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 儲能電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不可缺少存儲能電能部件，其主要功能是存儲光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能，并在日照量不足，夜間以及應急狀態(tài)下為負載供電。常用的儲能電池有鉛酸蓄電池，堿性蓄電池，鋰電池，超級電容，它們分別應用于不同場合或者產品中，目前應用最廣是鉛酸蓄電池，從19世紀50年代）開發(fā)出來至今，已經有160余年的歷史，目前衍生出來很多種類，如富液鉛酸電池、閥控密封鉛酸電池、膠體電池，鉛碳電池等。發(fā)展最快的是鋰電池，目前主要有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池（鎳鈷錳酸鋰LiNiCoMn）。

1、鉛酸蓄電池工作原理，基本結構

鉛酸電池是用鉛和二氧化鉛作為電池負極和正極活性物質，以稀硫酸為電解質的化學儲能裝置，具有電能轉換效率高、循環(huán)壽命長、端電壓高、安全性強、性價比高、安裝維護簡單等特點，目前是各類儲能、應急供電、啟動裝置中首選的化學電源。鉛酸電池的主要構成包括：

1）極板：正負極板均是以特殊的合金板柵涂敷上活性物質所得，極板在充放電時存儲和釋放能量，確保電池的容量和性能可靠；

2）隔板：是置放于電池正負極中間的一個隔離介質，防止電池正負極直接接觸而短路的裝置，不同類型的鉛酸電池隔板材質不同，閥控類電池主要以AGM、PE、PVC 為主；

3）電解液：鉛酸電池的電解液是用蒸餾水配制的稀硫酸，電解液在充放電時起到在正負極間傳輸離子的作用，因而電解液必須要沒有雜質；

4）容器（電池殼蓋）：電池包覆的容器，電解液和極板均在容器內，主要起支撐作用，同時防止內部物質外溢，外部物質進入內部結構污染電池。

2、鉛酸蓄電池的種類

鉛酸電池的工作原理就是通過電化學反應，電能和化學能之間相互轉化，電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。英語：Lead-acid battery 。放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。種類較多，應用在光伏儲能系統(tǒng)中，比較多的有三種，富液型鉛酸蓄電池（FLA，flooded lead-acid），閥控式密封鉛酸蓄電池VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery)，鉛碳蓄電池等等。

2.1、富液型鉛酸蓄電池

鉛酸電池的電解液中的硫酸直接參與電池充放電反應過程，傳統(tǒng)鉛酸電池中，電池槽內除去極板、隔板及其他固體組裝部件的剩余空間完全充滿硫酸電解液，電解液處于富余過量狀態(tài)，故被稱為“富液式”電池，電池極板完全浸泡在硫酸電解液中。富液式蓄電池頂部有一個能夠通氣而又能夠阻擋液體濺出的蓋子，在使用過程中由于水分的蒸發(fā)和分解損失，需要定期將蓋子打開補加蒸餾水及調整電解液密度，所以習慣上被稱為“開口式”蓄電池。富液型鉛酸蓄電池特點是價格便宜，壽命長，缺點是需要經常維護。

2.2、閥控式密封鉛酸蓄電池

又稱免維護電池，分為AGM密封鉛蓄電池和GEL膠體密封鉛蓄電池兩種。AGM型電池使用純的硫酸水溶液作電解液，大部分存在于玻璃纖維膜之中，同時極板內部吸有一部分電解液外。AGM式密封鉛蓄電池電解液量少，極板的厚度較厚，活性物質利用率低于開口式電池，因而電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。與當今的膠體密封電池相比，其放電容量要小一些。與富液型相同規(guī)格蓄電池相比，價格較高，具有以下優(yōu)點：1.循環(huán)充電能力比鉛鈣蓄電池高3倍，具有更長的使用壽命。2.在整個使用壽命周期內具有更高的電容量穩(wěn)定性。3.低溫性能更可靠。4.降低事故風險，減少環(huán)境污染風險（由于酸液100%密封裝）5.維護很簡單，減少深度放電。

膠體密封鉛蓄電池（即GEL型電池），膠體鉛酸蓄電池是對液態(tài)電解質的普通鉛酸蓄電池的改進，用膠體電解液代換了硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。其電解液是由硅溶膠和硫酸配成的，硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低，電解液的量比AGM式電池要多，跟富液式電池相當。這種電解質以膠體狀態(tài)存在，充滿在隔膜中及正負極之間，硫酸電解液由凝膠包圍著，不會流出電池。

其優(yōu)點如下：GEL型膠體電池是電解質凝膠后沒有游離電液，漏酸的機率比前一種電池小得多；其灌注量比稀硫酸多，失水少，所以膠體電池不會因失水造成失效；膠體的灌入增加了隔板的強度，保護了極板，彌補了隔板遇酸收縮的缺陷，使裝配壓力不明顯降低是其具有延長電池壽命的原因之一；膠體填充了隔板與極板之間的空隙，降低了電池的內阻，充電接受能力可因此而改善。所以膠體電池的過放電，恢復能力和低溫充放性能都比AGM型電池優(yōu)越。

膠體蓄電池優(yōu)異特性

1、可以明顯延長蓄電池的使用壽命。2、體鉛酸蓄電池的自放電性能好，在同樣的硫酸純度和水質情況下，蓄電池的存放時間可以延長2倍以上。3、膠體鉛酸蓄電池在嚴重缺電的情況下，抗硫化性能很明顯。4、膠體鉛酸蓄電池在嚴重放電情況下的恢復能力強。5、膠體鉛酸蓄電池抗過充能力強。6、膠體鉛酸蓄電池后期放電性能好。

2.3、鉛碳電池

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進出來的技術，它是在鉛酸電池的負極中加入了活性炭，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。鉛碳電池是一種新型的超級電池，是將鉛酸電池和超級電容器兩者合一:既發(fā)揮了超級電容瞬間大容量充電的優(yōu)點，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢，且擁有非常好的充放電性能。而且由于加了碳(石墨烯)，阻止了負極硫酸鹽化現(xiàn)象，改善了過去電池失效的一個因素，更延長了電池壽命。鉛炭電池的度電成本可低至0.5元/kWh，在規(guī)模化生產的基礎上，鉛炭電池甚至有望將度電成本降至0.4元以下。

鉛炭電池是鉛酸蓄電池領域最先進的技術，也是國際新能源儲能行業(yè)的發(fā)展重點，具有非常廣闊的應用前景。儲能電池技術是制約新能源儲能產業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一。光伏電站儲能、風電儲能和電網調峰等儲能領域，要求電池具有功率密度較大，循環(huán)壽命長和價格較低等特點。

3、鉛酸蓄電池組管理

鉛酸蓄電池一般采用三段式充電模式：

第一階段快充，恒流充電階段，以充電器最大的輸出電流對電池快速充電，充電時間取決于電池容量和開始充電時電池狀態(tài)。 第二階段均充，恒壓充電階段，充電器充電電壓保持恒定，充入電量繼續(xù)增加，電池電壓緩慢上升，充電電流下降；.第三階段浮充模式，蓄電池基本充滿，充電電流下降到低于浮充轉換電流，充電電壓降低到浮充電壓。

●充電電流

電池充電電流一般以電池容量C的倍數(shù)來表示，舉例來講，如果電池容量C=100Ah，充電電流為0.1C則為0.1×100=10A。鉛酸免維護電池的最佳充電電流為0.1C左右，充電電流不能大于0.3C。充電電流過大或過小都會影響電池的使用壽命.

●充電電壓

額定電壓為2V的單體電池，一般浮充電壓設置為2.2-2.3V。均充電壓設置為2.3-2.5V，如果充電電壓過高，電池易失水，發(fā)熱變形，反之會使電池充電不足，充電電壓異常，可能由充電器配置錯誤引起，或因充電器故障造成。

●放電深度 DOD depth of discharge

在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度(depthof discharge，DOD)。放電深度的高低電池壽命有很深的關系，放電深度越深，其充電壽命就越短，因此在使用時應盡量避免深度放電。蓄電池放電深度在10%～30%上下為淺循環(huán)放電；放電深度在40%～70%上下為中等循環(huán)放電；放電深度在80%～90%上下的為深循環(huán)放電。

一般來說，蓄電池長期運行的每日放電深度越深，蓄電池壽命越短，放電深度越淺，蓄電池壽命越長。淺循環(huán)放電有利于延長蓄電池壽命。蓄電池淺循環(huán)運行，有兩個明顯的優(yōu)點：第一，蓄電池一般有較長的循環(huán)壽命；第二，蓄電池經常保有較多的備用安時容量，使光伏系統(tǒng)的供電保證率更高。根據(jù)實際運行經驗，較為適中的放電深度是60%到70%。

●蓄電池的檢查

蓄電池都有自放電現(xiàn)象，如果長期放置不用，會使能量損失掉，因此需定期進行充放電。工程技術人員可以通過測量電池開路電壓來判斷電池的好壞，以12V電池為例，若開路電壓高于12.5V，則表示電池儲能還有80%以上，若開路電壓低于12V，則表示電池儲能不到30%，電池已處于“彈盡糧絕”的地步。 免維護電池由于采用吸收式電解液系統(tǒng)，在正常使用時不會產生任何氣體，此時電池內壓就會增大，會將電池上方的壓力閥頂開，嚴重的會使電池鼓脹、變形、漏夜甚至破裂，這些現(xiàn)象都可以從外觀上判斷出來，如果發(fā)現(xiàn)上述情況應立即更換電池。

●電池安裝

電池應盡可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的地方，并要避免受到陽光、加熱器或其他輻射熱源的影響。電池應立正放置，不可傾斜角度。每個電池之間端子的連接要牢固。

●環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對電池的影響較大。環(huán)境溫度過高，會使電池過充產生氣體；環(huán)境溫度過低，則會使電池充電不足著都會影響電池的使用壽命。因此環(huán)境溫度在25℃左右最好。

●定期保養(yǎng)

電池在使用一定時間后應進行定期檢查，如觀察其外觀是否異常、測量各電池的電壓是否平均等。如果長期不停電，電池會一直處于充電狀態(tài)，這樣會使電池的活性變差，因此即使不停電，也需要定期進行放電試驗，以便使電池保持活性。放電試驗一般可三個月進行一次，做法是逆變器帶載，最好在50%以上，放電持續(xù)時間視電池容量而定，一般為幾分鐘至幾十分鐘。

4、鉛酸蓄電池的選型與設計

4.1、蓄電池的容量

表示在一定條件下（放電率、溫度、終止電壓等）電池放出的電量，即電池的容量，通常以安培*小時為單位，蓄電池電壓有2V，6V，12V三種。蓄電池組的可用電量和蓄電池的串并聯(lián)沒有關系，只和數(shù)量有關系，可用電量=電壓*容量*數(shù)量*放電深度，如蓄電池組，共4個12V/200AH，放電深度0.7，則可用電量=12*200*4*0.7=6720VAH。

（1） 放電率對電池容量的影響

鉛蓄電池容量隨放電倍率的增大而降低，也就是說放電電流越大，電池的容量就越小。比如一只10Ah的電池，用5A放電可以放2小時，即5×2=10；用10A放電只能放出47.4分鐘的電，合0.79小時，其容量僅為10×0.79=7.9Ah，所以對于給定電池在不同時率下放電，將有不同的容量。

（2） 溫度對電池容量的影響

溫度對鉛酸蓄電池的容量影響較大，一般隨溫度降低容量會下降，當電解液溫度降低時，電解液粘度增大，離子受到較大的阻力，擴散能力下降，電解液電阻也增大，使電化學反應阻力增加，一部分硫酸鉛不能正常轉化，充電接受能力下降，結果導致蓄電池容量下降。

（3）終止電壓對電池容量的影響

當電池放電至某一個電壓值以后，產生電壓急劇下降，實際上所獲得的能量非常小，如果長期深放電，對電池的損害相當大。所以必須在某一電壓值終止放電，該截止放電電壓叫放電終止電壓，設定放電終止電壓，對延長蓄電池使用壽命意義重大。

4.2、光伏離網系統(tǒng)蓄電池配比計算

（1）組件的電壓和蓄電池的電壓要匹配，PWM型控制器太陽能組件和蓄電池之間通過一個電子開關相連接，中間沒有電感等裝置，組件的電壓是蓄電池的電壓1.2-2.0倍之間，如果是24V的蓄電池，組件輸入電壓在30-50V之間，MPPT控制器，中間有一個功率開關管和電感等電路，組件的電壓是蓄電池的電壓1.2-3.5倍之間，如果是24V的蓄電池，組件輸入電壓在30-90V之間。

（2）AGM蓄電池的充電電流一般為0.1C10左右，快速充電不超過0.15C10，例如1節(jié)鉛酸蓄電池12V200AH，充電電流一般在20A到30A之間，最大不能超過40A，GEL膠體電池充電電流可以適當加大到0.2 C10；蓄電池的放電電流一般為0.2C10-0.5C10，不同類型的蓄電池，放電電流相差較大，AGM蓄電池最大1C10，GEL膠體電池最大可以到2C10，鉛碳電池最大可以到5C10。

（3）光伏離網系統(tǒng)中，負載的用電量不是固定的，在計算蓄電池的總電量時，要根據(jù)用戶的要求來設計，對用電要求較高的用戶，蓄電池可用電量要大于用戶用電量的最高值，對于一般用戶，蓄電池可用電量等于用戶用電量的平均值。

（4）同一個蓄電池組，要保證蓄電池是同一個型號。盡量使蓄電池串聯(lián)，使所以蓄電池的充電和放電均衡。蓄電池并聯(lián)的個數(shù)最好不超過3組，如果超過了 ，要考慮加入BMS蓄電池管理系統(tǒng)。

（5）蓄電池組電纜的設計，主要考慮線路上的最大電流，用逆變器功率除以蓄電池組電壓，得出最大放電電流，或者組件功率除以蓄電池組電壓，得出最大充電電流（小于控制器的最大輸出電流），如一個3KW的逆變器，光伏控制器是48V/50A，蓄電池組電壓是48V，配265W的組件12塊，蓄電池組最大輸出電流為3000/48=62.5A，組件總功率為265*12=3180W，3180/48=66.25A，這是理論上最大充電電流，但由于控制器是50A，實際上最大充電電流是50A，所以電纜要按62.5A來設計，如果電纜長度小于50米，可選10平方，如果電纜長度大于50米，或者有穿管，鎧裝等外包裝，則要選16平方。

4.3、鉛酸蓄電池參數(shù)解讀



1）額定電壓，單體蓄電池的額定電壓，一般有2V，6V，12V三種；

2） 容量，單體蓄電池的電量，是電流A和時間h來表示；

3）功率，蓄電池的額定輸出功率，設計時要和負載功率相匹配，如果蓄電池的功率小于負載功率，會引起蓄電池電壓波動，有可能造成電池管理系統(tǒng)誤報。

4）最大放電電流：不同型號的蓄電池，放電電流不一樣，鉛碳電池可達6C。

5、鋰電池工作原理，基本結構



鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。

相比其他電化學電流，鋰離子電池有著很多自身的優(yōu)點，即重量輕、儲能容量大、功率大、無污染、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應范圍廣等。鋰離子電池可應用于電能質量，可靠性控制，備用電源，削峰填谷，能量管理，可再生儲能等方面。

5.1、鋰電池的種類

通常我們說得的鋰電池指鋰離子電池，按照用途一般分為儲能鋰電池和動力鋰電池。儲能鋰電池用于光伏或者UPS，內阻比較大，充放電速度較慢，一般為0.5-1C，動力電池一般用在電動汽車上，內阻小，充放電速度快，一般能達到3-5C，價格比儲能電池貴1.5倍左右。按照材料分主要有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池（鎳鈷錳酸鋰LiNiCoMn）。兩種電池對比：



對比項目

磷酸鐵鋰

三元鋰

1

功率密度（mAh/g）

130

160-190

2

放電平臺V

3.2-3.3

3.6-3.7

3

循環(huán)性能80%

>2000

>2000

4

高低溫性能

-20~+75

-30~+65

5

材料

鋰礦、氧化鐵磷酸鹽儲量豐富

鈷元素缺乏

5.2、鋰電池組管理

鋰電池管理系統(tǒng)，BatteryManagement System，BMS是由微電腦技術，檢測技術等構成的裝置，其功能不只是對電池進行充放電保護，還有精確測量電池的剩余電量，單體電池均衡充電等重要功能。

（1）保障電池的安全：在電池充放電過程中，實時采集電動汽車蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。

（2）準確估測電池組的電池剩余電量，隨時預報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。蓄電池的電量和電壓有一定的關系，但不是線性關系，不能依靠電壓來換算剩余電量，需要通過BMS來計算。

（3）單體電池間的均衡：即為單體電池均衡充電，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態(tài)。

5.3、鋰電池的選型與設計

鋰電池系統(tǒng)包括電芯和BMS電池管理系統(tǒng)，由廠家統(tǒng)一提供。設計時要注意以下幾個要點：

1）儲能鋰電池包需要和逆變器或者雙向儲能變流器PCS通信，要選擇具有鋰電池功能并有相應的通信接口功能的設備。

2）儲能鋰電池和鉛酸蓄電池相比，充放電電流比較小。

3）如果系統(tǒng)需要多個電池組，一個電池組需要配一個BMS系統(tǒng)。

6、鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池對比表：

原標題：光伏系統(tǒng)儲能電池原理及應用