（控制理论与控制工程专业论文）阀控式密封铅酸蓄电池在线监测系统的研究.pdf

武汉理【大学硕七学位论文 摘要 随着信息化社会进程的加快，电力、通信系统的安全稳定运行变得日益重 要。同时，在人们的工作生活中各种电气、电子设备的应用也越来越广泛。而 各种用电设备都离不开可靠的电源，特别是有些重要设备，如通信系统电力 控制系统、计费系统等不允许中途突然停电，为此应采用一种提供以安全和操 作为目的的备用或不间断应急电源。这种备用或不间断应急电源都采用蓄电池 组作为操作电源。因此，蓄电池工作状态的好坏，对于设备的运行至关重要。 由于蓄电池组在运行中个别蓄电池会因干涸发热、极板岩化、漏液、欠充、过 放、内阻增大等原因而迅速失效，造成系统或供电设备不能正常运行或重大事 故。因此，对蓄电池运行参数进行在线监测对保证电源供电的可靠性十分重要。 本文以一蓄电池运行参数在线监测实际系统研究为背景，对影响蓄电池工 作状态的技术参数和阀控式铅酸蓄电池在线监测方法等进行了深入的分析和研 究。主要内容包括： 1 阀控式铅酸蓄电池技术参数与其关系的分析研究； 2 阀控式铅酸蓄电池电压、温度与充放电电流实时监测方法的研究，完成 了系统硬件和软件的设计； 3 阀控式铅酸蓄电池内阻在线监测原理方法的研究，利用锁相放大技术对 蓄电池内阻的测量进行了具体分析和详细的研究，完成了系统的基本设计i 4 在虚拟仪器的软件环境下( l 庙e w ) ，对锁相放大器进行建模和仿真， 通过仿真波形表明锁相放大技术具有极强的从噪声中提取信号的能力，是测量 蓄电池内阻的最佳方法。 5 在建模和仿真研究的基础上，对f 刚空式铅酸蓄电池监测系统的实现进行 了硬件电路和软件程序设计和在线巡检仪的研制；经现场测试，取得理想的应用 效果。 关键词：蓄电池，内阻，在线监测，仿真 武汉理i ：大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h ep r o c e s so ft h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y , t h es a f ea n d s t a b l eo p e r a t i o ni ne l e c t r i cp o w e ra n di n f o r m a t i o ns y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t m e a n w h i l et h ea p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t si s b e c o m i n gm o r ee x t e n s i v ei np e o p l e sl i f ea n dw o r k e v e r yk i n d so fe q u i p m e n t c a n t w o r kw i t h o u tr e l i a b l ep o w e rs u p p l y e s p e c i a ls o m ei m p o r t a n te q u i p m e n t sa r en o t a l l o w e ds o d d e nb l a c k o u t s ，f o re x a m p l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m , e l e c t r i cp o w e rc o n t r 0 1 s y s t e m ，b i l l i n gs y s t e ma n ds oo n s ow es h o u l dp r o v i d eb a c k u po re m e r g e n c yp o w e r s u p p l yf o rt h ep u r p o s eo f s a f e t ya n do p e r a t i o n t h e r e f o r e , s t o r a g eb a t t e r y sg o o dw o r k s t a t ei sv e r yi m p o r t a n tf o re q u i p m e n to p e r a t i o n i n d i v i d u a ls t o r a g eb a t t e r yq u i c k l y a b a t e sd u et od r y , h e a t , p o l a rp l a t el i t h i f l e a t i o n , w e e p i n g , l a c kc h a r g i n g , e x c e s s i v e d i s c h a r g i n g , i n t e r n a lr e s i s t a n c ei n c r e a s i n ge t c w h e ns t o r a g eb a t t e r i e s w o r k i n g , w h i c h nc 剐_ 1 s ca b n o r m a lo p e r a t i o no fs y s t e mo rp o w e re q u i p m e n ta n ds o m eh e a v y a c c i d e n t s oa 1 1 r o u n do n l i n em o n i t o r i n gt op a r a m e t e ro fs t o r a g eb a t t e r yo p e r a t i o ni s v e r yn e c e s s a r yt ow a r r a n tr e l i a b i l i t yo f d co p e r a t i o np o w e r e l e c t r i c a ls u p p l y t h i sa r t i c l eb a s e do nt h ea c t u a lb a r e r yo p e r a t i n gp a r a m e t e ro n l i n em o n i t o r i n g s y s t e mf o rb a c k g r o u n d ，h a sd e e p l ya n a l y z e da n dr e s e a r c ht e c h n i c a lp a r a m e t e r st h a t a f f e c ts t o r a g eb a t t e r yw o r ks t a t u sa n dm e t h o do f o n l i n em o n i t o r i n gi nv a l v e - r e g e l a t e d l e e d a c i db a t t e r i e s t h em a i nc o n t e n t so f s t u d i e si n c l u d e ： 1 t h es t u d yo ft e c h n i q u ep a r a m e t e ra n dr e l a t i o ni nv a l v e - r e g u l a t e dl e a d - a c i d b a t t e r y 2 t h es t u d yo fr e a l t i m em o n i t o r i n gm e t h o da b o u tv a l v e - r e g u l a t e dl e a d - a c i d b a t t e r y sv o l t a g e , t e m p e r a t u r ea n dc h a r g e o rd i s c h a r g ec u r r e n t b a s i cd e s i g no f s y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sf i n i s h e d 3 t h es t u d ya n dd e t a i l e da n a l y s i so f o n - l i n em o n i t o r i n gp r i n c i p l em e t h o da b o u t v a l v e - r e g u l a t e dl e a d - a c i db a t t e r y si n t e r n a lr e s i s t a n c eb yu s i n gl o c k - i na m p l i f i c a t i o n t e c h n o l o g y b a s i cd e s i g no f s y s t e mi sf i n i s h e d 4 i nt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e e n v i r o n m e n t ( l a b v i c w ) ，m a k i n g m a t h e m a t i c sm o d e la n ds i m u l a t i o nf o rt h el o c k - i na m p l i f i e r i ti sd a m o n s t r a t e dt h a t i i 亟堡里王查兰堕堂垡笙茎 l o c k - i na m p l i f i e rh a sv e r ys t r o n gc a p a b i l i t yo fe x t r a c t i n gs i g n a lf r o mt h en o i s e s t h r o u g ht h es i m u l a t i o nw a v e f o r m s a n dt h el o c k - i na m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi s t h e b e s tw a yt om e a s u r es t o r a g eb a t t e r y si n t e r n a lr e s i s t a n c e 5 b a s e do nt h er e s e a r c h e so nm o d e la n ds i m u l a t i o n , h a r d w a r ea n ds o r w a r e w e r ed e s i g n e df o rv a l v e - r e g u l a t e dl e a d a c i db a t t e r i e sc o n t r o ls y s t e m a n dt h ed e s i g n o fo n i i n eb a t t e r ym o n i t o rd e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e da n dc o m p l e t e d h a v i n gf i e l d t e s t s ，i ta c h i e v e da l li d e a le f f e c t k e yw o r d s ：s t o r a g eb a t t e r y , i n t e r n a lr e s i s t a n c e , o n - l i n em o n i t o r i n g , s i m u l a t i o n l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：i ! 妻1日期：2 砬。【。l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：趣导师签名：焘丝筮 日期：竺2 11 i 武汉理亡大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 蓄电池在线监测方法研究的意义及重要性 在高度现代化的当今社会，很难想象电力网停电、电信网瘫痪给社会政治、 经济带来的损失。为了避免这样的损失，在相应的设备上都备有作为直流操作 电源用的蓄电池应急组。蓄电池组在供电系统正常运行时由充电机浮充充电， 在系统停电以及母线短路的情况下，蓄电池组作为后备电源，能迅速切断故障， 确保用电设备安全运行。因此，蓄电池作为备用能量储备系统，其工作状态对 供电系统的可靠运行起着非常重要的作用。 阀控式铅酸蓄电池v r l a ( v a l v er e g u l a t e dl e a d a c i d ) 作为免维护电池在我 国的电力、通信系统内被普遍采用。由于阀控式铅酸蓄电池的“免维护”性， 有一些用户产生一种误解，认为这种电池完全不需要维护，甚至从装上电池后 就不再进行维护和管理。 其实，阀控式铅酸蓄电池的“免维护”只是避免了开口式电池挥发的酸气 对设备、人员造成的伤害，同时也方便了安装和运输 i j ，不再人工加液而已。实 际上，阀控式密封铅酸蓄电池在使用中存在着很多安全隐患。例如，由于汇流 排和板栅遭到腐蚀，造成金属路径变窄而使电池的内阻增加；由于安装时电池 放置水平度不够，使得极柱受力变形而导致爬酸：由于浮充电压过高，加速正 极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放，导致干涸；由于环境温度过高，使得电 池内部温度升高，导致浮充电流增加，浮充电流增加又加速电池内部温度升高， 形成恶性循环，引起热失控等等 2 1 。这些故障现象严重影响到蓄电池的安全运行。 实践证明，v r l a 电池和电池组在运行过程中，随着使用时间的增加，个别或部 分电池的内阻会变大，发生退行性老化现象，老化了的单块电池容量变小，充 电时很快就会被充满电。而充电器则是以老化电池的容量为标准对电池组充放 电，这样状态良好的电池则欠充，经过多次浮充放电均充放电一 一浮充的恶性循环，致使整个电池组容量不断下降。据有关研究统计，当电池 的实际容量下降到其本身额定容量的9 0 以下时，电池便进入衰退期，当电池容 量下降到原来的8 0 以下时，电池便进入急剧的衰退状况，蓄电池后备时间大大 武汉理f = 大学硕十学位论文 缩短，造成事故隐患。 以上事实说明，供电系统断电的危险很大程度上取决于电池组的在线工作 状态，如果不及时检测出电池组中的老化电池，电池组的容量将变小，电池寿 命缩短，甚至造成电网事故，影响供电系统的可靠，安全和高效运行。 因此，对蓄电池组运行参数进行全面的在线监测对重要系统的运行安全具 有重要的意义。 蓄电池在线监测管理是针对测量电池的运行条件和检测电池本身的状况而 设计的。电池监测主要有三种方法：整组监测、单电池电压监测和电池内阻在 线监测。 ( 1 ) 整组监测： 整组电池监测主要测量电池组的电压、电流和温度，进行充电和放电管理， 优点是能够根据环境温度变化来调整电池组的浮充电压( 温度补偿) ，在电池放 电时电池组电压低至某下限时报警。 这种方法的缺点是较难发现单电池的缓慢变化，包括单电池本身的老化和 因单电池的一致性问题而带来的积累效应；无法监测电池及电池组的实际容量， 无法筛选其中已老化的电池。 ( 2 ) 单电池电压监测： 在浮充状态下，这种方法只能发现个别性能差浮充电压超常的电池。对 于电池性能变坏，电池容量已经大幅下降的老化电池无能为力，只有当放电时 发现某电池的放电电压( 或曲线) 异常时才有警告。因此单电池电压监测方法 的预警性和前瞻性较差，无法准确测定电池内阻和容量，不能及时找出老化电 池。 ( 3 ) 电池内阻的在线监测： 蓄电池内阻的测量方法较多，各有优缺点；但采用交流注入法对蓄电池进 行内阻检测是一种精确测试蓄电池内部状况( 内阻) 和在线监测电池组动态变 化的方法。 1 2 国内外蓄电池监测系统的现状及发展趋势 1 2 1 国内外蓄电池监测系统的现状 2 武汉理1 ：大学硕士学位论文 近几年以来，随着科学技术的发展，特别是单片机和计算机在智能化控制 方面的应用及变电站综合自动化系统研究的深入，国内外很多人开始研究蓄电 池的自动化监测技术，包括对温度、电流和电压的测量。其中，最关键的是对 电池组中串联在一起的单电池电压的自动化在线监测。目前，监测单电池电压 主要有以下方法： ( 1 ) 用继电器来切换电池组中的每只电池的测量方法，这种用触点式继电器 切换的缺点是：体积大、成本高、寿命短、速度馒，其电压值计算也比较麻烦。 ( 2 ) 在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的转换上 采用可编程定时器的v f 转换器。这种方法在解决输入信号电压高于芯片的最大 工作电压的问题上存在技术难点，且采用v f 转换作为a d 转换器响应速度慢、 在小信号范围内线性度差、精度低。 ( 3 ) 用光电隔离器件和大电解电容器构成采样保持电路进行在线测量蓄电 池组中单电池电压。这种方法的缺点是：在a f d 转换过程中，电容上的电压会发 生变化，使测量精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件动 作延迟，决定采样时间长等缺点。 国外的蓄电池监测技术研究近几年发展很快，其中美国蓄电池监测系统 b m s ( b a t t c v ym o n i t o t i n gs y s t e m ) 技术发展于电力应用工业。1 9 8 9 年，美国电 力研究所与国家电能研究公司合作，共同研究了铅酸蓄电池综合在线状态监测 系统。经过四年的研究与开发，耗资2 0 0 万美元，于1 9 9 4 年完成样机的现场试验。 测定的参数包括：电池组电压、单体电压、( 浮充电) 维持电流、电池内部温 度、电池组环境温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情况等。其 方法是采用安装在每一只电池上的多传感器电池监测模块( 叫“电池监测器”， 是真空密封的) 。这种模块通过光缆将状态数据传输到蓄电池组监测器，每一 电池组监测器可监测2 5 6 个单电池。远程控制中心通过m o d e m s 和公用电话线对 电池组监测器进行监测，可监测的电池组监测器的数量不受限制。控制中心p c 机能定期查询所有运行组的监测器，下载并处理储存的数据，存储和显示电池 状态及其趋势的信息，能获得每一节电池的参数。其主要特征是运用特定传感 器对电池组的每个电池进行独立监测。单电池电压的测量是使用传统的一个直 接带有稳压的a d 转换器。电池组电压的测量是用一个与电池组连接的滑动变阻 器和带有稳压参考的a d 转换器( 由电池组供电) 。电池组电流的测量用霍尔效 应磁域传感器来测量。电池内部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态 武汉理一e 大学硕十学位论文 集成电路温度传感器来测量，并且同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离。 电池组温度的测量是用同样的装置来测量。为了描述电池组周围空气的平均温 度，传感器一般位于电池组支架上。此项研究成果应用于电厂、变电站、通信、 电动车辆及医疗等领域【3 】。 在圣巴巴拉某区的电车上，使用了v r l a 蓄电池作为电源。同时在蓄电池上 安装有b m s 蓄电池监测系统，以评价蓄电池的运行状况。b m s 能够向操作人员 提供有关剩余电量的信息及电池性能接近极限状态时的报警状态。同样重要的 是，为对电池状态进行分析和维护，将数据进行记录。这里使用的电池单电压 是1 2 v 。此b m s 的数据采集系统包括1 6 路单电压通道、测量电池温度及环境温度 的4 路温度通道、电池组电压和电流通道。a d 采样速率是每秒4 0 个采样点，精 度好于0 1 。电源供电部分使用了d c d c 变换器。此b m s 通过获得电池的数据 来分析电池和车辆的运行状况。 美国a l b e r 公司研究的阀控密封铅酸蓄电池管理系统v m s ( v r l ab a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m ) ，具有管理和控制蓄电池的功能，该系统监测的项目包括： 单电池电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总电压。v m s 中并包含了b m s ，该系统是在监测的基础上对蓄电池运行参数进行分析，并进 行管理和控制。这样能更有效的对蓄电池进行维护，延长蓄电池使用寿命1 4 1 。此 系统还改变了传统的蓄电池。恒压充电”的方法，因为恒压充电的方法不能满 足不同蓄电池所需的不同充电电流。 在韩国，对光伏系统中的蓄电池状态的监测研究取得较大进展。铅酸蓄电 池作为独立光伏系统的能量的储存设备，防止对蓄电池组的过度充电和过度放 电，对延长整个光伏系统的服务寿命非常重要。该系统包括一个2 0 个通道的扫 描器、一个数字多路选择器及一个笔记本电脑，监测内容有：单电池电压、电 池组电压、通过电池组的电流及电解液的比重等重要参数。其中每一个被选择 的单电池电压使用一个便携式数据采集系统监测，电解液的比重通过数字比重 计测量。该监测系统不仅可以监测以上这些内容，而且采用了一种“电流中断 技术”，测量电池组充电时电池的内部电阻，通过这种连续测量内部电阻可以 在线监测电池的老化趋势。 国内研制并投产的z x j 2 4 2 1 型蓄电池组智能监测仪，采用浮动地技术测 量蓄电池组中各单电池电压，测量的参数还包括电池组电压，2 路电流，2 路 温度 5 1 。 4 武汉理【大学硕士学位论文 目前哈尔滨子木科技公司研发的b m 6 5 0 0 t 6 1 蓄电池监测管理系统是在国家 8 6 3 项目电池监测课题的基础上开发的具有国际先进水平的新型电池监测管理 系统。该系统的结构由控制单元、测量模块、相关软件和辅助部分构成，一个 控制单元可按入多个测量模块，完成对不同只数和不同电压的多组蓄电池的监 测管理。摔制单元用于数据传输、数据处理及人机界面控制，具有r s - 2 3 2 连机 接口和r s 4 8 5 远程( 集中) 管理接1 3 、测量模块控制接口、操作键盘、显示面 板、声光报警及报警输出控制节点。控制单元实时显示电池数据，智能分析数 据，对异常的电池运行情况进行及时报警。 监测模块用于蓄电池数据的巡检，内置c p u 独立高速工作，除进行常规电压、 电流、温度等测量外，与内阻监测模块连接后可准确在线监测电池内阻。测量 模块安装在电池附近，与控制模块之间通讯连接，方便现场接线安装。 对蓄电池的在线监测已经成为了蓄电池应用领域研究的重点，核心是如何 实时准确的监测到蓄电池的运行参数，并通过对参数的分析，检出问题蓄电池， 以对蓄电池进行及时的维护，保证供电系统的正常运行。 1 2 2 蓄电池在线监测技术的两个发展趋势 1 远程管理 随着无人值守变电站的推广，电池的在线监测更加必要。电池监测设备可 以和集中监控系统联机，通过远程管理软件可以查看电池的当前运行状况和所 记录的历史运行事件，及时得知监测过程发出的报警信息，决定是否派人维护， 也可以通过远程遥控进行更深一步的测试。 2 在线维护 对于在监测过程中发现的异常情况需要及时处理，以提高蓄电池的使用寿 命，确保电源系统的可靠性。目前的充电机大多都能准确控制浮充电压，一部 分还能进行温度补偿。运行中常见的问题是电池组的个别电池浮充电压偏低， 最直接的方法是在线补充电。在总组电压不变的情况下，使用专用的充电器可 以自动对落后电池充电至合适的电压。 1 3 本文研究的主要内容 武汉理。 大学硕士学位论文 蓄电池的在线监测是供电系统运行维护中的一项重要的工作。本文结合珠 海某电源生产企业的阀控式铅酸蓄电池产品的检测要求，拟从以下几个方面展 开研究工作： ( 1 ) 阀控式蓄电池在线监测必要性的分析； ( 2 ) 阀控式蓄电池技术参数与其关系分析； ( 3 ) 阀控式蓄电池( 组) 电压与充放电电流及湿度实时监测方法分析； ( 4 ) 阀控式蓄电池内阻在线监测原理和方法的设计与仿真； 1 4 小结 本章分析了实施阀控式铅酸蓄电池在线监测方法研究的意义，并综述了国 内外蓄电池监测的现状及趋势，最后提出了本文研究的主要内容。 6 武汉理丁大学硕七学位论文 第2 章阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 2 1 阀控式铅酸蓄电池的工作原理 阀控式铅酸蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅( p b 0 2 ) ，负极板上的活 性物质为纯铅( p b ) ，电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定的比例配制而成。因为正、 负极板上的活性物质的性质不同，当两种极板放置在同一硫酸溶液中时，各自 发生不同的化学反应而产生不同的电极电位。 在电池内部，正极和负极通过电解质构成电池的内电路；在电池外部接通 两极导线和负载构成电池的外部电路用。 2 1 1 阀控式铅酸蓄电池的化学反应原理 阀控式铅酸蓄电池的化学反应原理是充电时将电能转换成化学能在电池内 储存起来，放电时将化学能转换成电能供给外系统。其充电和放电过程时通过 化学反应完成的。 1 放电过程的化学反应 p 6 d 2 + 2 也$ 0 4 + p b 丝皇_ p b s 0 4 + 2 吼0 + p b s 0 4( 式2 - - i ) 正极硫酸负极正极 水负极 从式2 1 可以看出，蓄电池在放电过程中，正、负极板上的活性物质都不 断的转变为硫酸铅。由于硫酸铅的导电性能比较差，所以放电以后，蓄电池的 内阻增加。此外，在放电过程中，由于电解液中的硫酸逐渐变成水，所以电解 液的比重逐渐下降，电动势逐渐降低。至放电终了时，蓄电池的端电压从2 v 下 降到1 8 v 左右。蓄电池的内部电流是离子流，其方向和正离子移动的方向一致。 2 充电过程的化学反应 p b s 0 4 + 2 2 0 + p b s 0 4 与p 6 d 2 + 2 h 2 s 0 4 + p b ( 式2 - - 2 ) 正极水负极正极硫酸负极 7 武汉理工大学硕七学位论文 从式2 2 可以看出，充电过程中，正极板上的硫酸铅( p b s 0 4 ) 逐渐变为 二氧化铅( p b 0 2 ) 。负极板上的硫酸铅逐渐变为海绵状铅( p b ) 。同时电解液中 的硫酸分子逐渐增加，水分子逐渐减少，因此，电解液的比重逐渐增加，蓄电 池的电动势也逐渐增加。 充电过稃后期，极板上的活性物质大部分已经还原，如果再继续大电流充 电，充电电流只能起分解水的作用。这时，负极板上将有大量的氢气( h 2 ) 逸 出，正极板上将有大量氧气( 0 2 ) 逸出，蓄电池产生剧烈的冒气。不仅要消耗 大量电能，而且由于冒气过甚，会使极板活性物质受冲击而脱落。所以应避免 充电终期电流过大。 铅酸电池的工作( 即充电和放电) 原理，可以用。双硫酸化理论”来说明。 双硫酸化理论的含义是：铅酸蓄电池在放电时，两极活性物质与硫酸溶液 发生作用，都变成硫酸化合物一硫酸铅( p b s 0 4 ) ；而充电时，两个电极上的 p b s 0 4 又分别恢复为原来的物质铅( p b ) 和二氧化铅( p b 0 2 ) ，而且这种转化过 程是可逆的。其总的化学反应方程式为： 正极 电解液 负极 前由 正极电解液负极 p b 0 2+ 2 h 2 s 0 4 + p b ：二= p b s 0 4 + 2 h 2 0 + p b s 0 4 二氧化铅硫酸海绵状铅充电硫酸铅水 硫酸铅 这样的放电与充电过程循环进行，可以重复多次，直到铅酸蓄电池寿命终 结为止。 2 1 2 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理 对于早期的传统式铅酸蓄电池，由于充电过程中，氢氧气体从电池内部逸 出，不能进行气体的再复合，需经常加酸加水进行维护；而阀控式铅酸蓄电池， 能在电池内部对氧气进行再复合利用，同时抑制了氢气的析出，因此克服了传 统式铅酸蓄电池的主要缺点。 阀控式铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计，正极在充电后期产生的氧 气通过隔板( 超细玻璃纤维) 空隙扩散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成 水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所以负极不 会由于充电而析出氢气，电池失水量很小，故使用期问不需要加酸加水维护嗍。 在阀控式铅酸蓄电池终，负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时， 8 武汉理f 大学硕士学位论文 一方面极板中的海绵状铅与正极产生的氧气( 0 2 ) 反应而被氧化成一氧化铅 ( p b 0 2 ) ，另一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反 应，由硫酸铅反应成海绵状铅( p b ) 【9 】。 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理就是t 从正极周围析出的氧气，通过电池 内循环，扩散到负极被吸收，变成同体氧化铅后，又化合为液态的水，经历了 一次大循环。 2 2 阀控式铝酸蓄电池的主要技术参数 2 2 1 阀控式铅酸蓄电池的容量 阀控式铅酸蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量常用c 表示【1 0 l 阀控式 铅酸蓄电池的容量。蓄电池容量可分为理论容量、额定容量、实际容量。 理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值。 实际容量是指阀控式铅酸蓄电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放 电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量。 额定容量也称为标称容量、保证容量，是按国家或有关部门颁发的标准， 保证阀控式铅酸蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。固定 型阀控式铅酸蓄电池一般采用l o 小时率所放出的容量为阀控式铅酸蓄电池的额 定容量，并用来标定阀控式铅酸蓄电池的型号。 v r l a 蓄电池容量定义为： q = i i d t 理论上，t 可以趋于无穷，但实际上，当v r l a 蓄电池放电低于终止电压时 仍继续放电，这可能损坏v r l a 蓄电池，故对t 值有限制。 在v r l a 蓄电池行业中，以小时或分钟表示v r l a 蓄电池可持续放电的时 间，常见的有：c u 、c 2 0 、c l o 、c 8 、c 3 、c l 等标称容量值。 然而，v r l a 蓄电池作为电源，由于其端电压是一个变值，选用安时( a 1 1 ) 表示v r l a 蓄电池的电源特性，更为准确。例如，额定容量为6 a h 的v r l a 蓄 电池，c = 6 a h ；额定容量为2 4 a h 的v r l a 蓄电池，c = 2 4 a h ，等等。 为了比较不同系列v r l a 蓄电池，常用比容量的概念，即电位体积或单位 9 武汉理_ 大学硕士学位论文 质量v r l a 蓄电池所能给出的电量，分别称为体积比容量和质量比容量。其单 位分别为a h l ( 安时升) 或a h k g ( 安时千克) 。 在恒流放电的情况下，v r l a 蓄电池容量为 q = ，t ( 式2 - 3 ) 式2 - 3 中q 枷l a 蓄电池放出的电量a h ： 卜放电电流，a ； 卜放电时间，h 。 容量的概念实质是v r l a 蓄电池能量转化的表示方式。例如，考虑到v r i a 蓄电池的端电压e 等于1 2 v 在实际使用时保持近乎不变的事实及输出能量表达 式w ( t 1 = i t = l e t ，因此，6 a h 从能量效果的角度，可理解为蓄电池在保持端电 压不变的情况下释放能力，若以6 a 电流放电可释放l h 或以l a 的电流放电6 h 。 2 2 1 阀控式铅酸蓄电池的电压 1 开路电压 v r l a 蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压f i l 】。v r l a 蓄电池的开路 电压等于蓄电池在断路时( 即没有电流通过两极时) v r l a 蓄电池的正极电位与 负极电位之差。v r l a 蓄电池的开路电压用v k 表示，即 = 岛一e ， ( 式2 - 4 ) 式2 - 4 中e 广- 、佩i ，a 蓄电池正极电位； e f l i ，a 蓄电池负极电位； 2 初始电压 初始电压是指v r l a 蓄电池在放电初始的工作电压称为初始电压。 3 放电电压 指v r l a 蓄电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称为v r l a 蓄电 池的工作电压或负荷电压。是指v r l a 蓄电池在放电时v r l a 蓄电池两端的电 压。常用v 表示 v = 一j 【j + r ，) ( 式2 - 5 ) 式2 5 中卜- 、像i 。a 蓄电池放电电流； 1 0 武汉理1 = 大学硕士学位论文 r o _ - 、像l a 蓄电池的欧姆电阻： r 广v r l a 蓄电池的极化电阻。 4 充电电压 充电电压是指v r l a 蓄电池在充电时，外电源加在v r l a 蓄电池两端的电 压。 5 浮充电压 浮充的定义为负载所需电能全由整流设备供给，并以微小电流给电池补充 充电，足以补偿电池自放电的损失。同时还要考虑到电池进行单放电之后，亦 能经过一段时间浮充，补足其电量。 不同的蓄电池有不同的浮充电压推荐值。浮充电压【1 2 1 值高意味着储能量大， 但是此值在不同的温度时应该修正。质量差的蓄电池浮充电压一般较小，人为 的提高浮充电压值有害无益。浮充电压不足意味着内部化学反应不充分，通过 不断的积累，使容量越来越小，当小到一定值时，服务寿命结束；浮充电压过 高，说明化学物质已充分反应，仍向蓄电池注入电流，则只好将其中的水电离 成氢气和氧气由气阀放出，久而久之，蓄电池因失水过多使内部离子无法移动， 最后干涸而死。 目前，对v r l a 蓄电池的浮充电压，无论是国内还是国外，通常选取2 2 3 2 2 8 v ( 2 5 。c 时) ，用户一般选取2 2 5 v 以上。因为，v 姒a 电池是密封器件， 常规反映电池容量方法，比重测量、观察极板颜色变化及化学反应程度，对v r l a 蓄电池是不可能。另外，测量浮充电压也不能有效的表示电池的容量。在没有 有效的测试手段之前，用户为安全起见，一般都选用较高的浮充电压。我们认 为，当v r l a 蓄电池电量充足时，过高的充电电压会导致v r i 。a 蓄电池过充电。 6 终止电压 放电终止电压是v r l a 蓄电池放电时电压下降到不宜再继续放电时的最低 工作电压，一般规定固定型v r l a 蓄电池1 0 小时率放电时，单体v r l a 蓄电池 放电的终止电压为1 8 v ( 相对于单体2 v 的v r l a 蓄电池) 。 2 2 3 放电时率与放电倍率 武汉理r i = 大学硕士学位论文 1 放电时率 v r l a 蓄电池放电时率是以放电时间长短来表示v r l a 蓄电池放电的速率， 即v r l a 蓄电池在规定的放电时间内，以规定的电流放出的容量。放电时率可 用可以用式2 - 6 确定 耳( ，j 、时产t j ，a - ( 式2 - 6 ) k 式2 - 6 中t - ( _ 一表示k 小时放电率； c f 嚷示k 小时放电容量，a l l ； k 一表示k 小时放电电流，a 。 2 放电倍率 放电倍率( x ) 是放电电流为v r l a 蓄电池额定容量的一个倍数。即 r j = 二( 式2 7 ) c 式2 - 7 中x 一放电倍率； i _ 放电电流； c _ _ 、瓜i 。a 蓄电池的额定容量。 为了对容量不同的v r l a 蓄电池进行比较，放电电流不用绝对值表示， 而用额定容量c 与放电制时间的比来表示，称作放电速率或放电倍率。2 0 h 制的 放电速率为c 2 0 = o 0 5 c ，单位为a 。 2 2 4 阀控式铅酸蓄电池的内阻 宏观看来，如果电池的开路电压为v k ，当用电流i 放电时其端电压为v ， 则，= ( 吆一矿) ，就是蓄电池内阻。然而这样得到的电池内阻并不是一个常数， 它不但随电池的工作状态和环境条件而变，而且还因测试的方法和测试持续时 间而异。究其实质，是因电池内阻r i ”】包括着复杂的而且变化着的成分。 理论电化学早已指出，电池在充电或放电时其端电压v 由以下3 个部分组 成的： y = + 豫。 r 栌t l n ( l l i j d ) - r 胛t l n ，l ，i 了 c 式2 渤 武汉理工大学硕士学位论文 式2 8 中的腰。称为欧姆极化，它是电池内部各组件的欧姆内阻引起的； r 胪t l n i ( 考兰7 ) 是由电极附近液层中参与反应或生成的离子的浓度变化引起的， 称为浓差极化；塑, mh f t s 1是由反应粒子进行电化学反应所引起的，称为活化o) 极化。由式2 8 可知，宏观上测出的电池内阻由3 部分组成：欧姆电阻、浓 差极化内阻和活化极化内阻r 。 欧姆电阻砭包括电池内部的电极、隔膜、电解液、连接条和极柱等全部零 部件的电阻。虽然在电池整个寿命期问它会因板栅腐蚀和电极变形而改变，但 是在每次检测电池内阻过程中可以认为是不变的。 浓差极化内阻既然是由反应离子浓度变化引起的。只要有电化学反应在进 行，反应离子的浓度就总是在变化着的，因而它的数值处于变化状态，测量方 法不同或测量持续时间不同，其测得的结果也会不同。 活化极化内阻是由电化学反应体系的性质决定的；电池体系的结构确定了， 其活化极化内阻也就定了；只有在电池寿命后期或放电后期电极结构和状态发 生了变化而引起反应电流密度改变时才有改变，但其数值仍然很小。 2 2 5 蓄电池的其他技术参数 除了上面所叙述的以外，蓄电池的技术参数还包括充放电特性曲线、使用 寿命等。充放电是对蓄电池定期检修，以判断蓄电池贮能能力的一种方法。合 理的充放电，有利于延长蓄电池的使用寿命。充放电曲线是描述蓄电池充放电 过程的曲线，它与充放电电流有密切的关系。 蓄电池的寿命是指蓄电池的工作年限，一般厂家所标定的阀控式铅酸蓄电 池的工作年限是1 5 2 0 年，但实际上，蓄电池的工作年限远低于这个年限，甚 至一半也不到。其中影响蓄电池寿命的因素有很多，诸如：电解液密度、失水、 经常存电不足和极板硫化、过多的强制性充放电循环、使用条件等。 2 3 蓄电池技术参数之间的关系 1 3 武汉理t ：大学硕士学位论文 2 3 1 内阻、端电压与容量的关系 由2 2 4 可知阀控式铅酸蓄电池的内阻是由欧姆电阻、浓差极化内阻和活 化极化内阻组成的。电池的欧姆电阻【1 5 】，主要由板栅电阻、板栅与活性物质界面 电阻、活性物质与电解液、隔膜与吸附电解液量、电池组装连接条电阻、极性 电阻等组成，并且主要决定于板栅与活性物质的界面电阻和包括隔膜在内的电 解液电阻。而浓差极化内阻和活化极化内阻可以合称为极化电阻，它和充电过 程的极化现象有关，由温度、工作电流大小决定。 由此可见，电池的内阻大小与电池所处的状态有关，与电池的剩余容量有 关。电池处于放电状态时，随着剩余容量的减少，电池活性物质也在减少，结 果使得电池的内阻增加【1 6 1 。国内外许多研究资料表明，电池内阻与电池剩余容量 有关，且与电池剩余容量成反比关系，如图2 1 所示； 图2 - - 1 电池剩余容量“a h ) 与电池内阻之间的关系 并可用式2 - 9 表示： s o c ：l + c 一b ( 式2 - 9 ) 其中，a 、b 、c 为固定系数，可由最t j 、- - 乘法等数学手段，从试验数据或实际运 行数据中总结出来。 如果不考虑充放电初期蓄电池对外电路表现的特殊特性，按照蓄电池充放 电最平缓的情况可以将内部等效电路看成一个恒定电压源和一只内电阻串联的 简化电路，如图2 2 所示： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 p 图2 2 蓄电池充放电等效电路 其中v b 为电池开路时为电池电动势，它是电池容量的一个非线性函数，可以表 示为g ( s o e ) 。而表示电池内阻。 因此，阀控式铅酸蓄电池端电压与电池剩余容量的关系为； v = + l c ( 式2 1 0 ) = o ( , o o ( 式2 - - 1 1 ) = 口+ 土= ，c )( 式2 - - 1 2 ) j ，c c 因而有： 矿= g ( s o c ) + f ( s o c ) i c ( 式2 - - 1 3 ) 其中，g ( s o t ) 与s o c 的交化方向一致，近似认为成正比；f ( s o o 与s o c 的 变化方向相反，近似成反比关系。 由此关系式可以有： ( 1 ) 当电池处于浮充状态时，i c 很小，而f ( s o c ) r p 内阻一般随容量( s o e ) 的 不同处于1 0 2 1 0 。q ，所以f c ) x 毛相对于g ( s o c ) 而言很小，可忽略，那么 就有矿* c ( s 0 0 ，端电压v 随着s o c 的变大而变大，变小而变小。端电压能够反 映容量的大小。 ( 2 ) 蓄电池处于放电状态时，由于电流反向，v = g ( 姘) + f ( c ) k ，显然 s o c 与v 的变化方向是一致的，端电压也能够反映容量的大小。 ( 3 ) 当蓄电池进行大电流充电时，由于电流较大，g d c ) k 的影响与g ( s 0 0 的变化量相当，且方向相反，因而v 与s o c 的变化反向可能会出现一致。 2 3 2 充电、放电、温度对蓄电池寿命的影响 1 温度对寿命的影响 高温度使用环境是使v r l a 蓄电池的实际寿命不能达到设计寿命的最主要 原因。v r l a 蓄电池温度每升高l o 。c ，恒定电压下的充电电流的接受量将增加 1 5 武汉理工大学硕十学位论文 一倍，v r l a 蓄电池寿命就会受过度充电总累积电量增加的影响而缩短。高温时， 浮充电流的增加，加快了过充电量的累积，同时也加快了板栅腐蚀速度和气体 的生成析出，从而缩短了v r l a 蓄电池的寿命。v r l a 蓄电池使用温度每升高 1 0 c ，在恒定的浮充电压下，寿命会缩短5 0 。 低温环境同样会对v r l a 蓄电池产生有害影响。v r l a 蓄电池负极活性物 质为绒状铅粒，充放电过程中，铅的溶解和结晶在电极反应过程中占重要地位。 具有