基于極板老化的鉛酸蓄電池組溫度分布研究

張大興，林華城，駱志堅，盧山峰，黃優哲

(1.廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東惠州 516000；2.廣東電網有限責任公司河源供電局，廣東河源 517000)

目前，我國變電站直流系統多選用閥控式鉛酸蓄電池組，其具有維護量小、穩定性高等優點[1-3]。蓄電池組是變電站中最為可靠的直流電源，一旦發生站用直流系統失電等緊急情況時，蓄電池組可以立即投入供電，避免出現保護拒動等危及電網安全的事故，因此閥控式鉛酸蓄電池組的運行狀態與變電站的穩定安全息息相關。

溫度直接影響著閥控式鉛酸蓄電池的壽命與容量，當溫度較基準溫度(25 ℃)升高10 ℃，蓄電池的壽命會縮短一半，這是因為當溫度升高時，會加速蓄電池組中的水分分解，內部出現大量氣體，進而發生電解液干枯、極板上的活性物質發生松脫等現象。閥控式鉛酸蓄電池組在長達10 年間的使用年限間必然會產生極板缺陷等情況，但現有的相關研究仍多集中在內阻[4]、隔板材料[5]等方面，較少著眼于蓄電池存在缺陷下的溫度分析，因此開展此項研究極有必要。

本文基于COMSOL Multiphysics 軟件建立了閥控式鉛酸蓄電池組的仿真模型，分析了蓄電池組存在極板老化情況下的溫度分布，同時研究了正常情況下與存在部分老化蓄電池組的溫度分布情況，并進一步分析了在蓄電池組持續放電下極端情況下的溫度場。

1 基于極板老化的蓄電池組建模

1.1 站用鉛酸蓄電池結構分析

變電站的閥控式鉛酸蓄電池在滿容量的情況時，其電解液為硫酸溶液，而正極和負極活性物質分別為二氧化鉛及絨狀鉛。其內部結構如圖1 所示，其構成為極板、隔板、匯流排及極柱。正負極板是在鉛鈣合金板柵上涂敷活性物質及添加劑制成，而電解液均勻分布在隔板處，便于在電池中發生氧化與還原反應。匯流排主要是起到連接各個極板的作用，最終由極柱引出至蓄電池外部。

圖1 站用鉛酸蓄電池結構圖

1.2 站用蓄電池極板老化

閥控式鉛酸蓄電池主要是通過極板的活性物質與電解液發生氧化還原反應實現充放電，負極板在放電時反應式如下：

正極板的反應為：

從式中可以看出，當蓄電池進行放電時，正極板處的鉛轉化為硫酸鉛需要水分子中的氧，而產生一定的H+，此過程會加速其腐蝕速度，所以在閥控式鉛酸蓄電池中，正極板腐蝕程度往往都遠大于負極板[6]，因此本文主要從正極板老化缺陷展開蓄電池組的熱場分析。

為了進一步研究老化極板的特點，對一運行10 年的鉛酸蓄電池進行解剖，其正極板如圖2(a)所示，圖2(b)是該極板在顯微鏡下的成像。由圖2(b)可以看到老化的正極板表面有許多破損，這是極板在充放電過程中漲裂所導致的。因此在建立極板老化模型時除極板腐蝕外也應考慮極板破損。

圖2 老化正極板

1.3 單個蓄電池模型的建立

為簡化模型，本文忽略了對蓄電池熱場影響較小的匯流排與極柱，而僅考慮建立了極板和隔板的蓄電池仿真模型。本文在COMSOL Multiphysics 搭建了與變電站內現用的1∶1比例三維鉛酸蓄電池模型，其構成為8 塊正極板、9 塊負極板和18 塊隔板，如圖3 所示。其模型的尺寸長寬高設置為100 mm×2.5 mm×250 mm。模型中x軸為不同板間層疊方向，y軸為單塊極板寬度方向，z軸為高度方向。

圖3 鉛酸蓄電池內部三維模型

為仿真蓄電池存在極板老化，首先是考慮在正負極板處設置了0.1 mm 厚的PbSO4晶體層，此外，結合電池拆解時觀測到的破損處數量與規格，在建模過程中在每一個板面設置30 個隨機分布半徑為0.01 mm 的半圓凹坑。整體的鉛酸蓄電池模型改進的極板老化模型如圖4 所示。

圖4 極板老化模型示意圖

1.4 蓄電池組模型的建立

本文所研究的對象是直流電壓為110 V 的變電站蓄電池組，每組蓄電池共有52 個單體蓄電池組成，通常采用3 層2 列的擺放形式，如圖5(a)所示。由于對于蓄電池組而言，需要盡可能減小電池間的連接條電阻，所以站用蓄電池組之間的空隙較小，因此在本文蓄電池組模型中單列中每個蓄電池間隙距離設置為5 mm，列間距設置為5 mm，兩層蓄電池間距設置為60 mm。此外，按照上述放置方式有一列會存在2 個蓄電池空缺，本文對此做簡化處理，在模型中補足空缺位置，所建立的蓄電池組模型如圖5(b)所示。

圖5 蓄電池組建模

2 站用鉛酸蓄電池組溫度分布研究

2.1 正常蓄電池組的溫度分布

對于蓄電池組而言，基準溫度25 ℃下為其最佳工作環境，通常配置空調將溫度始終控制在25 ℃，因此當仿真正常情況時將環境溫度設置為25 ℃。針對蓄電池組而言，始終是熱量通過空調進行耗散，所以本文將模型邊界設置為熱量流出面以模擬上述情況。圖6 給出的是蓄電池組作為直流系統的電源，其放電負荷電流為50 A 時，蓄電池組y-z側面的溫度分布情況。從圖中可以看出，對于蓄電池組而言，其三層兩列的擺放方式，導致第二層靠中間處的熱量最為集中，且上層溫度比下層溫度更高。蓄電池組溫度分布的范圍為25.83～32.15 ℃，溫度最高點位于第2 層第5 個電池上表面處，最高溫度達到32.15 ℃，此時蓄電池組的溫度仍然能夠滿足運行要求。

圖6 正常情況蓄電池組溫度分布

2.2 極板老化蓄電池組的散熱

根據2.1 節的分析，蓄電池在長期運行過程中會出現受熱不均的情況，部分電池的溫度較高，極板老化程度與溫度有著密切的關系[7-8]。為了更接近現實情況，本文的極板老化蓄電池組模型并未將整組蓄電池設置為極板老化的蓄電池，而是基于圖6的溫度分布情況按照表1設置部分劣化蓄電池。

表1 極板老化蓄電池分布表

圖7 給出的是極板老化蓄電池組在負荷電流為50 A 時的溫度分布圖。對比正常情況，當電池出現極板老化時整體溫度明顯升高，蓄電池組的溫度分布范圍為23.83～35.82 ℃，最高溫度達到35.81 ℃，且高溫區域范圍更大。造成這種現象的原因可能是老化極板表面附有一層薄PbSO4晶體層，并且極板破損處也填充了PbSO4晶體，PbSO4晶體相較于正負極板的活性物質的電導率更低，所以導致蓄電池內阻相應增大，最終使熱量增加，電池溫度上升，此外PbSO4晶體的比熱容更低，所以在同樣熱量下，上升溫度更高。在兩種因素的作用下，存在老化的閥控式鉛酸蓄電池組呈現出更為嚴重的高溫現象。

圖7 基于極板老化蓄電池組溫度分布

圖8 給出了蓄電池組的最高溫度與負荷電流之間的關系，可以看出最高溫度先隨著負荷電流增加而緩慢增加，其最高溫度的增長速率隨著負荷電流的增加而逐漸上升。這是因為最初隨著負荷電流增加，電池產生的焦耳熱越高，使得電池溫度增高，但此時環境溫度較低而使熱量迅速擴散，因此溫度上升曲線較緩。隨著負荷電流進一步增大，由于焦耳熱與電流的平方呈正比關系，因此蓄電池組所產生的熱量會大大增加，此時蓄電池組和外界環境進行熱交換效率趨近飽和，因此最高溫度上升趨勢會更為明顯。

圖8 蓄電池組負荷電流與最高溫度關系

此外，從圖8 還可看出，存在極板老化的蓄電池組溫度增加速度明顯高于正常蓄電池組，這是由于在大電流情況下，硫酸鉛晶體的電導率和比熱容特性會更大程度地影響閥控式鉛酸蓄電池溫度分布。

2.3 基于極端情況的溫度分布

當出現變電站全站交流失電，此時蓄電池組除需要給全站繼電保護、控制等直流負荷供電，同時也需要通過逆變給UPS 等重要交流負荷供電。此外，蓄電池室的所有空調將失去電能而停止工作，因此針對該情況，可將仿真模型中蓄電池組散熱模式變更為自然對流散熱。

圖9 為極板老化蓄電池組在上述極端情況時的溫度分布圖，圖10則是正常情況、極板老化與極板老化電池在極端情況的溫度分布對比圖。由圖9 和圖10 可以看出，在極端情況下蓄電池組和周圍環境溫度明顯高于前兩種情況，蓄電池組的溫度分布的范圍為37.21～53.22 ℃，最高溫點位于中層第5 個電池上表面，最高溫度可達到53.22℃，是正常情況的1.65 倍。此外，由于蓄電池只有自然對流這種散熱模式，整個蓄電池室空間溫度也相應升高了許多，蓄電池室的環境溫度分布的范圍為29.93～39.31 ℃。綜上所述，在極端環境下若電池存在極板老化缺陷，則蓄電池組的溫度和環境溫度均遠超過正常溫度分布，所以一旦蓄電池存在極板老化缺陷，在站用交流電源能夠供電時，蓄電池仍能夠維持正常運行，但當交流失壓時，極板老化缺陷會嚴重威脅蓄電池的正常供電，因此在日常運維中要特別留意劣化電池，做好及時更換或活化。

圖9 極端情況下極板老化蓄電池組溫度分布

圖10 蓄電池組溫度分布對比圖

3 結論

本文通過搭建蓄電池組仿真模型，并分析了正常情況、存在極板老化以及交流失壓下的蓄電池組溫度分布情況，得出了以下結論：

(1)運行中蓄電池組溫度分布不均勻，高溫區域集中于第二層靠中間位置，隨著負荷電流的增大，高溫區域向外擴散，并且上層蓄電池組溫升速度比下層快；

(2) 正常情況中，蓄電池組的溫度分布的范圍為25.83～32.15 ℃，溫度條件滿足蓄電池組運行要求，同時最高溫度的上升幅度隨負荷電流的增大而增大；

(3) 當蓄電池組因受熱不均，出現極板老化的電池時，其溫度總體相較正常情況上升，其溫度分布的范圍為23.83～35.82 ℃，并且隨著負荷電流的增大，其溫度會相較正常情況上升更高；

(4) 當蓄電池組處于極端工作條件時，因交流失壓，只能以自然對流形式散熱，其溫度分布的范圍可以達37.21～53.22 ℃，已遠超正常溫度分布水平，所以蓄電池組的極化缺陷將嚴重制約蓄電池組的應急供電能力。