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2023-11-03
蓄电池容量计算及组串并联设计
【摘要】：设计蓄电池容量的基本公式如下：2.蓄电池的串并联设计串联设计。为了得到正确的蓄电池容量设计，上面的基本方程必须加以修正。蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应增加。通常，铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的。
第一步：将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池的容量。
第二步：将第一步得到的蓄电池的容量除以蓄电池允许的最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度（DOD）；如果使用的是浅循环蓄电池，推荐使用50%DOD。设计蓄电池容量的基本公式如下：
2.蓄电池的串并联设计
（1）串联设计。
每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。
（2）并联设计。
当计算出了所需的蓄电池的容量后，下一步就是要决定选择多少个单体蓄电池加以并联得到所需的蓄电池容量。这样可以有多种选择，例如，如果计算出来的蓄电池容量为500Ah，那么我们可以选择一个500Ah的单体蓄电池，也可以选择两个250Ah的蓄电池并联，还可以选择5个100Ah的蓄电池并联。从理论上讲，这些选择都可以满足要求，但是在实际应用当中，要尽量减少并联数目，也就是说最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目。这样做的目的就是为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响，因为一些并联的蓄电池在充放电的时候可能会与之并联的蓄电池不平衡。并联的组数越多，发生蓄电池不平衡的可能性就越大。一般来讲，建议并联的数目不要超过4组。
目前，很多光伏系统采用的是两组并联模式。这样，如果有一组蓄电池出现故障，不能正常工作，就可以将该组蓄电池断开进行维修，而使用另外一组正常的蓄电池，虽然电流有所下降，但系统还能保持在标称电压正常工作。总之，蓄电池组的并联设计需要考虑不同的实际情况，根据不同的需要作出不同的选择。
【例4-5】 假设某光伏系统交流负载的耗电量为10kWh/d，逆变器的效率为90%，输入电压为24V。假设这是一个负载对电源要求并不是很严格的系统，使用者可以灵活地根据天气情况调整用电。选择5天的自给天数，并使用深循环电池，放电深度为80%，试确定蓄电池的容量和数量。
解： 负载耗电量=10000Wh/0.9/24=462.96Ah/d
如果选用2V/400Ah的单体蓄电池，那么需要串联的蓄电池数：
串联蓄电池数=24V/2V=12个
选用2V/400Ah的蓄电池，那么需要并联的蓄电池数：
并联蓄电池数=2893.51/400=7.23
我们取整数为8，所以该系统需要蓄电池总个数为：
12串联×8并联=96个
3.修正计算
以上给出的只是蓄电池容量的基本估算方法，在实际情况中还有很多性能参数会对蓄电池容量和使用寿命产生很大的影响。为了得到正确的蓄电池容量设计，上面的基本方程必须加以修正。对于蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的，蓄电池的容量与两个重要因素相关：蓄电池的放电率和环境温度。
（1）放电率对蓄电池容量的影响。
蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应增加。这样就会对我们的容量设计产生影响。进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量。通常，生产厂家提供的蓄电池额定容量是10h放电率下的蓄电池容量。但是在光伏系统中，因为蓄电池中存储的能量主要是为了自给天数中的负载需要，蓄电池放电率通常较慢，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100～200h。在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念。光伏系统的平均放电率公式如下：
上式中的负载工作时间可以用下述方法估计：对于只有单个负载的光伏系统，负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数；对于有多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间，加权平均负载工作时间的计算方法如下：
根据上面两式就可以计算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。
（2）温度对蓄电池容量的影响。
蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。通常，铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的。随着温度的降低，0℃时的容量大约下降到额定容量的90%，而在-20℃的时候大约下降到额定容量的50%，所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响。
如果光伏系统安装地点的气温很低，这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低，就无法满足系统负载的用电需求。在实际工作的情况下就会导致蓄电池的过放电，减少蓄电池的使用寿命，增加维护成本。这样，设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况（25℃）下蓄电池参数计算出来的容量要大，只有选择安装相对于25℃时计算容量多的容量，才能够保证蓄电池在温度低于25℃的情况下，还能完全提供所需的能量。
蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度—容量修正曲线（图4-13）。在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数，除以蓄电池容量修正系数就能对上述的蓄电池容量初步计算结果加以修正。图4-13是一个典型的温度—放电率—容量变化曲线。
图4-13 蓄电池温度—容量修正曲线图
因为低温的影响，在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度以防止蓄电池在低温下凝固失效，造成蓄电池的永久损坏。铅酸蓄电池中的电解液在低温下可能会凝固，随着蓄电池的放电，蓄电池中不断生成的水稀释电解液，导致蓄电池电解液的凝结点不断上升，直到纯水的0℃。在寒冷的气候条件下，如果蓄电池放电过多，随着电解液凝结点的上升，电解液就可能凝结，从而损坏蓄电池。即使系统中使用的是深循环工业用蓄电池，其最大的放电深度也不要超过80%。在设计时要使用光伏系统所在地区的最低平均温度，然后蓄电池生产商提供的最大放电深度-蓄电池温度关系图（图4-14）上找到该地区使用蓄电池的最大允许放电深度。通常，只是在温度低于-8℃时才考虑进行校正。
图4-14 最大放电深度—蓄电池温度关系曲线图
蓄电池容量的修正计算公式如下：
下面对每个参数进行总结分析：
1）最大允许放电深度：一般而言，浅循环蓄电池的最大允许放电深度为50%，而深循环蓄电池的最大允许放电深度为80%。如果在严寒地区，就要考虑到低温防冻问题对此进行必要的修正。设计时可以适当地减小这个值扩大蓄电池的容量，以延长蓄电池的使用寿命。例如，如果使用深循环蓄电池，进行设计时，将使用的蓄电池容量最大可用百分比定为60%而不是80%，这样既可以提高蓄电池的使用寿命，减少蓄电池系统的维护费用，同时又对系统初始成本不会有太大的冲击。根据实际情况可对此进行灵活地处理。
2）温度修正系数：当温度降低的时候，蓄电池的容量将会减少。温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25℃标准情况算出来的容量值，从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际负载的用电需求。
3）指定放电率：指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。使用供应商提供的数据，可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量。如果在没有详细的有关容量-放电速率的资料的情况下，可以粗略地估计认为，在慢放电率（C100到C300）的情况下，蓄电池的容量要比标准状态多30%。
【例4-6】 建立一套光伏供电系统给一个地处偏远的通信基站供电，该系统的负载有两个：负载一，工作电流为10A，每天工作4h；负载二，工作电流为5A，每天工作12h。该系统所处的地点的24h平均最低温度为-20℃，系统的自给时间为5天。使用深循环工业用蓄电池（最大DOD为80%）。试计算蓄电池的容量。
解：因为该光伏系统所在地区的24h平均最低温度为-20℃，所以必须修正蓄电池的最大允许放电深度。由图4-14最大放电深度-蓄电池温度的关系曲线图我们可以确定最大允许放电深度为50%。所以：
根据图4-13典型温度—放电率—容量变化曲线图，与平均放电率计算数值最为接近的放电率为50小时率，-20℃时在该放电率下所对应的温度修正系数为0.7（也可以根据供应商提供的性能表进行查询）。如果计算出来的放电率在两个数据之间，那么选择较快的放电率（短时间）比较保守可靠。因此蓄电池容量为：
根据供应商提供的蓄电池参数表，我们可以选择合适的蓄电池进行串并联，构成所需的蓄电池组。
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