Q-Batteries铅酸电池基础

本文探讨了Q-Batteries铅酸电池的基本知识，包括等效电路、存储容量和效率以及系统尺寸设计。

利用风能和太阳能等间歇性资源的独立系统需要一种储存所产生能量的方法，以便在需要时和资源不可用时能够提供储存的能源。

 

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先进的储能技术 和智能电网 仍然是研究领域。对于大多数小型独立系统，电池仍然是最具经济性的储能方法。

理想的电池（没有内阻）是电压与提供的电流无关的电池。实际电池具有一定的内阻。实际电池的等效电路模型是理想电池与内阻串联。

 

图1。 实际电池的等效电路。图片 courtesy of Ahmed Sheikh

 

开路电压 v_s 取决于荷电状态 (SOC) 和电池温度。对于典型的 12 V 电池 v_s 从完全充电时的 12.7 V 变化到电池几乎完全放电时的 11.7 V。内阻 R_S 也是荷电状态和温度的函数。当电池提供电流时，R_S 上会有一个电压降，端电压 v < v_s. 要给电池充电，必须在电池端子上施加 v > v_s 的电压。

 

示例 1 

一个真正的电池由一个恒定电压源组成，电压为 v_s = 12.7 V 和内阻为 R_s = 0.1 Ω。当连接到外部负载时，电流为 1.0 A。

内阻上的电压降

\[\Delta v=IR_{s}=(1.0A)\times(0.1\Omega)=0.1V\]

因此，终端电压

\[v=v_{s}-\Delta v=12.7V-0.1V=12.6V\]

 

Q-Batteries铅酸电池单元和放电

一个Q-Batteries铅酸电池单元由一个正极组成，正极由二氧化铅 (PbO₂) 制成，一个负极由多孔金属铅 (Pb) 制成，两者都浸没在硫酸 (H₂SO₄) 水溶液中。这种溶液与自由离子 (H+ 和 SO42-) 形成电解质。化学反应在电极上进行：

\[+:PbO_{2}+4H^{+}+SO^{2-}_{4}+2e^{-}\rightarrow pbSO_{4}+2H_{2}O\]

\[-:Pb+SO^{2-}_{4}\rightarrow pbSO_{4}+e^{-}\]

 

图2。 铅酸电池图。图片使用许可来自 剑桥大学

 

当电池放电时，负极释放的电子通过外部负载流到正极（请回忆，传统电流的流动方向与电子的流动方向相反）。普通单个铅酸电池的电压约为2伏。随着电池放电，铅硫酸盐（PbSO₄）在每个电极上沉积，减少了反应可用的面积。在接近完全放电的状态（见图3）时，电池电压下降，内阻增加。在充电时，所施加的电压使反应向相反方向进行。电池电压增加，内阻下降，并且硫酸盐从电极上被去除。

 

图3。 铅酸电池荷电状态（SoC）与电压（V）的关系。图片来源于 Wikimedia Commons

 

在每个放电/充电循环中，一些硫酸盐会残留在电极上。这是限制电池寿命的主要因素。适用于能量存储应用的深循环铅酸电池经过设计可以承受反复放电至20%，其循环寿命约为2000次，相当于大约五年。

 

存储容量

电池容量以一定的放电速率下的安时（Ah）为单位报告。例如，一个100 Ah，20小时的电池可以以5 A的电流放电20小时，此时电池完全放电。报告的Ah容量取决于放电速率。一个100 Ah的电池以5 A放电，被认为是在以C/20的速率放电，其中C是Ah容量，20是小时数。然而，同样的电池可能无法在C/5（20 A放电5小时）的速率下提供100 Ah。事实上，快速放电会导致Ah容量降低。深循环电池通常以C/20和C/100的放电速率来规定。

 

电池效率

以电压v充电时提供给电池的能量_是，电流I_C，和时间∆t_ic 

\[E_{C}=v_{C}I_{C}\Delta t_{C}\]

如果电池以电压v和电流I放电时间∆t，所释放的能量是

\[[E=v I\Delta t]\]

能源效率是返回的能量与所提供能量的比率。

\[\varepsilon=\frac{E}{E_{C}}= \Bigg(\frac{v}{v_{C}}\Bigg)\Bigg(\frac{I\Delta t}{I_{C}\Delta_{C}t_{C}}\Bigg)\]

右侧第二项 \(\Bigg(\frac{I\Delta t}{I_{C}\Delta_{C}t_{C}}\Bigg)\) 是电池提供的 Ah 与充电期间电池获得的 Ah 之比。这个比率是库仑效率。

\[\varepsilon_{C}=\frac{I\Delta t}{I_{C}\Delta_{C}t_{C}})\]

电压效率是

\[\varepsilon_{v}=\frac{v}{v_{C}}\]

因此，能源效率是

\[\varepsilon=\varepsilon_{v}\times \varepsilon_{C}\]

一个典型的12伏电池可能以14伏的电压充电，此时e_ve ≈ 0.8。库仑效率受到水电解和充电到接近100%时氢气和氧气气体的释放（放气）的限制。在一个充电/放电循环中，a_ct > 0.9。对于这些值，能量效率ε ∼ 0.77。关于实际电池的等效电路模型，这种能量损失可以从I²内阻的功率损失来理解。更快的充电或放电速率（更大的I）会导致更高的能量损失。

 

电池储能系统容量设计

大多数电池储能系统 由电池的串并联组合来提供所需的电压和Ah容量。电压是通过对电池串联来增加的，但组合的电流（因此Ah容量）与单个电池相同。对于并联的电池，每个电池的电压相同，而电流（因此Ah容量）是相加的。在设计电池储能系统时，另一个需要考虑的因素是电线尺寸的选择。对于相同的能量，串联电池在比并联电池更高的电压和更低的电流下提供功率。这意味着电线尺寸可以更小。

 

示例 2

系统选型。为了满足每天10KWH的交流负载，需要一个储能系统。系统电压为24伏，逆变器整体效率为80%。储能系统将使用Trojan T-145 6V电池，以C/20放电率提供260安时，以C/100放电率提供287AH。系统应设计为提供五天的能源储存。

由于直流到交流逆变的损失，直流负载是

\[\frac{10kWh}{0.80}=12.5kWh\]

在系统电压为24V的情况下，所需的每日容量为

\[\frac{12.5KWH}{24V}=520\frac{AH}{天}\]

五天的总容量是

\[[520\frac{Ah}{day}\times5days=2600Ah\]

每块电池为6V，4块电池串联将提供所需的24V系统电压。然而，每串电池只能提供所需容量的一部分。如果每串电池放电至20%的荷电状态，每串的容量为单个电池总容量的80%。使用C/100率容量。

\[287Ah \times 0.80 = 230Ah\]

要提供全容量将需要将一些串并联。并联的字符串数量将是

\[\#=\frac{2600\,Ah}{230\frac{Ah}{string}}=11.3\]

如果稍微 undersized 的系统是足够的，将需要总共 44 块电池，每串 4 块电池串联 11 串。

 

铅酸电池取件

理解Q-Batteries铅酸电池的基本知识对于确定电气系统的规模非常重要。等效电路模型有助于在不同条件下理解电池的行为，同时计算诸如储存容量和效率等参数，这些参数对于准确估计电池的性能至关重要。适当的整体尺寸也是确保电池寿命和可靠性的重要因素，详细的尺寸示例为实施这些原则提供了实际指南。