鉛酸蓄電池容量及壽命的研究分析

陳冬俏

（廣東湯淺蓄電池有限公司，廣東　佛山　528300）

鉛酸蓄電池容量及壽命的研究分析

陳冬俏

（廣東湯淺蓄電池有限公司，廣東佛山528300）

本文介紹了鉛酸電池容量及充電狀態(tài)SOC分析；對鉛酸電池使用壽命情況進行闡述，并分析了影響其實用壽命的主要因素；提出了無損均衡控制技術及均衡控制的設計方案，設計結果表明均衡充電具有效率高，能量損耗小、安全可靠等特點，能延長鉛酸蓄電池的循環(huán)使用壽命。

鉛酸蓄電池；SOC估算；使用壽命；均衡充電

1　前言

近些年，電動車、電動汽車、基站、數(shù)據(jù)機房等技術快速發(fā)展，其主要能源設備—鉛酸蓄電池技術也逐步發(fā)展成熟。蓄電池作為混合動力電動汽車的儲能動力源，對于續(xù)航里程、加速與爬坡性能、充放電效率等要求要能夠滿足。隨著電子技術的不斷進步，市場上動力電池品種較多，一般有鉛酸蓄電池（Lead-acid）、鎳金屬電池（Cd-Ni）、鏗電池（Liion）、高溫鈉電池（Na/S）、金屬空氣電池（Zn/Air）等等。未來的燃料電池（PEMFC、DMFQ）太陽能電池等將更會在通信、電力、交通運輸、UPS備用電源等行業(yè)領域發(fā)揮重要作用。本文重點研究鉛蓄電池容量以及充電SOC均衡研究，對于電池壽命的影響因素及相關設計進行闡述［1］。

2　蓄電池容量和充電狀態(tài)分析

2.1 蓄電池容量

鉛酸蓄電池工作原理實際上就是一種基本的化學反應，化學能轉化為電能，電子導體與離子導體（電解質(zhì)溶液）進行化學反應，形成金屬一溶液一金屬的一個循環(huán)閉合的導電系統(tǒng)。鉛酸蓄電池內(nèi)部化學方程式為：

廣義上來定義，在一定的放電條件下，蓄電池容量通常指從蓄電池所能得到最大有效的電量，用符號C表示。常用的單位為A·h（安培·小時）mA·h、（毫安·時）。另一種定義為單位體積或單位質(zhì)量電池產(chǎn)生的理論電量，單位為A·h/kg 或A·h/L。按照計算和設計，通常把蓄電池的容量分成：額定容量、理論容量、標稱容量、實際容量四個概念。

蓄電池的理論容量單位表示為A·h,其定義為某種活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計算能夠得到的最高理論值。鉛蓄電池的實際容量定義為：在一定條件下，蓄電池實際輸出的有效電量，實際容量值≤理論容量。鉛蓄電池的額定容量定義為：在溫度時20-25℃，進行充電達到的最滿容量，把鉛蓄電池擱置24小時后，以20小時/0.05C的放電率/電流數(shù)值或者是10小時/O.lC放電率/電流數(shù)值進行完全放電，直到鉛酸蓄電池電壓維持在1.75V-1.8V/單體時，電池所輸出的容量。額定容量是保證鉛酸蓄電池最低的放電量，也是國家相關部門和行業(yè)的標準。標稱容量也稱為公稱容量，一般在銘牌上只標明一定的容量范圍；放電條件不明確條件下，蓄電池的標稱容量只能估算［2］。

2.2 蓄電池充電狀態(tài)分析

蓄電池的充電狀態(tài)即荷電狀態(tài)（SOC），多用于對蓄電池所剩余的容量狀況進行直觀有效的表述，這項技術也是世界比較通用的一項技術，SOC在恒流狀態(tài)理論上定義為蓄電池剩余容量所占蓄總電池容量的比率，其數(shù)學表達式為；

上式中，CI表示為：在電流值為I的放電條件下，蓄電池的總放電量；QC表示為蓄電池剩余容量值。假設已知道電池釋放電量為Q,那么求的的電池荷電狀態(tài)SOC為：

式（3）中，一般定義：SOC=1表示電池充滿電達到飽和狀態(tài)；SOC=0表示在某溫度狀態(tài)下，電池電量釋放完全，不能再進行有效釋放電量的狀態(tài)。

而對于復雜狀態(tài)下的電池SOC，則引用標稱狀態(tài)和動態(tài)SOC進行計算和分析，針對不同環(huán)境、溫度、電流大小等條件，對蓄電池進行電量預測，有助于更好地利用電池，保護電池的使用，延長其使用壽命。

3　蓄電池壽命極其影響因素分析

3.1 蓄電池壽命

最近一些研究機構和專家研究表明，鉛酸蓄電池使用壽命與充電次數(shù)存在明顯關系。電池在開始使用階段，其實際容量與使用時間為正比關系，并能夠達到某個極值；以后使用中，電池實際容量隨著電池充放電次數(shù)的增加而減小，蓄電池容量最終無法在充電狀態(tài)充電恢復到標準值，則充分表明蓄電池使用壽命結束了。鉛酸蓄電池壽命通俗可分為電池的循環(huán)壽命、貯存壽命、使用壽命。電池的使用壽命一般與電池的設計、生產(chǎn)工藝、充電方式、使用維護方法等關系密切。

3.2 鉛酸蓄電池使用壽命影響因素分析

預測鉛酸蓄電池的使用壽命很難，衡量鉛酸蓄電池壽命的方法是在使用條件下，計量達到鉛蓄電池最終使用容量下限時的循環(huán)使用次數(shù)。對備用使用的場合，常用到達其終結使用容量前的年限來計算。影響蓄電池因素眾多，內(nèi)在因素主要是活性物質(zhì)的組成、晶型、孔化率、極板尺寸、板柵材料和結構等。另外有放電深度、過充電量、充電電流和電壓、環(huán)境溫度等外部因素。最后，對于電池的有效使用管理也是重要因素，對于電池荷電狀態(tài)進行準確預測監(jiān)控，對電池采取智能化管理系統(tǒng)進行效能管理，準確估算出電池剩余容量，有助于提高電池的利用效率，增長其使用壽命。

4　鉛酸蓄電池充放電智能均衡預測系統(tǒng)設計

目前，對于鉛酸蓄電池均衡充電的相關研究技術比較成熟，國內(nèi)外諸如電容器均衡技術、耗散型均衡技術、多路開關均衡技術、變壓器均衡技術、能量轉移均衡、無損均衡控制等一系列的均衡充電的方案應用廣泛。本文結合蓄電池電量SOC算法，采用無損均衡方案。其電路設計原理如圖1所示。

圖1　無損均衡原理

該方案采用了二極管、場效應管、電感構成的均衡分流模塊，這些器件損耗較小，導通效率較高。單片機輸出PWM波型實現(xiàn)均衡控制策略，最終實現(xiàn)鉛酸蓄電池組的均衡充電。均衡充電具有效率高，能量損耗小等特點而被廣泛應用［3］。其原理框圖為圖2所示。

圖2　均衡控制原理框圖

圖2中，均衡模塊主要是通過檢測鉛酸蓄電池的端電壓、充電的電流以及蓄電池的溫度等參數(shù)，將其進行數(shù)據(jù)轉換處理后送入單片機，再由單片機來完成均衡充電系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)通過LIN總線，將監(jiān)測電壓直接輸入單片機的A/D輸入口進行處理；采用電壓、電流傳感器檢測電流電壓，連接到單片機的A/D輸入口；使用溫度傳感器對多點溫度進行檢測并輸入單片機P口；運用CAN總線實現(xiàn)與控制器與單片機的CAN BUS數(shù)據(jù)通信功能［4］。

5　結論

鉛酸蓄電池在各行業(yè)的應用日益廣泛，而由于蓄電池獨特的物理化學特性，蓄電池每次充、放電之后其剩余容量是很難估計的，電池使用壽命影響因素較多，本文對蓄電池剩余容量的估計進行了一定的分析，針對鉛酸蓄電池均衡控制技術進行設計，提出了無損均衡設計方案。均衡充電具有效率高，能量損耗小、安全可靠等特點，能延長鉛酸蓄電池的循環(huán)使用壽命，提高鉛酸蓄電池所在系統(tǒng)的安全可靠性。

［1］張子良.蓄電池檢測及均衡系統(tǒng)的研究［D］.北京交通大學，2009.

［2］成 濤，王軍平，陳全世.電動汽車SOC估計方法原理與應用［J］.電池，2004（10）：56-58.

［3］袁 翔，何彥平.鉛酸蓄電池的充放電均衡方法［J］.長沙交通學院學報，2005（3）：11-12.

［4］朱松然.蓄電池手冊［M］.天津：天津大學出版社.2000，4.

Study and Analysis on the Capacity and Life of Lead Acid Battery

Chen Dongqiao
（Guangdong Battery Co.Ltd.Foshan 528300，China）

The capacity of lead-acid battery and charging the SOC state of； of lead-acid battery using life carries on the elaboration， and analyzes the main factors affect its service life； nondestructive Equilibria Control and balance control design scheme is proposed.The calculation results show that equilibrium charging with high effciency， small energy consumption， safe and reliable， and other characteristics，extend the service life of the lead-acid battery recycling.

lead-acid battery； SOC estimation； service life； equilibrium charge

陳冬俏（1984-），男，廣西貴港人，化學工程師，學士學位；研究方向：鉛酸蓄電池內(nèi)部設計。