铅炭电池的工作特性

铅炭电池的工作特性严干贵;朱微;段双明;李洪波【摘要】为掌握铅炭电池工作特性，进行电池单体和电池组充放电实验，研究荷电状态(SOC)与端电压/内阻及充放电倍率的关系、电池组电压特性以及充放电倍率对电池组一致性和实际可用容量的影响结果表明:受电池内部温度影响，在充电过程电当SOC大于0.75时，会出现短时的电压波动;当电池电压达到上限2.35V或下限1.80V时不同SOC对应不同的充放电电流.电池成组应用时，随着充放电倍率增加,电池组实际可用容量减少.【期刊名称】《电池》【年(卷)，期】2019(049)003【总页数】4页(P221-224)【关键词】铅炭电池;特性分析;荷电状态;充放电倍率;一致性【作者】严干贵;朱微;段双明;李洪波【作者单位】东北电力大学现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室，吉林吉林132012;东北电力大学现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室，吉林吉林132012;东北电力大学现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室，吉林吉林132012;东北电力大学现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室，吉林吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TM912.1铅炭电池可解决铅酸电池在部分荷电状态工作时负极硫酸盐化的问题［1］，性价比高，在大规模电化学储能领域具有广阔的应用前景［2］。国内夕卜学者主要从电池化学特性和电气特性两个角度对铅炭电池进行研究。文献［3］从化学角度对铅炭电池中炭材料的作用机理进行了分析与评价。文献［4］研究了铅炭电池析氢行为与负极电势的关系，指出：为了防止铅炭负极析氢，铅炭电池的充电电压不应高于2.45V。文献［5］从电气角度研究了铅炭电池大电流充放电性能，指出短时大电流频繁充放电工作模式下循环寿命可达7500次。现有文献主要对单体电池的内部工作机理和循环寿命进行分析，未研究铅炭电池充放电过程出现的电压波动及成组容量等问题。本文作者通过实验分析铅炭电池单体和电池组充放电特性，研究铅炭电池电压、内阻波动特性以及充放电倍率对电池组电压一致性和实际可用容量的影响。1实验工况设计选用LC-200型额定容量200Ah和LLC-100型额定容量100Ah的铅炭电池(江苏产)为实验对象，两种电池额定电压均为2.00V,25°C浮充电压为2.25V，均充电压为2.35V，放电截止电压为1.80V，最大充电电流为40.0^选用EBC-A40L充放电测试仪(上海产)对电池进行充放电实验。1.1全SOC下端电压/内阻特性实验充电实验：将铅炭电池以0.1C倍率电流放电至截止电压1.80V，认为此时电池电量为0,即荷电状态(SOC)等于0；采用恒流/恒压方式对电池充电，恒流阶段电流为20A，恒压阶段电压为2.35V。单次充电容量为额定容量的5%，测量电池工作电压和内阻；静置4h后，测量电池开路电压(OCV)和内阻；重复②、③，直至电池SOC等于1。放电实验：电池在满电状态下采用恒流20A放电，单次放电容量为额定容量的5%，测量电池工作电压和内阻；静置4h后，测量电池OCV和内阻；重复①和②，直至电池SOC等于0。1.2不同充放电倍率对应的SOC与端电压特性实验充电实验：充电起始时刻电池OCV为2.10V，SOC为0.85，以5A、10A...35A对电池充电，电压达到上限2.35V时，停止充电。记录不同电流对应的电压与SOC数据。放电实验：放电起始时刻电池OCV为2.00V,SOC为0.40，以5A、10A...40A对电池放电，电压达到下限1.80V时，停止放电。记录不同电流对应的电压与SOC数据。1.3电池组一致性实验取12只同批次、LC-200铅炭电池串联成组，将电池标记为1-12号。在常温(25°C)下分别以2.3A和5.0A电流进行恒流充放电，全程记录电池组电压。单体电池电压达到电压上限2.35V时，停止充电，计算充电电量；单体电池电压达到电压下限1.80V时，停止放电，计算放电电量。2结果与讨论2.1全SOC下端电压/内阻特性实验2.1.1SOC与端电压关系特性分析选用容量为200Ah的铅炭电池分析端电压特性，充电过程中电压随SOC变化曲线如图1所示。图1充电过程电压随SOC变化曲线Fig.1ChangesofvoltagewithSOCduringcharging从图1可知，SOC在0~0.05阶段，电池工作电压迅速上升，SOC在0.05~0.75阶段，电压平稳升高，对应SOC线性增加，由恒流充电转为恒压充电的过渡阶段(SOC在0.75~0.85)，电压上升较快。充电阶段，适合铅炭电池工作的SOC范围为0.05~0.75。恒压充电时，电池工作电压不变，不能反映SOC变化，而不同OCV对应不同SOC，因此可用电池OCV估计SOC。充电过程，铅炭电池SOC在0.75~0.85阶段对应的电压电流变化曲线如图2所示。图20.75~0.85SOC充电阶段电压电流的变化Fig.2ChangesofvoltageandcurrentinthechargingstateofSOCof0.75-0.85从图2可知，t1之前，电池工作电压上升；t1时刻电压为上限2.35V，电池充电模式由恒流转为恒压，电流开始下降。t2时刻，电流为下限17.27A,t2之后电流上升；t3时刻，电流为20A,t3之后电池充电模式由恒压又转为恒流，电压开始下降。此电压波动由电池内部温度引起，t1-t2阶段，电池内部温度逐渐升高，引起内部活性物质反应速度加快，电池接受电荷能力加强，t2后电流开始上升，t3-t4阶段电池充电模式又转为恒流。恒流阶段电池温度逐渐保持恒定，活性物质反应速度保持恒定。t4转为恒压充电，电池温度下降。放电过程电池电压随SOC变化曲线如图3所示。图3放电过程电压随SOC变化曲线Fig.3ChangesofvoltagewithSOCduringdischarging从图3可知，SOC在1.00~0.95阶段，电池工作电压变化较大，SOC在0.95~0阶段，电池工作电压变化平稳，因此放电阶段，适合铅炭电池工作的SOC范围为0.95~0。2.1.2SOC与内阻关系特性分析容量为200Ah和100Ah的铅炭电池在循环过程中内阻随SOC的变化曲线如图4所示。图4充放电过程内阻随SOC变化曲线Fig.4ChangesofinternalresistancewithSOCduringcharginganddischarging从图4可知，受电极活性物质充放电态导电性能的影响，铅炭电池内阻随SOC的增大而减小，不同容量铅炭电池的内阻变化规律相同。放电过程中，随着放电深度的增加，负极板表面堆积的硫酸铅颗粒增大，电池导电率降低，内阻增大。静置前后，温度变化影响内部电解液的扩散速度，使电池内阻发生变化。2.2不同充放电倍率对应的SOC与端电压特性实验容量为200Ah的铅炭电池不同充电的电流对应的电池电压和SOC关系曲线如图5所示。图5不同充放电电流下电压和SOC的关系Fig.5RelationshipbetweenbatteryvoltageandSOCindifferentcharginganddischargingcurrents从图5可知，电池工作电压达到电压上限2.35V时，充电电流越大，对应的SOC越小，即电池可充入电量越少。电池工作电压达到下限1.80V时，放电电流越大，对应的SOC越大，即电池可放出电量越少。2.3电池组一致性实验结果分析电池组充放电过程中单体电压曲线如图6、7所示。图6电池组充电单体电压曲线(2.3A,5.0A)Fig.6Cellvoltagecurvesduringbatterycharging(2.3A,5.0A)图7电池组放电单体电压曲线(2.3A,5.0A)Fig.7Cellvoltagecurvesduringbatterydischarging(2.3A,5.0A)由图6(b)可知，当电池采用2.3A电流充电，10号电池电压最高，首先达到电压上限2.35V。整组电池充电容量为197.8Ah，电池组实际可用容量为额定容量的98.9%。由图6(c)可知，当电池采用5.0A电流充电，1号电池电压最高，首先达到电压上限2.35V。整组电池充电容量为194.9Ah，电池组实际可用容量为额定容量的97.5%。由图7可知，2.3A电流放电时，3号电池电压下降最快，首先达到电压下限1.80V。整组电池放电容量为193.2Ah，电池组实际可用容量为额定容量的96.6%。5.0A电流放电时，9号电池电压下降最快，首先达到电压下限1.80V。整组电池放电容量为190.3Ah，电池组实际可用容量为额定容量的95.2%。单体电池的差异性导致电池组实际可用容量降低，随着充放电倍率的增加，单体间差异性增大，电池组实际可用容量减少。为了定量分析充放电倍率对电池组一致性的影响程度，引入电压标准差［6］概念，定义如下：(1)式(1)中：n代表电池组串联的单体电池数，n=12；Ui为单体电池电压；为串联电池组电压平均值。电压标准差越小，表示电池组一致性越好。电池组充电过程，电压标准差曲线如图8所示。图8充电过程电池电压标准差曲线Fig.8Voltagestandarddeviationcurvesduringbatterycharging从图8可知，充电电流等于2.3A时，电压标准差主要在0.001-0.002之间变化，波动幅度小，充电后期，电压标准差增加，充电结束上升至0.004。充电电流等于5.0A时，电压标准差在0.002附近变化，波动幅度大，充电后期，电压标准差增加，充电结束上升至0.007。电池组放电过程中电压标准差曲线如图9所示。图9放电过程电池电压标准差曲线Fig.9Voltagestandarddeviationcurvesduringbatterydischarging从图9可知，放电过程中电压标准差的变化趋势与充电过程相似。电池组充放电电流越大，电压波动越大，电池电压离散度越大，电池组一致性越差。3结论本文作者研究了铅炭电池单体和电池组充放电特性，铅炭电池安全、高效应用得到了数据支撑。受电池内部温度影响，铅炭电池充电过程，当SOC大于0.75时，会出现短时电压波动问题。受电池正负极活性物质充放电态自身的导电性影响，铅炭电池内阻随SOC的增大而减小，静置前后电池温度变化影响内部电解液的扩散速度，内阻发生变化；受铅炭电池最高电压和最低电压限制，充电电流越大，充入电池的电量越少，放电电流越大，放出电量越少；当电池电压达到电压上限和电压下限时，不同SOC对应不同的上限充电电流和放电电流，必须根据SOC值设置充电和放电电流，否则会导致电池出现过充或者过放现象；受电池一致性影响，电池成组应用时，实际可用容量低于额定容量，随着充电、放电倍率的增加，电池组一致性变差，实际可用容量降低。【相关文献】陈飞，张慧，马换玉，等.铅炭电池的研究现状[J].电池，2013，43(3):170-173.RobertsBP，SANDBERGC.Theroleofenergystorageindevelopmentofsmartgrids[J].Proceedingsofthe