铅酸蓄电池放电特性研究与运行分析

引言

铅酸蓄电池是有线通信室电源系统的重要组成部分,它在市电正常时存储化学能量,当市电中断时它可将化学能转换为电能,为用电设备提供直流电源。本文通过收集近两年有线通信室的放电维护数据,研究蓄电池在放电维护过程中电流、截止电压、荷电状态等参数的变化特征,得到蓄电池健康分析报告,以便归纳总结出日后对蓄电池更为科学、安全、有效的维护管理方式。

1铅酸蓄电池放电原理

1.1阀控式铅酸蓄电池的基本原理

阀控式铅酸蓄电池的特点在于它的密封性原理,即利用负极吸收原理,通过氧气复合循环来保证其密封性。氧气复合循环的原理是,在充电后期,正极开始析出氧气,当氧气扩散到了负极被负极吸收,此时的反应过程如下:

在上述充电过程中,氧气在正极生成,扩散后在负极被吸收的过程,就是"氧气复合循环"。另外,负极由于活性物质过量而在"氧气复合循环"的作用下始终处于未充足电量状态,使氢气不能析出,即充电过程中负极只发生如下反应:

1.2阀控式铅酸蓄电池的失效机理

阀控式铅酸蓄电池失效的主要原因有以下几方面:板栅腐蚀、水损耗、板栅延伸、热失控、负极板硫酸盐化和电池电压不均等,其中最常见的失效原因是正极板腐蚀。对阀控式铅酸蓄电池性能和劣化速度影响最大的是正极部分,其腐蚀速度的影响因素主要有腐蚀膜孔尺寸、极化、变形、活性物质性能变化等。

2铅酸蓄电池放电特性曲线

2.1放电曲线线性段的建模

在电池储能系统中,建立电池外特性的精确模型对于有效管理电池非常关键,然而建模过程并不简单。一方面,电池的外特性受到许多因素影响:另一方面,电池的可测信息非常有限。这就使得电池建模只能使用有限的信息来描述诸多相互耦合因素影响的电池特性。

本文以电话站一楼第一组蓄电池为例,在恒流放电过程中,由于电池存在内阻,放电初期,电池电压快速下降:在随后较长的一段时间内,电池电压随时间发生近似线性变化:电池将放空时,电压随时间发生非线性变化并快速下降,如图1所示。这一规律对于不同类型电池、不同电流的放电电压曲线是相同的。由于电池的非线性特性,因此放电电压曲线本质上是非线性的。

在较长一段时间内,电池电压随时间发生近似线性变化,用直线拟合就可以获得很好的效果,然而对于理想的光滑放电曲线,由于其非线性本质,线性段选取的越长,曲线拟合效果越差。另一方面,在实际系统中,测量的物理信号中会不可避免地掺杂干扰信号,对于具有线性规律的数据,使用数据越多,线性拟合效果越好。本文参考了文献[1]中的实验数据结果。

起始段的拟合标准差很小,这是由于放电初期电压曲线快速下降,与此相比噪声可以忽略不计,使得这段放电曲线近似为一条直线,这段时间很短,暂不考虑。随着线性段选取比例的增加,拟合标准差逐渐减小,而后又快速增大,大约在55%取得最小值,换言之,选取放电曲线起始的55%作为线性段是最合适的。线性段拟合结果可用下列公式表示:

式中,a表示线性段斜率,b表示放电可虚拟初始电压,t1表示线性段截止时间。

2.2放电曲线非线性段的建模

参照文献[1]中的实验结果,图1表示的是放电曲线非线性段拟合的过程,这说明放电曲线的非线性段具有指数变化规律。放电曲线的非线性段可用下列公式表示:

式中,a和b是放电曲线线性段的拟合参数,a1和b1用于拟合放电曲线与线性段拟合结果的残差,a1由放电曲线形状决定,b1由t1时刻放电曲线与线性段拟合结果的残差决定,t1是指数项的时间偏移,即放电曲线线性段的截止时间。

2.3总放电曲线的建模

鉴于指数函数的特性,当t≤t1时,式(2)中指数项的影响很小,也就是说放电曲线的拟合曲线可以用一个统一的表达式表示:

3模型验证

由于有线通信室电话站节点四组蓄电池都以0.4C的标准进行放电,因此将本文参考文献[2]中0.4C、100A条件下的拟合结果与实际放电结果进行对比。

采样电话站一楼第一组蓄电池数据,如表1所示。

将数据分别代入式(3)进行方程求解,得到验证数据,并与参考值对比结果如下,u(t)与t的关系式为:

由于组端截止电压设置为43.2V,因此将u(t)=43.2代入上式即可算出,当t=2.08h时,u(t)=43.2V,即估算的组端电压到达截止电压时的放电时间约为2.08h,相较要求提前完成放电1.5h的标准,仍为不合格,建议整组更换,与蓄电池维护厂商给出的意见一致。

4结语

本文提出了一种简单的电池放电特性建模方法,它是在分析了放电电压曲线特征与放电电流关系的基础上,建立了放电曲线数学模型。利用此方法可以估计出任意放电电流下的电压曲线,并据此估计出电池的剩余放电时间,为科室的蓄电池更换工作提供更多指导依据。不可否认的是,抛开本文讨论的电压分段曲线建模,放电时蓄电池的温度、即时内阻也影响着蓄电池的放电时间,如果建立温度和内阻模型,能进一步准确地给出更多参考依据,因此在条件允许的情况下,建议公司更新可以监控温度、内阻等更多参数的放电仪。