第六章光伏储能及其充放电模式2013.

第6章光伏储能及其充放电模式6.1蓄电池的基本概念与特性6.2蓄电池种类和工作原理6.3铅酸电池放电特性6.4蓄电池的充电控制方法6.1蓄电池的基本概念与特性储能部分主要由蓄电池、充放电器及其控制器蓄电池是一种将化学能转变为电能的装置，属于可逆的直流电源。应用最广泛的汽车蓄电池是铅酸蓄电池。蓄电池最主要的作用是：发动机工作时向起动机和点火装置供电。汽油机起动电流为200－600A有的柴油机起动电流达1000A。6.1蓄电池的基本概念与特性6.1.3蓄电池基本特性1.蓄电池的自放电2.使用寿命3.蓄电池的运行方式4.蓄电池的充电1.蓄电池的自放电轻微的自放电是不可避免的，这是因为制造蓄电池的材料和硫酸不可能绝对纯净，加之正极板上的二氧化铅与栅架中的铅、锦，以及负极板上的铅与栅架上的锦都是不同金属，它们之间存在电位差，形成局部电流。不过因以上原因每昼夜的自放电量仅为蓄电池额定容量的0.5%-1%，这对于在汽车上能够经常得到充电的蓄电池来说，影响并不很大。但是，若使用和保养不当，自放电的速度就会加快，甚至在充足电后，仅仅几天或几小时内完全放光。这种故障叫严重的自放电。充足了电的蓄电池，在不使用的情况下，逐渐失去电量的现象叫自放电。自放电举例（1）由于负极活性物质多为活泼的金属粉末电极，其电势通常比电解液中的氢电势更负（低），可发生转换氢气的化学反应。因此，自放电通常发生在蓄电池的负极。例如：负极内部存在电势比氢低的杂质，这些杂质就会和负极材料组成腐蚀性微电池，结果负极上的金属自溶解，并伴有氢气产生。2.使用寿命许多设计和用料精良的免维护铅酸蓄电池浮充使用的理论寿命为15～20年以上，但真正能在使用中达到如此寿命的电池恐怕是少之又少。拿汽车与摩托车广泛使用的干荷电少维护起动用铅酸蓄电池来说，设计使用寿命为4～5年以上，通过调查发现，很少能达到以上水平，大部份几个月至一年就夭折了。蓄电池寿命结束的主要原因：1.容量逐渐下降.引起容量衰退的主要因素有：蓄电池内部的活性物质晶型改变，活性物质膨胀和脱落，蓄电池骨架或者基板的腐蚀等；2.内部短路，比如隔膜物质的降解老化而穿孔，活性物质的脱落和膨胀使得两极短接，充电过程生成枝晶穿透隔膜等也可以引起短路。问题1：电池硫化及其防止方法（摘自朱松然老师的《铅蓄电池技术》，朱松然老师是天津大学电化学专业的老教授。其编著有《铅蓄电池技术》和《蓄电池手册》）答：正常的铅蓄电池在放电时形成硫酸铅结晶，充电时比较容易地还原为铅。如果电池使用和维护不善，例如经常充电不足或过放电，使用后未即时充电，负极上就会逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅。这种硫酸铅用常规的方法充电很难还原，被称为不可逆硫酸盐化，它引起蓄电池容量下降，成为蓄电池寿命终止的主要原因。防止负极不可逆硫酸盐化最简单的方法是，及时充电和不要过放电。对于已经硫化的电池（表现为充电时间缩短，行驶距离缩短），必须使用大电流正脉冲方式修复。问题2：电动车最昂贵的部件和消耗品就是动力的来源—蓄电池。正确使用才可能发挥电池的正常寿命：1、勿过放：低压指示或欠压保护后一定不要再放电，过度放电会导致电池极板形成过多的难以还原的大颗粒硫酸铅结晶，减少极板有效反应面积和放电活性物质。虚压回升时千万不要再启动电机。放置不用时，每月最少充足一次电。2、勿过充：过长时间的充电会引起电池产热升温和水电解生成过多的氧气、氢气，二者将使电池充鼓变形、失水。有意深充时，充电器绿灯显示后4小时就断电。平时充电器绿灯显示后就立即断电。以上损害是难以修复的。3、勤充电：只要条件允许就充电，尽量使蓄电池处于浅循环状态。无助力装置的摩托型车辆，更应在备用电量使用前充电。4、多助力：启动、上坡、逆风时进行脚踩助力，多用中低速行驶，尽量减少蓄电池的大流量放电。5、养好车：整车、特别是电机功效低会加剧蓄电池的放电（刹车易导致电机过热，磁钢转子退磁）。控制器不准，易产生过放电。6、勤维护：每1个月作一次深充放（即放电到欠压保护，再深充）；充电环境温度最好在25摄氏度（冬夏尽量在室内充）；定期（3月/次）作电脉冲强充维护，有电池缺水现象就作补液脉冲维护。合格电动车铅酸蓄电池的正常使用寿命为：深循环300次，电池容量不低于70％（电池容量低于70％后，性能就会快速衰减），按深循环一次骑行30公里计，一组蓄电池可以续行近一万公里；按平均每天骑行20公里计，可以使用近两年。在选用了合格的蓄电池后，其使用寿命更主要的是由使用方式和整车状况决定的。消费者应该多从蓄电池的使用和整车养护着手来确保蓄电池的寿命。旧蓄电池经过重新配组、加液或脉冲维护后，性能可能有少许提高，但已经处于容量快速衰减期，使用寿命会很快终止！铅酸蓄电池是不能修复的！。3.蓄电池的运行方式蓄电池组主要有三种运行方式：循环放电制、连续浮充制和定期浮充制。(a)循环制也叫充放电制，工作方式经常完全放电，然后充电，再完全放电再充电如此循环。循环制多用于移动型，其工作线路简单，直流电流中无脉动交流成分，如蓄电池车，矿灯和手提灯等。牵引电池就是典型的循环制工作这种电流在充放电的过程中，活性物质的体积不断的收缩膨胀，使正负极活性物质的结构.物化性质等的变化，致使正极活性物质软化脱落，失水率高，从而蓄电池的使用寿命较短。(b)浮充制①连续浮充制：是昼夜将蓄电池组和整流设备并联在负载的回路上。平时用设备将所需电流全部由整流设备供给，蓄电池始终保持少量的充电电流，并在负载上起平滑作用，正常情况下一般有2.2V左右的直流电压，加在蓄电池的两端。当停电或整流设备出故障时，蓄电池自动给负荷供电，这样能保证不中断负荷供电。②定期浮充制：也叫半浮充制，是定期将直流电源设备和蓄电池并联的供电方式,部分时间由蓄电池供电，部分时间由整流设备供电，并补充蓄电池已放出的容量。浮充的运行方式其寿命比循环制长，供电设备的效率较高主要用于固定型电池组，该电池组可以进行直流供电或者作为直流升压.事故照明.信号指示.遥控以及需不间断电源的设备等。4.蓄电池的充电蓄电池充电方式有：恒流充电、恒压充电、恒压限流、快速充电、智能充电（1）恒流充电constantcurrentcharge电流维持在恒定值的充电。是一种广泛采用的充电方法。蓄电池的初充电，运行中的蓄电池的容量检查，运行中的牵引蓄电池的充电以及蓄电池极板的化成充电，多采用恒流或分阶段恒流充电。此法的优点是可以根据蓄电池的容量确定充电电流值，直接计算充电量并确定充电完成的时间。恒流充电的缺点：由于此充电方法开始阶段的充电电流比可充值小，在充电后期充电电流又比可充值大；整个充电过程时间长、析出气体多、对极板的冲击大、能耗高、效率低(不超过65％)。而且整个充电过程必须有专人看管，因此，常选用阶段充电法。（2）恒压充电现在电子技术比较完善，通常不采用恒流充电，否则会出现充电后期电压高而使电池寿命缩短的情况。目前通常都是采用恒压限流的方式充电。恒压充电优缺点：优点就是不会充过头，可以一直充。缺点是：（1）开始充时电流太大，损害电池，对充电器要求也高很多；（2）充电电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适宜串联数目较多的蓄电池组充电。恒压充电举例说明：例如铅酸蓄电池充电，12V12Ah的电池，采用恒压（14.8V)，限流（0.24A)电流的方式充电，开始充电时，电压还没有达到14.8V，电流固定在0.24A，当电压从12.6V慢慢上升到14.8V后，变成恒压充电，这时候电流会缓慢下降。当电流下降到0.05A左右时，认为电池充足电。现在的充电器充电原理都是这样的，包括铅酸蓄电池，锂离子蓄电池。镍氢电池充电原理不一样，通常只采用恒流充电，没有恒压，通过检测电压达到最高值然后回落0.02V，就切断电源，充电结束。（3）（4）快速充电采用脉冲充电，有利于延长电瓶寿命。由于低压交流电经全波整流后是脉动直流，只有当其波峰电压大于电瓶电压时，可控硅才会导通，而当脉动直流电压处于波谷区时，可控硅反偏截止，停止向电瓶充电，因而流过电瓶的是脉动直流电。目前的快速充电还无法解决充满的问题，充电一定程度后，就无法再维持大电流了，否则对电池有较大伤害。（5）智能充电6.2蓄电池种类及其工作原理常用蓄电池一般分为酸性蓄电池和碱性蓄电池比较常用的是鉛蓄電池(俗稱電瓶)6.2酸性蓄电池结构及原理主要由极板、隔板、电解液和外壳组成隔板蓄电池的结构1.极板极板分正极板和负极板两种正极板上的活性物质是二氧化铅，呈棕红色；负极板上的活性物质是海绵状纯铅，呈青灰色。负极板隔板正极板在成流过程中，负极被氧化，正极被还原，负极板一般为深灰色，正极板为暗棕色。极板的构造正极板:活性物质PbO2：疏松的多孔体板栅：Pb合金铸造成的栅栏片状物体（1）极板(板栅):以铅锑合金为骨架，上面紧密地涂上铅膏，经过化学处理后，正、负极板上形成各自的活性物质，正极的活性物质是PbO2，负极的活性物质是海绵铅.2.隔板1）功用在正负极板间起绝缘作用，使蓄电池结构紧凑。2）特征(1)隔板有许多微孔，可使电解液畅通无阻。(2)隔板一面平整，一面有沟槽，沟槽面对着正极板，且与底部垂直，使充放电时，电解液能通过沟槽及时供给正极板，当正极板上的活性物质PbO2脱落时，能迅速通过沟槽沉入容器底部。注：沟槽应垂直放置，并朝向正极板。隔板隔膜的微观结构隔膜须具备的特性：电子绝缘性+离子导电性隔膜材料锂离子蓄电池隔膜材料主要有聚烯烃类、高分子材料、无机材料等。根据原材料特点及加工方法不同，可将锂离子蓄电池隔膜分成聚烯烃隔膜、聚合物隔膜、陶瓷隔膜、纤维隔膜等。目前市场化的聚烯烃隔膜主要以聚乙烯、聚丙烯为主，包括单层聚乙烯(PE)、单层聚丙烯(PP)以及三层PP/PE/PP的复合膜。全球蓄电池隔膜市场目前，主要隔膜材料生产企业有：日本旭化成(Asahi)、宇部兴产(UBE)、东燃化学(Tonen，埃克森美孚控股)、三菱化学与三菱树脂、三井化学等，美国Celgard、Entek，韩国SK能源、W-Scope、WIDE、Finepol等公司，此外，德国赢创德固赛集团、英国N-Tech公司、荷兰DSM集团等公司也在生产锂离子蓄电池隔膜材料。在2009年全球锂离子蓄电池材料市场中，日本旭化成是最大的供应商，占据了全球约1/3的市场份额；东燃化学和美国Celgard公司仅次于旭化成，市场占有率都在20%以上。国内蓄电池隔膜企业：1.深圳市星源材质科技股份有限公司2.佛山金辉高科光电材料有限公3.格瑞恩新能源材料股份有限公司4.桂林新时科技公司5.2010年8月，明基材料与奇瑞集团联合发布声明，双方将成立合资公司，合作开发电动汽车用锂离子蓄电池隔膜材料。国内蓄电池隔膜产业的特点：工信部副部长苗圩：动力蓄电池最大的问题是占30%左右成本的隔膜，这种隔膜我国一家企业都做不了，而且生产这种隔膜的技术和装备，都列入了西方对中国限制出口的清单，所以现在中国想买相关设备、技术、工艺时，还没有人卖。如果到2015年我国将形成100万辆电动汽车的规模，则锂离子蓄电池隔膜需求为15亿m2。（三）基本反应原理当用连有电流计的导线连接两极时，可以观察到三个重要的现象：Zn棒逐渐溶解，铜棒上有气体溢出，导线中有电流流过此反应的实质是：ZnZn2++2e-(氧化反应)2H++2e-(还原反应)H2组成蓄电池需要有两个条件：一是必须把化学反应中失去电子的过程(氧化过程)和得到电子的过程(还原过程)分割在两个区域进行；电池反应可逆.二是物质在进行转变的过程中，电子必须通过外线路。6.2.1铅酸蓄电池的工作原理242()PbHSOPbO()1．电动势的建立（a）负极板：铅溶于电解液中，失电子生成Pb2+Pb→Pb2++2ePb2+进入电解液后，负极板表面积积累了过剩的电子而带负电.同时，电解液中的Pb2+又将受到吸引并分布在负极板上。蓄电池的电动势是正、负极浸入电解液后产生的。其反应过程如图所示：最终使得负极具有负电位，为-0.1V。当离开负极板和又沉积在负极板上的P