基于IEEE標準的蓄電池容量計算

余穎鴻 劉侯志 郭孝東

1．中國石油工程建設有限公司西南分公司 四川成都 610041

2．中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦 四川遂寧 629000

3．四川大學化學工程學院 四川成都 610000

在國內的工程項目中，蓄電池的容量計算多采用《工業與民用供配電設計手冊》中的階梯負荷法或GB 51194-2016《通信電源安裝工程設計規范》中的計算公式，而國外項目中，蓄電池容量的計算基本上遵循IEEE標準。為了讓工程設計人員在評判國外項目廠家提供的蓄電池容量計算是否滿足要求，本文對蓄電池容量計算的相關的IEEE標準進行簡要介紹，并提供了簡單的計算實例。

1 蓄電池容量計算的相關IEEE標準

1.1 IEEE 485

IEEE 485側重于鉛酸蓄電池（Lead-Acid Battery）在全浮充操作（full float operation）下的容量計算，包括直流負荷的定義、影響蓄電池選擇的參數以及安裝、維護、測試的程序等。

1.2 IEEE 1115

IEEE 1115側重于鎳鉻蓄電池（Nickel-Cadmium Battery）在全浮充操作下的容量計算，包括直流負荷的定義、影響蓄電池選擇的參數以及安裝、維護、測試的程序等。

1.3 IEEE 1184

IEEE 1184是UPS蓄電池的選擇指南，主要內容涵蓋排氣式鉛酸蓄電池（VLA）、閥控鉛酸蓄電池（VRLA）及鎳鉻蓄電池的選擇、安裝、維護及測試程序，包括了基于UPS容量的蓄電池容量計算。

1.4 幾種標準的差異

鉛酸蓄電池和鎳鉻蓄電池容量計算的方法是一致的，計算公式及計算表格略有差異。考慮到石油天然氣行業中VRLA蓄電池使用較為普遍，本文主要介紹基于IEEE 485的蓄電池容量計算方法，鎳鉻蓄電池的容量計算方法本文不做詳細介紹。

IEEE 1184介紹的UPS的蓄電池容量計算主要是通過UPS容量（kVA）及輸出功率因數和逆變器效率計算負荷，不涉及負荷分類及統計。

2 基本概念

2.1 負荷分類

由蓄電池供電的直流負荷可分為連續負荷、或非連續負荷，其中持續時間小于等于1分鐘的非連續負荷稱為短時負荷（Momentary Loads）。隨機產生的非連續性負荷稱為隨機負荷（Random Loads）。

2.1.1 連續負荷

典型的連續負荷包括照明、連續運行的電機、變流器（如逆變器）、指示燈、連續通電的線圈、信號負荷、通信系統等。

2.1.2 非連續性負荷

典型的非連續性負荷包括應急機泵、關鍵通風系統的電機、消防系統、開關柜操作電源、電動閥操作電源、隔離開關操作電源、電機啟動電流、勵磁涌流等。

2.2 工作周期圖（ Duty Cycle Diagram）

工作周期圖用于顯示蓄電池工作周期內任意時間段內的所有負荷。工作周期圖也可以稱為負荷圖（Load Profile），該圖應由工程設計人員根據負荷的實際情況進行負荷統計、繪制，并提供給蓄電池廠家進行蓄電池容量的計算。

2.3 溫度校正系數（Temperature Correction Factor）

鉛酸蓄電池的容量受溫度影響較大，蓄電池的額定容量是基于標準溫度25℃，如果電解液的溫度低于該標準溫度，則需要選擇更大容量的蓄電池。

2.4 壽命系數（Aging Factor）

IEEE標準推薦的做法是當蓄電池容量降低到額定容量的80%時，應更換蓄電池。因此為了確保蓄電池在整個生命周期內能夠滿足設計負荷，蓄電池的額定容量應為125%（即壽命系數1.25）的設計容量。

2.5 設計裕量（Design margin）

由于維護不當、近期放電、環境溫度低于預期溫度等因素而導致蓄電池低于理想的運行條件時，應在設計容量的基礎上額外考慮10%-15%的設計裕量。如果蓄電池運行條件良好，設計裕量系數可取1.0。

2.6 容量系數（Capacity rating factor） Ct

容量系數體現的是蓄電池在特定放電率、環境溫度25℃、至蓄電池最低電壓條件下的性能，有以下兩種術語可用于表示容量系數：

Rt：蓄電池在特定放電率、環境溫度25℃、至蓄電池最低電壓條件下每個正極板的電流。

Kt：蓄電池的額定安時容量（在標準放電率、環境溫度25℃、至標準最低電壓）與蓄電池在特定放電率、環境溫度25℃、至蓄電池最低電壓條件下電流的比值。

Rt是基于蓄電池正極板的性能，其曲線不是每個廠家都能提供，如果缺乏此數據，可使用b）中的Kt。

Kt可以通過蓄電池性能參數查表計算。如蓄電池額定容量為160Ah，通過其性能參數表查得8h放電率時的電流為20A，則8h放電率時的Kt=160Ah/20A=8。

3 結束語

采用GB 51194標準計算蓄電池容量，不依賴于具體的蓄電池性能，并且沒有涉及負荷的分類及統計，計算過程簡單明了，所有影響蓄電池容量的因素統一采用1.25的可靠系數進行計算，該方法適用于蓄電池容量的估算。但是該方法的缺點是沒有提供階梯負荷的計算方法。手冊中的階梯負荷法計算，與IEEE標準中的計算方法類似，但是沒有考慮溫度系數，并且容量轉換系數為典型值，與具體的蓄電池性能無關，也只適用于估算。IEEE標準推薦的計算方法，計算過程繁瑣，對負荷的分類及統計給出了推薦做法，計算蓄電池容量時考慮的因素較多，包括溫度系數、壽命系數、設計裕量等，并且關鍵參數容量系數依賴于具體的蓄電池性能，計算結果更為準確，該方法適用于詳細設計階段，尤其是海外項目，根據具體的蓄電池性能參數，對蓄電池的容量進行計算、選擇。