適用于高溫不穩定電網蓄電池壽命評估的方法

安強新，王宏智

(天津大學化工學院，天津 300072)

適用于高溫不穩定電網蓄電池壽命評估的方法

安強新，王宏智

(天津大學化工學院，天津 300072)

非洲、中東及阿拉伯國家、亞太是移動電話用戶增長最快的區域，部署了很多基站，閥控鉛酸(VRLA)蓄電池是最主要的備電電池。非洲、亞太(尤其是東南亞)，電網普遍很差，有些地區甚至無市電；而在非洲、中東及阿拉伯國家(尤其是撒哈拉地區)會出現極端高溫。如何評估用于高溫不穩定電網下的蓄電池壽命是確保通信網絡安全可靠的重要任務。討論了不穩定電網下VRLA電池壽命評估的方法，即部分荷電態(PSOC)狀態下的電池壽命評估；VRLA電池壽命(包括循環壽命和浮充壽命)與溫度的關系；電池在壽命期間輸出電量與放電深度的關系等。

閥控鉛酸蓄電池；電池壽命；浮充壽命；循環壽命；不穩定電網；部分荷電態；放電深度；輸出電量

2013年底，全球移動電話用戶達到了68億。非洲、中東及阿拉伯國家、亞太是移動電話用戶增長最快的地區，如圖1、圖2所示。但是，非洲和亞太，尤其是東南亞地區。電網很差，有些地區甚至沒有市電。另一方面，非洲和阿拉伯國家，尤其是撒哈拉國家，這些地方會出現極端高溫，有“世界火爐”之稱。

圖1 2001～2013年全球移動用戶數量變化

圖2 2006～2013年移動用戶增長率

閥控鉛酸蓄電池(VRLA，下文簡稱為電池)是最主要的通信備用電池，如何評估用于高溫不穩定電網下的電池壽命是確保通信網絡安全可靠的重要任務。

1 部分荷電循環狀態

圖3為美國宇航局(NASA)公布的全球夜景圖，圖中亮點越多的地方，表明該地點的供電情況越佳。從圖中可以看出：非洲、東南亞等地的供電情況較差，意味著這些地方的電池每天都要進行充放電循環，要求電池的循環壽命長；這些地方的電力供應不穩定，意味著電池還未充足電就要進行下一次放電，電池處于部分荷電狀態(partial state of charge，PSOC)循環，即電池經常處于未充足電就工作的狀態。

圖3 NASA公布的全球夜景圖

現有的標準IEC60896-21和IEC61427似乎可以用來評估PSOC狀態的電池壽命，然而，IEC 60896-21第6.15條款“40℃使用壽命”和6.16條“55℃或60℃加速壽命”[1]，這些測試方法是純粹用來評估穩定電網下電池的浮充壽命。測試是基于Arrhenius方程，即，假設電池的壽命只有一種失效模式，典型的是板柵腐蝕，通過測試在特定溫度下的數據，將Arrhenius方程外推到室溫來預測壽命。IEC 61427第8.4條款“光伏應用(極端條件)下循環測試”[2]接近于非穩定電網情況，其測試由兩部分組成，初始為50次低荷電態循環，即，用I10從40%SOC放電至10%SOC，充電為恒流不限壓；然后為100次高荷電態循環，即，用I10從100%SOC放電至～75%SOC。初始的50次循環確實是PSOC狀態，但緊跟的100次循環，蓄電池已經完全充滿電，實際上，恒流充電甚至達到過充。

因此，我們得尋找一種全新的方法來評估不穩定電網下的電池壽命。

很多公司已經提出了類似的測試方法。圖4、圖5都是由一系列模擬電網真實狀況的充放電循環組成，這些方法對于評估不穩定電網下的電池壽命是適合的，但關鍵問題是，這些測試方法中對于電網的模擬是否真實？如何能更準確而又合理地定義不穩定電網的不穩定性？

圖4 方法1測試不穩定電網下的電池壽命

圖5 方法2測試不穩定電網下的電池壽命

另一個非常重要的問題是，要選適合于不穩定電網的合適電池，因為大多數電池不適應PSOC狀態，放電后必須充足電才能保證長壽命，而充足電就需要很長時間，這在電網不穩定情況下是很困難的。適應于PSOC狀態的電池需要具備以下特點：

(1)快充，能接受較大電流充電，這樣可以確保在較短時間內充入更多的電量，使電池處于較高荷電態，有利于延長壽命；

(2)循環壽命長，適于循環使用。

2 電池壽命與溫度的關系

電池壽命與溫度有一個近似的關系，即溫度每上升10℃，電池壽命縮短一半。但需要強調的是，此處的壽命是指電池的浮充壽命，而非循環壽命。

電池的浮充壽命是指在穩定電網下電池經常處于充電狀態，只有在電網偶而中斷時做備電使用，浮充壽命一般用日歷年表示。

通過設計一些測試方法，來測試在特定溫度下的電池容量，使其相當于在25℃下一年的壽命。經常使用的是加速浮充壽命(accelerated floating life，AFL)方法：即，在60℃，每30天測試容量，相當于25℃下339天；相似地，在55℃，每42天測試容量，相當于25℃下336天。

浮充壽命與溫度的關系如圖6所示。

圖6 浮充壽命與溫度的關系

電池的循環壽命是指在不穩定電網或無市電時，電池與其它能源(如柴油機組、太陽能、風能等可再生能源)交替供電。蓄電池處于充放電循環工作模式，循環壽命一般用一定放電深度下的循環次數表示。

從電池失效模式(failure mode effect analysis，FMEA)分析，可以發現，電池在穩定電網和不穩定電網下使用，其失效模式是不同的。在穩定電網下，主要失效模式是板柵腐蝕和干涸；但在不穩定電網，如果不是極端高溫，主要失效模式是負極硫酸鹽化和正極活性物質軟化脫落。

循環壽命與溫度的關系如圖7所示。在溫度不是很高時，溫度對循環壽命影響較小，當溫度很高時，嚴重影響循環壽命。

圖7 循環壽命與溫度的關系

3 電池輸出電量與放電深度的關系

當用戶使用電池時，不僅要考慮電池性能，更要考慮投資回報(ROI)，而往往ROI是最重要的指標。對于電池來說，ROI意味著配置多大的電池容量，備電多長時間，即放電到多少深度，同時能提供多長的壽命，簡而言之，就是蓄電池在其壽命期間內能輸出多大的電量。

假設循環壽命(cycle_life)與放電深度(DOD)的關系為指數函數(循環壽命與放電深度的關系函數，電池業界未有明確結論)：

式中：A和α為常數。

每一次循環，電池的輸出電量(Each)為：

式中：C為電池的額定容量。

在整個壽命期間的總輸出電量(Total_throughput)為：

為了得到最大的輸出電量，對上述公式求導數：

4 結論

(1)必須使用適于PSOC狀態的電池用于不穩定電網。

(2)由一系列模擬電網不穩定性的充放電循環組成的測試方法可用來測試評估電池壽命。

(3)溫度對電池循環壽命的影響不同于對浮充壽命的影響，當溫度不是很高時，溫度對循環壽命影響不大，當溫度較高時，嚴重影響循環壽命。

(4)假設循環壽命與放電深度是指數函數，那么蓄電池在特定的放電深度，可在整個壽命期間輸出最大電量。

致謝：在此誠摯感謝Dr.Frank A.Fleming，Mr.Philip Shumard和IEC TC21/WG3工作組召集人Mr.Herbert K. Giess對此論文工作的技術支持。

[1]IEC.IEC 60896-21-2004 Stationary lead-acid batteries-Valve regulated types-methods of test[S].[S.l.]:IEC,2004.

[2]IEC.IEC 61427-2005 Secondary cells and batteries for photovoltaic energy systems(PVES)-General requirements and methods of test[S].[S.l.]:IEC,2005.

Method to evaluate life of battery used in high temperature and unreliable grid

AN Qiang-xin,WANG Hong-zhi
(School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Africa,Arab states,Asia&Pacific area are the quickest increasing regions of mobile cellular subscriptions, so many site stations are deployed and VRLA batteries are the most used standby power. But Africa and Asia& Pacific area,especially Southeast Asia,are the regions where the grids are very poor or even have no electricity.On the other hand,in Africa and Arab states,especially in Sahara countries,the temperature is rigorous high.How to evaluate the battery life of high temperature and unreliable grid is an important work to ensure the communication security and reliability.The methods to evaluate the life of the VRLA battery operated under unreliable grids were discussed,that is to evaluate the life of the battery under PSOC.The relations between the battery life(including cycle and float life)and temperature and between throughput and discharge depth were discussed.

VRLA;battery life;float life;cycle life;unreliable grid;PSOC;depth of discharge(DOD);throughput

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1697-02

2015-01-12

安強新(1971—)，男，廣東省人，高級工程師，主要研究方向為化學儲能及應用。