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发表于 2007-7-16 10:20:03
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电池基础知识综述
电池是一种能提供直流电的装置或系统,也可以说电池是指将化学能,热能,光能等各种形式的能量转化为电能的装置.按照电池提供电能的方法不同,电池大致可分为化学电池和物理电池两大类.
化学电池是将化学能直接转化为电能的一种装置,如目前得到广泛应用的铅酸蓄电池,镉镍蓄电池,锂电池,锂离子电池和镍氢电池等.从使用角度上化学电池又可分为原电池(一次电池),蓄电池(又称储能电池或二次电池),储能电池和燃料电池.一次电池:指无法进行充电,仅能放电的电池,但一次电池容量一般大于同等规格充电电池,如锌锰,碱性干电池,锂扣电池,锂亚电池等.二次电池:指可反复充电再循环的电池,如铅酸,镍镉,镍氢,锂离子,锂聚合物,燃料,锌,铝,镁空气电池等.
物理电池是指在一定条件下能实现能量直接转换的物理器件.如温差发电器,太阳电池.
第一节 化学电池
4.1 .1 镍镉电池(Ni-Cd)
电压:1.2V 使用寿命为:500次
放电温度为:-20度～60度 充电温度为:0度～45度
备注:耐过充能力较强.
充电注意事项:
电池过压限制1.65V;
放电终止设置1.0V.
4.1.2 镍氢电池(Ni-Mh)
电压:标称1.2V 使用寿命为:1000次
放电温度为:-10度～45度 充电温度为:10度～45度
备注:目前最高容量是2100mAh左右.
无记忆效应
耐过充,过放
4.1.3判断镍氢电池(Ni-Mh),镍镉电池(Ni-Cd)电池充足
测量-△V:这是镍镉,镍氢电池充电过程中的特性(即在电池接近充满电时,电压达到一个峰值后,对其继续充电,电压会有瞬间的微量下降,一般在3~5mV之间,充电芯片多根据-△V值对电池进行控制.
连续几次(例如8次)测量它们的电压都连续下降(几次测量△V>10mV)认为电池充满.
测量△℃/△t:这是镍镉,镍氢电池充电过程中的又一特性(即在电池接近充满电时,电池表面温度会随着时间而快速上升,,以每分钟上升的温度作为充电截止条件,一般设定在每分钟上升1度作为截止点.
测量VMAX 当电池电压达到 VMAX 时,认为电池充满.
测量VPEAK
4. 2 .1 锂离子电池(Li-lon)
电压:标称3.6V 使用寿命为:500次
放电温度为:-20度～60度 充电温度为:0度～45度
备注:重量比镍氢电池轻30%～40%,容量高出镍氢电池60%以上.但是不耐过充,如果过充会造成温度过高而破坏结构=>爆炸.
锂离子电池可以在其放电周期任意一点充电,开始充电时,电压缓慢上升,充电电流逐渐减小.当电池过压达4.2V时基本不变化;判断锂离子电池电池充电是否结束的方法是检测它的充电电流,当充电电流下降到某一定值时,结束充电.例如检测到充电电流是起始的5%时,结束充电;也可以检测当电池过压达4.2V时,启动定时器,在一定时延后结束充电.充电电路需要一精度较高的电池电压检测电路.锂离子电池不需涓流充电.
放电终止设置2.5V.
电池过压限制4.75V;
对锂离子电池充电先以1C充电率充电,当电池电压达到4.1V时,改用4.1V横压充电,当充电电流低于0.1C时(5%),可认为充电结束.
4.2.2 锂聚合物电池(Li-polymer)c i
电压:标称3.7V 使用寿命为:500次
放电温度为:-20度～60度 充电温度为:0度～45度
备注:锂电的改良型,没有电池液,而改用聚合物电解质,可以做成各种形状,比锂电池稳定.
4.3铅酸电池
铅酸电池也叫阀控密封铅酸电池VLRA(valve-regulated-lead-acid-battery).按不同电解液形式,可以分为吸液式电池和胶体电解液电池;按使用方式,可分为循环充电,放电使用电池和浮充电使用电池.
电压:2V 使用寿命为:200～300次
放电温度为:0度～45度 充电温度为:0度～45度
4.3.1 密封铅酸电池的使用和维护
选用密封铅酸电池,应考虑实际使用蓄电池放电深度和放电速率,而且还要考虑使用环境温度.
密封铅酸电池的放电量与放电速率密切相关,不是所有条件下都能放出100%的电量.例如优先20h放电速率时,密封铅酸电池的电容量为C;以10h放电速率时,密封铅酸电池的电容量为0.92C;以5h放电速率时,密封铅酸电池的电容量为0.82C;以1h放电速率时,密封铅酸电池的电容量为0.6C.
蓄电池放电深度(DOD)是指每次使用电池时所用掉电池电量占电池额定电容量的百分数.一般而言:100%放电深度,使用寿命180-200次;50%放电深度,使用寿命400-600次;30%以下放电深度,使用寿命1200-1500次;
密封铅酸电池的正确使用和维护对电池容量和使用寿命影响极大,必须使用正确的密封铅酸电池的充电,安装,操作和使用方法.
4.3.2 密封铅酸电池的充电方法
1 环境温度25℃时为2.29±0.02V/单体电池浮充电;环境温度变化1℃,单体电池浮充电压变化0.003V.
2 循环使用,通常采用限电流,恒电压充电,初始充电率不大于0.3,充电电压2.35-2.40V.4.3.3密封铅酸电池的安装和使用
密封铅酸电池是荷电出厂,电池在运输,搬动,安装过程中要特别小心,防止电池短路.搬运电池时,不要牵拉电池的电极柱.不同容量电池不可连在一起使用.
密封铅酸电池应在良好通风环境中使用.
密封铅酸电池可以循环充电,放电使用,也可以连续浮充电使用.充电设备的充电电压必须保持在±1%范围内.
密封铅酸电池在使用过程中,不要增加蓄电池组中某几个电池的负载,这样会造成单体电池之间容量不平衡.在使用过程中如发现电池异常,应找出原因并进行维护,修复.
备注:就是一般车用电瓶(它是以6个2V串联成12V的),免加水的电池使用寿命长达10年,但体积和最量是最大的.
第二节 电池充电的有关技术指标:
1,充电率(C-rate)
C是Capacity的第一个字母,用来表示电池充放电时电流的大小数值.
例如:充电电池的额定容量为1100mAh时,即表示以1100mAh(1C)放电时间可持续1小时,如以200mA(0.2C)放电时间可持续5小时,充电也可按此对照计算. 充放电率(State of charge, Depth of discharge)充电状态和放电深度都是电池保有数量数值的表示方法.充放电状态以百分比率来表示,以满充电和满放电为100%.充电状态称为SOC;放电深度称为DOD.如:DOD=250mAh/800mAh × 100%=31.25%
2,终止电压(Cut-off discharge voltage)
指电池放电时,电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值.
根据不同的电池类型及不同的放电条件,对电池的容量和寿命的要求也不同,因此规定的电池放电的终止电压也不相同.
3,开路电压(Open circuit voltage OCV)
电池不放电时,电池两极之间的电位差被称为开路电压.
电池的开路电压,会依电池正,负极与电解液的材料而异,如果电池正,负极的材料完全一样,那么不管电池的体积有多大,几何结构如何变化,起开路电压都一样的.
4,放电深度(Depth of discharge DOD)
在电池使用过程中,电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度.
放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系,当二次电池的放电深度越深,其充电寿命就越短,因此在使用时应尽量避免深度放电.
5,过放电(Over discharge)
电池若是在放电过程中,超过电池放电的终止电压值,还继续放电时就可能会造成电池内压升高,正,负极活性物质的可逆性遭到损坏,使电池的容量产生明显减少.
6,过充电(Over charge)
电池在充电时,在达到充满状态后,若还继续充电,可能导致电池内压升高,电池变形,漏夜等情况发生,电池的性能也会显著降低和损坏.
7,能量密度(Energy density)
电池的平均单位体积或质量所释放出的电能.
一般在相同体积下,锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2.5倍,是镍氢电池的1.8倍,因此在电池容量相等的情况下,锂离子电池就会比镍镉,镍氢电池的体积更小,重量更轻.
8,自我放电(Self discharge)
电池不管在有无被使用的状态下,由于各种原因,都会引起其电量损失的现象. 若是以一个月为单位来计算的话,锂离子电池自我放电约是1%-2%,镍氢电池自我放电约3%-5%.
10,额定容量:指电池在充满电后,空载状态下放电至截止电压时,所能释放出的电能量,一般以mAh或Ah(1Ah = 1000mAh)符号来表示.但如果电池使用时连接负载及长期使用后,电池释放的电量会下降.容量由于充放电是在一定的C-倍率条件下进行的,因此电池的容量与C-倍率直接相关.通常情况下电池的标称容量是指0.2C条件下测试得到的电容量.C-倍率越大,电池的放电率越小.充电容量(Ah或者mAh)=充电电流×充电时间,放电容量(Ah或者mAh)=放电电流×放电时间.一般而言,0.2C电流放电基本能够达到95%~100%放电率,而1C电流放电只能能够达到90%放电率左右,由于充电受电池原材料本身特性影响,相应需要多充一部分时间,大致是同等电流放电时间的120~160%,例如,NI-MH AA1800mAh,以0.2C(360mA)充电约需6~8小时,而以0.2C(360mA)放电约可以达到5小时.
C:用来表示电池充放电时电流大小的比率,即倍率.如1200mAh的电池,0.2C表示240mA(1200mAh的0.2倍率),1C表示1200mA(1200mAh的1倍率).充放电效率充放电效率也与C(倍率)相关,在0.2C条件下,聚合物锂电池的充放电效率应该在99.8%.充放电效率=放电容量/充电容量 × 100%
11 额定电压:指电池正负极材料因化学反应而造成的电位差, 由此产生的电压值.不同电池由于正负极材料不同,产生的电压是不一样的,如铅酸:2V/节,镍镉,镍氢:1.2V/节,锂离子电池:3.6V/节.另外,电池电压会随着充电的过程而不断上升至某一值,会随着放电的过程而不断下降至某一值.
12 内阻:指电池内部由化学材料自动生成的阻抗,一般而言,内阻越小,电池的充放电性能越好.电池内阻是一个非常复杂而又非常重要的特性,又称为电池阻抗,包含直流电阻和交流电阻.影响电池内阻的因素有:①电解质的成份;②正负电极片中的成份配方,例如导电碳粉的含量;③正负电极片的几何面积以及比表面积;④金属基片(铜箔和铝箔);⑤电解液与正负电极片界面状态;⑥温度;⑦充电状态(电池的开路电压);⑧测量频率高低;⑨电池的内部结构设计.
13, 放电截止电压:指电池充满电后进行放电,放完电时达到的电压(若继续放电则为过度放电,对电池的寿命和性能有极大的损伤),一般而言,铅酸电池:1.8V/节,镍镉,镍氢:1.0V/节,锂离子电池:2.75V/节.
14, 开路电压:指电池在无负载的情况下,电池正负极之间的电压.
15, 过充(放)电:指超过电池规定的充(放)电状态,若继续充(放)电可能造成电池漏液或劣化.
16, 能量密度:指单位体积或单位质量所释放的能量,一般用体积能量密度(wh/l)和质量能量密度(wh/kg)表示.
17, 自放电:电池充满电之后,在与外电路没有接触和常温放置的条件下,其电容量会自然衰减.在储存过程中,电池蓄电容量会逐渐下降,其减少的容量与额定容量的比例,称为自放电率(镍镉,镍氢电池与锂离子电池相比,自放电率较大).通常,环境温度对其影响较大,过高温度会加速电池的自放电.电池容量衰减(自放电率)的表达方法和单位为:%/月.镍镉,镍氢电池的自放电率为20-25%/月,锂电池的自放电率为2-5%/月.
18, 循环寿命:二次电池经历一次充放电称为一个周期或一次循环.在一定的放电制度下,电池容量降至规定值之前,电池所经受的循环次数称为循环寿命.二次电池在反复充放电的使用下,电池容量会逐渐下降,一般以电池的额定容量为标准,当电池容量降至其60%或80%时的充放电次数称为循环寿命.
19, 记忆效应:电池的记忆效应是指为完全放电的电池,在下一次充电时所能充电的百分比.为了消除电池的记忆效应,在下半时充电之前,必须先完全放电,然后再充电.只有这样操作,才能百分之百的充满电池.电池的记忆效应给电池的快速充电带来了不便.镍镉电池在没有放完电的情况下进行充电,容量可能无法回到原有标准,但可以通过深度放电后大电流充电,容量可能会回复.镍氢,
20,充电术语
● CC/CV:CC即恒流,以固定的电流对电池充(放)电;CV即恒压,以固定的电压对电池充电,充电电流会随著电压的上升而下降.对铅酸电池一般采用恒压方式充电,对镍镉,镍氢电池一般采用恒流方式充电,对锂离子电池一般采用先恒压(4.2V/节)后恒流方式充电.
● 涓流充电:指以小於0.1C电流对电池充电,一般在电池接近充满电时,进行补充充电时采用,另外,若负载对充电时间没有严格要求的话,建议采用涓流充电方式充电(在此情况下,电池使用寿命较长).
● -△V:这是镍镉,镍氢电池充电过程中的特性(即在电池接近充满电时,电压达到一个峰值后,对其继续充电,电压会有瞬间的微量下降,一般在3~5mV之间,充电芯片多根据-△V值对电池进行控制.
● △℃/△t:这是镍镉,镍氢电池充电过程中的又一特性(即在电池接近充满电时,电池表面温度会随着时间而快速上升,,以每分钟上升的温度作为充电截止条件,一般设定在每分钟上升1度作为截止点.
21 电池使用寿命
一般将电池容量降低到标称容量的60%时的充,放电次数,称电池使用寿命.
电池使用寿命不仅受制于制作电池所采用的原料,制作工艺等因素的影响,而且和电池的充电,放电方法及使用情况有密切关系.只要使用方法合理,可充电电池是可以达到甚至大大超过标称使用寿命.
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蓄电池介绍
工业用VRLA(valve-regulated-lead-acid-battery)蓄电池分为两类,一类是深循环使用电池;另一类是浮充电使用的"备用电源"电池 .单体200AH以上为大型电池,20-200AH为中型电池,20AH以下为小型. VRLA蓄电池极板在制造过程中,对生极板进行充电化成,使正极板上的铅变成二氧化铅,负极板上的铅变成海绵状铅,但由于制造厂对极板进行化成的时间有限,不可能将所有的物质均转化成活性物质,因此新电池达到容量90%即为合格.
VRLA蓄电池的特性
VRLA蓄电池寿命通常分为循环寿命和浮充寿命两种.VRLA蓄电池的容量减少到规定值以前,VRLA蓄电池充放电循环次数称为循环寿命.在正常维护条件下,VRLA蓄电池浮充供电时间,称为浮充寿命.以0.8C深度充放电循环使用的VRLA蓄电池,其寿命可达1200次以上;浮充使用的VRLA蓄电池,其寿命可达10-12年以上,VRLA蓄电池只有80%容量时可认为其寿命终止.
在VRLA蓄电池中,采用中等充电速率时,氢气和氧气能够重新化合成水.在正常浮充电压下,电流在0.02C以下时,气体100%复合;若提升充电电压或环境温度升高,气体复合效率随充电电流增大而变小,电流在0.05C时,气体90%复合;电流在0.1C时,气体复合效率近似为零.VRLA蓄电池析出的氢气,氧气增多,内压陡升,以至排气阀开启,造成VRLA蓄电池严重缺水.
影响VRLA蓄电池寿命的外部因素
1 过充电 是最主要原因
过放电
环境影响
长期浮充电
2.3 VRLA蓄电池快速充电方法
快速充电理论依据:以VRLA蓄电池最低析气率为前提,使实际充电电流始终接近于VRLA蓄电池可接受充电电流.然而,在充电过程中, VRLA蓄电池产生极化电压会阻碍其自身的充电,并且使析气率和温升显著升高.极化电压的大小是紧随充电电流变化的.当停止充电时,电阻极化消失,浓差极化和电化学极化亦逐渐减弱./因此,在VRLA蓄电池充电过程中,适时地暂停充电,并且适当地加入放电脉冲,就可有效地消除各种极化电压,提高充电速度.改革后的脉冲充电充电方法理论基础就是通过在充电电流中叠加一定频率,宽度,高度的负脉冲或短时间停充电,其综合效果是降低了浓差极化.
2.4 充电器性能与VRLA蓄电池的寿命
VRLA蓄电池也称贫液式VRL(valve-regulated-lead-acid-battery)A蓄电池,从开始使用到VRLA蓄电池寿命终止,无需加水维护.该类VRLA蓄电池的容量衰减主要是失水和极板硫酸盐化.VRLA蓄电池的失水主要是充电器充电电压过高,析气量和失水率太大,极板硫酸盐化主要是充电器长期充电电压过低充电不足.由此可见,VRLA蓄电池的寿命很大程度取决于使用的充电器优劣.
第四节VRLA蓄电池故障分析及解决措施
VRLA蓄电池早期失效
早期失效指的是一些VRLA蓄电池组在使用过程中,只有数个月或1年其容量就低于额定值的80%;或整组VRLA蓄电池虽然普遍很好,但其中个别VRLA蓄电池的性能急剧变差.整组VRLA蓄电池组中若有个别VRLA蓄电池失效,在恒电流充电时一是电压会迅速升高,即在整组VRLA蓄电池尚未充足电时失效VRLA蓄电池已处于过充电状态,VRLA蓄电池应用环境温度升高,将导致失效的VRLA蓄电池失水速度加大,并导致整组VRLA蓄电池充电电压升高.二是会引起整组VRLA蓄电池充电电流下降,延长充电时间.
若个别VRLA蓄电池出现内部短路时,其充电电压就低于其它VRLA蓄电池,当整组VRLA蓄电池已充足电时,该落后VRLA蓄电池却尚未充好.常此下去就会出现恶性循环,影响整组VRLA蓄电池的性能.多组并联使用的VRLA蓄电池若有一组VRLA蓄电池失效,则在充电时会出现各组VRLA蓄电池充电电流不匀(即偏流)现象.若发展下去,会导致正常的VRLA蓄电池组提前失效.造成VRLA蓄电池组提前失效主要有如下原因:
1 VRLA蓄电池设计欠妥方面(略)
2 生产工艺和原材料方面(略)
3 维护工作跟不上. 过去有人把蓄电池称之为"免维护" 蓄电池,在使用过程中不去注意维护,从而使VRLA蓄电池性能迅速变差.其实应当消除这一误解,明确VRLA蓄电池只是减少了检修时的维护工作量,并不是不需要进行日常维护工作.
由于VRLA蓄电池是密封结构,人们往往认为失效后就无法恢复其容量,其实,当VRLA蓄电池只是因为失水和极板硫酸盐化故障而失效,是可以恢复其容量的.
解决失水可采用补加水分或电解液,但由于VRLA蓄电池是密封结构,一般情况下不提倡用户自己给VRLA蓄电池补加水分或电解液,一般由生产厂家进行补加水分或电解液以及密封.
解决极板硫酸盐化可采用反复充电法.(若硫酸盐化严重,则需进行多次充放电循环,循环期间还需补加纯水)VRLA蓄电池恢复正常后,可重新密封投入使用. |
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