对储蓄电池充放电机理研究

对储蓄电池充放电机理研究

谭海傲,何勇,原瀚杰,张雨,董丽梦,谭麒,陆林,陈亮

广东电网有限责任公司肇庆供电局 广东肇庆 526040

摘要：随着我国经济的发展，各行各业对蓄电池和直流电源的要求也越来越高。基于储能电池成组的特点，设计一种新型的电池充放电管理系统，具有解决在电池成组技术中，单体电池电压不一致、高低温环境下电池无法正常工作、充放电回路中电压电流难以精准掌握、剩余电池容量的难以准确估算的功能，可以使电池组高效率工作并且可以延长电池使用寿命。在未来越来越多的电池种类、用电场合下，新型电池充放电管理系统，将会发挥越来越重要的作用，并且将会为国家发展清洁能源助力。本文针对储蓄电池充放电机理进行了研究。

关键词:储蓄电池；充放电机理；电池成组；

   储蓄电池在电力系统中的应用发展潜力巨大。在变电站直流供电系统中，蓄电池起着非常重要的作用。其主要功能是为变电站二次系统提供电力保障，使二次系统更加稳定、安全可靠的监测和保护，保证变电站通信设备的正常运行。因此，提高电池的稳定性，对电池的充放电进行检测和控制，保证实际提供的负载容量，保证电力设备的安全运行具有重要意义。

一、锂电池充放电工作原理

锂电池充电的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。电池容量指的就是放电容量。不难看出，在锂电池的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。如果我们把锂电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就像优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂电池一个可爱的名字摇椅式。

二、蓄电池的充电和放电过程

1、蓄电池在充电时，在外界电源的作用下，极板上的硫酸铅还原成了纯铅和二氧化铅，电解液中的水还原成硫酸，同时有大量的电子从正极板返回负极板，从而形成了充电电流。随着充电的进行，电解液中的硫酸越来越多，电解液的密度是逐渐增加的，充电越足，电解液的密度越高。但是当极板上的硫酸铅全部转化完后，电解液的密度也达到了最高，此时如果继续充电，这些电就会电解水了，生成了氢气和氧气，这就是充电过程中蓄电池里面会“冒泡”的原因。这个过程是外界的电能转化为化学能，并在蓄电池中储存起来。

2、蓄电池在放电时，硫酸与正负极板上的铅和二氧化铅发生化学反应

   生成了硫酸铅和水，在这个过程中有大量的电子从负极板流向正极板，从而形成了放电电流。由于电解液中水分的增加，电解液的密度是逐渐下降的，放电越多，电解液的密度越低。随着反应的进行，极板上的硫酸铅越来越多，反应的速度越来越慢，放电也就越来越少了；当极板上大部分被硫酸铅覆盖的时候，反应基本就终止了，这时候就是所说的“电放没了”，电解液的密度也下降到了最低。这个过程是蓄电池的化学能转化为电能的过程。

三、关于铅酸蓄电池充放电监测技术的研究

研究铅酸蓄电池充放电监测技术是相关部门的重点工作。在研究充放电控制技术之前，需要了解铅酸蓄电池的工作原理和充放电原理。铅酸蓄电池主要由以下组成：第一，铅作为负极，二氧化铅作为正极，通过硫酸作为介质，最终完成充放电功能。但是，如果不采用充放电检测技术，会导致充放电不足，影响整个铅酸蓄电池的使用。其次，了解充放电原理。目前最常用的充电方式有恒流充电、恒压充电和分阶段充电。对于三种电池充电方式，具体的充放电检测技术也有所不同。首先，必须选择铅酸蓄电池的充放电方式。而区分前两种方式，最科学合理的方式还是通过分阶段充放电比较合适，根据电流的变化，有选择地进行充放电行为。在充电过程中，由于后期充电强度不断降低，导致后期充电电流大于电解水，最终导致气体过量。恒流充电和恒压充电最终会导致不同程度的电池消耗。恒流充电对电池在充电初期有很大的影响，而恒压充电对充电后期影响较大，会严重影响电池的使用寿命。数据表明，采用分阶段充电的方法可以更好地保证铅酸蓄电池的使用寿命。铅酸蓄电池充电初期可采用恒压充电。当电池测试系统检测到一定的电池容量时，可以采用恒流充电。分段充电是当前铅酸蓄电池充放电研究的热点，在国内外已取得一定进展。

四、对储蓄电池充放电机理研究

1.通过充放电时间的把控进行控制

对充电和放电时间的控制是一种最简单的控制方法，铅酸蓄电池在使用过程中，由于使用的时间是不同的，最终导致充电和放电时间是不同的，针对电池充电和放电监测就是在这方面进行的，能够及时、有效的监测出充电和放电时间和使用寿命之间的关系 ，能很好地对时间进行控制，从而合理控制铅酸蓄电池的充放电。然而，该技术不能很好地监测和控制铅酸蓄电池的充放电，因此不能判断铅酸蓄电池的具体充放电状态。

2. 通过充电温度的把控进行控制

我们应该有这样的生活经历，在冬天，电动车电池的放电时间相对较快，而在夏天，电池的放电时间相对较长。这样，铅酸蓄电池的充放电控制也可以由温度来控制。铅酸电池的温度随着化学反应的增加而升高。改变温度可以有效地控制铅酸蓄电池的充放电行为，但这种方法精度不高，存在一定的缺点。

3.通过电压的高低进行充放电控制

首先，采用最高电压法进行充放电控制。最高电压法是指当充电过程中电压超过最高值时，停止充电行为，有效保护铅酸蓄电池不受电压控制不当引起的过度充电。但最高电压方法在操作的过程中，变量太单一，并不能很充分地进行充放电控制，因此我们还可以通过负电压增量法进行充放电控制，其原理在于，在充电过程中，电压如果达到了最大值，但仍然继续进行充电，其电压不增反降，这就为负电压增量法提供了可行性依据，所以对于负电压增量的监测就可以有效地进行充放电控制。

4. 通过综合因素进行充放电把控

上述三种方法均为充放电控制方法，但由于变量过于单一，不适合对铅酸蓄电池充放电进行及时有效的控制。那么如何进行科学合理的控制就是要解决的问题，通过三种方法的结合，按照变量的不同进行分阶段、分情况的控制，在电池面临多种因素的影响下，无论是温度还是电压，以及充电设备的异常状况，都可以很好地进行充放电的把控，总结下来，只有这样才能够充分地对铅酸蓄电池充放电进行合理控制，才能够更好地延长铅酸蓄电池的使用寿命。针对于铅酸蓄电池的研究力度越来越大，铅酸蓄电池组的有效运用可以促进新能源汽车领域的发展，目前这块的技术发展很迅猛，但仍然存在着一些技术弱点，这些弱点将是铅酸蓄电池充放电检测与控制的拦路石。

结论:

综上所述，根据现阶段我国实际情况，需要进一步提高电池成组技术应用的可行性，积极推进示范工程的试点运行工作，为电池储能系统的进一步技术发展和理论深化提供充分的实验数据与平台支撑。未来需重点加快大容量单体电池研制，简化电池模块的串并联连接，模块标准化应用；更好地解决电池一致性差异大及状态辨识可靠性不高等问题。

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