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1、第第4章章 光伏蓄电池光伏蓄电池 光伏光伏蓄电池蓄电池电能电能化学化学能能 第第4章章 光伏蓄电池光伏蓄电池 光伏发电系统中，蓄电池是光伏发电系统中，蓄电池是重要组成部件重要组成部件。由于太阳光。由于太阳光变化无常，光伏发电系统的功率输出也变化无常，因此光变化无常，光伏发电系统的功率输出也变化无常，因此光伏发电系统产生的电能需要蓄电池进行储存和调节。在日伏发电系统产生的电能需要蓄电池进行储存和调节。在日照不足发电很少或需要维修光伏发电系统时，蓄电池也能照不足发电很少或需要维修光伏发电系统时，蓄电池也能够提供相对稳定的电能。蓄电池的投资占系统够提供相对稳定的电能。蓄电池的投资占系统总投资的总投资
2、的20%25%。蓄电池的合理选择、正确使用和维护等，是光蓄电池的合理选择、正确使用和维护等，是光伏发电系统设计和运行、管理中伏发电系统设计和运行、管理中至关重要至关重要的问题。的问题。 4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述4.1.1 蓄电池简介蓄电池简介 化学电池是将化学能转换为电能的装置，分为原电池和化学电池是将化学能转换为电能的装置，分为原电池和蓄电池两大类。蓄电池两大类。 原电池的活性物质只能利用一次，放完电后废弃，又称原电池的活性物质只能利用一次，放完电后废弃，又称一次电池。蓄电池放电后可以用与放电电流相反的电流进行一次电池。蓄电池放电后可以用与放电电流相反的电流进行充电，重新获得复原
3、而再次使用，又称二次电池，能量转换充电，重新获得复原而再次使用，又称二次电池，能量转换过程是可逆的。过程是可逆的。电能电能 化学能化学能4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述4.1.1 蓄电池简介蓄电池简介 蓄电池的蓄电池的分类分类：铅酸蓄电池；镉镍（：铅酸蓄电池；镉镍（NiCd）蓄电池；氢）蓄电池；氢镍（镍（NiMH）蓄电池；锂离子（）蓄电池；锂离子（Liion）蓄电池。）蓄电池。 蓄电池的主要蓄电池的主要技术指标技术指标：工作电压，放电曲线上的平台：工作电压，放电曲线上的平台电压；蓄电池容量，常用安时（电压；蓄电池容量，常用安时（A h）或毫安时（）或毫安时（mA h）表）表示；工作温区，正
4、常放电温度范围；循环寿命，正常工作示；工作温区，正常放电温度范围；循环寿命，正常工作的充、放电次数。的充、放电次数。 蓄电池的蓄电池的特性曲线特性曲线：充电曲线；放电曲线；充放电循环：充电曲线；放电曲线；充放电循环曲线；温度曲线；储存曲线；等曲线；温度曲线；储存曲线；等 光伏发电系统使用最普遍的是光伏发电系统使用最普遍的是阀控密封式铅酸蓄电池阀控密封式铅酸蓄电池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA）。）。 4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述4.1.2 铅酸蓄电池的基本概念铅酸蓄电池的基本概念 （1）单体蓄电池）单体蓄电池单体蓄电池指蓄电池的最小单元（
5、格）。单体蓄电池指蓄电池的最小单元（格）。（2）蓄电池组）蓄电池组 蓄电池组由单体蓄电池串联和并联组成，以满足存储大蓄电池组由单体蓄电池串联和并联组成，以满足存储大容量电能的需要。其作用是储存太阳电池方阵发出的电能容量电能的需要。其作用是储存太阳电池方阵发出的电能并随时向负载供电。并随时向负载供电。 （3）电池充电）电池充电电池充电是外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反电池充电是外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反应，从而把电能转化成化学能而储藏起来的操作。应，从而把电能转化成化学能而储藏起来的操作。 （4）过充电）过充电过充电是对完全充电的蓄电池或蓄电池组继续充电。过充电是对完全充电的蓄
6、电池或蓄电池组继续充电。4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述 （5）热失控）热失控 热失控是指蓄电池在恒压充电时充电电流和电池温度发热失控是指蓄电池在恒压充电时充电电流和电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏蓄电池现象。生一种积累性的增强作用并逐步损坏蓄电池现象。VRLA蓄蓄电池过充时正极产生的大量氧气在负极复合，复合反应产电池过充时正极产生的大量氧气在负极复合，复合反应产生的热使蓄电池温度进一步升高。温度升高又使电池内阻生的热使蓄电池温度进一步升高。温度升高又使电池内阻下降，导致浮充电流增大。这样，增大的浮充电流使蓄电下降，导致浮充电流增大。这样，增大的浮充电流使蓄电池温度升高，升高的温
7、度又使浮充电流增大，如此反复形池温度升高，升高的温度又使浮充电流增大，如此反复形成恶性循环成恶性循环热失控热失控。 VRLA铅酸蓄电池铅酸蓄电池“热失控热失控”故故障的原因：障的原因： 电池失水；电池失水； 单格电池提前失效故障；单格电池提前失效故障； 充电器与铅酸蓄电池组不匹配（充电器与铅酸蓄电池组不匹配（充电电压过高充电电压过高 ）；）； 电池的氧循环气路过于畅通。电池的氧循环气路过于畅通。4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述（6）放电）放电在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。 （7）活性物质）活性物质在电池放电时发生化学反应从而产生电能
8、的物质，或者在电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质，或者说是正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。说是正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。（8）板极硫化）板极硫化电池放电后未及时充电，或长时期处于半放电或充电不电池放电后未及时充电，或长时期处于半放电或充电不足，甚至过充电情况下或者长时间充电和放电都会形成难足，甚至过充电情况下或者长时间充电和放电都会形成难溶的溶的PbSO4晶体，无法恢复原来的状态晶体，无法恢复原来的状态板极硫化板极硫化。板极。板极硫化导致充电困难或电池失效。硫化导致充电困难或电池失效。 4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述 （9）容量）容量 容量是在规定的放电条件下
9、电池输出的电荷。其单位常容量是在规定的放电条件下电池输出的电荷。其单位常用安时用安时(Ah)表示。表示。 能量和比能量能量和比能量 能量能量 蓄电池的能量是指在一定放电制下，蓄电池所能蓄电池的能量是指在一定放电制下，蓄电池所能给出的能量，通常用给出的能量，通常用W表示，其单位为瓦时（表示，其单位为瓦时（W h）。）。 理论能量可以用理论容量和电动势的乘积表示；理论能量可以用理论容量和电动势的乘积表示； 实际能量为一定放电条件下的实际容量与平均工作电压的实际能量为一定放电条件下的实际容量与平均工作电压的乘积。乘积。 比能量比能量 蓄电池的比能量是单位体积或单位重量（质蓄电池的比能量是单位体积或单
10、位重量（质量）的蓄电池所给出的能量，分别称为体积比能量量）的蓄电池所给出的能量，分别称为体积比能量(W h/L)和重量比能量（和重量比能量（W h/kg）。）。 4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述 功率和比功率功率和比功率 功率功率 蓄电池的功率是指蓄电池在一定放电制下，在单蓄电池的功率是指蓄电池在一定放电制下，在单位时间内所给出的能量的大小，通常用位时间内所给出的能量的大小，通常用P表示，单位为瓦表示，单位为瓦（W）。）。 理论功率为一定放电条件下的放电电流与蓄电池电动势理论功率为一定放电条件下的放电电流与蓄电池电动势的乘积的乘积; 实际功率为一定放电条件下的放电电流与平均工作电压实际功率
11、为一定放电条件下的放电电流与平均工作电压的乘积。的乘积。 比功率比功率 是指单位体积或单位质量的蓄电池输出功率，是指单位体积或单位质量的蓄电池输出功率，分别称为体积比功率（分别称为体积比功率（W /L）和质量比功率（）和质量比功率（W /kg）。）。 比功率是蓄电池的重要的技术性能指标，蓄电池的比功比功率是蓄电池的重要的技术性能指标，蓄电池的比功率大，表示它承受大电流放电的能量强。率大，表示它承受大电流放电的能量强。4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述 （10）相对密度）相对密度相对密度是指电解液与水的密度的比值，相对密度是指电解液与水的密度的比值，用用来检验电解来检验电解液的强度。相对密度与
12、温度变化有关。液的强度。相对密度与温度变化有关。25时，满充的电时，满充的电池电解液相对密度值为池电解液相对密度值为1.265。密封式电池，相对密度值无。密封式电池，相对密度值无法测量。纯酸溶液的密度为法测量。纯酸溶液的密度为1.835g/cm3，完全放电后降至，完全放电后降至1.l20g/cm3。 大部分铅酸电池的密度在大部分铅酸电池的密度在1.11.3 g/cm3范围内，满充之后范围内，满充之后一般为一般为1.231.3 g/cm3。 高温或者低温中的电池，相对密度也会受影响。高温或者低温中的电池，相对密度也会受影响。4.1 光伏蓄电池概述光伏蓄电池概述 （11）运行温度运行温度 温度对电
13、池性能影响很大。温度对电池性能影响很大。 电池运行一段时间，就感到烫手，铅酸电池具有很强的电池运行一段时间，就感到烫手，铅酸电池具有很强的发热性。当运行温度超过发热性。当运行温度超过25，每升高，每升高10，铅酸电池的，铅酸电池的使用寿命就减少使用寿命就减少50%。所以电池的最高运行温度应比外界。所以电池的最高运行温度应比外界低，运行温度变化超过低，运行温度变化超过 5时应带温度补偿充电措施。电时应带温度补偿充电措施。电池温度传感器应安装在阳极上，且与外界绝缘。池温度传感器应安装在阳极上，且与外界绝缘。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理4.2.1 铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电
14、池的结构 结构：结构：铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液组成。液组成。 活性物质：活性物质： 正极，正极，PbO2， 负极，负极，Pb； 电解液电解液：H2SO4 电化学反应同时，电化学反应同时， e、H、HSO4 不断产生，不断不断产生，不断复合。复合。图图4-1 VRLA蓄电池的基本结构蓄电池的基本结构4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 1.极板极板极板由板栅和活性物质组成。板栅是极板的骨架，用于极板由板栅和活性物质组成。板栅是极板的骨架，用于支撑活性物质，传导电流。支撑活性物质，传导电流。 （1）正极板）正极板(阳
15、极阳极)阳极指发生阳极指发生氧化反应氧化反应的电极。铅酸蓄电池的阳极板就是的电极。铅酸蓄电池的阳极板就是正极。它是以结晶细密、疏松多孔的正极。它是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅二氧化铅作为储存电作为储存电能的活性物质，正常为红褐色，铅酸蓄电池的每个单元也能的活性物质，正常为红褐色，铅酸蓄电池的每个单元也分正极和负极，阳极是分正极和负极，阳极是放电时的负极放电时的负极，充电时的正极充电时的正极。（2）负极板）负极板(阴极阴极)负极指发生负极指发生还原反应还原反应的电极。负极板是的电极。负极板是放电时的正极，放电时的正极，充电时的负极充电时的负极。负极。负极(阴极板阴极板)是以海绵状的是以海绵状的
16、金属铅金属铅作为储存作为储存电能的物质，正常为灰色。电能的物质，正常为灰色。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 2.隔板隔板在电池两极板组间插入的隔离物，防止正、负极板相互在电池两极板组间插入的隔离物，防止正、负极板相互接触而发生短路和活性物质脱落。接触而发生短路和活性物质脱落。 隔板由防止渗透离子的材料制成，主要有隔板由防止渗透离子的材料制成，主要有AGM（超细玻（超细玻璃纤维）隔板和璃纤维）隔板和PVC-SiO2隔板两类隔板两类 3.容器容器容器用于盛装电解液和支撑极板，容器用于盛装电解液和支撑极板， 硬橡胶式及塑料槽。硬橡胶式及塑料槽。4.电解液电解液含有可移动离子
17、，具有离子导电性的液体或固体物质叫含有可移动离子，具有离子导电性的液体或固体物质叫做电解液。一般为做电解液。一般为稀硫酸稀硫酸，有一部分做成胶体。，有一部分做成胶体。 电解液电解液在铅酸蓄电池中的在铅酸蓄电池中的作用作用是：参加电化学反应；溶是：参加电化学反应；溶液液正、负离子的传导体；极板温升的热扩散体。正、负离子的传导体；极板温升的热扩散体。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理4.2.2铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池由两组极板插入稀硫酸溶液中构成。电极在铅酸蓄电池由两组极板插入稀硫酸溶液中构成。电极在完成充电后，正极板为二氧化铅，负极板为海绵状铅。放
18、完成充电后，正极板为二氧化铅，负极板为海绵状铅。放电后，在两极板上都产生细小而松电后，在两极板上都产生细小而松软的硫酸铅，充电后又恢复为原来软的硫酸铅，充电后又恢复为原来物质。物质。 铅酸蓄电池在充电和放电过程中铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是认的是“双硫酸化理论双硫酸化理论”，其含义：其含义：放电时，两电极的有效物质和硫酸放电时，两电极的有效物质和硫酸发生作用，均转化为硫酸化合物发生作用，均转化为硫酸化合物硫酸铅；充电时，又恢复为原来的硫酸铅；充电时，又恢复为原来的铅和二氧化铅，如图铅和二氧化铅，如图4-1（b）所示。）所示。 4
19、.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 1.铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池充电后，正极板的铅酸蓄电池充电后，正极板的PbO2在硫酸溶液中水分子在硫酸溶液中水分子的作用下，少量与水生成可离解的不稳定物质的作用下，少量与水生成可离解的不稳定物质氢氧化氢氧化铅铅(Pb(OH)4)，氢氧根离子在溶液中，铅离子（，氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4+ ）留在）留在正极板上，因此正极板上缺少电子。同时负极板的正极板上，因此正极板上缺少电子。同时负极板的Pb与电与电解液中的解液中的H2SO4发生反应，变成铅离子（发生反应，变成铅离子（Pb2+），铅离子），铅离子转移到
20、电解液中，负极板上留下多余的两个电子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子(2e)。可。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的一定的电位差，这就是电池的电动势电动势。铅酸蓄电池单体。铅酸蓄电池单体（格）的电动势为（格）的电动势为2.0V。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 2.铅酸蓄电池充、放电过程的电化学反应铅酸蓄电池充、放电过程的电化学反应 蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质
21、和电解液同时蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参加化学反应。铅酸蓄电池充、放电化学反应的方程式如参加化学反应。铅酸蓄电池充、放电化学反应的方程式如下下: 正极正极 电解液电解液 负极负极 正极正极 水水 负极负极放电过程：放电过程：PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4+2H2O+PbSO4充电过程：充电过程：PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4+2H2O+PbSO4 化学反应的同时，有电子和离子的产生。化学反应的同时，有电子和离子的产生。 正极：正极：PbO2+H2SO4PbSO4+H2O 负极：负极：Pb+H2SO4PbSO4+H2 总反应：总反应：Pb
22、O2+2H2SO4+Pb 2PbSO4+2H2O 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 铅酸蓄电池在充、放电过程伴随着的副反应为铅酸蓄电池在充、放电过程伴随着的副反应为2H2O 2H2+ O22Pb+ O2 2PbOPbO+H2SO4 PbSO4 +H2O 该反应使电池中水分逐渐损失，需不断补充纯水才能保该反应使电池中水分逐渐损失，需不断补充纯水才能保持正常使用。持正常使用。 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理4.2.3 铅酸蓄电池的分类和命名铅酸蓄电池的分类和命名 1.铅酸蓄电池的分类铅酸蓄电池的分类 （1）按照电解液数量和电池槽结构分类）按照电解液
23、数量和电池槽结构分类 传统开口式铅酸蓄电池：开口半密封式结构，电解液处传统开口式铅酸蓄电池：开口半密封式结构，电解液处于富液状态，使用过程中需要加水调节酸密度；于富液状态，使用过程中需要加水调节酸密度； 阀控密封式铅酸蓄电池（阀控密封式铅酸蓄电池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA）：全密封式结构，电解液为贫液状态，）：全密封式结构，电解液为贫液状态，使用过程中不需要进行加水或加酸维护使用过程中不需要进行加水或加酸维护“免维护免维护”。 AGM电池：主要采用电池：主要采用AGM（玻璃纤维）隔板，电解液（玻璃纤维）隔板，电解液被吸附在隔板孔隙内；被吸附在
24、隔板孔隙内； GEL电池：主要采用电池：主要采用PVC-SiO2隔板，电解质为已经凝胶隔板，电解质为已经凝胶的胶体电解质。的胶体电解质。 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理表表4-1 AGM电池与电池与GEL电池结构比较电池结构比较内部结构内部结构GEL电池电池AGM电池电池电解液电解液固定方式固定方式电解质由气相二氧化硅和多种电解质由气相二氧化硅和多种添加剂以胶体形式固定，注入添加剂以胶体形式固定，注入时为液态，可充满电池内所有时为液态，可充满电池内所有空间，充、放电后凝胶。空间，充、放电后凝胶。电解液吸附在多孔的玻璃纤维电解液吸附在多孔的玻璃纤维板内，而且必须是不饱和
25、状板内，而且必须是不饱和状态，隔板内态，隔板内93左右的空间充左右的空间充满电解液。满电解液。电解液量电解液量准富液设计，电解液容量比准富液设计，电解液容量比AGM电池量多。电池量多。相对于富液电池和相对于富液电池和GEL电池的电池的储液量少，贫液设计。储液量少，贫液设计。电解液电解液密度密度密度为密度为1.24g/cm3，对极板腐，对极板腐蚀轻蚀轻密度为密度为1.281.31g/ cm3，对电，对电极的腐蚀大极的腐蚀大正极板正极板结构结构制成管式或涂膏式极板制成管式或涂膏式极板制成涂膏式极板制成涂膏式极板隔板隔板PVC-SiO2隔板隔板普通普通AGM隔板隔板4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅
26、酸蓄电池结构和工作原理表表4-2 AGM电池与电池与GEL电池性能比较电池性能比较 性能特点性能特点GEL电池电池AGM电池电池浮充性能浮充性能由于电解质的量富余，其散热性由于电解质的量富余，其散热性好，没有热失控事故发生，浮充好，没有热失控事故发生，浮充寿命长。寿命长。散热性差，热失控现象时有发生。散热性差，热失控现象时有发生。循环性能循环性能100DOD循环寿命循环寿命600次以上。次以上。100DOD循环寿命循环寿命150次左右。次左右。自放电自放电自放电率为自放电率为2/月，电池在常温下月，电池在常温下可储存可储存2年。年。自放电率为自放电率为(23)/月，存放期超月，存放期超过过6个
27、月需补充充电。个月需补充充电。气体气体复合效率复合效率初期复合效率较低，但循环数次初期复合效率较低，但循环数次后可以达到后可以达到95以上。以上。气体复合效率高达气体复合效率高达99。电解液电解液分层现象分层现象无硫酸浓度分层现象，电池可以无硫酸浓度分层现象，电池可以竖直和水平安置。竖直和水平安置。有电解液分层现象，高型电池只有电解液分层现象，高型电池只能水平放置。能水平放置。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 （2）按照电池的用途分类）按照电池的用途分类 循环和启动使用电池：铁路电池、汽车电池、太阳能循环和启动使用电池：铁路电池、汽车电池、太阳能电池、电动车电池、牵引电
28、池等类型。电池、电动车电池、牵引电池等类型。 浮充使用电池：浮充电池主要是后备电池。浮充使用电池：浮充电池主要是后备电池。（3）按照电池的使用环境分类）按照电池的使用环境分类 固定型电池：主要用于后备电源，广泛用于邮电、电站固定型电池：主要用于后备电源，广泛用于邮电、电站和医院等，最大要求是安全可靠，因其使用固定在一地和医院等，最大要求是安全可靠，因其使用固定在一地方，重量不是关键问题。方，重量不是关键问题。 移动型电池：主要有内燃机车用电池、铁路客车用电移动型电池：主要有内燃机车用电池、铁路客车用电池、摩托车用电池、电动汽车及牵引车用电池等。池、摩托车用电池、电动汽车及牵引车用电池等。4.2
29、 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 2.蓄电池的命名方法、型号组成及其代表意义蓄电池的命名方法、型号组成及其代表意义 蓄电池名称由单体蓄电池格数、型号、额定容量、电池蓄电池名称由单体蓄电池格数、型号、额定容量、电池功能或形状等组成功能或形状等组成(图图4-2)。当单体蓄电池格数为。当单体蓄电池格数为1时时(2V)省省略，略，6V、12V分别为分别为3和和6。各公司的产品型号有不同的解。各公司的产品型号有不同的解释，但产品型号中的基本含义相同。表释，但产品型号中的基本含义相同。表4-3为常用字母的含为常用字母的含义。义。图图4-2 蓄电池名称的组成蓄电池名称的组成 4.2 铅酸蓄
30、电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理表表4-3 蓄电池常用字母的含义蓄电池常用字母的含义 代号代号拼音拼音汉字汉字全称全称备注备注GGu固固固定型固定型F Fa阀阀阀控式阀控式MMi密密密封密封JJiao胶胶胶体胶体DDong动动动力型动力型DC系列电池用系列电池用NNei内内内燃机车用内燃机车用TTie铁铁铁路客车用铁路客车用DDian电电电力机车用电力机车用TS系列电池用系列电池用 例：例：GFM-500，1个单体，个单体，G为固定型，为固定型，F为阀控式，为阀控式，M为密封，为密封，500为为10小时率的额定容量；小时率的额定容量；6-GFMJ-100，6为为6个单体，电压个单体，
31、电压12V，G为固定为固定型，型，F为阀控式，为阀控式，M为密封，为密封，J为胶体，为胶体，100为为10小时率的额定容量。小时率的额定容量。 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 广泛应用于太阳能、风能发电系统，太阳能路灯，广告广泛应用于太阳能、风能发电系统，太阳能路灯，广告箱等领域的蓄电池型号、规格如表箱等领域的蓄电池型号、规格如表4-4、表、表4-5所示，供选用所示，供选用参考。参考。 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理表表4-4 12V系列免维护铅酸蓄电池系列免维护铅酸蓄电池电池型号电池型号额定电压额定电压(V) 额定容量额定容量 (A h)最
32、大外形尺寸（最大外形尺寸（mm)参考重量参考重量(kg)长长宽宽高高总高总高6-GFM-40124019816617017012.56-GFM-551255229138208213166-GFM-65126533117517517821.56-GFM-751275259169220230246-GFM-901290331175225227296-GFM-10012100331174225243326-GFM-12012120407173208213376-GFM-15012150483170241241436-GFM-20012200522240219244624.2 铅酸蓄电池结构和工作原理
33、铅酸蓄电池结构和工作原理表表4-5 12V系列胶体蓄电池系列胶体蓄电池电池型号电池型号标准电压标准电压（V）20HR容量容量（A h）最大外形尺寸（最大外形尺寸（mm）参考重量参考重量(kg)长长宽宽高高总高总高6-GFMJ-40124019816617017013.56-GFMJ-551255230140215225176-GFMJ-65126535016717818522.86-GFMJ-751275260170215230256-GFMJ-85128533117521624029.56-GFMJ-1001210033117521624033.56-GFMJ-120121204051752
34、1823537.16-GFMJ-1501215048017021524146.86-GFMJ-20012200525240215245644.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理4.2.4 蓄电池的性能参数蓄电池的性能参数（铅酸蓄电池）（铅酸蓄电池）1.蓄电池的电压蓄电池的电压 （1）蓄电池电动势（）蓄电池电动势（E） 蓄电池的电动势在数值上等于蓄电池达到稳定时的开路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，它是由蓄电池电极的活性物质与电解质的电化学特电压，它是由蓄电池电极的活性物质与电解质的电化学特性决定的。性决定的。 铅酸蓄电池的电动势与硫酸铅酸蓄电池的电动势与
35、硫酸密度的关系如图密度的关系如图4-3所示。由图所示。由图可知，硫酸密度增加（在硫酸可知，硫酸密度增加（在硫酸密度为密度为1.051.300g/cm3范围范围时），蓄电池电动势的值也相时），蓄电池电动势的值也相应增加，呈线性关系。应增加，呈线性关系。 图图4-3 蓄电池电动势与硫酸密度的关系蓄电池电动势与硫酸密度的关系4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 （1）蓄电池电动势（）蓄电池电动势（E） 蓄电池的电动势可以从下面近似公式得出蓄电池的电动势可以从下面近似公式得出E0.85+d （4-1）式中，式中，0.85为为VRLA蓄电池的电动势常数；蓄电池的电动势常数；d为电解液
36、的比为电解液的比重，单位采用重，单位采用g/cm3。 图图4-3 蓄电池电动势蓄电池电动势与硫酸密度的关系与硫酸密度的关系4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 （2）开路电压（）开路电压（Uk） 蓄电池的开路电压是蓄电池在开路状态（无电流状态）蓄电池的开路电压是蓄电池在开路状态（无电流状态）下的端电压。下的端电压。UkEz Ef （4-2）式中，式中， Ez为蓄电池正极电位；为蓄电池正极电位；Ef为蓄电池负极电位。为蓄电池负极电位。 蓄电池达到稳定时的开路电压在数值上等于蓄电池的电蓄电池达到稳定时的开路电压在数值上等于蓄电池的电动势，也可由动势，也可由UkE0.85+d近似
37、得出近似得出。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 （3）工作电压（）工作电压（U） 蓄电池的工作电压是指蓄电池接通负荷后在放电过程中蓄电池的工作电压是指蓄电池接通负荷后在放电过程中显示的端电压，又称负荷（载）电压或放电电压。工作电显示的端电压，又称负荷（载）电压或放电电压。工作电压的大小是变化的，既与电池的放电电流有关，又与电池压的大小是变化的，既与电池的放电电流有关，又与电池的内阻有关。的内阻有关。U=Uk I(R0+Rj) （4-3）式中，式中，I为蓄电池放电电流；为蓄电池放电电流；R0为蓄电池的欧姆电阻；为蓄电池的欧姆电阻；Rj为为蓄电池的极化电阻。蓄电池的极化电阻
38、。 （4）充电电压）充电电压 蓄电池的充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄蓄电池的充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄电池两端的电压。电池两端的电压。 （5）初始电压）初始电压 蓄电池的初始电压是蓄电池在放电初始时的工作电压。蓄电池的初始电压是蓄电池在放电初始时的工作电压。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 （6）浮充电压）浮充电压 电池充电器对蓄电池进行浮充电时设定的电压值。电池充电器对蓄电池进行浮充电时设定的电压值。 铅酸蓄电池的单体（格）电压为铅酸蓄电池的单体（格）电压为2V/格，实际电压随充、格，实际电压随充、放电情况而有变化，充电结束时电压有放电情况而有
39、变化，充电结束时电压有2.52.7V/格，以后格，以后缓慢降到缓慢降到2.05V/格左右的稳定状态；放电时，电压缓慢下格左右的稳定状态；放电时，电压缓慢下降，低到降，低到1.7V时，便不能再继续放电，否则会损坏蓄电池时，便不能再继续放电，否则会损坏蓄电池的极板。的极板。200A h以上的铅酸蓄电池每只为一单体，电压为以上的铅酸蓄电池每只为一单体，电压为2V；200A h以下的铅酸蓄电池每只一般为以下的铅酸蓄电池每只一般为6个单体（格）串个单体（格）串联，电压为联，电压为12V。 VRLA蓄电池在蓄电池在25时时浮充电压浮充电压U开路电压开路电压+极化电压极化电压=Uk（0.100.18）。）。
40、 镉镍蓄电池的单体电压为镉镍蓄电池的单体电压为1.2V/格。蓄电池组的电压由串格。蓄电池组的电压由串联的蓄电池单体只数确定，有联的蓄电池单体只数确定，有24V、48V、60V、110V等。等。 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 铅酸蓄电池端电压与放电时间关系曲线如图铅酸蓄电池端电压与放电时间关系曲线如图4-4所示所示 图图4-4 铅酸蓄电池端电压与放电时间关系曲线铅酸蓄电池端电压与放电时间关系曲线4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 铅酸蓄电池充电时间与电压及电流关系曲线如图铅酸蓄电池充电时间与电压及电流关系曲线如图4-5所所示。示。 图图4-5 铅
41、酸蓄电池充电时间与电压及电流关系曲线铅酸蓄电池充电时间与电压及电流关系曲线4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 （7）蓄电池的放电终止电压）蓄电池的放电终止电压 放电终止电压是指蓄电池放电时电压下降到不宜再放电时的最低工作放电终止电压是指蓄电池放电时电压下降到不宜再放电时的最低工作电压。放电终止电压随放电率不同而变化。小于电压。放电终止电压随放电率不同而变化。小于10h的小电流放电，终的小电流放电，终止电压取值稍高；大于止电压取值稍高；大于10h的大电流放电，终止电压取值稍低。的大电流放电，终止电压取值稍低。 放电率对终止电压的影如图放电率对终止电压的影如图4-6所示。所示
42、。图图4-6 放电率对终止电压的影响放电率对终止电压的影响 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 2.蓄电池的容量蓄电池的容量 蓄电池的容量是蓄电池储存电能的能力。处于完全充电蓄电池的容量是蓄电池储存电能的能力。处于完全充电状态的铅酸蓄电池在一定的放电电流和一定的电解液温度状态的铅酸蓄电池在一定的放电电流和一定的电解液温度下，单格电池的电压降到规定的终止电压时所能提供的电下，单格电池的电压降到规定的终止电压时所能提供的电量称为电池容量，以符号量称为电池容量，以符号C表示，通常可采用两种表示方表示，通常可采用两种表示方法：安时容量（法：安时容量（A h），瓦时容量（），瓦时容
43、量（Wh）。）。 当蓄电池以恒定电流放电时，安时容量当蓄电池以恒定电流放电时，安时容量=放电电流放电电流 放电放电时间，瓦时容量时间，瓦时容量=安时容量安时容量 平均放电电压。目前铅酸蓄电平均放电电压。目前铅酸蓄电池产品容量可从池产品容量可从1安时到几千甚至上万安时。安时到几千甚至上万安时。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 理论容量是把蓄电池活性物质的质量按法拉第定律计算理论容量是把蓄电池活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值。而得到的最高理论值。 法拉第电解定律法拉第电解定律 ：电解过程中，通过的电量相同，所析：电解过程中，通过的电量相同，所析出或溶解出的不
44、同物质的物质的量相同。也可以表述为：出或溶解出的不同物质的物质的量相同。也可以表述为：电解电解1mol的物质，所需用的电量都是的物质，所需用的电量都是1个个“法拉第法拉第”(F)，1F=26.8A h=96500C。其中，其中，1C=6.25 1018电子电量电子电量(e)；1e1.6021892 10 18 C；1mol6.023 1023。 实际容量是指蓄电池在一定放电条件下所能输出的电实际容量是指蓄电池在一定放电条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积。量，它等于放电电流与放电时间的乘积。 实际容量小于理论容量。实际容量小于理论容量。实际容量与理论容量之比叫做实际容量与理论容
45、量之比叫做活性物质的活性物质的利用率利用率。 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 额定容量（标称容量）是按照国家或有关部门颁布的标额定容量（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（一般规准，在电池设计时要求电池在一定的放电条件下（一般规定在定在25环境下以环境下以10小时率电流放电至终止电压）应该放小时率电流放电至终止电压）应该放出的最低限度的电量值。额定容量常用来标定出的最低限度的电量值。额定容量常用来标定10小时率蓄小时率蓄电池的型号。电池的型号。 为了比较不同系列的蓄电池，常用比容量的概念，即单为了比较不同系列的蓄电池，常用
46、比容量的概念，即单位体积或单位质量蓄电池所能给出的能量，分别称为体积位体积或单位质量蓄电池所能给出的能量，分别称为体积比容量和重量比容量，其单位分别为比容量和重量比容量，其单位分别为A h/L或或A h/kg。 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 （1）蓄电池容量与放电率的关系）蓄电池容量与放电率的关系同一个电池放电率不同时，给出的容量也不同。放电率有小时率（时同一个电池放电率不同时，给出的容量也不同。放电率有小时率（时间率）和电流率（倍率）两种不同的表示方法。间率）和电流率（倍率）两种不同的表示方法。小时率（时间率）：是以一定的电流放完额定容量所需的时间，或小时率（时间
47、率）：是以一定的电流放完额定容量所需的时间，或以一定电流放电至规定终止电压所经历的时间。标识为以一定电流放电至规定终止电压所经历的时间。标识为20h、10h、5h、3h、1h、0.5h等。等。例如，某例如，某12V的蓄电池，如果用的蓄电池，如果用2A放电，放电，5h降到降到10.5V（5小时率放小时率放电，则容量为电，则容量为C5=2A 5h=10A h 同样是这个电池，如果用同样是这个电池，如果用1.2A放电，放电，10h降到降到10.5V（10小时率放小时率放电），则容量为电），则容量为C10 =1.2A 10hl2A h 前者称前者称5小对放电率，容量用小对放电率，容量用C5表示；后者称
48、表示；后者称10小时放电率，容量用小时放电率，容量用C10表表示；示； 1小时放电率，容量用小时放电率，容量用C表示；等。表示；等。C的下脚标就是小时率。的下脚标就是小时率。4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 电流率（倍率）：是指放电电流相当于电池额定容量电流率（倍率）：是指放电电流相当于电池额定容量的倍数。例如，容量为的倍数。例如，容量为100A h的蓄电池，以的蓄电池，以100A h/10h =10A电流放电，电流放电，10h将全部电量放完，则电流率为将全部电量放完，则电流率为0.1C10；若以若以100A电流放电，则电流放电，则1h将全部电量放完，则电流率为将全部电
49、量放完，则电流率为1C10，依此类推。，依此类推。 蓄电池的额定容量按放电率标定。国际标准规定：蓄电池的额定容量按放电率标定。国际标准规定： 启动型蓄电池，其额定容量以启动型蓄电池，其额定容量以20h率标定，表示为率标定，表示为C20； 固定型蓄电池，其额定容量以固定型蓄电池，其额定容量以10h率标定，表示为率标定，表示为C10。 光伏应用一般采用光伏应用一般采用20小时率容量。小时率容量。 4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池结构和工作原理 放电电流越大，蓄电池容量越小，放电率对蓄电池容量放电电流越大，蓄电池容量越小，放电率对蓄电池容量的影响见表的影响见表4-6。 表表4-6 放电率对
50、蓄电池容量的影响放电率对蓄电池容量的影响电池型号电池型号（Type）额定电压额定电压(Nom Voltage)/V各小时率容量（各小时率容量（Rated Capacity）/(A h)10.8V/20h10.8V/10h10.5V/5h10.5V/3h10.02V/1hDJM12401243.4403632.725.6DJM12501254504541.132DJM12651270.56558.553.341.6DJM12701276706358.245.5DJM12901298908073.857.6DJM12100121081009083.165DJM1215012162150135123