防蓄電池過放保護裝置的研究

國網四川省電力公司甘孜供電公司 李治輝 劉泉志 鄧 滔 何文兵

本文主要通過建立蓄電池的模型對蓄電池失效進行研究，此處使用了Thevenin電池模型、Rint電池模型、PNGV電池模型對蓄電池的內阻進行研究，同時，通過大量的實驗數據對蓄電池容量與內阻的關系和蓄電池電壓與內阻的關系進行研究，并繪制關系曲線，根據關系曲線對蓄電池放電過程有一個全面的了解，從而根據曲線來對蓄電池過放的影響以及如何防止蓄電池過放進行研究。

蓄電池自發明以來，因為其儲能效益得到了廣泛應用，隨著科技的發展，蓄電池也經過各方面的優化，到現在，在我們的生活中，蓄電池已經應用在各行各業，但是，蓄電池的維護中，我們需要對蓄電池進行定期充放電試驗，如果當事故發生時，交流失電，此時直流系統完全由蓄電池進行供電，而此時蓄電池的容量無法滿足要求，那么勢必會造成蓄電池過放的發生，蓄電池一旦發生過放，將會對蓄電池造成不可逆的損壞，因此，我們通過建立模型分析蓄電池在放電過程中的內阻與電壓變化關系，從而深入了解蓄電池過放導致蓄電池失效的原因，這樣才能對蓄電池進行更好的保護。

1.鉛酸蓄電池的工作原理

1.1 蓄電池結構

鉛酸蓄電池主要由正極板、負極板、硫酸點解液以及柵板等組成，靠匯流排進行連接，正極板上有活性物質pbO2，負極板上有活性物質pb，電解液為硫酸水溶液。極板是蓄電池的核心部分，蓄電池之所以能夠儲能，都是依靠在極板上的活性物質與電解液的化學反應而進行的。在鉛酸蓄電池的放電過程中，負極板上的活性物質pb與硫酸水溶液發生化學反應而產生電子，由于電子的電化學特性，電子運動到正極板，在正極板上的活性物質pbO2與硫酸水溶液發生電化學反應。正極充電過程電化學反應可表示為：

放電過程中正負極上的活性物質不斷消耗，電解液的濃度不斷下降，并且反應過程中不斷產生難溶且不導電的pbSO4附著在正負極活性物質上，放電電壓隨之下降。

1.2 Thevenin電池模型

Thevenin電池的電路模型如圖1所示，圖中E為蓄電池電動勢，R1為歐姆內阻，R2為極化內阻，C為極化電容，I為蓄電池流過的電流，當電池在充放電時，此時的端電壓為U；歐姆內阻主要由正負極板、電解液、隔膜電阻以及各部分零件的接觸電阻組成，具有歐姆特性；

圖1 Thevenin 電池電路模型

1.3 Rint模型

Rint模型由美國愛達華國家實驗室設計，也稱內阻模型。在該模型中，把電池的開路電壓等效為理想電壓源Uoc，電池電阻等效為R，電池端電壓為U，Rint模型如圖2所示。

圖2 Rint電池模型

1.4 RC電池模型

RC電池模型最初是由SAFT公司（電池制造商）提出的，該模型主要由兩個電容和三個電阻組成，兩個電容為：一個大容量電容C1，表征電池的容量，一個小容量電容C2，表征電池電極表面效應。三個電阻分別為端電阻Rt，終止電阻Re以及容性電阻Rc。具體RC電池模型如圖3所示。

圖3 RC電池模型

1.5 PNGV電池模型

在2001年《PNGV電池試驗手冊》和2003年《Freedom-CAR電池試驗手冊》中，PNGV電池模型是手冊中的標準電池模型。該模型由電池開路電壓等效為理想電壓源Uoc，歐姆內阻Ro，極化內阻Rp，極化電容Cp，極化阻抗電流Ip，電池端電壓U以及電池開路電壓隨負載電流時間呈積分變化的等效電容Coc組成。PNGV電池模型如圖4所示。

圖4 PNGV電池模型

2.蓄電池特性

在蓄電池的實際運行過程中，我們只能通過蓄電池的特性來對當前運行蓄電池的健康狀態進行相應的評估；蓄電池的特征參數包括電池容量、SOC、SOH、電池內阻、電池端電壓等。

2.1 蓄電池容量與內阻

蓄電池容量是用于表征電池的最大蓄能能力，用單位安時（Ah）進行表示；在實際運用中，我們常常采用對蓄電池進行核對性放電即使用0.1C倍率的電流對電池進行放電至終止電壓，測得電池所放出電量的最低限度值，我們稱之為蓄電池的實際容量大小。

蓄電池內阻是指在電池進行充放電過程中，電流所受的阻力稱之為蓄電池的內阻，蓄電池內阻主要由歐姆內阻和極化內阻組成，歐姆內阻由正負極極柱、內部電解液、隔板等物理阻抗組成，遵循一般歐姆定律，一般設定為定值；極化內阻包括電化學電阻和電解液濃度差極化電阻，主要是由電池的極化作用產生的。

在實際運用中，由于電池組的木桶效應，即串聯的電池組的放電容量等于單體電池容量的最小值，因此，在實際運行過程中，我們必須對蓄電池單體進行實時監測，以便及時發現容量降低的蓄電池進行更換，確保電池組正常運行。通過對蓄電池進行核對性容量放電試驗得出蓄電池容量與內阻關系的曲線圖，如圖5所示；通過圖中我們能夠得到蓄電池容量在減小到某一個值時電池的內阻值會逐漸增大；特別是在電池容量低于20%以后，內阻增加變大。

圖5 蓄電池容量-內阻關系圖

2.2 蓄電池電壓與內阻

電池電壓包含有電池開路電壓、端電壓、截止電壓以及浮充電壓等；蓄電池的開路電壓是指在開路狀態下電池正負極兩極柱之間的電壓值。當電池處于穩定狀態時，電池的開路電壓值即為電池的電動勢。當蓄電池接入負載進行工作過程中，這時候測量的電池正負極極柱之間的電壓值即為此時電池的端電壓，端電壓也稱為負載電壓。

在以前的蓄電池運行維護過程中，我們僅僅是對蓄電池的端電壓進行實時監測，用端電壓的變化和大小來衡量一個蓄電池當前的運行狀態，因為一旦蓄電池健康狀態下降，端電壓也會跟隨產生相應的變化，同樣的，因為蓄電池組的木桶效應，如果蓄電池組中存在個別的劣質或者不健康的蓄電池，在運行過程中，如果不及時發現該問題電池并進行更換的話，長期的運行會導致該電池問題越來越嚴重，甚至導致電池發生開路，從而致使整組電池癱瘓，因此，我們在電池組運行一段時間后需要對電池進行核對性放電處理，在放電過程中，能夠根據電池的電壓曲線來判斷電池的健康水平。經過研究發現，蓄電池在恒流放電過程中，電壓減小，內阻增大，并呈一定的對應關系，在恒流放電情況下，電池內阻隨電壓變化系數近似等效為公式：。式中x為電池的測量電壓與標稱電壓的比值，y為測試內阻與標稱內阻的比值；電池內阻與電壓的關系式可表示如圖6中的曲線。

圖6 電池電壓-內阻曲線

3.蓄電池失效分析

3.1 負極板硫酸鹽化

在蓄電池進行放電過程中，根據上述蓄電池放電過程公式能夠得知，在蓄電池放電時，極板上會產生pbSO4，這些硫酸鉛會堆積在極板表面且過量，而且在電解液中呈現飽和狀態，這些硫酸鉛在溫度以及電解液的催化作用下，會產生結晶附著在極板表面，而該結晶體在蓄電池充電時不能夠再次參與極板表面轉化為活性物質，從而導致活性物質減少，蓄電池失效。

3.2 正極板的腐蝕

蓄電池在放電過程中，如果產生過放，這時候電池內部電解液的濃度會由于失水變高，電解液的酸性過強，進而引起正極板的活性物質鉗轉換成硫酸鉛晶體覆蓋在pb表面，阻礙電池內部的化學反應速率，嚴重時會引起電池失效。

4.蓄電池防過放的研究

根據上述對蓄電池放電過程的研究，我們能夠清楚的了解到蓄電池內阻與電壓的關系，在蓄電池進行放電過程中，蓄電池組容量下降，蓄電池組端電壓也對應降低，如果蓄電池組端電壓到達放電最低電壓值，此時必須終止對蓄電池的放電過程，否則會對蓄電池造成永久不可逆的損壞，甚至致使蓄電池失效，因此，為了避免蓄電池因為過放造成的損壞，我們需要對蓄電池放電過程進行監控，防止蓄電池過放的發生。

4.1 防止蓄電池過放裝置的原理

首先，我們需要在蓄電池組的充放電線路上面串接一個可控斷路器，然后我們對蓄電池組電壓進行實時監測，同時，我們還需要對三相交流電壓進行監測，當交流失電的情況下，此時由蓄電池組作為備用電源進行供電，在蓄電池組放電的過程中，我們對蓄電池組電壓進行實時監測，通過上述分析我們能夠得到蓄電池組的放電截止極限電壓，一旦此時蓄電池組電壓低于該放電截止極限電壓，我們對斷路器進行操作，斷開斷路器，此時，蓄電池組脫離直流系統，放電終止。當交流電恢復后，我們控制斷路器接通，此時對蓄電池進行充電。裝置具體結構框圖如圖7所示。

圖7 蓄電池防過放裝置結構框圖

5.總結

通過上述對蓄電池放電過程的分析，如果在交流失電的情況下，蓄電池進行放電，但是隨著放電時間的增加，蓄電池容量與電壓勢必會隨之降低，那么內阻就會隨之增大，當蓄電池容量到達最低限度，如果此時還繼續對蓄電池進行放電，就會造成蓄電池失效的風險，為了避免該風險的發生，當蓄電池產生過放之前終止蓄電池的放電，能夠有效的避免蓄電池因為過放導致失效的風險，因此，研究蓄電池防過放保護裝置就顯得尤為重要。