认识铅酸蓄电池的基本知识

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：图4-10铅酸蓄电池的结构极板按其构造和活性物质形成方法分为涂膏式和化成式。铅酸蓄电池单体的标称电压为2V。铅酸蓄电池在充电终止后，端电压很快下降至2.3V左右。铅酸蓄电池的使用温度范围为-40～40℃。铅酸蓄电池的安时效率为85%～90%，瓦时效率为70%，它们随放电率和温度而改变。铅酸蓄电池价格较廉，原材料易得，但维护手续多，而且能量低。从技术经济性综合考虑，目前光伏电站应以主要采用铅酸蓄电池作为贮能装置为宜。

1.铅酸蓄电池的结构

铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分组成（图4-10）。极板组是由单片极板组合而成，单片极板又由基极（也称极栅）和活性物质构成。铅酸蓄电池的正负极板常用铅锑合金制成，正极的活性物是二氧化铅，负极的活性物质是海绵状纯铅。

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图4-10　铅酸蓄电池的结构

极板按其构造和活性物质形成方法分为涂膏式和化成式。涂膏式极板在同容量时比化成式极板体积小，重量轻，制造简便，价格低廉，因而使用普遍；缺点是在充放电时活性物质容易脱落，因而寿命较短。化成式极板的优点是结构坚实，在放电过程中活性物质脱落较少，因此寿命长；缺点是笨重，制造时间长，成本高。隔板位于两极板之间，防止正负极板接触而造成短路。材料有木质、塑料、硬橡胶、玻璃丝等，现大多采用微孔聚氯乙烯塑料。

电解液是用蒸馏水稀释纯浓硫酸而成。其比重视电池的使用方式和极板种类而定，一般在1.200～1.300（25℃）之间（充电后）。

容器通常为玻璃容器、衬铅木槽、硬橡胶槽或塑料槽等。

2.铅酸蓄电池的工作原理

蓄电池是通过充电将电能转换为化学能贮存起来，使用时再将化学能转换为电能释放出来的化学电源装置。它是用两个分离的电极浸在电解质中而成。由还原物质构成的电极为负极。由氧化态物质构成的电极为正极。当外电路接近两极时，氧化还原反应就在电极上进行，电极上的活性物质就分别被氧化还原了，从而释放出电能，这一过程称为放电过程。放电之后，若有反方向电流流入电池时，就可以使两极活性物质回复到原来的化学状态。这种可重复使用的电池，称为二次电池或蓄电池。如果电池反应的可逆变性差，那么放电之后就不能再用充电方法使其恢复初始状态，这种电池称为原电池。

电池中的电解质，通常是电离度大的物质，一般是酸和碱的水溶液，但也有用氨盐、熔融盐或离子导电性好的固体物质作为有效的电池电解液的。以酸性溶液（常用硫酸溶液）作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池。铅酸蓄电池视使用场地，又可分为固定式和移动式两大类。铅酸蓄电池单体的标称电压为2V。实际上，电池的端电压随充电和放电的过程而变化。

铅酸蓄电池在充电终止后，端电压很快下降至2.3V左右。放电终止电压为1.7～1.8V。若再继续放电，电压急剧下降，将影响电池的寿命。铅酸蓄电池的使用温度范围为-40～40℃。铅酸蓄电池的安时效率为85%～90%，瓦时效率为70%，它们随放电率和温度而改变。

凡需要较大功率并有充电设备可以使电池长期循环使用的地方，均可采用蓄电池。铅酸蓄电池价格较廉，原材料易得，但维护手续多，而且能量低。碱性蓄电池，维护容易，寿命较长，结构坚固，不易损坏，但价格昂贵，制造工艺复杂。从技术经济性综合考虑，目前光伏电站应以主要采用铅酸蓄电池作为贮能装置为宜。

3.蓄电池的电压

蓄电池每单格的标称电压为2V，实际电压随充放电的情况而变化。充电结束时，电压为2.5～2.7V，以后慢慢地降至2.05V左右的稳定状态。

如用蓄电池作电源，开始放电时电压很快降至2V左右，以后缓慢下降，保持在1.9～2.0V之间。当放电接近结束时，电压很快降到1.7V；当电压低于1.7V时，便不应再放电，否则要损坏极板。停止使用后，蓄电池电压自己能回升到1.98V。

电池放电时电压下降到不宜再放电时的最低电压，称为终止电压。为了防止电池不过放电而损坏极板，各种标准中在不同放电倍率和温度下放电时，都规定了电池的终止电压。后备电源系列电池10h率和3h率放电的终止电压为1.8V/单体。1h率终止电压为1.75V/单体。对于太阳能用蓄电池，针对不同型号和用途，放电终止电压设计也不一样。终止电压视放电速率和需要而定。通常，小于10h的小电流放电，终止电压取值稍高；大于10h的大电流放电，终止电压取值稍低。

4.蓄电池的容量

铅酸蓄电池的容量是指电池蓄电的能力，通常以充足电后的蓄电池放电至端电压到达规定放电终了电压时电池所放出的总电量来表示。在放电电流为定值时，电池的容量用放电电流和时间的乘积来表示，单位是安培小时，简称安时。

蓄电池的“标称容量”是按照国家或有关部门颁布的标准设计，在蓄电池出厂时规定的该蓄电池在一定的放电电流及一定的电解液温度下单格电池的电压降到规定值时所能提供的电量。通信电池一般规定在25℃环境下以10h率电流放电至终止电压。

（1）蓄电池容量与放电率的关系。

同一个电池放电率不同时，给出的容量也不同。放电率有小时率（时间率）和电流率（倍率）两种不同的表示方法。

1）小时率（时间率）：以一定的电流放完额定容量所需的时间。

蓄电池的放电电流常用放电时间的长短来表示（即放电速度），称为“小时率”，如30、20、10h率等。其中以20h率为正常放电率。所谓20h放电率，表示用一定的电流放电，20h可以放出的额定容量。通常额定容量用字母“C”表示。因而C 20表示20h放电率，C30表示30h放电率。放电电流越大，放电时间就越短，放出来的相应容量就越少。

例如某个12V的蓄电池，如果用2A放电，5h降到10.5V，则容量为

C5=2A×5h=10Ah

同样这个蓄电池，如果用1.2A放电，10h降到10.5V，则容量为

C10=1.2A×10h=12Ah

2）电流率（倍率）：指放电电流相当于电池额定容量的倍数。

例如，容量为100Ah的蓄电池，以100Ah/10h=10A电流放电，10h将全部电量放完，则电流率为0.1C10；若以100A电流放电，则1h放完，则电流率为1C10，以此类推。

根据使用条件的不同，汽车蓄电池多用20h率容量，固定型或摩托车蓄电池用10h率容量，牵引型和电动车蓄电池用5h率容量，一般光伏应用可采用20h率容量。

（2）蓄电池容量与温度的关系。

铅酸蓄电池电解液的温度对蓄电池的容量有一定的影响，温度高时，电解液的黏度下降，电阻减小，扩散速度增大，电池的化学反应加强，这些都会使容量增大。但是温度升高，蓄电池的自放电会增加，电解液的消耗量也会增加。

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图4-11　蓄电池型号说明

蓄电池在低温下容量迅速下降，通用型蓄电池在温度降到5℃时，容量会降到70%左右。低于-15℃时容量将下降到不足60%，且在-10℃以下充电反应非常缓慢，可能造成放电后难以恢复。放电后，若不能及时充电，在温度低于-30℃时有冻坏的危险。

5.蓄电池的型号

铅酸蓄电池的型号由三个部分组成：第一部分表示串联的单体电池个数，第二部分用汉语拼音字母表示的电池类型和特征，第三部分表示20h率干荷电式（C20）的额定容量（图4-11）。例如“6-A-60”型蓄电池，表示6个单格（即12V）的干荷电式铅酸蓄电池，标称容量为60Ah。表4-1为常用字母的含义。

表4-1　蓄电池常用字母的含义

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6.蓄电池的使用寿命

在独立光伏系统中，通常蓄电池是使用寿命最短的部件。

根据蓄电池用途和使用方法不同，对于寿命的评价方法也不相同。对于铅酸蓄电池，可分为充放电循环寿命、使用寿命和恒流过充电寿命三种评价方法。在可再生能源领域使用的蓄电池，主要关心前面两种。

蓄电池的充放电循环寿命以充、放电循环次数来衡量，而使用寿命则以蓄电池的工作年限来衡量。根据有关规定，固定型（开口式）铅酸蓄电池的充放电循环寿命应不低于1000次，使用寿命（浮充电）应不低于10年。

实际上蓄电池的使用寿命与蓄电池本身质量及工作条件、使用和维护情况等因素有很大关系。图4-12所示为蓄电池放电深度与循环次数关系曲线。

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图4-12　蓄电池放电深度与循环次数关系曲线

7.蓄电池的效率

在离网光伏系统中，常用蓄电池作为储能装置，充电时将光伏方阵发出的电能转变成化学能储存起来；放电时再把化学能转变为电能，供给负载使用。

实际使用的蓄电池不可能是完全理想的储能器，在工作过程中会有一定的能量损耗，通常用能量效率和安时效率来表示。

（1）能量效率：蓄电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。影响能量效率的主要因素是蓄电池的内阻。

（2）充电效率（库伦效率）：蓄电池放电时输出的电量与充电时输入的电量之比。影响充电效率的主要因素是蓄电池内部的各种负反应，如自放电。

对于一般的离网光伏系统，平均充电效率大约为80%～85%，在冬天可增加到90%～95%。这是由于：

1）蓄电池在比较低的荷电态（85%～90%）时，有较高的充电效率。

2）多数电量直接供负载使用，要比进入蓄电池效率高（实验测得的充电效率达95%）。

8.蓄电池的自放电

蓄电池在无使用情况下，电量自动减少或消失现象称为自放电。蓄电池充足电在1个月内每个昼夜容量降低超过3%，称为故障性自放电。由于正极板和负极板活性物质铅为活泼的金属粉，在硫酸溶液中发生置换氢气的反应，这种现象叫做铅自溶。产生的主要原因是：

（1）蓄电池长期存放，硫酸下沉，使极板上、下部产生电位差，引起自放电。蓄电池溢出的电解液堆积在电池盖的表面，使正、负极性形成通路。

（2）电解液不纯，蓄电池极板材料不纯，杂质与极板之间以及沉附于极板上的不同杂质之间形成电位差，通过电解液产生局部放电。

（3）电池极板活性物质脱落，下部沉积物过多使极板短路，蓄电池电解液上下分层造成自放电。

9.蓄电池的放电深度

放电深度（Depth of Discharge，简称DOD）指电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比。放电深度的高低和二次电池（蓄电电池或充电电池）的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，会导致电池的使用寿命变短，因此在使用时应尽量避免深度放电。一般情况下，光伏系统中，蓄电池的放电深度为30%～80%。

认识铅酸蓄电池的基本知识

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