定时，充电电压略高（100mV）导致蓄电池的热失控和过充损坏，或略低（100mV）会导致蓄电池充电不足而损坏 ； 蓄电池的容量与温度有关，大约是温度每降低1，容量将下降1%。 由此，蓄电池充电器的充电技术不够完善。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,2.自然平衡充电器 VRLA蓄电池的自然平衡充电原理简图如图4-9所示。 EB换成被充电的蓄电池，EA精心设计成在不同环境温度下能按蓄电

36、池充电平衡需要自动调节输出电压和电流的电源。蓄电池充足电后，E =0，i0，EA电源将不再消耗功率。此后，EA只随环境温度的变化，对被充电的蓄电池提供跟踪平衡补偿。由于蓄电池充电的整个过程完全是自动完成的，所以称之为自然平衡法。 特别适于间隙性放电使用的VRLA蓄电池日常维护充电。,图4-9 自然平衡充电原理图,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,3.VRLA蓄电池的充电方式 VRLA蓄电池的充电方式有浮充充电、均衡充电、补充充电和循环充电等多种方式。 按VRLA蓄电池两端电压、电流的控制方式的不同恒压限流式、恒流式、两阶段恒压式半恒流充电式 （1）初充电 串联充电； 并联充电； 串联并联混

37、合充电； 单体VRLA蓄电池充电； 模块控制单体VRLA蓄电池充电。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（2）浮充充电 蓄电池充满电后，改用小电流给电池继续充电，此时就称为浮充电，也称为涓流充电。 浮充电的目的有三个： 保持电池的电压处于浮充电压范围，此时电池的板栅（就是极板的导电骨架）腐蚀处于最慢的状态，可延长电池寿命； 补充电池自放电造成的容量损失，保持电量充足； 抑制活性物质重结晶造成硫酸盐化（维持蓄电池的内氧循环）。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（2）浮充充电 蓄电池的浮充电压与其使用寿命之间也有密切的关系，总趋势是：在同一温度下工作，浮充电压越高，使用寿命越短。 蓄电池

38、的浮充电压值要参考厂家对产品推荐的数值来确定，不同厂家的产品，推荐的浮充电压值可能不同；就是同一厂家的不同系列产品，推荐的浮充电压值也可能不同。例如某公司的XM系列和GM系列蓄电池，前者推荐的浮充电压为2.275V/单体，后者推荐的浮充电压为2.23V/单体（均为标准温度下）,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（2）浮充充电 蓄电池的浮充电流因蓄电池的结构和性能的不同其作用也不尽相同。 普通铅酸蓄电池的浮充电流作用为： 补充普通铅酸蓄电池自放电的损失；向日常性负载提供电流。VRLA蓄电池的浮充电流的作用为：补充VRLA蓄电池自放电的损失；向日常性负载提供电流；浮充电流应足以维持VRLA蓄电

39、池的内氧循环。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（2）浮充充电 蓄电池浮充状态下的充电电压和充电电流设置：在环境温度为25时，标准型VRLA蓄电池的浮充电压应设置在2.25V/格，允许变化范围为2.232.27V/格。实际运行时，还需要根据环境温度的变化来调整浮充电压，通常的调节系数为4mV/。保证浮充电运行的VRLA蓄电池既不欠充电，也不过充电。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（3）均衡充电所谓均衡充电是把每个VRLA蓄电池单元并联起来，用统一的充电电压进行的一种恒压方式充电。 均衡充电的目的：确保蓄电池组中所有单体电池的电压、比重达到均匀一致。 均衡充电电流一般选0.3C或略

40、小于0.3C；均衡充电电压一般选2.35V/单体（额定电压为2V的VRLA蓄电池）；均充时间不大于10小时。 下列情况下蓄电池需要均衡充电： 市电停电后电池释放的能量超过总容量的15； 蓄电池长期处于浮充状态； 电池组中，出现了落后电池，在浮充状态下单体电压低于2.2V，更换新电池后。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（4）循环充电在循环应用领域，VRLA蓄电池都采用薄极板设计来提高比能量和大电流性能。对于薄极板的VRLA蓄电池最好的充电方法是采用脉冲和电流递减充电方式。脉冲充电方式可在短时间内提高充电电流，缩短蓄电池充满电时间，并具有很小的过充电；电流递减充电方式具有同样的优点。蓄电池

41、实现大电流快速充电的关键是蓄电池活性物质的复合效率，蓄电池的极板薄、表面积大、极板间距小、充电效率高。当蓄电池老化时，活性物质的复合效率下降。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,4.充电限流VRLA蓄电池放电后，初期充电电流过大，产生的热量可能会将板栅竖筋、汇流条、端子等熔断，正极板活性物质PbO2颗粒之间的结合松弛、软化、脱落，严重时会引发热失控，使VRLA蓄电池变形、开裂而失效，所以需要对充电电流加以限定。充电限流设定方式有：（1）关机限流，需要限流时关掉若干充电器；（2）有级设定，限制充电器的输出电流可以在额定电流的1/3挡或2/3挡选择；（3）局部无级设定，可在充电器器额定电流的5

42、0%100%段选择限流点；（4）无级设定，可在充电器额定电流的0%100%段选择限流点。技术优劣次序：（4）优于（3）优于（2）优于（1）。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,5.充电操作VRLA蓄电池组放电后，应立即转入充电，开始时控制充电电流以不大于0.2C为宜 。当电流变小时，可慢慢提高蓄电池组充电电压，达到均充电压值，再充6h，然后再调回浮充电压值。 使用中正常充电时，最好采用分级定流充电方式，即在充电初期用较大电流（0.1C ），充电一定时间后，改用较小电流，到充电后期改用更小电流。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,4.3.2 VRLA蓄电池的放电特性 1.放电试验 VRL

43、A蓄电池出厂前的容量试验步骤： （1）先将被试验VRLA蓄电池完全充电。（2）将被试验VRLA蓄电池静置124h，使蓄电池表面温度达到25 5。（3）VRLA蓄电池采用0.1C10电流连续对负载恒流放电，在放电过程中定期测试VRLA蓄电池端电压；VRLA蓄电池端电压达到1.80V/单体时放电终止。最后累积放电量达到100即为合格。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,2.放电使用 VRLA蓄电池的放电速率为0.02C10、0.1C10、0.2C10或0.3C10。 放电终止电压设定： 根基放电速率并结合环境温度，精确地设定放电的终止电压。 放电速率为0.010.025C，终止电压可设定为2.

44、00V/单体； 放电速率为0.050.25C，终止电压可设定为1.80V/单体。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,3.放电要求 （1）放电电流VRLA蓄电池实际放出的容量与放电电流有关。放电电流越大，VRLA蓄电池的效率越低。 例如，12V/24Ah的蓄电池当放电电流为0.4C时，放电至终止电压的时间是110min，实际输出容量17.6Ah，效率为73.3%；当放电电流为7C时，放电至终止电压的时间仅为20s，实际输出容量0.93Ah，效率为3.9。 使用中应避免大电流放电，以提高VRLA蓄电池的效率。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（2）放电深度 放电深度对VRLA蓄电池使用寿

45、命的影响也很大，放电深度越深，其循环寿命越短。 因为正极活性物质PbO2本身的互相结合不牢，放电时生成PbSO4，充电时又恢复为PbO2 。 PbSO4的摩尔体积比PbO2大，则放电时活性物质体积膨胀。若1mol PbO2转化为1mol PbSO4 ，体积增加95%。这样反复收缩和膨胀，就使PbO2颗粒之间的相互结合逐渐松弛，易于脱落。若1mol PbO2的活性物质只有20%放电，则收缩、膨胀的程度就大大降低，结合力破坏变缓慢，使用寿命延长。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,此外，蓄电池放电深度增加，PbSO4溶解度降低，造成极板硫化腐蚀，使用寿命变短。 蓄电池放电深度与使用寿命关系如图

46、4-10所示。,图4-10 放电深度与使用寿命的关系,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,设计考虑的重点就是深循环使用、浅循环使用还是浮充使用。实际应用中，若把浅循环使用的电池用于深循环使用时，则铅酸蓄电池会很快失效。 在使用VRLA蓄电池时，既要避免重载过流放电，又要避免长时间轻载造成VRLA蓄电池深度放电，更要避免VRLA蓄电池短路放电。 此外，还要关注发现和处理落后的VRLA蓄电池，经对落后的VRLA蓄电池处理后再做核对性放电实验。这样可防止事故，以免放电中落后的VRLA蓄电池恶化为反极VRLA蓄电池。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（3）放电操作 放电是为了检查VRLA蓄电池

47、容量是否正常，一般采用10小时率放电；可用假负载放电，或直接用负载放电。 放电深度控制在30%50%为宜，放电更深，更容易暴露VRLA蓄电池潜在的问题。并每小时检测一次单体VRLA蓄电池电压，通过计算VRLA蓄电池放出的容量（电流(A)时间(h) ），对照表4-7电压值，判断VRLA蓄电池是否正常。在相应放出容量下，测出的单体蓄电池电压值应等于或大于相应电压值，即蓄电池容量为正常；反之，蓄电池容量不足。,4.3 VRLA蓄电池的充、放电特性,（3）放电操作表4-7 VRLA蓄电池放出不同容量的标准电压值(10小时率) 蓄电池浅循环放电运行，有两个明显的优点： 蓄电池一般有较长的循环寿命； 蓄电

48、池经常保有较多的备用安时容量，使光伏发电系统的供电保证率更高。 根据测算和实际运行经验，较适中的放电深度是50%，国外有关资料称50%的放电深度为“最佳储能-成本系数”。,4.4 VRLA蓄电池的使用与维护,VRLA蓄电池运行的质量主要由三个方面决定： 产品质量，蓄电池生产环节； 安装质量，蓄电池安装施工技术； 运行维护质量，蓄电池运行技术管理。维护人员要在充分理解VRLA蓄电池的工作原理和特性。,4.4 VRLA蓄电池的使用与维护,4.4.1 VRLA蓄电池的安装1.验收（1）VRLA蓄电池到货后应及时进行外观检查，因外观缺损往往会影响产品的内在质量。（2）根据VRLA蓄电池的出厂时间，确定

49、是否需要进行充电，并做端电压检查和容量测试、内阻测试。如果VRLA蓄电池到货后就只检查外观，不根据蓄电池的出厂时间进行充电便储存，常温下储存时间超过6个月（温度33为3个月），它的技术性能指标肯定降低，甚至不能使用。,4.4 VRLA蓄电池的使用与维护,2.安装 蓄电池在搬运时，勿提拉极柱，以免损伤蓄电池。安装蓄电池间连接器前，必须使单体排列整齐，以免极柱受力使密封处发生泄漏，而导致蓄电池连接器发生腐蚀。安装时不能使用任何润滑剂或接触其它化学物品，以免侵蚀壳体，造成外壳破裂和电解液泄漏。 蓄电池的安装技术条件：（1）蓄电池安装前应彻底检查蓄电池的外壳，确保没有物理损坏。对于有湿润状的可疑点，可

50、用万用表一端连接蓄电池端柱，另一端接湿润处，如果电压为0V，说明外壳未破损，如果电压大于0V，说明该处存在酸液，要进一步仔细检查。,4.4 VRLA蓄电池的使用与维护,（2）蓄电池应尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，并避免受到阳光直射，远离加热器或其它辐射热源。安装中根据蓄电池的极板结构合理选择安装方式，不可倾斜。蓄电池间应有通风措施。蓄电池与蓄电池的间距一般应大于50mm，以使蓄电池散热良好。蓄电池间连线应符合放电电流的要求，对于并联的蓄电池组连线，其阻抗应相等，蓄电池和充电装置及负载间的连接线不能过细或过长，以免电流传导过程在线路上产生过大的电压降和由于电能损耗而产生热量，给安全运