任务2.5 蓄电池的种类、主要技术参数及工作原理

【任务目标】

（1）了解蓄电池的种类。

（2）了解蓄电池的技术参数。

（3）理解蓄电池的选型。

【相关知识】

太阳辐射存在昼夜、季节性和天气变化，因而光伏发电的输出功率和能量随时都在变动，使得用户无法获得连续而稳定的电能供应。因此，在未与公共电网连接的光伏系统，即光伏离网发电系统中，需要依赖储能装置对太阳能电池发出来的电能进行储存和调节，光伏离网发电系统中储存装置如图2.42所示。

图2.42 光伏离网发电系统中储存装置

在太阳能光伏发电系统中，常用的储能电池及器件有铅酸蓄电池、碱性蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池及超级电容器等，它们分别应用于太阳能光伏发电的不同场合或产品中。由于性能及成本的原因，目前应用最多、使用最广泛的还是铅酸蓄电池。

太阳能光伏发电系统对储能蓄电部件的基本要求：①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率高；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦具有较高的性能价格比。

2.5.1 光伏离网系统常用蓄电池的种类

蓄电池的种类很多。蓄电池按照电解液的类型分为两大类，以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸性蓄电池，由于酸蓄电池的电极主要是以铅和铅的氧化物为材料，故也称为铅酸蓄电池。另一类以碱性水溶液为电解质的蓄电池称为碱性蓄电池。

蓄电池按照其用途可分为循环使用电池和浮充使用电池。循环使用的电池有铁路电池、汽车电池、太阳能蓄电池、电动车电池等类型。浮充使用电池主要是作为后备电源。

按照蓄电池的使用环境可分为固定型电池和移动型电池。固定型电池主要用于后备电源，广泛用于邮电、电站和医院等，因其固定在一个地方，故重量不是关键问题，最大要求是安全可靠。移动型电池主要有内燃机用电池、铁路客车用电池、摩托车用电池、电动汽车用电池等。

考虑到蓄电池的使用条件和价格，大部分太阳能离网光伏系统选择铅酸蓄电池，其中阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）、胶体铅酸蓄电池和免维护蓄电池被广泛应用。由于传统铅酸蓄电池采用硫酸液为电解质，在生产、使用和废弃过程中对自然环境造成毁坏性的污染，这也是亟待进行技术改造的。

2.5.2 铅酸蓄电池的型号识别

根据JB 2599-85部颁标准的有关规定，铅酸蓄电池的名称由单体蓄电池的格数、型号、额定容量、电池功能和形状等组成，如图2.43所示，通常分为三段表示：第一段为数字，表示单体电池的串联数。每一个单体蓄电池的标称电压为2V，当单体蓄电池串联数（格数）为1时，第一段可省略，6V、12V蓄电池分别用3和6表示。第二段为2～4个汉语拼音字母，表示蓄电池的类型、功能和用途等。第三段表示电池的额定容量。蓄电池常用汉语拼音字母的含义如表2.3所示。

图2.43 铅酸蓄电池的名称组成

例如：6QA-120表示有6个单体电池串联，标称电压为12V，启动用蓄电池，装有干荷电式极板，20小时率额定容量为120Ah。

GFM-800表示为1个单体电池，标称电压为2V，固定式阀控密封型蓄电池，20小时率额定容量为800Ah。

6-GFMJ-120表示有6个单体电池串联，标称电压为12V，固定式阀控密封型胶体蓄电池，20小时率额定容量为120Ah。

虽然各蓄电池生产厂家的产品型号有不同的解释，但产品型号中的基本含义不会改变，通常都是用上述方法表示。

2.5.3 蓄电池的主要技术参数

（1）蓄电池的容量。处于完全充电状态下的铅酸蓄电池在一定的放电条件下，放电到规定的终止电压时所能给出的电量称为电池容量，以符号C表示，常用单位是安时（Ah）。通常在C的下角处标明放电时率，如C10表明是10小时率的放电容量，C60表明是60小时率的放电容量。

电池容量分为实际容量和额定容量。实际容量是指电池在一定放电条件下所能输出的电量。额定容量（标称容量）是按照国家或有关部门颁布的标准，在电池设计时要求电池在一定的放电条件下（如在25℃环境下，以10小时率电流放电到终止电压），应该放出的最低限度的电量值。

（2）放电率。根据蓄电池放电电流的大小，放电率分为时间率和电流率。时间率是指在一定放电条件下，蓄电池放电到终了电压时的时间长短。常用时率和倍率表示。根据IEC标准，放电的时间率有20小时率、10小时率、5小时率、3小时率、1小时率、0.5小时率，分别标示为20h、10h、5h、3h、1h、0.5h等。电池的放电倍率越高，放电电流越大，放电时间就越短，放出的相应容量越少。

（3）终止电压。终止电压是指在蓄电池放电过程中，电压下降到不宜再放电时（非损伤放电）的最低工作电压。为了防止电池不被过放电而损害极板，在各种标准中都规定了在不同放电倍率和温度下放电时电池的终止电压。一般10小时率和3小时率放电的终止电压为每单体1.8V，1小时率的终止电压为每单体1.75V。由于铅酸蓄电池本身的特性，即使放电的终止电压继续降低，电池也不会放出太多的容量，但终止电压过低对电池的损伤极大，尤其当放电达到0V而又不能及时充电时将大大缩短蓄电池的寿命。对于太阳能光伏发电系统用的蓄电池，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规定。通常，小于10h的小电流放电，终止电压取值稍高一些；大于10h的大电流放电，终止电压取值稍低一些。

（4）电池电动势。蓄电池的电动势在数值上等于蓄电池达到稳定时的开路电压。电池的开路电压是无电流状态时的电池电压。当有电流通过电池时所测量的电池端电压的大小将是变化的，其电压值既与电池的电流有关，又与电池的内阻有关。

（5）浮充寿命。蓄电池的浮充寿命是指蓄电池在规定的浮充电压和环境温度下，蓄电池寿命终止时浮充运行的总时间。

（6）循环寿命。蓄电池经历一次充电和放电，称为一个循环（一个周期）。在一定的放电条件下，电池使用至某一容量规定值之前，电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。影响蓄电池循环寿命的因素是综合因素，不仅与产品的性能和质量有关，而且还与放电倍率和深度、使用环境和温度及使用维护状况等外在因素有关。

（7）过充电寿命。过充电寿命是指采用一定的充电电流对蓄电池进行连续过充电，一直到蓄电池寿命终止时所能承受的过充电时间。其寿命终止条件一般设定在容量低于10小时率额定容量的80%。

（8）自放电率。蓄电池在开路状态下的储存期内，由于自放电而引起活性物质损耗，每天或每月容量降低的百分数称为自放电率。自放电率指标可衡量蓄电池的储存性能。

（9）电池内阻。电池的内阻不是常数，而是一个变化的量，它在充放电的过程中随着时间不断的变化，这是因为活性物质的组成、电解液的浓度和温度都在不断变化。铅酸蓄电池的内阻很小，在小电流放电时可以忽略，但在大电流放电时，将会有数百毫伏的电压降损失，必须引起重视。

蓄电池的内阻分为欧姆内阻和极化内阻两部分。欧姆内阻主要由电极材料、隔膜、电解液、接线柱等构成，也与电池尺寸、结构及装配因素有关。极化内阻是由电化学极化和浓差极化引起的，是电池放电或充电过程中两电极进行化学反应时极化产生的内阻。极化电阻除与电池制造工艺、电极结构及活性物质的活性有关外，还与电池工作电流大小和温度等因素有关。电池内阻严重影响电池工作电压、工作电流和输出能量，因而内阻越小的电池性能越好。

（10）比能量。比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，单位分别是Wh/kg或Wh/L。比能量有理论比能量和实际比能量之分，前者指1kg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量，实际比能量为1kg电池反应物质所能输出的实际能量，由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。比能量是综合性指标，它反映了蓄电池的质量水平，也表明生产厂家的技术和管理水平，常用比能量来比较不同厂家生产的蓄电池，该参数对于太阳能光伏发电系统的设计非常重要。

2.5.4 蓄电池的选型

能够满足光伏发电系统配套使用的蓄电池种类很多，国内目前主要使用的蓄电池为免维护铅酸蓄电池，其固有的“免维护”特性及对环境污染较小的特点，很适合于性能可靠的光伏发电系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要较强的维护能力及对环境污染较大，因此主要用于有维护能力的场合或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的过充、过放电性能，但其价格较高，仅用于较为特殊的场合。

目前离网型光伏发电系统大多采用阀控式免维护铅酸蓄电池。

【任务实施】

根据实验用的蓄电池的型号，说明型号的意义。