光伏储能电池工作原理及应用

储能电池是太阳能光伏发电系统不可缺少存储能电能部件，其主要功能是存储光伏发电系统的电能，并在日照量不足，夜间以及应急状态下为负载供电。常用的储能电池有铅酸蓄电池，碱性蓄电池，锂电池，超级电容，它们分别应用于不同场合或者产品中，目前应用最广是铅酸蓄电池，从19世纪50年代)开发出来至今，已经有160余年的历史，目前衍生出来很多种类，如富液铅酸电池、阀控密封铅酸电池、胶体电池，铅碳电池等。发展最快的是锂电池，目前主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池(镍钴锰酸锂LiNiCoMn)。

1、铅酸蓄电池工作原理，基本结构

铅酸电池是用铅和二氧化铅作为电池负极和正极活性物质，以稀硫酸为电解质的化学储能装置，具有电能转换效率高、循环寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点，目前是各类储能、应急供电、启动装置中首选的化学电源。铅酸电池的主要构成包括：

图1 铅酸蓄电池主要部件示意图

1)极板：正负极板均是以特殊的合金板栅涂敷上活性物质所得，极板在充放电时存储和释放能量，确保电池的容量和性能可靠;

2)隔板：是置放于电池正负极中间的一个隔离介质，防止电池正负极直接接触而短路的装置，不同类型的铅酸电池隔板材质不同，阀控类电池主要以AGM、PE、PVC 为主;

3)电解液：铅酸电池的电解液是用蒸馏水配制的稀硫酸，电解液在充放电时起到在正负极间传输离子的作用，因而电解液必须要没有杂质;

4)容器(电池壳盖)：电池包覆的容器，电解液和极板均在容器内，主要起支撑作用，同时防止内部物质外溢，外部物质进入内部结构污染电池。

2、铅酸蓄电池的种类

铅酸电池的工作原理就是通过电化学反应，电能和化学能之间相互转化，电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。 英语：Lead-acid battery 。放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅;充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。种类较多，应用在光伏储能系统中，比较多的有三种，富液型铅酸蓄电池(FLA，flooded lead-acid)，阀控式密封铅酸蓄电池VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery)，铅碳蓄电池等等。

2.1、富液型铅酸蓄电池：

铅酸电池的电解液中的硫酸直接参与电池充放电反应过程，传统铅酸电池中，电池槽内除去极板、隔板及其他固体组装部件的剩余空间完全充满硫酸电解液，电解液处于富余过量状态，故被称为“富液式”电池，电池极板完全浸泡在硫酸电解液中。富液式蓄电池顶部有一个能够通气而又能够阻挡液体溅出的盖子，在使用过程中由于水分的蒸发和分解损失，需要定期将盖子打开补加蒸馏水及调整电解液密度，所以习惯上被称为“开口式”蓄电池。

富液型铅酸蓄电池特点是价格便宜，寿命长，缺点是需要经常维护。

2.2、阀控式密封铅酸蓄电池，又称免维护电池，分为AGM密封铅蓄电池和GEL胶体密封铅蓄电池两种。

AGM型电池使用纯的硫酸水溶液作电解液，大部分存在于玻璃纤维膜之中，同时极板内部吸有一部分电解液外。AGM式密封铅蓄电池电解液量少，极板的厚度较厚，活性物质利用率低于开口式电池，因而电池的放电容量比开口式电池要低10%左右。与当今的胶体密封电池相比，其放电容量要小一些。与富液型相同规格蓄电池相比，价格较高，具有以下优点：1.循环充电能力比铅钙蓄电池高3倍，具有更长的使用寿命。2.在整个使用寿命周期内具有更高的电容量稳定性。3.低温性能更可靠。4.降低事故风险，减少环境污染风险(由于酸液100%密封装)5.维护很简单，减少深度放电。

胶体密封铅蓄电池(即GEL型电池)，胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进，用胶体电解液代换了硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。其电解液是由硅溶胶和硫酸配成的，硫酸溶液的浓度比AGM式电池要低，电解液的量比AGM式电池要多，跟富液式电池相当。这种电解质以胶体状态存在，充满在隔膜中及正负极之间，硫酸电解液由凝胶包围着，不会流出电池。

其优点如下：GEL型胶体电池是电解质凝胶后没有游离电液，漏酸的机率比前一种电池小得多;其灌注量比稀硫酸多，失水少，所以胶体电池不会因失水造成失效;胶体的灌入增加了隔板的强度，保护了极板，弥补了隔板遇酸收缩的缺陷，使装配压力不明显降低是其具有延长电池寿命的原因之一;胶体填充了隔板与极板之间的空隙，降低了电池的内阻，充电接受能力可因此而改善。所以胶体电池的过放电，恢复能力和低温充放性能都比AGM型电池优越。

胶体蓄电池优异特性：

1. 可以明显延长蓄电池的使用寿命。

2. 体铅酸蓄电池的自放电性能好，在同样的硫酸纯度和水质情况下，蓄电池的存放时间可以延长2倍以上。

3. 胶体铅酸蓄电池在严重缺电的情况下，抗硫化性能很明显。

4. 胶体铅酸蓄电池在严重放电情况下的恢复能力强。

5. 胶体铅酸蓄电池抗过充能力强。

6. 胶体铅酸蓄电池后期放电性能好。

2.3、铅碳电池

铅炭电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活性炭，能够显著提高铅酸电池的寿命。

铅碳电池是一种新型的超级电池，是将铅酸电池和超级电容器两者合一:既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势，且拥有非常好的充放电性能。而且由于加了碳(石墨烯)，阻止了负极硫酸盐化现象，改善了过去电池失效的一个因素，更延长了电池寿命。铅炭电池的度电成本可低至0.5元/kWh，在规模化生产的基础上，铅炭电池甚至有望将度电成本降至0.4元以下。

铅炭电池是铅酸蓄电池领域最先进的技术，也是国际新能源储能行业的发展重点，具有非常广阔的应用前景。储能电池技术是制约新能源储能产业发展的关键技术之一。光伏电站储能、风电储能和电网调峰等储能领域，要求电池具有功率密度较大，循环寿命长和价格较低等特点。

3、铅酸蓄电池组管理

铅酸蓄电池一般采用三段式充电模式：

第一阶段快充，恒流充电阶段，以充电器最大的输出电流对电池快速充电，充电时间取决于电池容量和开始充电时电池状态。 第二阶段均充，恒压充电阶段，充电器充电电压保持恒定，充入电量继续增加，电池电压缓慢上升，充电电流下降;.第三阶段浮充模式，蓄电池基本充满，充电电流下降到低于充转换电流，充电电压降低到浮充电压。

• 充电电流

电池充电电流一般以电池容量C的倍数来表示，举例来讲，如果电池容量C=100Ah，充电电流为0.1C则为0.1×100=10A。铅酸免维护电池的最佳充电电流为0.1C左右，充电电流不能大于0.3C。充电电流过大或过小都会影响电池的使用寿命.

• 充电电压

额定电压为2V的单体电池，一般浮充电压设置为2.2-2.3V。均充电压设置为2.3-2.5V，如果充电电压过高，电池易失水，发热变形，反之会使电池充电不足，充电电压异常，可能由充电器配置错误引起，或因充电器故障造成。

• 放电深度 DOD depth of discharge

在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度(depth of discharge，DOD)。放电深度的高低电池寿命有很深的关系，放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。蓄电池放电深度在10%～30%上下为浅循环放电;放电深度在40%～70%上下为中等循环放电;放电深度在80%～90%上下的为深循环放电。

一般来说，蓄电池长期运行的每日放电深度越深，蓄电池寿命越短，放电深度越浅，蓄电池寿命越长。浅循环放电有利于延长蓄电池寿命。蓄电池浅循环运行，有两个明显的优点：第一，蓄电池一般有较长的循环寿命;第二，蓄电池经常保有较多的备用安时容量，使光伏系统的供电保证率更高。根据实际运行经验，较为适中的放电深度是60%到70%。

• 蓄电池的检查

蓄电池都有自放电现象，如果长期放置不用，会使能量损失掉，因此需定期进行充放电。工程技术人员可以通过测量电池开路电压来判断电池的好坏，以12V电池为例，若开路电压高于12.5V，则表示电池储能还有80%以上，若开路电压低于12V，则表示电池储能不到30%，电池已处于“弹尽粮绝”的地步。 免维护电池由于采用吸收式电解液系统，在正常使用时不会产生任何气体，此时电池内压就会增大，会将电池上方的压力阀顶开，严重的会使电池鼓胀、变形、漏夜甚至破裂，这些现象都可以从外观上判断出来，如果发现上述情况应立即更换电池。

• 电池安装

电池应尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，并要避免受到阳光、加热器或其他辐射热源的影响。电池应立正放置，不可倾斜角度。每个电池之间端子的连接要牢固。

• 环境温度

环境温度对电池的影响较大。环境温度过高，会使电池过充产生气体;环境温度过低，则会使电池充电不足着都会影响电池的使用寿命。因此环境温度在25℃左右最好。

• 定期保养

电池在使用一定时间后应进行定期检查，如观察其外观是否异常、测量各电池的电压是否平均等。如果长期不停电，电池会一直处于充电状态，这样会使电池的活性变差，因此即使不停电，也需要定期进行放电试验，以便使电池保持活性。放电试验一般可三个月进行一次，做法是逆变器带载，最好在50%以上，放电持续时间视电池容量而定，一般为几分钟至几十分钟。

4.、铅酸蓄电池的选型与设计

4.1、 蓄电池的容量

表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)电池放出的电量，即电池的容量，通常以安培*小时为单位，蓄电池电压有2V，6V，12V三种。蓄电池组的可用电量和蓄电池的串并联没有关系，只和数量有关系，可用电量=电压*容量*数量*放电深度，如蓄电池组，共4个12V/200AH，放电深度0.7，则可用电量=12*200*4*0.7=6720VAH。

(1) 放电率对电池容量的影响

铅蓄电池容量随放电倍率的增大而降低，也就是说放电电流越大，电池的容量就越小。比如一只10Ah的电池，用5A放电可以放2小时，即5×2=10 ;用10A放电只能放出47.4分钟的电，合0.79小时，其容量仅为10×0.79=7.9Ah，所以对于给定电池在不同时率下放电，将有不同的容量。

(2) 温度对电池容量的影响

温度对铅酸蓄电池的容量影响较大，一般随温度降低容量会下降，当电解液温度降低时，电解液粘度增大，离子受到较大的阻力，扩散能力下降，电解液电阻也增大，使电化学反应阻力增加，一部分硫酸铅不能正常转化，充电接受能力下降，结果导致蓄电池容量下降。

(3)终止电压对电池容量的影响

当电池放电至某一个电压值以后，产生电压急剧下降，实际上所获得的能量非常小，如果长期深放电，对电池的损害相当大。所以必须在某一电压值终止放电，该截止放电电压叫放电终止电压，设定放电终止电压，对延长蓄电池使用寿命意义重大。

4.2、光伏离网系统蓄电池配比计算

(1)组件的电压和蓄电池的电压要匹配，PWM型控制器太阳能组件和蓄电池之间通过一个电子开关相连接，中间没有电感等装置，组件的电压是蓄电池的电压1.2-2.0倍之间，如果是24V的蓄电池，组件输入电压在30-50V之间，MPPT控制器，中间有一个功率开关管和电感等电路，组件的电压是蓄电池的电压1.2-3.5倍之间，如果是24V的蓄电池，组件输入电压在30-90V之间。

(2)AGM蓄电池的充电电流一般为0.1C10左右，快速充电不超过0.15C10，例如1节铅酸蓄电池12V200AH，充电电流一般在20A到30A之间，最大不能超过40A，GEL胶体电池充电电流可以适当加大到0.2 C10;蓄电池的放电电流一般为0.2C10-0.5C10，不同类型的蓄电池，放电电流相差较大，AGM蓄电池最大1C10，GEL胶体电池最大可以到2C10，铅碳电池最大可以到5C10。

(3)光伏离网系统中，负载的用电量不是固定的，在计算蓄电池的总电量时，要根据用户的要求来设计，对用电要求较高的用户，蓄电池可用电量要大于用户用电量的最高值，对于一般用户，蓄电池可用电量等于用户用电量的平均值。

(4)同一个蓄电池组，要保证蓄电池是同一个型号。尽量使蓄电池串联，使所以蓄电池的充电和放电均衡。蓄电池并联的个数最好不超过3组，如果超过了 ，要考虑加入BMS蓄电池管理系统。

(5)蓄电池组电缆的设计，主要考虑线路上的最大电流，用逆变器功率除以蓄电池组电压，得出最大放电电流，或者组件功率除以蓄电池组电压，得出最大充电电流(小于控制器的最大输出电流)，如一个3KW的逆变器，光伏控制器是48V/50A，蓄电池组电压是48V，配265W的组件12块，蓄电池组最大输出电流为3000/48=62.5A，组件总功率为265*12=3180W，3180/48=66.25A，这是理论上最大充电电流，但由于控制器是50A，实际上最大充电电流是50A，所以电缆要按62.5A来设计，如果电缆长度小于50米，可选10平方，如果电缆长度大于50米，或者有穿管，铠装等外包装，则要选16平方。

4.3、铅酸蓄电池参数解读

1. 额定电压，单体蓄电池的额定电压，一般有2V，6V，12V三种;

2. 容量，单体蓄电池的电量，是电流A和时间h来表示;

3. 功率，蓄电池的额定输出功率，设计时要和负载功率相匹配，如果蓄电池的功率小于负载功率，会引起蓄电池电压波动，有可能造成电池管理系统误报。

4. 最大放电电流：不同型号的蓄电池，放电电流不一样，铅碳电池可达6C。

5、锂电池工作原理，基本结构

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。
相比其他电化学电流，锂离子电池有着很多自身的优点，即重量轻、储能容量大、功率大、无污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围广等。锂离子电池可应用于电能质量，可靠性控制，备用电源，削峰填谷，能量管理，可再生储能等方面。

5.1、锂电池的种类

通常我们说得的锂电池指锂离子电池，按照用途一般分为储能锂电池和动力锂电池。储能锂电池用于光伏或者UPS，内阻比较大，充放电速度较慢，一般为0.5-1C，动力电池一般用在电动汽车上，内阻小，充放电速度快，一般能达到3-5C，价格比储能电池贵1.5倍左右。按照材料分主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池(镍钴锰酸锂LiNiCoMn)。两种电池对比：

5.2、锂电池组管理

锂电池管理系统，Battery Management System，BMS是由微电脑技术，检测技术等构成的装置，其功能不只是对电池进行充放电保护，还有精确测量电池的剩余电量，单体电池均衡充电等重要功能。

1. 保障电池的安全：在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。

2. 准确估测电池组的电池剩余电量，随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。蓄电池的电量和电压有一定的关系，但不是线性关系，不能依靠电压来换算剩余电量，需要通过BMS来计算。

3. 单体电池间的均衡：即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。

5.3、锂电池的选型与设计

锂电池系统包括电芯和BMS电池管理系统，由厂家统一提供。设计时要注意以下几个要点：

1. 储能锂电池包需要和逆变器或者双向储能变流器PCS通信，要选择具有锂电池功能并有相应的通信接口功能的设备。

2. 储能锂电池和铅酸蓄电池相比，充放电电流比较小。

3. 如果系统需要多个电池组，一个电池组需要配一个BMS系统。

附：铅酸电池与磷酸铁锂电池对比表：

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本文标题：光伏储能电池工作原理及应用

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