JLG蓄电池介绍

    JLG铅酸电池是牵引动力系统中最常用的电池类型。虽然铅酸电池能量密度低、效率适中且维护要求高，但与其他类型的电池相比，它们的使用寿命长且成本低。铅酸电池的独特优势之一是它们是大多数可充电电池应用（例如，启动汽车发动机）中最常用的电池形式，因此拥有成熟的技术基础。

 

JLG铅酸电池的操作

     JLG铅酸电池由海绵状或多孔铅制成的负极组成。铅是多孔的，以促进铅的形成和溶解。正极由氧化铅组成。两个电极都浸入硫酸和水的电解液中。如果电极通过电池的物理运动或通过电极厚度的变化而相互接触，则电绝缘但化学可渗透的膜将两个电极隔开。该膜还可以防止通过电解质发生电短路。铅酸电池通过如下所示的可逆化学反应储存能量。

总的化学反应是：

 在负端，充电和放电反应是：

 在正极端子的充电和放电反应是：

     如上式所示，电池放电会导致负极和正极端子形成硫酸铅晶体，以及由于铅的价电荷变化而释放电子。这种硫酸铅的形成使用了电池周围硫酸电解液中的硫酸盐。结果，电解质变得不那么集中。完全放电会导致两个电极都被硫酸铅和水覆盖，而不是电极周围被硫酸覆盖。在完全放电时，两个电极是相同的材料，两个电极之间没有化学势或电压。然而，实际上，放电在截止电压处停止，远早于该点。因此，电池不应在低于此电压的情况下放电。

     在完全放电和充电状态之间，铅酸电池的电压会逐渐降低。电压电平通常用于指示电池的充电状态。电池对电池充电状态的依赖性如下图所示。如果电池长时间处于低电量状态，就会长出大的硫酸铅晶体，从而永久性地降低电池容量。这些较大的晶体与铅电极的典型多孔结构不同，并且很难转化回铅。

JLG电池充电时的电压。

     充电反应将负极处的硫酸铅转化为铅。在正极端子，反应将铅转化为氧化铅。作为此反应的副产品，会放出氢气。在充电周期的第一部分，硫酸铅向铅和氧化铅的转化是主要反应。然而，随着充电的进行，大部分硫酸铅转化为铅或二氧化铅，充电电流将电解液中的水电解出来，同时释放出氢气和氧气，这一过程称为电池“放气”。如果向电池提供电流的速度快于硫酸铅的转化速度，则在所有硫酸铅转化之前即开始放气，即在电池充满电之前。放气给铅酸电池带来了几个问题。由于产生的氢气具有爆炸性，电池的放气不仅会引起安全问题，而且放气还会减少电池中的水，必须手动更换电池，从而在系统中引入维护组件。此外，放气可能导致活性材料从电解质中脱落，从而永久降低电池容量。由于这些原因，电池不应定期充电到高于导致放气的电压。放气电压随充电率变化。放气可能会导致电解液中活性物质的脱落，从而永久性地降低电池容量。由于这些原因，电池不应定期充电到高于导致放气的电压。放气电压随充电率变化。放气可能会导致电解液中活性物质的脱落，从而永久性地降低电池容量。由于这些原因，电池不应定期充电到高于导致放气的电压。放气电压随充电率变化。

     硫酸铅是一种绝缘体，因此硫酸铅在电极上形成的方式决定了电池放电的难易程度。

JLG电池的特性

     对于大多数可再生能源系统，最重要的电池特性是电池寿命、放电深度和电池维护要求。这组参数及其与充电方式、温度和使用年限的相互关系如下所述。

JLG电池放电深度和电池容量

     放电深度连同电池容量是光伏系统电池组设计中的一个基本参数，因为可以通过电池容量乘以放电深度得出可以从电池提取的能量。电池分为深循环或浅循环电池。深循环电池的放电深度大于 50%，可能高达 80%。为了达到相同的可用容量，浅循环电池组的容量必须大于深循环电池组。

     除了放电深度和额定电池容量外，瞬时或可用电池容量还受电池放电速率和电池工作温度的强烈影响。低于约 20°C，电池容量每度下降约 1%。然而，高温对于电池来说也不是理想的，因为它们会加速老化、自放电和电解液的使用。下图显示了电池温度和放电率对电池容量的影响。

图：电池容量、温度和放电率之间的关系。

JLG电池寿命

随着时间的推移，电池容量会因电池硫酸化和活性材料脱落而降低。电池容量的退化在很大程度上取决于以下参数之间的相互关系：

• 电池经历的充电/放电状态
• 电池在其使用寿命期间的 DOD
• 它暴露于长时间的低放电
• 电池在其使用寿命期间的平均温度

下图显示了电池功能的演变，如浅循环铅酸电池的循环次数和放电深度。即使DOD超过50%，深循环铅酸电池也应该能够保持1000次以上的循环寿命。

图：浅循环电池的电池容量、放电深度和循环寿命之间的关系。

除了 DOD 之外，充电方式在确定电池寿命方面也起着重要作用。电池过度充电或充电不足会导致活性物质脱落或电池硫酸化，从而大大缩短电池寿命。

 

最后对电池充电的影响与电池的温度有关。虽然铅酸电池在低温运行时容量会降低，但高温运行会增加电池的老化速度。

550 Ah 铅酸电池在不同放电速率下的恒流放电曲线，每个电池的限制电压为 1.85V (Mack, 1979)。更长的放电时间提供更高的电池容量。

维护要求

电池中氢气和氧气的产生和逸出会导致水分流失，铅酸电池必须定期更换水。电池系统的其他组件不需要定期维护，因此失水可能是一个严重的问题。如果系统位于偏远地区，检查失水量会增加成本。免维护电池通过防止或减少从电池中逸出的气体量来减少定期关注的需要。然而，由于电解液的腐蚀性，所有电池都在某种程度上为光伏系统引入了额外的维护组件。

电池效率

铅酸电池通常具有 85% 的库仑效率和大约 70% 的能量效率。

JLG铅酸电池配置

根据特定应用最关心的是上述问题中的哪一个，对基本电池配置进行适当修改可提高电池性能。对于可再生能源应用，上述问题将影响放电深度、电池寿命和维护要求。电池的变化通常涉及三个基本领域之一的修改：

• 改变电极成分和几何形状
• 电解质溶液的变化
• 修改电池外壳或端子以防止或减少产生的氢气逸出。

JLG铅酸电池的特殊注意事项

富液式铅酸电池具有深循环和长寿命的特点。但是，富液电池需要定期维护。不仅必须通过测量比重来定期监测电解液中的水位，而且这些电池还需要“快速充电”。

升压充电

升压或均衡充电涉及短期周期性过充电，释放气体并混合电解液，从而防止电池中电解液分层。此外，升压充电还有助于将所有电池保持在相同的容量。例如，如果一个电池产生比其他电池更高的内部串联电阻，则由于串联电阻两端的电压降，较低 SR 电池在正常充电过程中将始终充电不足。但是，如果电池以更高的电压充电，那么这将使所有电池充满电。

比重 (SG)

由于氢气和氧气的释放，富液电池容易从电解质中流失水分。电解质的比重可以用比重计测量，如果电池充满电，则表明需要向电池中加水。或者，如果已知水位正确，比重计将准确指示电池的 SOC。在升压充电后定期测量 SG，以确保电池的电解液中有足够的水。电池的 SG 应由制造商提供。

JLG凝胶密封铅酸电池的特殊注意事项

凝胶或 AGM 铅酸电池（通常是密封或阀控式）具有几个潜在优势：

• 它们可以在保持电池寿命的同时进行深度循环
• 他们不需要升压充电
• 他们需要较低的维护。

然而，这些电池通常需要更精确和更低电压的充电方式。较低电压的充电机制是由于使用铅钙电极来最大限度地减少放气，但需要更精确的充电机制来最大限度地减少电池的放气。此外，这些电池可能对温度变化更敏感，特别是如果充电机制不补偿温度或不是为这些类型的电池设计的。

JLG铅酸电池的失效模式

光伏系统的电池将在特定的 DOD、充电方式和温度下被评定为一定的循环次数。但是，由于各种原因，电池可能会过早损失容量或突然失效。突然失效可能是由于电池内部电隔板失效导致电池内部短路造成的。电池短路会降低整个电池组的电压和容量，特别是如果电池的各个部分并联连接，还会导致其他潜在问题，例如剩余电池的过度充电。电池也可能出现开路故障（即内部串联电阻可能会逐渐增加），与此电池串联的任何电池也会受到影响。

容量的逐渐下降可能会因不适当的操作而恶化，特别是通过降低 DOD。然而，电池组的一部分在与另一部分不同的条件下运行也会导致整体容量的降低和电池故障可能性的增加。由于温度变化或一个电池串中的电池故障导致串中的不均衡充电和放电，电池可能在不同的状态下无意地运行。

安装

电池安装应按照安装所在国的相关标准进行。目前，电池安装有澳大利亚标准AS3011和AS2676。还有一个用于 RAPS 应用的电池标准草案，最终将成为澳大利亚标准。

在安装电池系统时要考虑的其他因素包括特定类型电池组所需的通风、放置电池组的接地条件，以及为确保可能有人员安全而采取的措施。访问电池组。此外，在安装电池组时，必须注意确保电池温度落在电池的允许工作条件内，并且确保较大电池组中的电池温度处于相同温度。处于极冷条件下的电池在低电量状态下容易冻结，因此电池在冬天更有可能处于低电量状态。为防止这种情况，电池组可能被埋在地下。

安全

电池具有潜在危险，用户应了解三个主要危险： 电解液中的硫酸具有腐蚀性。使用电池时，除了脚部和眼睛保护外，防护服也是必不可少的。

电池具有高电流产生能力。如果不小心将金属物体放在电池的端子上，则高电流会流过该物体。使用电池时，应尽量减少不必要的金属物体（例如珠宝）的存在，并且工具应具有绝缘手柄。

 

由于氢气和氧气的释放而引起的爆炸危险。在充电过程中，尤其是过度充电时，一些电池（包括光伏系统中使用的大多数电池）可能会释放出具有潜在爆炸性的氢气和氧气混合物。为了降低爆炸的风险，使用通风来防止这些气体的积聚，并从电池外壳中消除潜在的火源（即可能产生火花或电弧的电路）。

维护

电池将定期维护组件引入光伏系统。所有电池，包括“免维护”电池，都需要维护计划，该计划应确保：

• 电池端子没有腐蚀
• 电池连接紧密
• 电池外壳应无裂纹和腐蚀。

富液电池需要额外和更频繁的维护。对于富液电池，需要定期检查每个电池的电解液液位和电解液比重。使用比重计检查电池的比重应在均衡或升压充电后至少 15 分钟进行。只能向电池中加入蒸馏水。自来水含有矿物质，可能会损坏电池电极。

电池处理和回收

如果处理不当，铅酸电池中的铅会对环境造成危害。铅酸电池应回收利用，以便在不对环境造成破坏的情况下回收铅。

电极材料和配置

制造电极的材料对电池的化学性质有重大影响，因此会影响电池电压及其充电和放电特性。电极的几何形状决定了内部串联电阻和充放电速率。

板材

铅酸电池中的基本阳极和阴极材料是铅和二氧化铅 (PbO2)。铅电极为海绵铅形式。海绵铅是理想的，因为它非常多孔，因此铅和硫酸电解质之间的表面积非常大。向铅电极中添加少量其他元素以形成铅合金可以减少与铅相关的一些缺点。主要使用的电极类型是铅/锑（使用百分之几的锑）、铅/钙合金和铅/锑/钙合金。

锑铅合金电池与纯铅电极相比有几个优点。这些优点包括： 铅/锑的成本较低；铅/锑电极的强度增加；以及短时间深度放电的能力。然而，铅/锑合金容易硫酸化，不应长时间处于低充电状态。此外，铅/锑合金会在充电过程中增加电池的放气，导致大量水分流失。由于必须向这些电池中加水，因此它们具有更高的维护性。此外，铅/锑电池具有高放电率和短寿命。这些问题（xx-检查这两个问题是否都是由电镀引起的））是由于锑从一个电极溶解并在另一个电极上沉积或电镀引起的。（xx PbO2 xx 增加的附着力）

铅钙电池属于中间成本技术。和锑一样，钙也增加了负极引线的强度，但与锑不同的是，钙的加入减少了电池的放气，同时也产生了较低的自放电率。但是，铅钙电池不宜深度放电。因此，这些类型的电池可能被认为是“免维护”的，但只是浅循环电池。

向电极中添加锑和钙提供了锑和铅的一些优点，但成本增加了。诸如此类的深度放电电池也可以具有较长的使用寿命。此外，可以在电极中添加微量的其他材料以提高电池性能。

电极配置

除了用于制造电极板的材料外，电极的物理配置也会对充电和放电速率以及寿命产生影响。薄板将允许更快的充电和放电，但不太坚固并且更容易从板上脱落材料。由于高充电或放电电流通常不是可再生能源系统电池的必需特性，因此可以使用更厚的极板，这样充电和放电时间更短，但使用寿命更长。

电池外壳

在一个开放的、充满水的电池中，产生的任何气体都会逸出到大气中，从而导致安全和维护问题。密封铅酸 (SLA)、阀控铅酸 (VRLA) 或重组铅酸电池通过防止或最大限度地减少氢气从电池中逸出来防止电解液中的水分流失。在密封铅酸 (SLA) 电池中，氢气不会逃逸到大气中，而是移动或迁移到另一个电极，在那里它重新结合（可能由催化转化过程辅助）形成水。这些电池不是完全密封的，而是包括一个压力通风口，以防止电池中产生过大的压力。密封电池需要严格的充电控制，以防止氢气的积累速度快于其重新结合的速度，

阀控式铅酸 (VRLA) 电池在概念上与密封铅酸 (SLA) 电池类似，不同之处在于阀门预计会在接近充满电时释放一些氢气。SLA 或 VRLA 电池通常具有额外的设计特征，例如使用凝胶电解质和使用铅钙板以将氢气的释放保持在最低限度。

JLG铅酸电池的类型

尽管电池类型和应用范围很广，但在 PV 应用中尤为重要的特性是电池的维护要求以及对电池进行深度充电同时保持较长使用寿命的能力。为了通过深度放电促进长循环寿命，深循环电池可以是开放式溢流型电池，具有过量的电解液和厚板，也可以是固定电解型电池。密封凝胶电池可能被评为深循环电池，但与专门设计的溢流板或 AGM 电池相比，它们通常能承受更少的循环和更低的放电。浅循环电池通常使用由铅钙合金制成的较薄极板，并且放电深度通常不会超过 25%。

用于光伏或偏远地区电源 (RAPS) 的电池

光伏系统对电池的严格要求促使多家制造商生产专为光伏或其他远程电源系统设计的电池。独立光伏系统中最常用的电池是深循环铅酸电池或浅循环免维护电池。深循环电池可以是开放式富液电池（并非免维护）或免维护电解液 AGM 电池（但在选择稳压器时需要小心）。可承受不频繁放电的特殊浅循环免维护电池也可用于 PV 应用，并且只要电池组设计得当，就永远不需要超过 25% 的 DOD。

还有几种其他类型的专用电池可供使用，如下所述。

启动、点亮点火电池 (SLI)。这些电池用于汽车应用，具有高放电和充电速率。大多数情况下，他们使用在浸没配置中用铅锑或在密封配置中用铅钙强化的电极板。这些电池在浅循环条件下具有良好的寿命，但在深循环条件下的寿命很差。SLI 电池不应该用于光伏系统，因为它们的特性没有针对可再生能源系统的使用进行优化，因为光伏系统的寿命很短。

牵引或动力电池。牵引或动力电池用于为小型运输车辆（例如高尔夫球车）提供电力。与 SLI 电池相比，它们的设计具有更强的深度循环能力，同时仍保持较长的使用寿命。虽然这一特性使它们比使用 SLI 电池的电池更适合 PV 系统，但动力电池不应该用于任何 PV 系统，因为由于使用铅锑电极，它们的自放电率非常高。高自放电率将有效地导致电池的高功率损耗，并使整个光伏系统效率低下，除非电池每天经历大的 DOD。这些电池承受深度循环的能力也远低于真正的深循环电池。所以，

房车或船用电池。这些电池通常是 SLI 电池、牵引电池和真正的深循环电池之间的折衷方案。尽管不推荐，但一些小型光伏系统中使用了动力电池和船用电池。此类电池的使用寿命将最多限制为几年，因此电池更换的经济性意味着此类电池通常不是长期成本有效的选择。

固定电池。固定电池通常用于应急电源或不间断电源应用。它们是浅循环电池，旨在在其使用寿命的大部分时间内保持接近完全充电状态，仅偶尔进行深度放电。如果电池组的大小使其永远不会低于 10% 到 25% 的 DOD，则它们可以用于 PV 系统。

深循环电池。深循环电池应该能够在高DOD（80%或更高）下保持数千次循环的循环寿命。两种类型的深循环电池在循环性能上可能存在很大差异，因此应比较各种深循环电池的循环寿命和 DOD。