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1、蓄电池选型介绍及释氢分析,电气设计研究部 2012年9月,汇报内容,一、蓄电池的定义和分类 二、蓄电池的种类 三、阀控铅酸蓄电池 四、镍镉蓄电池 五、释氢分析 六、总结和问题,一、蓄电池的定义和分类,原电池(一次电池)：放电一次，不可再充电； 蓄电池(二次电池)：放电后可以再次充电恢复电能储存； 按应用分类 作为能量储存装置，需要时，将储存的能量提供给负载。如作为应急电源系统和备用电源，作为动力回收系统或电力系统负荷调节系统； 作为便携式用电设备、电动工具和电动车辆的能量源。,二、蓄电池的种类,铅酸电池； 富液式：开口式、固定式、占地面积大、溢出酸雾、定期加水、低温性能差；寿命长；(近期出现富
2、液式+水份重组阀类型) 阀控式(VRLA)：便携式或固定式；分为贫液式、胶体式； VRLA电池主要用途是备用电源；但存在如下问题： 负极自放电大，导致低荷电状态和容量严重降低； 热失控，及环境温度敏感及充电敏感； 因此： 在低功率UPS应用中，由铅酸电池到镍镉电池的转换是一种设计和应用的趋势。,二、蓄电池的种类,碱性蓄电池 铁镍蓄电池，车辆用，已逐步淘汰； 氧化银蓄电池，军事及空间应用，成本很高； 锌镍蓄电池，轻便车辆用，循环寿命较低； 氢电极电池，航天领域和电动车，成本很高； 锌二氧化锰电池，便携工具设备，循环寿命和倍率差； 锂离子蓄电池，电子电信市场为主，成本较高； 镍镉蓄电池：应用最广泛
3、，成本只高于铅酸，低于其他 袋式极板结构：最常见、最常用 烧结极板结构：高放电率和低温性能更出色，还可细分为泡沫镍电极、纤维镍电极和涂膏式电极； 密封式：与密封铅酸电池相似(电子产品、设备类),三、阀控铅酸蓄电池,化学原理 当电池充电接近完成且大部分PbSO4已经被转化为Pb和PbO2时，过充电反应 就会开始，导致氢气和氧气的生成并损失水。 VRLA技术特点 氧气复合原理：过充电过程产生的大部分氧气能够在内部重化合 纯铅锡合金板栅的应用减少氢气的生成，氢气通过塑料壳和排气孔释放出去。 为了减少析氢，对充电器的技术要求较高； 可以在排气孔安装催化栓，使氢气与氧气再次化合达到平衡；水份重组 一般特
4、性 密封：不是真正密封，通过减压阀控制气体排出； 免维护：壳盖密封技术使电池理论上不能进行再次修理；,三、阀控铅酸蓄电池,VRLA电池性能特征(以方形电池为例) 放电曲线(20摄氏度，C20率),三、阀控铅酸蓄电池,VRLA电池性能特征(以方形电池为例) 温度与放电率对电池放电容量的影响,三、阀控铅酸蓄电池,VRLA电池性能特征 温度与电池预期寿命的影响曲线(温度敏感性),四、镍镉蓄电池,化学原理 发展过程 袋式极板结构(有极板盒式开口镍镉电池)：可靠、耐用、长寿、使用温度范围宽、结构坚固、能承受过充、反极、短路等滥用、低维护 烧结式极板结构：极板厚度更薄，内阻更小，高倍率性能和低温性能 更优
5、良； 烧结式极板的发展纤维极板镍镉电池(FNC) 烧结式极板的发展密封免维护镍镉电池：采用与VRLA类似技术 黏结式电极结构：主要用于航空和便携式密封电池。 对“开口”(VENT)的说明：“开口”的意义并不是字面上理解的 电池敞开的意思。是指电池正负极之间设置有气体阻挡层， 防止电池内生成的气体复合，当过充时，水被电解并通过安 全阀将氢气和氧气排出，消耗了水。,四、镍镉蓄电池,镍镉蓄电池特性 放电特性：分低倍率、中倍率、高倍率 标称电压1.2V，20摄氏度下袋式极板/黏结式极板高倍率型，C5率：,四、镍镉蓄电池,镍镉蓄电池特性 温度对电池容量的影响 温度下限：标准电解质-20摄氏度，增大电解质
6、浓度可降至-50摄氏度 温度上限：45摄氏度通常是镍镉电池长期工作的温度上限； 曲线如下，选取中等倍率袋式极板镍镉电池，C5率；,四、镍镉蓄电池,综合放电特性(ALCAD英国/SAFT法国，袋式极板),四、镍镉蓄电池,使用寿命(充放电循环次数/时间) 正常条件下循环寿命2000次以上；时间为8至25年； 影响寿命因素：温度(主要是高温)、放电深度、充电制度 记忆效应 仅存在于烧结式镍镉电池，完全可逆，通过深度维护循环可恢复； 袋式极板、纤维极板、黏结极板式电池无此效应；,四、镍镉蓄电池-开口烧结式,开口烧结式镍镉电池 技术成熟 体积比能量比袋式极板电池高出50% 薄极板设计，低内阻，高倍率特性
7、，低温性能优良； 放电电压平稳，适合高功率应用，广泛用于发动机启动和低温环境应用 成本较高 有记忆效应(可逆) 为延长寿命需要充电系统具有温度控制 开口原理 正、负极间以隔膜隔开，作为气体阻挡层和绝缘层； 电解质较多，将极板和隔膜完全淹没，属于”富液型电池”； 开口电池在充电终点时电压升高，可作为充电控制标志；,四、镍镉蓄电池-开口烧结式,析氢反应 开口式电池负极充电至基本达到100%荷电状态时，开始析氢； 过充电期间，全部电流都用于将水电解为氢气和氧气； 过充电反应消耗水，控制过充电量可限制水的损失，增大补水间隔； 充电特性 开口电池正负极之间的气体阻挡层可以防止电池内生成的气体在极板间迁移
8、并发生复合反应。这一方法可使正、负极都达到满荷电状态，从而使过充电开始时出现过电压，作为控制充电的反馈信号； 根据这一特性，可进行高充电率充电； 较多的过充电可使电池恢复到较高的容量； 过充电量越多，消耗的水越多； 通常充电量约为放电容量的101%至105%；,四、镍镉蓄电池-纤维板式,纤维电极镍镉电池(FNC电池) 核心是三维镀镍纤维矩阵结构极板，增加了活性物质载入量和利用率； 进一步改善低温性能(-40摄氏度) 降低充电系数，提高了充电效率 减少了过充电析气反应 高使用寿命(20-25年) 生产灵活性(技术覆盖范围广) 超高、高、中、低倍率覆盖 FNC体系在所有应用中具有相同的 性质和基本
9、特点 促进了密封电池的发展,四、镍镉蓄电池-纤维板式,再谈密封电池和开口电池 水溶液镍电极充电过程总是存在竞争反应(水的电解) 在充电末期，正极析出氧气，负极析出氢气 电池对析出气体的处理方式决定电池是否能密封： 密封电池：气体在电池内部复合 开口电池：气体排出电池外 开口电池过充电反应： 密封电池过充电反应：,四、镍镉蓄电池-纤维板式,密封免维护FNC电池 没有任何气体排放到电池外发生损失 氧气在负极复合 负极上采用过量氢氧化镉的过放电来阻止氢气析出 即负极容量大于正极容量(比值大于2:1) 注意：密封不是指全密封，安全阀是必不可少的； 正常情况下不析气 电池反极或充电电压失去控制的情况下，
10、氢气将析出；解决的措施是： 电池内置或外置由Pt/Pd催化基体制成的复合极板，氢气在该极板上与 来自正极的自放电反应或过充电反应产生的氧气复合(水份重组技术)。 当极端滥用(如严重的过充电)导致电解质沸腾时，安全阀将开启释放 压力。 自动防止故障发生特性；过充电至电解质沸腾，排出水蒸气后，电池 干涸，阻抗增加，电流下降，不再接受充电，电池逐渐冷却。,四、镍镉蓄电池-纤维板式,FNC镍镉电池特性 放电特性曲线，20摄氏度，C5率，低倍率型,四、镍镉蓄电池-纤维板式,FNC镍镉电池特性 温度与容量曲线,四、镍镉蓄电池,镍镉电池主要制造商,五、释氢分析-铅酸电池,铅酸电池 所有铅酸蓄电池在使用过程中
11、都会产生氢气 氢气来源：两种过程 过充电过程中，电解水副反应中产生 开路搁置期间自放电反应 开口式一般失水率为1.38g/Ah，折合氢气1.71L/Ah； 阀控式密封铅酸蓄电池 采用多元优质合金板栅，提高气体释放过电位(由2.30V至2.35V) 相对减少气体释放量 负极比正极多出10%容量，充电后期正极释放的氧气与负极复合 负极由于氧气作用处于欠充电状态，不产生氢气 正负极间隔板采用超细玻璃纤维隔板(AGM，非胶体电解质)，利于氧气 迅速流通到负极 采用密封式阀控滤酸结构，酸雾无法逸出；,五、释氢分析-铅酸电池,阀控式密封铅酸电池不逸出气体的状态和条件 开路存放期间 充电电压在2.35V单体
12、以下(25摄氏度) 放电期间 当充电电压超过2.35V单体时就有可能使气体逸出，原因是电池内短时 间产生的大量气体来不及被负极吸收(复合)；超压后安全阀排气； 阀控式密封铅酸蓄电池对充电电压要求非常严格，不能过充电； 实际充电过程分析 实际中蓄电池的过充是存在的，分为两种情况 （1）蓄电池的充电是整组进行，单体电池存在差异，出现个别电池过充 是普遍现象； （2）充电时间的要求，工业用户对后备电池充电时间一般要求放电后8-10 小时内充完，而单体充电电压低于2.35V，充电时间长达20-30小时； 如要在8小时内充完，单体充电电压一般要达到2.45V；,五、释氢分析-铅酸电池,阀控式密封铅酸蓄电
13、池析氢量分析 标准规定该类电池气体再化合率95%，大部分产品实际复合率接近或 超过99%，在正常工作状态的电池，其析气量是极少的，尚未收集到公 开的计算析氢量的计算方法； 公开资料上，对单体电池的析氢量给出了实验室测试结果如下： 浮充电压为2.25至2.27V/单体时，析气量为2ml/Ah/Mon； 浮充电压为2.28至2.30V/单体时，析气量为3ml/Ah/Mon； 浮充电压为2.35至2.40V/单体时，析气量为10ml/Ah/Mon； 析气量中80-90%成分是氢气 尽管从安全阀中排出的气体少到几乎可以忽略，但几乎所有的生产商 建议安装该类电池的房间或电池柜保证自然通风，不得完全密封。
14、 主要是考虑到： 1、危险气体的累积 2、过充电情况的存在会加剧氢气产生,五、释氢分析-镍镉电池,开口式镍镉电池 充电过程中，镍镉电池的充电效率： 袋式极板约71.5%，纤维极板约83.3%； 必然有一部分能量须以其他形式耗散-即电解水，引起电池失水； 放电过程中不产生气体 析气产生是周期性的，在每次充电快要结束时的过充期； 耗水分析 只有在过充过程中才产生电解水 理论计算： 每1Ah的过程电量将电解0.366cm3的水； 注：实际电解水的量要略小于上述量，因为过充电流还要抵消电极自放电， 并不完全用于电解水。,五、释氢分析-镍镉电池,开口式镍镉电池 析氢计算 每1Ah的过充电量将电解0.36
15、6cm3的水； 每1cm3水电解产生1.865升气体，其中2/3为氢气；1/3为氧气； 计算可得每1Ah的过充电可产生氢气为： 0.366x1.865x2/3=0.45升氢气； 对于某型开口式镍镉蓄电池组： 每小时产生的氢气可用下式计算： H2(L)/h=单体电池块数x充电电流Ix0.45 L H2(m3)/h=单体电池块数x充电电流Ix0.00045 m3,五、释氢分析-镍镉电池,开口式镍镉电池 实例计算 假设110V直流系统电池组由96块单体电池组成(1.2V/块)； 容量为280Ah；C5率； 充电电流一般限制在0.3C5以下，考虑到8至10小时充电，则充电电流至少为 0.1C5；则充电电流为28A； 根据计算公式，在最恶劣工况下，氢气释放量为： H2(m3)/h=96x28x0.00045=1.21 m3/h 通风分析(理论分析) 假设房间5mx3mx3m=45m3；假设电池体积为2m3，则房间净空间为43m3； 假设过充一小时后，房间中氢气占空比为：1.21/43=2.8% 假设允许的最大氢气含量为2%，则房间每小时换风量为: 2.8/2=1.4次/小时 按照CCS相应标准计算：0.11*I*n=296 m3/h,五、释氢分析-镍镉电池,带水份重组功能镍镉电池 水份重组分为内置/外置
