铅酸蓄电池容量及寿命的研究分析

陈冬俏

（广东汤浅蓄电池有限公司，广东　佛山　528300）

铅酸蓄电池容量及寿命的研究分析

陈冬俏

（广东汤浅蓄电池有限公司，广东佛山528300）

本文介绍了铅酸电池容量及充电状态SOC分析；对铅酸电池使用寿命情况进行阐述，并分析了影响其实用寿命的主要因素；提出了无损均衡控制技术及均衡控制的设计方案，设计结果表明均衡充电具有效率高，能量损耗小、安全可靠等特点，能延长铅酸蓄电池的循环使用寿命。

铅酸蓄电池；SOC估算；使用寿命；均衡充电

1　前言

近些年，电动车、电动汽车、基站、数据机房等技术快速发展，其主要能源设备—铅酸蓄电池技术也逐步发展成熟。蓄电池作为混合动力电动汽车的储能动力源，对于续航里程、加速与爬坡性能、充放电效率等要求要能够满足。随着电子技术的不断进步，市场上动力电池品种较多，一般有铅酸蓄电池（Lead-acid）、镍金属电池（Cd-Ni）、铿电池（Liion）、高温钠电池（Na/S）、金属空气电池（Zn/Air）等等。未来的燃料电池（PEMFC、DMFQ）太阳能电池等将更会在通信、电力、交通运输、UPS备用电源等行业领域发挥重要作用。本文重点研究铅蓄电池容量以及充电SOC均衡研究，对于电池寿命的影响因素及相关设计进行阐述［1］。

2　蓄电池容量和充电状态分析

2.1 蓄电池容量

铅酸蓄电池工作原理实际上就是一种基本的化学反应，化学能转化为电能，电子导体与离子导体（电解质溶液）进行化学反应，形成金属一溶液一金属的一个循环闭合的导电系统。铅酸蓄电池内部化学方程式为：

广义上来定义，在一定的放电条件下，蓄电池容量通常指从蓄电池所能得到最大有效的电量，用符号C表示。常用的单位为A·h（安培·小时）mA·h、（毫安·时）。另一种定义为单位体积或单位质量电池产生的理论电量，单位为A·h/kg 或A·h/L。按照计算和设计，通常把蓄电池的容量分成：额定容量、理论容量、标称容量、实际容量四个概念。

蓄电池的理论容量单位表示为A·h,其定义为某种活性物质的质量按法拉第定律计算能够得到的最高理论值。铅蓄电池的实际容量定义为：在一定条件下，蓄电池实际输出的有效电量，实际容量值≤理论容量。铅蓄电池的额定容量定义为：在温度时20-25℃，进行充电达到的最满容量，把铅蓄电池搁置24小时后，以20小时/0.05C的放电率/电流数值或者是10小时/O.lC放电率/电流数值进行完全放电，直到铅酸蓄电池电压维持在1.75V-1.8V/单体时，电池所输出的容量。额定容量是保证铅酸蓄电池最低的放电量，也是国家相关部门和行业的标准。标称容量也称为公称容量，一般在铭牌上只标明一定的容量范围；放电条件不明确条件下，蓄电池的标称容量只能估算［2］。

2.2 蓄电池充电状态分析

蓄电池的充电状态即荷电状态（SOC），多用于对蓄电池所剩余的容量状况进行直观有效的表述，这项技术也是世界比较通用的一项技术，SOC在恒流状态理论上定义为蓄电池剩余容量所占蓄总电池容量的比率，其数学表达式为；

上式中，CI表示为：在电流值为I的放电条件下，蓄电池的总放电量；QC表示为蓄电池剩余容量值。假设已知道电池释放电量为Q,那么求的的电池荷电状态SOC为：

式（3）中，一般定义：SOC=1表示电池充满电达到饱和状态；SOC=0表示在某温度状态下，电池电量释放完全，不能再进行有效释放电量的状态。

而对于复杂状态下的电池SOC，则引用标称状态和动态SOC进行计算和分析，针对不同环境、温度、电流大小等条件，对蓄电池进行电量预测，有助于更好地利用电池，保护电池的使用，延长其使用寿命。

3　蓄电池寿命极其影响因素分析

3.1 蓄电池寿命

最近一些研究机构和专家研究表明，铅酸蓄电池使用寿命与充电次数存在明显关系。电池在开始使用阶段，其实际容量与使用时间为正比关系，并能够达到某个极值；以后使用中，电池实际容量随着电池充放电次数的增加而减小，蓄电池容量最终无法在充电状态充电恢复到标准值，则充分表明蓄电池使用寿命结束了。铅酸蓄电池寿命通俗可分为电池的循环寿命、贮存寿命、使用寿命。电池的使用寿命一般与电池的设计、生产工艺、充电方式、使用维护方法等关系密切。

3.2 铅酸蓄电池使用寿命影响因素分析

预测铅酸蓄电池的使用寿命很难，衡量铅酸蓄电池寿命的方法是在使用条件下，计量达到铅蓄电池最终使用容量下限时的循环使用次数。对备用使用的场合，常用到达其终结使用容量前的年限来计算。影响蓄电池因素众多，内在因素主要是活性物质的组成、晶型、孔化率、极板尺寸、板栅材料和结构等。另外有放电深度、过充电量、充电电流和电压、环境温度等外部因素。最后，对于电池的有效使用管理也是重要因素，对于电池荷电状态进行准确预测监控，对电池采取智能化管理系统进行效能管理，准确估算出电池剩余容量，有助于提高电池的利用效率，增长其使用寿命。

4　铅酸蓄电池充放电智能均衡预测系统设计

目前，对于铅酸蓄电池均衡充电的相关研究技术比较成熟，国内外诸如电容器均衡技术、耗散型均衡技术、多路开关均衡技术、变压器均衡技术、能量转移均衡、无损均衡控制等一系列的均衡充电的方案应用广泛。本文结合蓄电池电量SOC算法，采用无损均衡方案。其电路设计原理如图1所示。

图1　无损均衡原理

该方案采用了二极管、场效应管、电感构成的均衡分流模块，这些器件损耗较小，导通效率较高。单片机输出PWM波型实现均衡控制策略，最终实现铅酸蓄电池组的均衡充电。均衡充电具有效率高，能量损耗小等特点而被广泛应用［3］。其原理框图为图2所示。

图2　均衡控制原理框图

图2中，均衡模块主要是通过检测铅酸蓄电池的端电压、充电的电流以及蓄电池的温度等参数，将其进行数据转换处理后送入单片机，再由单片机来完成均衡充电系统的控制。系统通过LIN总线，将监测电压直接输入单片机的A/D输入口进行处理；采用电压、电流传感器检测电流电压，连接到单片机的A/D输入口；使用温度传感器对多点温度进行检测并输入单片机P口；运用CAN总线实现与控制器与单片机的CAN BUS数据通信功能［4］。

5　结论

铅酸蓄电池在各行业的应用日益广泛，而由于蓄电池独特的物理化学特性，蓄电池每次充、放电之后其剩余容量是很难估计的，电池使用寿命影响因素较多，本文对蓄电池剩余容量的估计进行了一定的分析，针对铅酸蓄电池均衡控制技术进行设计，提出了无损均衡设计方案。均衡充电具有效率高，能量损耗小、安全可靠等特点，能延长铅酸蓄电池的循环使用寿命，提高铅酸蓄电池所在系统的安全可靠性。

［1］张子良.蓄电池检测及均衡系统的研究［D］.北京交通大学，2009.

［2］成 涛，王军平，陈全世.电动汽车SOC估计方法原理与应用［J］.电池，2004（10）：56-58.

［3］袁 翔，何彦平.铅酸蓄电池的充放电均衡方法［J］.长沙交通学院学报，2005（3）：11-12.

［4］朱松然.蓄电池手册［M］.天津：天津大学出版社.2000，4.

Study and Analysis on the Capacity and Life of Lead Acid Battery

Chen Dongqiao
（Guangdong Battery Co.Ltd.Foshan 528300，China）

The capacity of lead-acid battery and charging the SOC state of； of lead-acid battery using life carries on the elaboration， and analyzes the main factors affect its service life； nondestructive Equilibria Control and balance control design scheme is proposed.The calculation results show that equilibrium charging with high effciency， small energy consumption， safe and reliable， and other characteristics，extend the service life of the lead-acid battery recycling.

lead-acid battery； SOC estimation； service life； equilibrium charge

陈冬俏（1984-），男，广西贵港人，化学工程师，学士学位；研究方向：铅酸蓄电池内部设计。