蓄电池充放电原理及其相关知识点

1、1蓄电池的发展背景在全球能源危机和环境污染的背景下， 电力储能在基于可再生能源的分布式发电系统和 电动汽车中发挥着越来越重要的作用。 要大力发展新能源， 储能技术是关键。 储能技术引起 了各国的重视，并得到了广泛的关注。我国汽车产业的高速发展，给蓄电池行业带来空前的机遇。汽车业 “十二五” 规划的提 出，在未来五年里， 国家将大力扶持传统燃料的节能环保汽车、 以纯电动车为主的新能源汽 车。十二五计划提出，一是要大力发展新兴能源产业，加快核电建设，大力发展风能、太阳 能和生物质能，改善城乡居民的用电条件，加强广大农村地区的能源建设。在第三次中美战略与经济对话上， 中美双方就能源合作达成了多项共识

2、， 将深入开展清 洁能源的生产和存储、 智能电网技术、 大规模风电开发以及高效能源解决方案等方面的务实 合作。这一合作的建立，意味这中国相关企业将有可能打开美国能源市场。中美新能源合作带来大机遇，蓄电池行业潜力大。2 蓄电池的基本概念（1）蓄电池定义：蓄电池 （Storage Battery） 是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计 的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常是指铅酸蓄电池， 它是电池中的一种， 属于 二次电池。 它的工作原理： 充电时利用外部的电能使内部活性物质再生， 把电能储存为化学 能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。它用填

3、满海绵状铅的铅基板栅 （又称格子体） 作负极， 填满二氧化铅的铅基板栅作正极， 并用密度 1.26-1.33g/mlg/ml 的稀硫酸作电解质。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧 化反应，生成硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，生成硫酸铅。电池在用直流电充电 时，两极分别生成单质铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电 池。铅蓄电池是能反复充电、放电，它的单体电压是2V，电池是由一个或多个单体构成的电池组，简称蓄电池，最常见的是6V、12V蓄电池，其它还有 2V、 4V、8V、24V 蓄电池。如汽车上用的蓄电池 （俗称电瓶） 是6个铅蓄电池串联成 12V的电池组。 对于传

4、统的干荷铅蓄 电池（如汽车干荷电池、 摩托车干荷电池等） 在使用一段时间后要补充蒸馏水，使稀硫酸电 解液保持 1.28g/ml 左右的密度；其使用直到寿命终止都不再需要添加蒸馏水。（2）电池电压：a 开路电压：电池在开路状态下的端电压。b 工作电压：电池接通负荷后在放电过程中显示的电压。工作电压与放电条件有关， 放电电流越大，工作电压越低；温度越低，工作电压越低。（3）电池的容量：通常电源设备的容量用 Kv·A 或 kW来表示。然而，作为电源的 VRLA 电池，选用安时（ A· h）表示其容量则更为准确，蓄电池容量定义为t0tdt ，理论上 t 可以趋于无穷， 但实际上当电

5、池放电低于终止电压明仍继续放电， 这可能损坏电池， 故 t 值有 限制，电池行业中，以小时（ h）表示电池的可持续放电时间，觉的有C24、C20、C10、C8、C3、 C1等标称容量值。小电池的标称容量以毫安时（mA·h）计，大电池的标称容量则以安时（ A·h）、千安时（ kA·h）计，电信工业常取 C10、C8等标称容量值。例如，常见的 Deka 电池 12AVR100SH为 12V单体， 100 A·h 容量，即可持续放电 10h，电流为 10A,共放出安时 数为 10*10=100 A · h（实际测试中，为使电流值保持恒稳，当电压变化时

6、，应调整外电路 负载，以便计量）a 电池的理论容量： 活性物质按法拉第定律而得的最高理论值。 例如铅酸蓄电池的电化 当量对于 Pb，4价为 0.517 A·h/g ，2价为 0.259 A·h/g ，对于 Pb02，4价为 0.488 A·h/g ，2 价为 0.224 A · h/g 。b 电池的实际容量： 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电流时 间的成绩。 实际容量取决于活性物质的量及利用率，活性物质与铅板相关，但并 不等同于铅重量，利用蓄与蓄电池极板的结构形式、放电电流的大小、温度、终 止电压、原材料质量及制造工艺、技术和使用

7、方法有关，而且是变化的，当今， 已知单块极板最大容量为 100 A· h/2V。c 电池的额定容量： 又称为标称容量， 是按国家或有关部门颁布的标准， 保证电池在一 定条件下的最低限度的容量，例如， 97 A·h 电池标称 100 A· h，而有些厂家的电池则是在 使用几个循环之后，实际容量达到或超出标称容量。正常情况下，三者的关系是：理论容量实际容量 额定容量（4）电池的内阻： 电流通过电池的内部时受到阻力， 使电池的电压降低。 电池的内阻不是常数， 因为活性 物质的组成、 电解液温度和浓度都在不断的变化。 内阻可分为欧姆内阻和极化阻， 欧姆内阻 符合欧姆定律；

8、极化内阻随着放电流的增大而增大，但不是直线关系而是对数关系。（5）充放电：a 充电：蓄电池从其化直流电源（如充电器）获得电能电做充电。b 放电：蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。c 浮充放电：蓄电池和其他直流电源并联，对外电路输出电能叫做浮充放电，有不间 断供电要求的设备，起备用电源作用的蓄电池都处于该种放电状态。（ 6）放电率：放电率表示蓄电池放电电流大小， 分为时间率和电流率， 放电时间率指在一定放电枪兵 上蓄电池放电至放电终止电压的时间长短， 例如在 25环境下如果蓄电池以电流 It 放电至 放电终止电压的时间为 t 这一放电过程称为 t 小时率， 放电 It 称为 t 小时率放电电流，

9、 IEC 标准，放电时间率有 20、10、 5、3、1、0.5 小时率及分钟率，放电电流率是为了比较额定 容量不同的蓄电池电流大小而设立的， t 小时率放电电流以 It 表示，通常以 10 小时率电流 为标准 I10 表示。a 自由放电率： 由于电池的局部作用造成的电池容量的消耗， 容量损失与搁置之前的容 量之比，叫做蓄电池的自由放电率。（ 7）放电终止电压：在 25环境温度下以一定的放电率放电至能再反复充电使用的最低 电压称为放电终止电压， 一般 10 小时率蓄电池单体放电终止电压为 1.8V,3 小时率蓄电池单 体放电终止电压为 1.8V ， 1 小时率芳电池单体放电终止电压为 1.75V

10、。（ 8）电量效率：是指输出电量与输入电量之间的比叫做电池的电量效率，也叫做安时效 率。（ 9）使用寿命：蓄电池每充电、放电一次，叫做一次充放电循环，蓄电池在保持输出一 定的容量的情况下所能进行的充放电循环次数，叫做蓄电池的使用寿命。3 蓄电池的种类蓄电池的种类大致可以为：铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池、镍镉 电池、钠硫蓄电池、镍锌蓄电池、锌空气蓄电池、飞轮电池。（ 1）铅酸蓄电池： 铅酸蓄电池的发展历史最久用于最广泛的一种电池，广泛用用于内燃机汽车的起动动力源。 它也是成熟的电动汽车蓄电池， 它可靠性好、 原材料易得、 价格便宜； 比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。

11、但它也存在很大的缺点； 一是比能量低， 所 占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短； 另一个是使用寿命短，使用成本过高；属 于强酸型，污染严重。（2）镍氢蓄电池：镍氢蓄电池属于碱性电池，镍氢蓄电池循环使用寿命较长，无记忆 效应， 但价格较高。 它的初期购置成本虽高， 但由于其在能量和使用寿命方面的优势， 因此 其长期的实际使用成本并不高。目前国外生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovonie 、丰田和松下的一个合资公司。 Ovonie 现有 80A?h 和 130A?h 两种单元电池，其比能量达 75 80W?h/kg ，循环使用寿命超过 600 次。这种蓄电池装在几种电动汽车上试用， 其

12、中一类车 一次充电可行驶 345km，有一辆车一年中行驶了 8 万多公里。由于价格较高，目前尚未大批 量生产。国内已开发出 55A?h 和 100A?h 单元电池，比能量达 65 W?h/kg ，功率密度大于 800W/kg 的镍氢蓄电池。（ 3）锂离子电池：锂离子二次电池作为新型高电压、高能量密度的可充电电池，其独 特的物理和电化学性能， 具有广泛的民用 （如手机电池） 和国防应用的前景。其突出的特点 是：重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长。在同体积重量情况下，锂电池的 蓄电能力是镍氢电池的 1.6 倍，是镍镉电池的 4 倍，并且目前人类只开发利用了其理论电量 的 20% 30%

13、，开发前景非常光明。同时它是一种真正的绿色环保电池，不会对环境造成污 染，是目前最佳的能应用到电动车上的电池。（ 4）镍镉电池：镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池， 其比能量可达 55W?h/kg ， 比功率超过 190W/kg。可快速充电， 循环使用寿命较长， 是铅酸蓄电池的两倍多， 可达到 2000 多次，但价格为铅酸蓄电池的 45 倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿 命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。缺点是有“记忆效应” ，容易因为充放 电不良而导致电池可用容量减小。 须在使用十次左右后， 作一次完全充放电， 如果已经有了 “记忆效应” ，应连续作 35 次

14、完全充放电， 以释放记忆。 另外镉有毒， 使用中要注意做好 回收工作，以免镉造成环境污染。（ 5）钠硫蓄电池：钠硫电池的优点：一个是比能量高。其理论比能量为760W?h/kg ，实际已大于 100W?h/kg ，是铅酸电池的 3 4 倍；另一个是可大电流、高功率放电。其放电电 流密度一般可达 200300mA/mm2,并瞬时间可放出其 3 倍的固有能量； 再一个是充放电效率 高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应， 充放电电流效率几乎 100。钠硫电池缺点， 主要其工作温度在 300 350，所以，电池工 作时需要一定的加热保温。 而高温腐蚀严重， 电池

15、寿命较短。 现在已有采用高性能的真空绝 热保温技术，可有效地解决这一问题。也有性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。在 80 90 年代，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下（如电站储能）应用，并越来越显示 其优越性。（6）镍锌蓄电池：新型密封镍锌电池具有高质量能、高质量功率和大电流放电的优势。 这种优势使得镍锌电池能够满足电动车辆在一次充电行程、爬坡和加速等方面对能量的需 求。镍锌电池是美国国家能源研究公司 （ERC）开发和生产的产品，厦门电池总厂已与其合作 引进此产品。镍锌电池是极具竞争力的电池。其优点：是其比能量达到 50Wh/k 以上，体积 能量已超过镍镉电池，小于镍氢电池。大电流放电，

16、电池的电压将在宽广的范围是平衡的， 且具很长的使用寿命，循环寿命 500 次。充电时间 3.5h ，快速充电 1h。特别值得一提 的是自放电抗电荷量衰减性十分好， 在室温下一个月， 自放电量不到 30%额定电荷量。在 50 高温，以 C/3 放电，电池电荷量衰减 10%额定电荷量，而在 15， C/3 放电 30%。镍锌 电池与铅酸电池外廓上具有很好的兼容性， 凡现在应用铅酸电池的车辆， 均可换用镍锌电池。 从现在的价格看，镍锌还显稍贵些， 但相信待其应用量上去后，价格自然会降下来。与铅酸 电池外形轮廓的兼容性，使镍锌电池更方便替代铅酸电池而成为电动车理想动力电源。（ 7）锌空气蓄电池： 锌空

17、气电池又称锌氧电池，是金属空气电池的一种。锌空气电池比 能理论值是 1350W?h/kg ，现在的比能量已达到了 230Wh/kg，几乎是铅酸电池的 8 倍。可见 锌空气电池的发展空间非常大。 锌空气电池只能采取抽换锌电极的办法进行 “机械式充电” 。 更换电极的时间在 3min 即可完成。换上新的锌电极， “充电”时间极短，非常方便。如此种 电池得到发展， 省去了充电站等社会保障设施的兴建。锌电极可在超市、电池经营点、 汽配 商店等购买，对普及此电池电动车十分有利。这种电池具有体积小，电荷容量大，质量小， 能在宽广的温度范围内正常工作，且无腐蚀， 工作安全可靠， 成本低廉等优点。现在试验电

18、池的电荷容量仅是铅酸电池的 5倍，不甚理想。 但 5 倍于铅酸电池的电荷量已引起了世人的 关注，美国、墨西哥， 新加坡及一些欧洲国家都已在邮政车、 公共汽车、 摩托车上进行试用， 也是一极有前途的电动车用电池。( 8)飞轮电池：飞轮电池是 90 年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限， 用物理方法实现储能。 当飞轮以一定角速度旋转时， 它就具有一定的动能。 飞轮电池正是以 其动能转换成电能的。 高技术型的飞轮用于储存电能， 就很像标准电池。 飞轮电池中有一个 电机， 充电时该电机以电动机形式运转， 在外电源的驱动下， 电机带动飞轮高速旋转， 即用 电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从

19、而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运 转，在飞轮的带动下对外输出电能， 完成机械能 (动能 ) 到电能的转换。 当飞轮电池出电的时， 飞轮转速逐渐下降，飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高 (200000r/min) ，使 用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能可达 150W?h/kg ，比功率达 5000 10000W/kg，使用寿命长达 25年，可供电动汽车行驶 500 万公里。4 蓄电池的工作原理铅酸蓄电池已经被广泛地应用到内燃机汽车的起动动力源领域， 现在我们将主要介绍铅 酸蓄电池的工作原理。(1)构成铅蓄电池之主要成份如下： 阳极板(过氧化铅 .PbO2) -&g

20、t; 活性物质； 阴极板(海绵状铅 .Pb) -> 活性物质； 电解液(稀硫酸) -> 硫酸( H2SO4) +蒸馏水( H2O)； 电池外壳 、盖( PP ABS阻燃)、隔离板 (AGM)、安全阀、正负极柱、正负极柱等。 (2)化学原理： 化学反应方程式如下： 总反应： Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)+2H2O(l) 放电时：负 Pb(s)-2e-+SO42-(aq)=PbSO4(s)正 PbO2(s)+2e-+SO42-(aq)+4H+(aq)=PbSO4(s)+2H2O(l) 充电时(电解池) ：阴极 PbSO4(s)+2e-=Pb(s)

21、+SO42-(aq)阳极 PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=Pbo2(s)+SO42-(aq)+4H+(a 注(充电时阴极为放电时负极)(3) 铅 酸蓄电池电动 势的产生 : 铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅(PbO2) ，在硫酸溶液中水分子的作用下， 少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质氢氧化铅(Pb(OH)4 )，氢 氧根离子在 溶液中， 铅离子(Pb4+ ) 留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电 后 ，负 极 板 是 铅 (Pb) ，与 电 解 液 中 的 硫 酸 (H2SO4) 发 生 反 应 ， 变 成 铅 离 子 (Pb2+) ， 离子转移到电解液中，负 极板

22、上留下多余的 2个电子(2e) 。可 见，在 未接通外电 路时(电池开路)，由于化学作用，正极板上缺少电子，负 极板上多余电子，两极 板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。(4) 铅 酸 蓄电池放 电过程的电化 反应: 铅酸蓄电池放电 时，在 蓄电池的电位差 作用下 ，负 极板上的 电子经负 载进入正极板形 成电流 ，同时在电 池内部 进行化学反应 。负极板 上每个铅 原子放 出两个 电子后，生成的铅离子(Pb2+) 与电解液中的硫酸根 离子(SO42-) 反应，在极板上 生成难溶 的硫酸铅(PbSO4 ) 。正极板的铅离子(Pb4+ ) 得到来自负极的两个电子 (2e) 后，变 成二

23、价铅离子 (Pb2+ )，与 电解液中的硫酸根离子(S042-) 反应，在 极 板上生成 难溶的硫酸铅(PbSO4 ) 。正极板水解出的氧离子(O2-) 与电解液中的氢 离 子 (H+) 反 应 ，生 成 稳 定 物 质 水 。电 解 液 中 存 在 的 硫 酸 根 离 子 和 氢 离 子 在 电 力 场 的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整 个回路形成，蓄 电池 向外持续 放电。 放电时 H2SO4浓度不断 下降， 正负极上的硫酸 铅 (PbSO4) 增加， 电池内阻增大(硫酸铅不导电)，电解液浓度下降，电池电动势降低。如图 1 所示。图1：放电原理图图2：充电原理图表1：充

24、放电过程概述表(4)铅 酸 蓄电池充电过程 的电化 反应:充 电 时 ，应 在 外 接 一 直 流 电 源 ( 充 电 极 或 整 流 器 ) ，使 正 、负 极 板 在 放 电 后 生 成的物质 恢复成 原来的活 性物质 ，并把外界的电 能转变为 化学能 储存起 来。在正 极 板 上 ，在 外 界 电 流 的 作 用 下 ，硫 酸 铅 被 离 解 为 二 价 铅 离 子 (Pb2+) 和 硫 酸 根 负 离 子 (S042-) ， 由 于 外 电 源 不 断 从 正 极 吸 取 电 子 ， 则 正 极 板 附 近 游 离 的 二 价 铅 离 子 (Pb2+ )不断放出 2 个电子来补充，变成

25、四价铅离子(Pb )，并与水继续反应，最 终在正极极板上生成二氧化铅(PbO2) 。在 负极板上，在 外界电流的作用下，硫酸 铅被离 解 为二价 铅离子(Pb2+) 和 硫酸根 负 离子 (SO42-) ， 由于负极 不断从 外电源 获 得 电 子 ，则 负 极 板 附 近 游 离 的 二 价 铅 离 子 (Pbz+) 被 中 和 为 铅 (Pb) ，并 以 绒 状 铅 附着在负极板上。电解液中，正极不断产生游离的氢离子 (H+) 和硫酸根离子 (SO42-) ，负极不断产生硫酸根离子(SO42-) ，在 电场的作用下，氢 离子向负极移 动 ，硫 酸 根 离 子 向 正 极 移 动 ，形 成

26、电 流 。充 电 后 期 ，在 外 电 流 的 作 用 下 ，溶 液 中 还会发生水的电解反应。如图 2 所示。(5) 铅 酸蓄电池充放电后电解液的变化 : 铅酸堑在充电时，在电能的作用下，转化为 PbO2 、Pb 和 H2SO4也就是说 充电是由电能转化为化学能的过程。放电时，正极板接受了负极板送来的电子， 铅离子有正 4 价变为正 2 价。与硫酸根接触生成难溶于水的 硫酸铅，负极 的铅由于输出2个电子，变成正 2价。同样也生成硫酸铅。也就是说放电时，再 由贮存的化学能转为电能。蓄电池在充电过程中，或 在充电终了时，电 极上会伴 随着水的 分解反 应。其原因 是因为 铅酸电池正极 充电接受

27、能力较 差，一旦 正极充 电状态达 到 70%时 ，氧气开 始在正 极上析出。负 极充电状 态超过 90%时， 氢气在 负极上析 出。一般地讲，正电极充电到额定电量的 120%时。才能达到完全充电 状态，所以，铅酸电池每次充电均会产生水的分解反应消耗水，因 此定期补水维 护不可避免。(6) 铅 酸蓄电池充放 电后电 解液的 变化:铅酸蓄电池放电 时，电 解液中的 硫酸不 断减少，水逐渐增 多，溶液 比重下 降。 铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。 在实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。( 7)物理量联系 电量与电压的关系： 蓄电池的

28、剩余电量可通过测量蓄电池的电压粗略地得出。车 用 12V 铅酸蓄电池电压与剩余电量的关系见下表：电压(v)剩余电 量12.7100%12.590%12.480%12.370%12.260%12.150%11.940%11.830%11.620%11.310%10.50% 内阻与容量关系：蓄电池内阻与容量之间的关系其中有两种含义：一是电池内阻跟 额定容量的关系； 二是同一型号电池的内阻跟荷电态 SOC的关系。 十多年前人们曾经试图利 用阀控密封铅酸蓄电池内阻 （或电导） 的变化去在线检测电池的容量和预测电池寿命， 但却 未能如愿； 人们对动力电池的大电流放电能力提出了越来越高的要求， 这就要求尽

29、可能降低 电池内阻，因而将进一步探索和阐明一些常用蓄电池内阻与容量之间的内在关系。 阀控密封铅酸蓄电池 当前阀控密封铅酸蓄电池已逐步取代开口式流动电解液铅酸蓄电池， 广泛用于邮电通信 电源、 UPS、储能电源系统等。动力型阀控密封铅酸蓄电池不仅已广泛用于电动助力车。这 些领域都要求在线检测蓄电池的荷电态 蓄电池的内阻跟荷电态的关系：蓄电池的荷电态 SOC指的是电池可以放出的容量跟其额定容量的比。这一数据对邮电通信电源系统和正在使用的动力电池组十分重要。1992 年 David Feder 发表了用 MIDTrONic Celltronand Midtron电导测试仪对阀控密封铅酸蓄电池 （ V

30、RLA）的测试和统计结果。 由此有人提出对于在线使用的阀控密封铅酸蓄电 池，可以用测得的电导值去推测它们的剩余容量。 虽然十多年前本人从客观实际出发已多次 对这一观点提出了否定的看法，而后被众多的同行专家所认可。（8）电流和温度对蓄电池充放电特性的影响： 从事光伏发电和风力发电系统开发必然对铅酸蓄电池充放电特性非常熟悉， 但充放电电 流变化对蓄电池充放电特性的影响往往被忽略或重视不够， 然而恰恰就是系统中蓄电池充放 电电流的不断变化和波动影响着充放电保护器的有效性。 电流和温度对蓄电池充电特性的影响：a 铅酸蓄电池充电特性铅酸蓄电池充电特性如图 3 所示：图 3 铅酸蓄电池充电特性图 4 铅酸

31、蓄电池放电特性由充电曲线可以看出， 蓄电池充电过程有 3个阶段， 初期（OA）电压快速上升， 中期 （ABC）电压缓慢上升，延续较长时间， C点开始为充电末期 , 电化学反应接近结束 , 电压开始迅速上 升，接近 D 点时，负极析出氢气，正极析出氧气，水被分解。上述所有迹象表明D 点电压标志着蓄电池已充满电，应立即停止充电，否则将给铅酸蓄电池带来损坏。b 电流对蓄电池充电特性的影响 :图 3 所示的铅酸蓄电池的充电特性， 将随着充电电流的大小而改变， 在同一温度下， 当 充电电流增大时， 充电终了 D 点，电压将升高， 充电时间将缩短。 反之， 当充电电流减小时， 充电终了 D点， 电压将下降

32、，充电时间将延长。在光伏和风力发电系统里，蓄电池组的充电电流随着日照强弱或风力的大小时刻在改变。因此， 作为判据蓄电池充电终了的 D 点电压 也在变化。c 温度对蓄电池充电特性的影响：图 3 所示的铅酸蓄电池的充电特性， 将随着电解液温度变化而改变 " 在同一充电电流下 当温度下降时， 充电终了 D 点电压将升高，充电时间将缩短。反之， 当温度上升时充电终了 D点，电压将下降，充电时间将延长。在光伏或风力发电系统里，蓄电池的电解液温度有季 节性的长周期变化， 也有因受充电和放电影响的经常性波动， 因此作为判据蓄电池充电终了 的 D 点电压也在变化。 电流和温度对蓄电池放电特性的影响：

33、a 铅酸蓄电池放电特性 :铅酸蓄电池放电特性如图 4所示：由放电曲线可以看出 ! ，蓄电池放电过程有 3 个阶段， 开始 OE阶段电压下降较快，中期 EFG电压缓慢下降，延续较长时间， G 点后放电电压急剧 下降。 其原因首先是酸浓度降低，引起电动势降低，其次是活性物质的不断消耗， 反应面积 减小， 使极化不断增加。 此外由于硫酸铅的不断生成，使电池内阻不断增加。上述使放电电 压急剧下降的所有迹象表明 G点电压标志着蓄电池已接近放电终了，应立即停止放电 , 否则 将给铅酸蓄电池带来不可逆转的损坏。b 电流对蓄电池放电特性的影响：图 4 所示的铅酸蓄电池的放电特性， 将随着放电电流的大小而改变。

34、 在同一温度下， 当 放电电流增大时，放电终止 G 点，电压将下降，放电时间将缩短；反之，当放电电流减小时，放电终止 G点，电压将升高，放电时间将延长。在光伏或风力发电系统里，蓄电池组的 放电电流将随着系统负荷的大小经常在改变， 因此作为判据蓄电池放电终止的 G点电压也 在变化。c 温度对蓄电池放电特性的影响：图 4 所示的铅酸蓄电池的放电特性： 将随着电解液温度变化而改变， 在同一放电电流下， 当温度下降时，放电终止 G点，电压将下降，放电时间将缩短；反之，当温度上升时，放电 终止 G点， 电压将升高， 充电时间将延长。在光伏或风力发电系统里，蓄电池的电解液温度有季节性的长周期变化， 也有因

35、受充放电影响的经常性波动， 因此作为判据蓄电池放电终了 的 G 点电压也在变化。欲实现对蓄电池合理而有效的保护， 必须检测3 个参量。将依据检测端电压对蓄电池进行保护将检测端电压同时检测充放电电流的方法称为（9）蓄电池充放电保护技术分析： 从前面对铅酸蓄电池充放电特性的分析可知： 蓄电池的端电压 （ 充放电电流和电解液温度 的方法称 “电压型” 蓄电池充放电保护法， “电压 - 电流型”蓄电池充放电保护法。在一定的温度和电解液密度范围内， 铅同时蓄电池电动势又与电解液密度变化 蓄电池充放电保护原理的基本依据： 由电化学原理和国内外发表的若干论文及专利可知， 酸蓄电池的荷电状态与电解液密度变化呈

36、线性关系， 呈近似线性关系，这样可以推断铅酸蓄电池的荷电状态与其电动势变化也具有近似线性关系。在光伏发电和风力发电系统中，关注的是蓄电池的荷电状态" 并不要求准确的测定蓄电池的荷电量， 因此将荷电状态与其电动势变化具有近似线性关系的原理， 用于对铅酸蓄电池 过充电和过放电保护 " 完全可以满足工程上的要求。 “ 电压型”蓄电池充放电保护器的缺点：“电压型” 蓄电池充放电保护器必须测得静置状态下的蓄电池开路电压值， 才能准确 地判断蓄电池的荷电状态，然而 这一要求在独立运行的光伏发电和风力发电系统中很难满 足，这是因为在光伏发电和风力发电系统中， 蓄电池组经常处于充电或放电过

37、程中由于受充 电或放电电化学过程的影响， 即便蓄电池出现短时的静置状态， 其开路电压值与真实的电动 势值也相差很多。通过实验室测试观察：依据充放电电流大小的不同 " 蓄电池一般需静置 4 到 8 小时后， 其开路电压值才近似于电动势值。 基于以上理由， 不考虑蓄电池充放电状态的 单纯“电压型”蓄电池充放电保护器，其充放电保护电压阀值亦称门限电压$，很难设置得合理。当然也不能有效地防止蓄电池过充电和过放电。 电压 - 电流型 " 充放电保护原理及优点：通过以上分析可知， 由于充放电电流的存在，使蓄电池端电压产生了变化和波动，无 法检测到真实反映电动势的开路端电压值。 为此，

38、必须找出蓄电池在同一温度下， 不同充放 电电流的闭路端电压值与开路端电压值之间的相关关系。 掌握了这一相关关系后，可以通 过检测蓄电池的闭路端电压值和充放电电流值判断出开路端电压值， 即近似电动势值， 从而 推断出蓄电池的荷电状态 %蓄电池闭路端电压值与开路端电压值相关关系数据，可以通过对 蓄电池进行反复的充放电试验取得。为实现“电压 - 电流型”蓄电池保护原理，在新电路中必须设置两个阀值点（门限）即 判断蓄电池充电或放电电流大小的电流阀值和判断蓄电池过充电或过放电的电压阀值， 相 应地在电路中还需增加一个电流比较器。完善的“电压- 电流型”蓄电池保护器还应设置控制充电电流和放电电流大小的调整

39、电路。 “电压 - 电流型”蓄电池充放电保护器的优点是 " 在 蓄电池工作过程中就可以判断其其荷电状态， 从而确保了对铅酸蓄电池过充电和过放电保护 的有效性。（9）蓄电池充放电保护的温度补偿： 从前面的分析可知，电解液温度变化对蓄电池过充电和过充放电保护效果的影响不容 忽视。近年来， 光伏发电和风力发电系统中使用的蓄电池充放电保护器，多数都设置了基准电压的温度补偿电路， 但是， 在实际使用中有些充放电保护器的温度补偿功能不理想， 甚至 没有起到应有的作用。 影响温度补偿效果的因素有温度传感器的选择和设置， 温度补偿电路 的稳定性，以及信号传输噪声等。 温度传感器的选择和安装温度传感器

40、有多种类型， 常用的如热电偶、 半导体温度传感器等。 在选择时应注意温度 传感器的准确度、 灵敏度、 稳定性和安装固定的可靠性， 温度传感器的安装位置或温度测量 点的选择十分重要。 采样点的温度必须能反映电解液的温度变化， 有的充放电保护器以室内 温度作为蓄电池温度的参照点， 这是不正确的 ! ，这是因为电解液温度不仅受环境温度影响， 同时还受蓄电池充放电化学反应热的影响。 通常，温度传感器固定在蓄电池容器外表面比较 适当，这样不仅能较好地反映电解液温度的变化，而且便于安装和固定。 信号传输和噪声这里的噪声是泛指可引起信号畸变和误差的干扰信号的统称。 温度传感器信号很弱， 传 输距离又比较远，

41、 任何微小的噪声干扰都有可能使温度信号畸变， 而产生测量误差和传输误 差。因此， 必须评估温度信号在传输过程中是否受到了噪声干扰， 其中特别要注意共模干扰 在信号传输过程中的影响。 此外， 在充放电保护器中， 还要注意分析检测及放大等电子线路 接地点的安排与设置是否合理。 基准电压的稳定性 由于基准电压是确定过充和过放电电压阀值的参考电压， 该电压的精确度和稳定性极为 重要。因此， 要选用高稳定度和低温度系数的稳压二极管或其他电压基准元件。此外，由 基准电压变换为阀值电压的线路和工艺设计也很重要， 必须认真仔细和充分地进行基准电压 的精密测量与环境试验。在光伏发电和风力发电系统中，标称电压 2

42、V 的铅酸蓄电池放电前 后，其电动势最大变化范围大约是 180mV。 如果系统规定只允许蓄电池放出 50%的荷电量， 则电动势变化范围大约只有 90mV。由此可知，在交直流强电混合的光伏发电和风力发电系 统里， 蓄电池充放电保护器在承载很强的直流电（千瓦级）的同时，还需要采集和处理很弱 的毫伏级信号。 鉴于蓄电池充放电保护器所处的工作条件和环境如此苛刻， 对基准电压电路 进行认真筛选和精心调试就显得非常重要了。5 蓄电池的硫酸盐化及其失效机理（1）硫酸盐化： 由于硫酸铅在不同温度、不 同浓度硫酸介质中溶解度的变化，使 铅酸蓄电池 两极上硫酸铅晶粒变得粗大坚硬。其原因是长期搁置，不 及时充电等。

43、粗 大晶粒 的硫酸铅在充电时很难通过溶解-沉积过程分别转化成正极活性物质二氧化铅和 负极活性物质海绵状金属铅，使蓄电池容量下降甚至损坏。（2）蓄电池失效机理：随着蓄电池的使 用次数 增加，放 电容量 不断减 小，由 于人们 对电池的 使用要 求 不 对 ，所 以 报 废 标 准 也 不 相 同 。一 般 来 讲 ，正 常 使 用 电 池 ，容 量 低 于 额 定 容 量 60%。即 为报废电池，需 要维护或维修。由于电池的制造条件，使用方式有差别， 最终导致电池报废的原因也各不相同，但归纳起来的因素主要有以下五种：温度对蓄电池的影响： 蓄电池室环境温度过高，极板腐蚀就会加剧，严 重时可使电解液

44、干涸、溶化 甚至爆裂。在判定电池寿命与温度关系时，一个大致的经验是：平均温度超过 25时，每 升高 8.3 电 池的寿 命就缩短 50 。一 般的浮充电 压是以 25下设 置的，每 升高 1，浮 充电压下降 0.003V/ 单体 。充电电压对蓄电池的影响： 浮充电压主要影响电池正极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放。当 电池的浮 充电压超过一定值时，板 栅腐蚀现象加剧，进一步使电池劣化、寿 命缩短。增大 的浮充电流会产生更多的盈余气体，通过排气阀排放，从 而造成电池失水。均衡 充电时气体的产生量要比浮充充电时多几十倍，所以，如 均衡充电时间太长，会 加剧电池的失水量和板栅腐蚀，从而损坏电池。 放电对蓄电池的影响：蓄电池在放电过 程中因 为直流负荷的不 可控，致 使放电电流 不可控。实 践证 明，大电流放电释放出的容量较小，小电流放电易形成硫酸铅结晶体，过 度