適用于高溫不穩(wěn)定電網(wǎng)蓄電池壽命評(píng)估的方法

安強(qiáng)新，王宏智

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

適用于高溫不穩(wěn)定電網(wǎng)蓄電池壽命評(píng)估的方法

安強(qiáng)新，王宏智

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

非洲、中東及阿拉伯國(guó)家、亞太是移動(dòng)電話用戶增長(zhǎng)最快的區(qū)域，部署了很多基站，閥控鉛酸(VRLA)蓄電池是最主要的備電電池。非洲、亞太(尤其是東南亞)，電網(wǎng)普遍很差，有些地區(qū)甚至無(wú)市電；而在非洲、中東及阿拉伯國(guó)家(尤其是撒哈拉地區(qū))會(huì)出現(xiàn)極端高溫。如何評(píng)估用于高溫不穩(wěn)定電網(wǎng)下的蓄電池壽命是確保通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠的重要任務(wù)。討論了不穩(wěn)定電網(wǎng)下VRLA電池壽命評(píng)估的方法，即部分荷電態(tài)(PSOC)狀態(tài)下的電池壽命評(píng)估；VRLA電池壽命(包括循環(huán)壽命和浮充壽命)與溫度的關(guān)系；電池在壽命期間輸出電量與放電深度的關(guān)系等。

閥控鉛酸蓄電池；電池壽命；浮充壽命；循環(huán)壽命；不穩(wěn)定電網(wǎng)；部分荷電態(tài)；放電深度；輸出電量

2013年底，全球移動(dòng)電話用戶達(dá)到了68億。非洲、中東及阿拉伯國(guó)家、亞太是移動(dòng)電話用戶增長(zhǎng)最快的地區(qū)，如圖1、圖2所示。但是，非洲和亞太，尤其是東南亞地區(qū)。電網(wǎng)很差，有些地區(qū)甚至沒(méi)有市電。另一方面，非洲和阿拉伯國(guó)家，尤其是撒哈拉國(guó)家，這些地方會(huì)出現(xiàn)極端高溫，有“世界火爐”之稱。

圖1 2001～2013年全球移動(dòng)用戶數(shù)量變化

圖2 2006～2013年移動(dòng)用戶增長(zhǎng)率

閥控鉛酸蓄電池(VRLA，下文簡(jiǎn)稱為電池)是最主要的通信備用電池，如何評(píng)估用于高溫不穩(wěn)定電網(wǎng)下的電池壽命是確保通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠的重要任務(wù)。

1 部分荷電循環(huán)狀態(tài)

圖3為美國(guó)宇航局(NASA)公布的全球夜景圖，圖中亮點(diǎn)越多的地方，表明該地點(diǎn)的供電情況越佳。從圖中可以看出：非洲、東南亞等地的供電情況較差，意味著這些地方的電池每天都要進(jìn)行充放電循環(huán)，要求電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)；這些地方的電力供應(yīng)不穩(wěn)定，意味著電池還未充足電就要進(jìn)行下一次放電，電池處于部分荷電狀態(tài)(partial state of charge，PSOC)循環(huán)，即電池經(jīng)常處于未充足電就工作的狀態(tài)。

圖3 NASA公布的全球夜景圖

現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)IEC60896-21和IEC61427似乎可以用來(lái)評(píng)估PSOC狀態(tài)的電池壽命，然而，IEC 60896-21第6.15條款“40℃使用壽命”和6.16條“55℃或60℃加速壽命”[1]，這些測(cè)試方法是純粹用來(lái)評(píng)估穩(wěn)定電網(wǎng)下電池的浮充壽命。測(cè)試是基于Arrhenius方程，即，假設(shè)電池的壽命只有一種失效模式，典型的是板柵腐蝕，通過(guò)測(cè)試在特定溫度下的數(shù)據(jù)，將Arrhenius方程外推到室溫來(lái)預(yù)測(cè)壽命。IEC 61427第8.4條款“光伏應(yīng)用(極端條件)下循環(huán)測(cè)試”[2]接近于非穩(wěn)定電網(wǎng)情況，其測(cè)試由兩部分組成，初始為50次低荷電態(tài)循環(huán)，即，用I10從40%SOC放電至10%SOC，充電為恒流不限壓；然后為100次高荷電態(tài)循環(huán)，即，用I10從100%SOC放電至～75%SOC。初始的50次循環(huán)確實(shí)是PSOC狀態(tài)，但緊跟的100次循環(huán)，蓄電池已經(jīng)完全充滿電，實(shí)際上，恒流充電甚至達(dá)到過(guò)充。

因此，我們得尋找一種全新的方法來(lái)評(píng)估不穩(wěn)定電網(wǎng)下的電池壽命。

很多公司已經(jīng)提出了類似的測(cè)試方法。圖4、圖5都是由一系列模擬電網(wǎng)真實(shí)狀況的充放電循環(huán)組成，這些方法對(duì)于評(píng)估不穩(wěn)定電網(wǎng)下的電池壽命是適合的，但關(guān)鍵問(wèn)題是，這些測(cè)試方法中對(duì)于電網(wǎng)的模擬是否真實(shí)？如何能更準(zhǔn)確而又合理地定義不穩(wěn)定電網(wǎng)的不穩(wěn)定性？

圖4 方法1測(cè)試不穩(wěn)定電網(wǎng)下的電池壽命

圖5 方法2測(cè)試不穩(wěn)定電網(wǎng)下的電池壽命

另一個(gè)非常重要的問(wèn)題是，要選適合于不穩(wěn)定電網(wǎng)的合適電池，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電池不適應(yīng)PSOC狀態(tài)，放電后必須充足電才能保證長(zhǎng)壽命，而充足電就需要很長(zhǎng)時(shí)間，這在電網(wǎng)不穩(wěn)定情況下是很困難的。適應(yīng)于PSOC狀態(tài)的電池需要具備以下特點(diǎn)：

(1)快充，能接受較大電流充電，這樣可以確保在較短時(shí)間內(nèi)充入更多的電量，使電池處于較高荷電態(tài)，有利于延長(zhǎng)壽命；

(2)循環(huán)壽命長(zhǎng)，適于循環(huán)使用。

2 電池壽命與溫度的關(guān)系

電池壽命與溫度有一個(gè)近似的關(guān)系，即溫度每上升10℃，電池壽命縮短一半。但需要強(qiáng)調(diào)的是，此處的壽命是指電池的浮充壽命，而非循環(huán)壽命。

電池的浮充壽命是指在穩(wěn)定電網(wǎng)下電池經(jīng)常處于充電狀態(tài)，只有在電網(wǎng)偶而中斷時(shí)做備電使用，浮充壽命一般用日歷年表示。

通過(guò)設(shè)計(jì)一些測(cè)試方法，來(lái)測(cè)試在特定溫度下的電池容量，使其相當(dāng)于在25℃下一年的壽命。經(jīng)常使用的是加速浮充壽命(accelerated floating life，AFL)方法：即，在60℃，每30天測(cè)試容量，相當(dāng)于25℃下339天；相似地，在55℃，每42天測(cè)試容量，相當(dāng)于25℃下336天。

浮充壽命與溫度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 浮充壽命與溫度的關(guān)系

電池的循環(huán)壽命是指在不穩(wěn)定電網(wǎng)或無(wú)市電時(shí)，電池與其它能源(如柴油機(jī)組、太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源)交替供電。蓄電池處于充放電循環(huán)工作模式，循環(huán)壽命一般用一定放電深度下的循環(huán)次數(shù)表示。

從電池失效模式(failure mode effect analysis，F(xiàn)MEA)分析，可以發(fā)現(xiàn)，電池在穩(wěn)定電網(wǎng)和不穩(wěn)定電網(wǎng)下使用，其失效模式是不同的。在穩(wěn)定電網(wǎng)下，主要失效模式是板柵腐蝕和干涸；但在不穩(wěn)定電網(wǎng)，如果不是極端高溫，主要失效模式是負(fù)極硫酸鹽化和正極活性物質(zhì)軟化脫落。

循環(huán)壽命與溫度的關(guān)系如圖7所示。在溫度不是很高時(shí)，溫度對(duì)循環(huán)壽命影響較小，當(dāng)溫度很高時(shí)，嚴(yán)重影響循環(huán)壽命。

圖7 循環(huán)壽命與溫度的關(guān)系

3 電池輸出電量與放電深度的關(guān)系

當(dāng)用戶使用電池時(shí)，不僅要考慮電池性能，更要考慮投資回報(bào)(ROI)，而往往ROI是最重要的指標(biāo)。對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，ROI意味著配置多大的電池容量，備電多長(zhǎng)時(shí)間，即放電到多少深度，同時(shí)能提供多長(zhǎng)的壽命，簡(jiǎn)而言之，就是蓄電池在其壽命期間內(nèi)能輸出多大的電量。

假設(shè)循環(huán)壽命(cycle_life)與放電深度(DOD)的關(guān)系為指數(shù)函數(shù)(循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系函數(shù)，電池業(yè)界未有明確結(jié)論)：

式中：A和α為常數(shù)。

每一次循環(huán)，電池的輸出電量(Each)為：

式中：C為電池的額定容量。

在整個(gè)壽命期間的總輸出電量(Total_throughput)為：

為了得到最大的輸出電量，對(duì)上述公式求導(dǎo)數(shù)：

4 結(jié)論

(1)必須使用適于PSOC狀態(tài)的電池用于不穩(wěn)定電網(wǎng)。

(2)由一系列模擬電網(wǎng)不穩(wěn)定性的充放電循環(huán)組成的測(cè)試方法可用來(lái)測(cè)試評(píng)估電池壽命。

(3)溫度對(duì)電池循環(huán)壽命的影響不同于對(duì)浮充壽命的影響，當(dāng)溫度不是很高時(shí)，溫度對(duì)循環(huán)壽命影響不大，當(dāng)溫度較高時(shí)，嚴(yán)重影響循環(huán)壽命。

(4)假設(shè)循環(huán)壽命與放電深度是指數(shù)函數(shù)，那么蓄電池在特定的放電深度，可在整個(gè)壽命期間輸出最大電量。

致謝：在此誠(chéng)摯感謝Dr.Frank A.Fleming，Mr.Philip Shumard和IEC TC21/WG3工作組召集人Mr.Herbert K. Giess對(duì)此論文工作的技術(shù)支持。

[1]IEC.IEC 60896-21-2004 Stationary lead-acid batteries-Valve regulated types-methods of test[S].[S.l.]:IEC,2004.

[2]IEC.IEC 61427-2005 Secondary cells and batteries for photovoltaic energy systems(PVES)-General requirements and methods of test[S].[S.l.]:IEC,2005.

Method to evaluate life of battery used in high temperature and unreliable grid

AN Qiang-xin,WANG Hong-zhi
(School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Africa,Arab states,Asia&Pacific area are the quickest increasing regions of mobile cellular subscriptions, so many site stations are deployed and VRLA batteries are the most used standby power. But Africa and Asia& Pacific area,especially Southeast Asia,are the regions where the grids are very poor or even have no electricity.On the other hand,in Africa and Arab states,especially in Sahara countries,the temperature is rigorous high.How to evaluate the battery life of high temperature and unreliable grid is an important work to ensure the communication security and reliability.The methods to evaluate the life of the VRLA battery operated under unreliable grids were discussed,that is to evaluate the life of the battery under PSOC.The relations between the battery life(including cycle and float life)and temperature and between throughput and discharge depth were discussed.

VRLA;battery life;float life;cycle life;unreliable grid;PSOC;depth of discharge(DOD);throughput

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1697-02

2015-01-12

安強(qiáng)新(1971—)，男，廣東省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)儲(chǔ)能及應(yīng)用。