卷繞式純鉛蓄電池低溫放電性能的研究
閥控密封鉛酸蓄電池作為成熟、穩(wěn)定而又性價(jià)比高的儲(chǔ)能介質(zhì),在各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但是由于其組成部分中包含有液態(tài)電解液以及其固有的電化學(xué)特性,其在低溫環(huán)境下放電性能并不理想。而在我們的日常生活和工業(yè)應(yīng)用中,需要采用蓄電池實(shí)現(xiàn)后備供電的應(yīng)用場(chǎng)景是極其普遍的,例如在具備遠(yuǎn)動(dòng)功能的電氣化鐵路沿線都裝設(shè)了大量的智能型箱式變電站,這些箱式變電站都會(huì)配備帶蓄電池的UPS。由于箱式變電站密封性不高,對(duì)內(nèi)部元器件的防護(hù)較差,因此蓄電池的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣,尤其是在冬季北方地區(qū)的低溫環(huán)境下,蓄電池經(jīng)常不能放電或者放電容量非常低,不能滿足遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)安全運(yùn)行所需要的后備時(shí)間要求,成為鐵路安全運(yùn)行的潛在隱患。因此有必要尋找更適合的儲(chǔ)能介質(zhì)以適應(yīng)這種低溫環(huán)境下應(yīng)用場(chǎng)景。
目前可以作為儲(chǔ)能介質(zhì)的產(chǎn)品有很多,包括閥控密封鉛酸蓄電池、卷繞式純鉛蓄電池、鋰電池、超級(jí)電容等等。由于鋰電池在低溫環(huán)境下的容量衰減也較為嚴(yán)重,超級(jí)電容的能量密度比太低,經(jīng)過(guò)多方面比較分析,發(fā)現(xiàn)卷繞式純鉛蓄電池是目前相對(duì)比較合適的一種儲(chǔ)能介質(zhì)。
卷繞式純鉛蓄電池是以卷繞方式組合成形的電芯所組成的電池,稱為卷繞電池(圖2)。其最早主要作為室外工程機(jī)械或汽車的啟動(dòng)電池使用,主要特點(diǎn)是啟動(dòng)電流大,高低溫特性好,循環(huán)使用壽命長(zhǎng),沒(méi)有游離電解液,能適用于各類復(fù)雜環(huán)境,-55℃～65℃均可正常使用。安裝方便,密封式結(jié)構(gòu)使得電池可以隨意橫向或倒立安裝,不會(huì)漏液。同時(shí),卷繞式純鉛蓄電池采用圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),解決了殼體在高溫情況下,熱失控鼓脹而變形問(wèn)題。結(jié)構(gòu)如圖2所示。
為了定性及定量地比較卷繞式純鉛蓄電池和普通閥控密封鉛酸蓄電池在低溫環(huán)境下的放電性能，我們分別在實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)際工程應(yīng)用環(huán)境下對(duì)兩者進(jìn)行了比較試驗(yàn)，給出試驗(yàn)的相關(guān)方案及其結(jié)果。
1 研究方法
在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試(以阻性負(fù)載為主，配合施耐德塑殼開(kāi)關(guān)電動(dòng)操作機(jī)構(gòu))，在實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)所測(cè)試(接近于實(shí)際負(fù)載)，并在哈爾濱鐵路局齊齊哈爾供電段進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，以及在我局管段范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用。
2 測(cè)試方案
(1)準(zhǔn)備
①某品牌普通閥控密封蓄電池4只(12V/24Ah),每次試驗(yàn)前在室溫環(huán)境下完全充滿電,蓄電池選用某合資品牌。
②某品牌卷繞式純鉛電池4只(12V/25Ah),每次試驗(yàn)前在室溫環(huán)境下完全充滿電,卷繞式純鉛電池選用某國(guó)產(chǎn)品牌。
③配備高低溫箱、萬(wàn)用表、負(fù)載儀、耐德塑殼斷路器(配電動(dòng)操作機(jī)構(gòu))、蓄電池測(cè)試儀等實(shí)驗(yàn)儀器。
(2)試驗(yàn)室測(cè)試方案
以2kVAUPS連接4只蓄電池，高低溫實(shí)驗(yàn)箱設(shè)置溫度-40℃，分別將全部閥控密封鉛酸蓄電池或卷繞式純鉛蓄電池整體放置于高低溫箱中凍8h，外接阻性負(fù)載以及施耐德塑殼斷路器電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。斷開(kāi)交流輸入電源，使UPS完全工作于電池逆變輸出模式。每半小時(shí)分合閘6次(模擬3個(gè)電動(dòng)開(kāi)關(guān)各分合閘2次)。測(cè)量電池電壓6次，并計(jì)算平均值。
(3)實(shí)際應(yīng)用工況測(cè)試方案
在東北地區(qū)冬季低溫環(huán)境下，將UPS及4節(jié)閥控密封鉛酸蓄電池或卷繞式純鉛蓄電池放置箱式變電站內(nèi)(不采暖、不加熱)，經(jīng)完全凍透一晚(超過(guò)8h)后，以蓄電池模式逆變輸出。采集每天的室外氣溫條件以及前天夜間更低氣溫。每半小時(shí)分合閘6次(模擬3個(gè)電動(dòng)開(kāi)關(guān)各分合閘2次)。測(cè)量輸出電壓(交、直)、電池電壓。兩種不同蓄電池測(cè)試時(shí)，要盡量在室外溫度相差不大的天氣下進(jìn)行測(cè)試。
3 研究過(guò)程和相關(guān)數(shù)據(jù)
(1)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4、表1、表2從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,在低溫-40℃環(huán)境及同樣負(fù)載情況下,閥控密封鉛酸蓄電池的放電時(shí)間為204min,卷繞式純鉛蓄電池為282min,卷繞式純鉛蓄電池的放電容量約比閥控密封鉛酸蓄電池的多40%。
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