引言

鉛酸蓄電池是有線通信室電源系統(tǒng)的重要組成部分,它在市電正常時(shí)存儲(chǔ)化學(xué)能量,當(dāng)市電中斷時(shí)它可將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,為用電設(shè)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(hù)數(shù)據(jù),研究蓄電池在放電維護(hù)過程中電流、截止電壓、荷電狀態(tài)等參數(shù)的變化特征,得到蓄電池健康分析報(bào)告,以便歸納總結(jié)出日后對(duì)蓄電池更為科學(xué)、安全、有效的維護(hù)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(diǎn)在于它的密封性原理,即利用負(fù)極吸收原理,通過氧氣復(fù)合循環(huán)來保證其密封性。氧氣復(fù)合循環(huán)的原理是,在充電后期,正極開始析出氧氣,當(dāng)氧氣擴(kuò)散到了負(fù)極被負(fù)極吸收,此時(shí)的反應(yīng)過程如下:

在上述充電過程中,氧氣在正極生成,擴(kuò)散后在負(fù)極被吸收的過程,就是"氧氣復(fù)合循環(huán)"。另外,負(fù)極由于活性物質(zhì)過量而在"氧氣復(fù)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(fù)極只發(fā)生如下反應(yīng):

1.2閥控式鉛酸蓄電池的失效機(jī)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(fù)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(duì)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(zhì)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(chǔ)能系統(tǒng)中,建立電池外特性的精確模型對(duì)于有效管理電池非常關(guān)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(nèi)阻,放電初期,電池電壓快速下降:在隨后較長的一段時(shí)間內(nèi),電池電壓隨時(shí)間發(fā)生近似線性變化:電池將放空時(shí),電壓隨時(shí)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(duì)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(zhì)上是非線性的。

在較長一段時(shí)間內(nèi),電池電壓隨時(shí)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(duì)于理想的光滑放電曲線,由于其非線性本質(zhì),線性段選取的越長,曲線擬合效果越差。另一方面,在實(shí)際系統(tǒng)中,測量的物理信號(hào)中會(huì)不可避免地?fù)诫s干擾信號(hào),對(duì)于具有線性規(guī)律的數(shù)據(jù),使用數(shù)據(jù)越多,線性擬合效果越好。本文參考了文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

起始段的擬合標(biāo)準(zhǔn)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(jì),使得這段放電曲線近似為一條直線,這段時(shí)間很短,暫不考慮。隨著線性段選取比例的增加,擬合標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(shí)間。

2.2放電曲線非線性段的建模

參照文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)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(shù),a1和b1用于擬合放電曲線與線性段擬合結(jié)果的殘差,a1由放電曲線形狀決定,b1由t1時(shí)刻放電曲線與線性段擬合結(jié)果的殘差決定,t1是指數(shù)項(xiàng)的時(shí)間偏移,即放電曲線線性段的截止時(shí)間。

2.3總放電曲線的建模

鑒于指數(shù)函數(shù)的特性,當(dāng)t≤t1時(shí),式(2)中指數(shù)項(xiàng)的影響很小,也就是說放電曲線的擬合曲線可以用一個(gè)統(tǒng)一的表達(dá)式表示:

3模型驗(yàn)證

由于有線通信室電話站節(jié)點(diǎn)四組蓄電池都以0.4C的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行放電,因此將本文參考文獻(xiàn)[2]中0.4C、100A條件下的擬合結(jié)果與實(shí)際放電結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

采樣電話站一樓第一組蓄電池?cái)?shù)據(jù),如表1所示。

將數(shù)據(jù)分別代入式(3)進(jìn)行方程求解,得到驗(yàn)證數(shù)據(jù),并與參考值對(duì)比結(jié)果如下,u(t)與t的關(guān)系式為:

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

4結(jié)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(guān)系的基礎(chǔ)上,建立了放電曲線數(shù)學(xué)模型。利用此方法可以估計(jì)出任意放電電流下的電壓曲線,并據(jù)此估計(jì)出電池的剩余放電時(shí)間,為科室的蓄電池更換工作提供更多指導(dǎo)依據(jù)。不可否認(rèn)的是,拋開本文討論的電壓分段曲線建模,放電時(shí)蓄電池的溫度、即時(shí)內(nèi)阻也影響著蓄電池的放電時(shí)間,如果建立溫度和內(nèi)阻模型,能進(jìn)一步準(zhǔn)確地給出更多參考依據(jù),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(nèi)阻等更多參數(shù)的放電儀。