太阳能路灯用铅酸蓄电池失效模式分析及对策

2015-12-31江苏华富储能新技术股份有限公司朱明海吴战宇周寿斌汪的华魏迪

太阳能 2015年10期

江苏华富储能新技术股份有限公司 ■ 朱明海吴战宇周寿斌汪的华魏迪

0 引言

我国经济发展进入“新常态”，实现了从增长速度向发展质量的转型，优化能源结构、促进节能减排将是我国未来经济发展的一大亮点。太阳能路灯作为新能源开发的一种典型应用，以低压直流供电，采用太阳能作为电能供给，具有节能、环保、安全等优点。

然而，作为太阳能路灯系统储能部件的铅酸蓄电池，尽管设计寿命为10～12年，但实际使用寿命多则3～4年，少则1～2年。笔者几年来一直从事太阳能路灯系统动态跟踪和走访调研，为弄清储能用铅酸蓄电池失效模式，对市场退回的铅酸蓄电池随机抽取样本后进行试验分析，以找到铅蓄电池容量衰减的根本原因，并对铅酸蓄电池失效的市场因素及改进对策进行分析。

1 实验方法

1.1 失效极性确定

1) 随机抽取市场退回、外观正常的失效电池。

2) 在不破坏电池内部结构的基础上，分别在电池各个单体的连接处打眼，露出触点。

3)用放电仪进行10 hr放电，以Cd电极作为参比电极，用万用表对电池单体正负极板电位进行测量，并且测定单体两端的电势，放电终止电压为10.8 V。

4) 统计、分析数据，定性失效极性。

1.2 失效电极物理分析

1)在不破坏电池内部结构的基础上，解剖电池。

2)拔出极群，目测观察失效极性极板表面结构。

3)用锐器轻划极板表面活性物质，目测观察硬化情况。

1.3 失效电极化学分析

失效极板活性物质成分分析，参照GB/T 23636-2009《铅酸蓄电池用极板》的试验条件和试验方法。

2 结果讨论

以Cd作参比电极，对多组退货电池放电过程正负极板的电极电位进行测量，结果如图1所示，负极板电极电位最先出现突变，而正极电位保持稳定。这说明太阳能路灯储能用铅酸蓄电池负极失效是造成寿命终止的根本原因。

图1 退货电池单体10 放电曲线

解剖蓄电池后发现负极板为灰白色(正常为灰色)，用手指触摸极板表面时感觉到有砂粒状颗粒，并且极板表面发硬，基本认为是硫酸盐化特征。对充电态库存电池和市场退回电池负极板分别进行PbSO4成分分析，结果见表1。

表1 库存电池和退回电池PbSO4成分分析对比表

储能蓄电池放电容量低于额定容量的70%认为寿命终止；根据资料可知，负极铅膏利用率可达60%，也就是负极不可逆硫酸铅理论含量大于18%时，表明蓄电池负极板寿命终止。表1数据进一步验证了太阳能路灯系统储能用铅酸蓄电池失效的主要模式是负极硫酸盐化[1]。

3 原因分析

铅酸蓄电池产生硫酸盐化是由于长期充电不足、经常性深放电引起的。太阳能路灯系统中的蓄电池有其特殊应用条件：室外使用、小电流充放、充电量受光照条件、环境温度影响等，蓄电池通常处于部分荷电状态(PSOC)下运行，在日照较少的雨季和冬季，蓄电池的荷电状态(SOC)会减少到约20%，经常处于放电保护的边缘，处于充电不足状态。

3.1 系统配置

由于市场竞争激烈，甚至要求最低价中标，一些集成商极力压缩系统材料成本，虚标组件功率，造成发电量不足，蓄电池始终处于“吃不饱”状态，就像俗语所说的“不让马儿吃草，却让马儿快跑”，最后导致系统无法正常工作。还有人为减小蓄电池容量，导致系统达不到设计要求的连续工作天数，造成蓄电池日放电深度增加，临近放电保护的频率增加[2]。

3.2 充电模式

循环型使用的铅酸蓄电池，正常充电按照恒流限压模式，如图2中A阶段为全充电过程。太阳能路灯系统按照低倍率充放电使用工况设计，控制器的充电参数设定按照恒流模式。充电过程中，12 V系统蓄电池的充电电压升高到设定保护值(正常14.4 V)充电停止，如图2所示B阶段，缺少C阶段限压过程，铅酸蓄电池的实际充电量只有全充电过程的约85%，即在全生命周期内，太阳能路灯系统用铅酸蓄电池始终处于85%荷电态以下充放电循环使用。

图2 蓄电池充电特性曲线

3.3 环境温度

铅酸蓄电池产生硫酸盐化主要发生在冬季，光照强度低日照时间短，光板组件日发电量不足；同时铅酸蓄电池在低温环境下，活性物质的活性降低，其电极板上硫酸铅的溶解变得困难，致使消耗的铅充电时很难得到恢复，特别是负极板充电受膨胀剂的影响产生钝化，低温充电接受能力更低，如图3所示，-20 ℃时的充电接受电流仅为常温下的63%。

图3 负极充电接受能力与环境温度关系

3.4 放电保护

光伏路灯系统一般按3～5天连续阴雨天设计，对铅酸蓄电池而言，相当于累计放电时间40～60 h(按每天放电10 h计)，再考虑1.5倍的设计安全系数，实际持续放电时间达60～90 h，GB/T 22473-2008《储能用铅酸蓄电池》规定了120 hr额定容量的技术要求和试验方法，放电截止电压设定11.10 V。目前，市场上销售的太阳能路灯控制器，多数以10.80 V设定放电截止电压，如按120 hr放电电流，实际放电容量是10 hr放电容量的1.2倍以上，蓄电池已严重亏电[3]。此时，电解液已接近水的冰点0 ℃，这种温度在我国南方和北方的冬季很常见，铅酸蓄电池全部放电后电解液会结冰，H+失去活性，电子不能在正、负电极之间自由活动，铅酸蓄电池将立即失效，整个光伏系统可能面临瘫痪隐患[4]。

3.5 专用电池

市场普遍认为光伏系统用铅酸蓄电池使用要求不高，从事动力型电池、浮充型电池生产的企业，简单地在普通铅酸蓄电池外壳上刷上“太阳能专用电池”，涉足储能型电池市场，鱼目混珠。动力型铅酸蓄电池因电解液密度偏高，充电限压和路灯控制器不匹配；浮充型铅酸蓄电池按照室温环境设计，不适合低温环境使用，都会造成铅酸蓄电池充电不足，加速硫酸盐化。

4 改进对策

4.1 系统配置

太阳能路灯系统用电池组件功率、蓄电池容量最小应满足式(1)、式(2)要求。

其次，午夜过后，路上行人稀少，路灯亮度半功率设计，从系统配置上科学合理地降低系统成本。

4.2 充电模式

太阳能路灯系统用控制器按照以下3种充电模式设定：1)恒流限压模式，截止电流按10～20 mA/Ah；2)恒流充电，至电压升高到充电保护值再恒压续充2～3 h；3)恒流充电，至电压升高到充电保护值停止，待电池电压降低到设定的过充恢复值13.7 V再续充，如此反复，类似于间歇脉冲。

合适的充电模式，最大化的利用光伏组件日发电量，保证铅酸蓄电池不欠充，延缓硫酸盐化。

4.3 环境温度

太阳能路灯系统用控制器充电模式增加温度补偿功能，当环境温度低于25 ℃时，充电电压按照-(3～5) mV/℃进行负补偿，对充电电压进行修正，如图4所示，增加活性物质和电解液的反应效率。

图4 蓄电池充电限压与温度补偿关系曲线

低温环境使用时，对蓄电池采取保温防冻措施，最实用的方法是将蓄电池埋在土壤冻土层以下，利用温度变化滞后的特性，使蓄电池处在一个相对变化较小的环境温度下工作，特别是充电时有利于保证充足电，提高放电效率，防止不可逆硫酸盐的产生，延长蓄电池的使用寿命。

4.4 放电保护

合理的放电保护是为了使蓄电池的放电深度不至于过大，如果放电深度过大，将增加电池组中不同电池之间、同一电池的不同单格之间的不一致性，多次深放电将加快铅酸蓄电池硫酸盐化[5]。根据多次试验数据，笔者建议以11.4 V和12.4 V分别作为放电保护电压和过放恢复电压，这样可以延缓铅酸蓄电池的硫酸盐化，降低放电后的电解液冰点，对铅酸蓄电池的保护作用将大幅提高。

4.5 专用电池

太阳能路灯系统配套的铅酸蓄电池有其特殊应用条件，需重新设计技术配方和工艺路线，研发太阳能光伏系统储能专用型铅酸蓄电池，如储能用胶体蓄电池、储能用铅碳蓄电池等[6]。GB/T 22473-2008《储能用铅酸蓄电池》也对低温充电接受能力和浅充浅放循环耐久性提出了专门技术条件，力求从设计上来克服太阳能光伏系统储能用铅酸蓄电池的硫酸盐化。