铅酸蓄电池放电特性研究

赵轩，谢学飞，曹红，周正飞

（长安大学，陕西 西安 710064）

铅酸蓄电池放电特性研究

赵轩，谢学飞，曹红，周正飞

（长安大学，陕西 西安 710064）

电动汽车具有低污染、低排放、低能耗、低噪声、高效率等优点，在环境保护和新能源利用等方面具有无可比拟的优势，是解决能源危机和环境污染问题较为有效的途径。蓄电池作为电动汽车的动力源，直接影响着电动汽车的动力性和经济性，因此本文针对应用最普遍、技术最成熟的铅酸蓄电池放电特性进行研究。本文首先对铅酸蓄电池的放电原理进行研究，建立了铅酸蓄电池放电模型，基于蓄电池综合测试系统进行了不同放电倍率下的放电试验，最后应用归一化数学方法建立了蓄电池放电试验模型，获得了蓄电池端电压与SOC的关系曲线，为蓄电池的进一步研究奠定了试验基础和理论模型。

铅酸蓄电池; 放电模型; 试验研究; SOC

CLC NO.:TM912.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-105-04

前言

近年来随着能源越来越枯竭以及人们对生存环境越来越重视，清洁新能源的需求变得更加迫不及

待。传统内燃机汽车是能源消耗、环境污染的重要原因。许多国家和汽车企业都在向电动汽车方向加大政策扶持、资金投入，因此拥有能源利用率高、污染物排放少、噪音小等优点的电动汽车成为汽车工业发展的主要方向[1]。然而蓄电池作为电动汽车的动力源，决定着汽车的动力性和经济性的好坏。电动汽车使用的蓄电池有铅酸蓄电池和离子蓄电池等。考虑到铅酸蓄电池技术成熟、使用范围广、价格便宜等优点[2]。因此本文主要针对铅酸蓄电池进行研究，以提高其使用寿命和能量利用率。铅酸蓄电池的放电过程是影响电动汽车动力性、经济性的重要因素，本文主要通过铅酸蓄电池的放电试验研究其放电特性，以满足电动汽车的需求和蓄电池荷电状态的估计。

1、铅酸蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池自从诞生至今已有一百多年的历史，一直在蓄电池市场占据重要地位。铅酸蓄电池具有使用寿命长，价格便宜，性能稳定，制作工艺成熟并且能够在不同环境下使用。因此一直是电动汽车动力源的重要来源。

铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、硫酸电解液及栅板等组成[3]。正极板上有活性物质PbO2，负极板上有活性物质Pb，电解液为H2SO4水溶液。铅酸蓄电池放电过程中，负极板上的活性物质Pb与H2SO4水溶液反应产生电子，电子通过外电路运动到正极板，正极板上的活性物质PbO2与H2SO4水溶液发生电化学反应。放电过程中正负极上的活性物质不断消耗，电解液浓度不断下降，并且反应过程中不断产生难溶、不导电的PbSO4并附着在正负极活性物质上，放电电压随之下降。铅酸蓄电池放电过程的化学反应可表示为[4]：

2、铅酸蓄电池放电模型的建立

铅酸蓄电池放电特性是一个复杂的过程，蓄电池放电特性应该可以用蓄电池放电模型来反映。目前蓄电池放电特性的研究方法主要有：蓄电池内部活性物质的化学特性利用蓄电池放电的电化学理论来分析研究；蓄电池特性可根据其动态特性研究蓄电池的等效电路近似模拟。前者适用于蓄电池自身的研究开发；后者主要用于蓄电池使用方面的研究。本次试验通过等效电路来模拟建立蓄电池放电模型。根据现有资料，铅酸蓄电池模型主要有阻容模型、铅酸原理模型、内阻模型和神经网络模型等[5]。其中阻容模型结构简单、实用性强、能够比较真实的反映蓄电池特性[6]。其等效电路简图如图1所示，等价为物理模型。

铅酸蓄电池放电数学模型可以表示为：

该模型由EO理想电压源、R0欧姆内阻、Rr极化内阻、Cr等效电容和Ub外电压组成。模型中EO表示未放电时理想电压；Ub表示向外电路提供的电压；R0表示蓄电池内部非线性内阻（主要由正负电极、栅板、电解质构成），主要影响因素是蓄电池电解液中H2SO4的浓度；极化电阻Rr（浓差极化内阻和电化学极化内阻）与等效电容Cr形成回路，极化电阻主要影响蓄电池电压。放电电流、放电深度越大极化电阻越大，蓄电池电压下降越多。因此Rr和Cr组成的回路影响铅酸蓄电池工况变化期间的过渡过程。该过渡过程可用蓄电池极化电压恢复时间常数ζ表示，与电池的使用周期有关，在实际应用中将其视为常量[2]。

3、铅酸蓄电池放电试验及结果分析

铅酸蓄电池放电试验是在环境温度25℃、不考虑蓄电池使用次数的前提下，在恒定放电电流工况下，以淄博明泰3D-240型蓄电池为研究对象，采用蓄电池充放电综合测试仪对铅酸蓄电池放电特性进

行研究。

淄博明泰3D-240型蓄电池单体电压为6V，蓄电池容量为240AH，具体参数如表 1所示。

表1 3D-240AH铅酸蓄电池参数表

蓄电池充放电综合测试仪如图2所示，该测试系统具有0-300A连续可调的恒流放电、智能充电功能，可以实时在线监测、显示测试数据，例如充放电电流、电池组电压、单个蓄电池电压、放电时间、容量。

使用蓄电池充放电综合测试仪对铅酸蓄电池进行不同倍率下的恒流放电试验。即30A、50A、70A、90A、110A、130A、150A、170A、200A。记录放电过程中蓄电池端电压与放电时间的数据，试验数据如图3所示。

由试验数据可知，在相同的试验条件下采用不同放电倍率，电流越大，放电电压下降越快，蓄电池容量越小。

由于铅酸蓄电池的放电电压v和放电时间s的试验数据在数量级上存在较大的差别，为了科学的对试验数据和试验结果总结，首先对试验得到的原始数据进行预处理，即归一化处理。具体处理过程如下所示。

式中：t为蓄电池放电t时刻；T为恒定电流下蓄电池整个放电时间；tg为归一化处理后t时刻对应的时间；V(t)为蓄电池放电过程t时刻对应的电压值；Vz为放电终止电压；V为蓄电池放电初始时电压；V(tg)为归一化处理后tg时刻对应的电压。

根据上述（3）、（4）归一化处理公式，对原始数据处理后，可以得到30A、50A、70A、恒电流放电的归一化曲线：

通过归一化散点图（图4）可以看出经归一化处理后不同恒流放电下蓄电池放电规律大体相同，具有很好的一致性。进一步研究表明，随放电模式、放电率、环境温度及放电终止电压等因素的变化对这种一致性的影响非常小[7-10]。并且可以预测出该型号蓄电池在不同放电率下的放电曲线，建立蓄电池的放电曲线库与归一化的曲线库。根据蓄电池放电电压V(t)，计算出V(tg)，通过归一化曲线得到归一化时间tg。

本试验为恒流放电，故蓄电池额定容量C可以表示为：

放电过程中蓄电池消耗电量Q表示为：

Ii为放电过程中的恒定电流；Ti为Ii恒定电流下的放电时间。

由tg得到（7）式SOC计算公式。

根据归一化处理后的数据，做出蓄电池端电压和SOC关系曲线图（图5）。

利用matlab最小二乘法求出蓄电池端电压与SOC的拟合关系式为：

通过拟合关系式就可以对蓄电池剩余电量进行估计，在电动汽车上使用时可以通过计算显示来提醒驾驶员汽车大概的续驶里程。

4、结论

明泰3D-240型蓄电池为研究对象，采用蓄电池充放电综合测试仪对铅酸蓄电池放电特性进行试验研究。获得蓄电池端电压与放电时间的关系数据。

（4）考虑到试验数据的差别，因此对试验数据进行归一化处理，拟合后获得蓄电池端电压与SOC的关系式。本论文的研究成果对于铅酸蓄电池剩余电量的估计、放电特性的进一步研究奠定了试验基础和理论模型。

（1）电动汽车在环境保护和能源利用等方面具有无可比拟的优势，但是蓄电池是制约电动汽车发展的重要因素，蓄电池放电特性直接关系着电动汽车的动力性和经济性，因此本文以试验数据为基础，对铅酸蓄电池放电特性开展研究。

（2）本文对铅酸蓄电池的放电原理进行总结，建立了铅酸蓄电池的放电模型。

（3）本文在环境温度25℃、不考虑蓄电池使用次数的前提下，在恒定放电电流工况下，以淄博

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Discharge Characteristics of lead-acid batteries

Zhao Xuan, Xie Xuefei, Cao Hong, Zhou Zhengfei
(Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064)

Electric cars have low pollution, low emission, low energy consumption, low noise, high efficiency and other advantages, such as environmental protection and new energy utilization has unparalleled advantages, which is a effective way to solve the energy crisis and environmental pollution problems. Battery as a power source for electric vehicles, directly affect electric vehicles’ power and economy. And in this paper, the most mature technology lead-acid battery discharge characteristics were studied. Firstly, the lead-acid battery discharge principle of research, the establishment of lead-acid batteries discharge model, integrated test system based on the battery discharge rate under different discharge test, the final application of normalization method to establish a mathematical model of the battery discharge test to obtain the battery terminal voltage and the SOC curve for battery tests laid the foundation for further studies and theoretical models.

Lead-acid battery; Discharge model; experimental study; SOC

TM912.1

A

1671-7988(2014)03-105-04

赵轩，工学博士，工程师，主要研究方向：重型商用汽车运行安全技术、电动汽车。

依托项目：（1）西安市科技计划项目 重型商用汽车安全保障综合技术研究（项目编号：CX12162）；（2）中央高校基金创新团队项目 重型商用汽车下坡安全保障综合技术研究（项目编号：2013G322402）。