引言

鉛酸蓄電池是有線通信室電源系統的重要組成部分,它在市電正常時存儲化學能量,當市電中斷時它可將化學能轉換為電能,為用電設備提供直流電源。本文通過收集近兩年有線通信室的放電維護數據,研究蓄電池在放電維護過程中電流、截止電壓、荷電狀態(tài)等參數的變化特征,得到蓄電池健康分析報告,以便歸納總結出日后對蓄電池更為科學、安全、有效的維護管理方式。

1鉛酸蓄電池放電原理

1.1閥控式鉛酸蓄電池的基本原理

閥控式鉛酸蓄電池的特點在于它的密封性原理,即利用負極吸收原理,通過氧氣復合循環(huán)來保證其密封性。氧氣復合循環(huán)的原理是,在充電后期,正極開始析出氧氣,當氧氣擴散到了負極被負極吸收,此時的反應過程如下:

在上述充電過程中,氧氣在正極生成,擴散后在負極被吸收的過程,就是"氧氣復合循環(huán)"。另外,負極由于活性物質過量而在"氧氣復合循環(huán)"的作用下始終處于未充足電量狀態(tài),使氫氣不能析出,即充電過程中負極只發(fā)生如下反應:

1.2閥控式鉛酸蓄電池的失效機理

閥控式鉛酸蓄電池失效的主要原因有以下幾方面:板柵腐蝕、水損耗、板柵延伸、熱失控、負極板硫酸鹽化和電池電壓不均等,其中最常見的失效原因是正極板腐蝕。對閥控式鉛酸蓄電池性能和劣化速度影響最大的是正極部分,其腐蝕速度的影響因素主要有腐蝕膜孔尺寸、極化、變形、活性物質性能變化等。

2鉛酸蓄電池放電特性曲線

2.1放電曲線線性段的建模

在電池儲能系統中,建立電池外特性的精確模型對于有效管理電池非常關鍵,然而建模過程并不簡單。一方面,電池的外特性受到許多因素影響:另一方面,電池的可測信息非常有限。這就使得電池建模只能使用有限的信息來描述諸多相互耦合因素影響的電池特性。

本文以電話站一樓第一組蓄電池為例,在恒流放電過程中,由于電池存在內阻,放電初期,電池電壓快速下降:在隨后較長的一段時間內,電池電壓隨時間發(fā)生近似線性變化:電池將放空時,電壓隨時間發(fā)生非線性變化并快速下降,如圖1所示。這一規(guī)律對于不同類型電池、不同電流的放電電壓曲線是相同的。由于電池的非線性特性,因此放電電壓曲線本質上是非線性的。

在較長一段時間內,電池電壓隨時間發(fā)生近似線性變化,用直線擬合就可以獲得很好的效果,然而對于理想的光滑放電曲線,由于其非線性本質,線性段選取的越長,曲線擬合效果越差。另一方面,在實際系統中,測量的物理信號中會不可避免地摻雜干擾信號,對于具有線性規(guī)律的數據,使用數據越多,線性擬合效果越好。本文參考了文獻[1]中的實驗數據結果。

起始段的擬合標準差很小,這是由于放電初期電壓曲線快速下降,與此相比噪聲可以忽略不計,使得這段放電曲線近似為一條直線,這段時間很短,暫不考慮。隨著線性段選取比例的增加,擬合標準差逐漸減小,而后又快速增大,大約在55%取得最小值,換言之,選取放電曲線起始的55%作為線性段是最合適的。線性段擬合結果可用下列公式表示:

式中,a表示線性段斜率,b表示放電可虛擬初始電壓,t1表示線性段截止時間。

2.2放電曲線非線性段的建模

參照文獻[1]中的實驗結果,圖1表示的是放電曲線非線性段擬合的過程,這說明放電曲線的非線性段具有指數變化規(guī)律。放電曲線的非線性段可用下列公式表示:

式中,a和b是放電曲線線性段的擬合參數,a1和b1用于擬合放電曲線與線性段擬合結果的殘差,a1由放電曲線形狀決定,b1由t1時刻放電曲線與線性段擬合結果的殘差決定,t1是指數項的時間偏移,即放電曲線線性段的截止時間。

2.3總放電曲線的建模

鑒于指數函數的特性,當t≤t1時,式(2)中指數項的影響很小,也就是說放電曲線的擬合曲線可以用一個統一的表達式表示:

3模型驗證

由于有線通信室電話站節(jié)點四組蓄電池都以0.4C的標準進行放電,因此將本文參考文獻[2]中0.4C、100A條件下的擬合結果與實際放電結果進行對比。

采樣電話站一樓第一組蓄電池數據,如表1所示。

將數據分別代入式(3)進行方程求解,得到驗證數據,并與參考值對比結果如下,u(t)與t的關系式為:

由于組端截止電壓設置為43.2V,因此將u(t)=43.2代入上式即可算出,當t=2.08h時,u(t)=43.2V,即估算的組端電壓到達截止電壓時的放電時間約為2.08h,相較要求提前完成放電1.5h的標準,仍為不合格,建議整組更換,與蓄電池維護廠商給出的意見一致。

4結語

本文提出了一種簡單的電池放電特性建模方法,它是在分析了放電電壓曲線特征與放電電流關系的基礎上,建立了放電曲線數學模型。利用此方法可以估計出任意放電電流下的電壓曲線,并據此估計出電池的剩余放電時間,為科室的蓄電池更換工作提供更多指導依據。不可否認的是,拋開本文討論的電壓分段曲線建模,放電時蓄電池的溫度、即時內阻也影響著蓄電池的放電時間,如果建立溫度和內阻模型,能進一步準確地給出更多參考依據,因此在條件允許的情況下,建議公司更新可以監(jiān)控溫度、內阻等更多參數的放電儀。