鉛酸蓄電池放電特性研究與運(yùn)行分析

引言

鉛酸蓄電池是有線通信室電源系統(tǒng)的重要組成部分,它在市電正常時(shí)存儲(chǔ)化學(xué)能量,當(dāng)市電中斷時(shí)它可將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,為用電設(shè)備提供直流電源。本文通過(guò)收集近兩年有線通信室的放電維護(hù)數(shù)據(jù),研究蓄電池在放電維護(hù)過(guò)程中電流、截止電壓、荷電狀態(tài)等參數(shù)的變化特征,得到蓄電池健康分析報(bào)告,以便歸納總結(jié)出日后對(duì)蓄電池更為科學(xué)、安全、有效的維護(hù)管理方式。

1鉛酸蓄電池放電原理

1.1閥控式鉛酸蓄電池的基本原理

閥控式鉛酸蓄電池的特點(diǎn)在于它的密封性原理,即利用負(fù)極吸收原理,通過(guò)氧氣復(fù)合循環(huán)來(lái)保證其密封性。氧氣復(fù)合循環(huán)的原理是,在充電后期,正極開(kāi)始析出氧氣,當(dāng)氧氣擴(kuò)散到了負(fù)極被負(fù)極吸收,此時(shí)的反應(yīng)過(guò)程如下:

在上述充電過(guò)程中,氧氣在正極生成,擴(kuò)散后在負(fù)極被吸收的過(guò)程,就是"氧氣復(fù)合循環(huán)"。另外,負(fù)極由于活性物質(zhì)過(guò)量而在"氧氣復(fù)合循環(huán)"的作用下始終處于未充足電量狀態(tài),使氫氣不能析出,即充電過(guò)程中負(fù)極只發(fā)生如下反應(yīng):

1.2閥控式鉛酸蓄電池的失效機(jī)理

閥控式鉛酸蓄電池失效的主要原因有以下幾方面:板柵腐蝕、水損耗、板柵延伸、熱失控、負(fù)極板硫酸鹽化和電池電壓不均等,其中最常見(jiàn)的失效原因是正極板腐蝕。對(duì)閥控式鉛酸蓄電池性能和劣化速度影響最大的是正極部分,其腐蝕速度的影響因素主要有腐蝕膜孔尺寸、極化、變形、活性物質(zhì)性能變化等。

2鉛酸蓄電池放電特性曲線

2.1放電曲線線性段的建模

在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中,建立電池外特性的精確模型對(duì)于有效管理電池非常關(guān)鍵,然而建模過(guò)程并不簡(jiǎn)單。一方面,電池的外特性受到許多因素影響:另一方面,電池的可測(cè)信息非常有限。這就使得電池建模只能使用有限的信息來(lái)描述諸多相互耦合因素影響的電池特性。

本文以電話站一樓第一組蓄電池為例,在恒流放電過(guò)程中,由于電池存在內(nèi)阻,放電初期,電池電壓快速下降:在隨后較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),電池電壓隨時(shí)間發(fā)生近似線性變化:電池將放空時(shí),電壓隨時(shí)間發(fā)生非線性變化并快速下降,如圖1所示。這一規(guī)律對(duì)于不同類型電池、不同電流的放電電壓曲線是相同的。由于電池的非線性特性,因此放電電壓曲線本質(zhì)上是非線性的。

在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),電池電壓隨時(shí)間發(fā)生近似線性變化,用直線擬合就可以獲得很好的效果,然而對(duì)于理想的光滑放電曲線,由于其非線性本質(zhì),線性段選取的越長(zhǎng),曲線擬合效果越差。另一方面,在實(shí)際系統(tǒng)中,測(cè)量的物理信號(hào)中會(huì)不可避免地?fù)诫s干擾信號(hào),對(duì)于具有線性規(guī)律的數(shù)據(jù),使用數(shù)據(jù)越多,線性擬合效果越好。本文參考了文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

起始段的擬合標(biāo)準(zhǔn)差很小,這是由于放電初期電壓曲線快速下降,與此相比噪聲可以忽略不計(jì),使得這段放電曲線近似為一條直線,這段時(shí)間很短,暫不考慮。隨著線性段選取比例的增加,擬合標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小,而后又快速增大,大約在55%取得最小值,換言之,選取放電曲線起始的55%作為線性段是最合適的。線性段擬合結(jié)果可用下列公式表示:

式中,a表示線性段斜率,b表示放電可虛擬初始電壓,t1表示線性段截止時(shí)間。

2.2放電曲線非線性段的建模

參照文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖1表示的是放電曲線非線性段擬合的過(guò)程,這說(shuō)明放電曲線的非線性段具有指數(shù)變化規(guī)律。放電曲線的非線性段可用下列公式表示:

式中,a和b是放電曲線線性段的擬合參數(shù),a1和b1用于擬合放電曲線與線性段擬合結(jié)果的殘差,a1由放電曲線形狀決定,b1由t1時(shí)刻放電曲線與線性段擬合結(jié)果的殘差決定,t1是指數(shù)項(xiàng)的時(shí)間偏移,即放電曲線線性段的截止時(shí)間。

2.3總放電曲線的建模

鑒于指數(shù)函數(shù)的特性,當(dāng)t≤t1時(shí),式(2)中指數(shù)項(xiàng)的影響很小,也就是說(shuō)放電曲線的擬合曲線可以用一個(gè)統(tǒng)一的表達(dá)式表示:

3模型驗(yàn)證

由于有線通信室電話站節(jié)點(diǎn)四組蓄電池都以0.4C的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行放電,因此將本文參考文獻(xiàn)[2]中0.4C、100A條件下的擬合結(jié)果與實(shí)際放電結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

采樣電話站一樓第一組蓄電池?cái)?shù)據(jù),如表1所示。

將數(shù)據(jù)分別代入式(3)進(jìn)行方程求解,得到驗(yàn)證數(shù)據(jù),并與參考值對(duì)比結(jié)果如下,u(t)與t的關(guān)系式為:

由于組端截止電壓設(shè)置為43.2V,因此將u(t)=43.2代入上式即可算出,當(dāng)t=2.08h時(shí),u(t)=43.2V,即估算的組端電壓到達(dá)截止電壓時(shí)的放電時(shí)間約為2.08h,相較要求提前完成放電1.5h的標(biāo)準(zhǔn),仍為不合格,建議整組更換,與蓄電池維護(hù)廠商給出的意見(jiàn)一致。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種簡(jiǎn)單的電池放電特性建模方法,它是在分析了放電電壓曲線特征與放電電流關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立了放電曲線數(shù)學(xué)模型。利用此方法可以估計(jì)出任意放電電流下的電壓曲線,并據(jù)此估計(jì)出電池的剩余放電時(shí)間,為科室的蓄電池更換工作提供更多指導(dǎo)依據(jù)。不可否認(rèn)的是,拋開(kāi)本文討論的電壓分段曲線建模,放電時(shí)蓄電池的溫度、即時(shí)內(nèi)阻也影響著蓄電池的放電時(shí)間,如果建立溫度和內(nèi)阻模型,能進(jìn)一步準(zhǔn)確地給出更多參考依據(jù),因此在條件允許的情況下,建議公司更新可以監(jiān)控溫度、內(nèi)阻等更多參數(shù)的放電儀。