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• 蓄电池是变电站站用电源中直流供电系统的重要组成部分，主要担负为电力系统中二次负载提供安全、稳定、可靠的电力保障，确保变电站控制、保护、通信设备的正常运行(DL/T 724-2000、DL/T 5044-2004)。蓄电池的稳定性和在放电过程中能提供给负载的实际容量对确保电力设备的安全运行具有十分重要的意义^[1-3]。由IEEE 1118-1996公开的数据可知，当蓄电池的容量下降到90%以上，电池为平缓期，当蓄电池的容量下降到的区间为80%~90%，电池为衰退期，当容量进一步下降，电池进入衰坏期，电池性能急剧的下降，易发生故障。故当电池容量下降至80%以下时，可作为电池性能判别的条件之一。江西省在运500 kV变电站蓄电池寿命为5~10年，也即蓄电池容量下降至80%时，所需时间为5~10年^[4]。给电池施加的应力(电流、温度、电压等)直接影响电池的寿命，施加的应力越小，电池的寿命就越长，反之亦然^[5-8]。为了有效提高直流电源可靠性，对蓄电池性能有了更高的要求。本文采用大电流加速充放电循环寿命试验方法，能快速分析铅酸蓄电池性能。

  1.   实验部分

  1.1   仪器和试剂

  DWY-12/100型蓄电池单体活化仪(宝应县高电电力设备制造厂)；CH515型恒温水浴箱(绍兴上虞祥达仪器制造有限公司)；AT525D型蓄电池内阻测试仪(广州市石新电子有限公司)；FBS-94型阻燃试验箱(广州市电子设备有限公司)。

  实验电池为圣阳固定型阀控密封式GFMD-600C(2V600Ah)型铅酸蓄电池。采用I₁₀(10 h率放电电流)充满电(截止电压为2.4 V，直至电流5 h不变)静置1 h后电压为2.1831 V，内阻为0.314 mΩ(相邻)、0.336 mΩ(对角)；采用I₁₀放电至1.8 V静置1 h后电压为1.9336 V，内阻为0.441 mΩ(相邻)、0.451 mΩ(对角)。

  1.2   容量测试

  将试验用电池放置(25±1) ℃水浴内，使电池保持恒温状态。将电池采用I₁₀充满电后，进行容量测试。参数设置：放电电流为I₁₀A、放电截至电压为1.8 V。

  将新电池充满电后静置1 h后测内阻和电压，对其进行容量测试，试验完毕后静置1 h后测内阻和电压。将大电流加速循环18次试验后的电池充满电静置1 h测内阻和电压，对其进行容量测试，试验完毕后静置1 h测内阻和电压。

  1.3   大电流加速试验测试

  将完全满电电池放置于(50±1) ℃恒温水浴中，循环参数：放电电流100 A、放电截止电压为1.75 V；充电电流100 A、充电电压限值为2.40 V；循环次数为18次，具体参数设置如表 1所示，其中t为第1次循环中充入容量等于放出容量时，充电所需时长(h)。

  表 1

  

  表 1  电池试验参数

  Table 1.  Parameters for battery test

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  Temperature/℃	Discharge current/A	Discharge cut-off voltage/V	Discharge time setting/h	Charging current/A	Charging cut-off voltage/V	Charging time settings/h
  50	100	1.75	18	100	2.40	t

  1.4   拆解及阻燃试验测试

  拆解电池为试验后的电池，拆解之前应对电池进行完全放电，使其满足：放完电24 h后电压端电压U≤1.80 V并能长时间保持稳定状态或放电后用导线将电池短接试触不会有明显火花产生。使用手工锯拆解后，对蓄电池内部结构(极板是否断裂，隔板是否短缺，极柱与汇流排连接是否断裂，极群是否有异物)进行检查；并对极板厚度进行测量。利用阻燃试验箱对蓄电池槽、盖进行阻燃能力试验。

  2.   结果与讨论

  2.1   大电流加速循环放电分析

  以100 A恒流对蓄电池进行加速循环放电过程研究。选取第1、2、9、10、17、18次循环放电过程中电压随时间变化关系曲线(图 1)，分析循环充放电过程中，放电电压随时间变化趋势。由图 1可知，在所有循环过程中，放电瞬间30 s内，电压下降0.06~0.09 V，随后电压以一定的速率下降，在放电后期，电压下降速率随着时间的增长而加快，直至电压为1.75 V结束，总体呈现急速下降-平缓-快的趋势。随着循环次数的增加，电压下降的速率增大；第1次循环放电中，在放电初期电压急速下降后略有回升，主要原因是第1次循环放电电池结构未受到破坏，电池瞬间放电时，极板微孔内的硫酸根离子被迅速消耗，而极板附近的硫酸根离子受到电迁移速度的影响，使得微孔内外硫酸根离子的浓度产生了差异，从而产生了浓差极化现象，极化电阻增大；随着极板附近硫酸根离子电迁移速度的逐渐增快，当电迁移速度与电极消耗的速度接近时，极化内阻逐渐降低，电池电压逐渐回升到一定的范围。随着循环次数的增加，放电所需时间减少，由第1次循环放电时长25140 s减少到第18次循环放电时长20860 s。这些现象说明随着循环次数的增加，电池性能逐渐衰减。

  图 1

  

  图 1.  循环放电过程中电压-时间图

  Figure 1.  Voltage-time plots during the discharging cycle

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  由于循环放充电中放电为恒流过程，根据容量为放电电流与所放电时长的乘积，可得到每次循环中放电总容量；根据能量为U-t的积分与电流的乘积，可得到每次循环中放电能量。将循环过程中放电容量、能量与循环次数作图(图 2)，分析电池在循环过程中容量、能量的衰减情况。由图 2可以看出，第1次和第2次循环放出容量和能量比较接近，从第3次循环，放出容量和能量明显比前2次下降，后续出现连续下降的趋势。由第1次循环放电放出容量699.52 A·h减少到第18次的579.44 A·h；第1次循环放电释放能量1.399 kW·h减少到第18次的1.155 kW·h。第1次和第2次放出容量和能量比较接近的原因可能是在循环初期，电池并未受到破坏，仍能保持良好的性能。后续出现下降是因为电池在循环过程中，受热和大电流冲击的影响，电池内部材料结构和性能逐渐受到破坏，使得其容量和能量逐渐下降。

  图 2

  

  图 2.  放出容量、能量与循环次数的关系图

  Figure 2.  The relationship between the discharge capacity, energy and the number of cycles

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  2.2   大电流加速循环充电分析

  利用100 A的大电流对蓄电池进行循环充电，充电时间为7.10 h，分析蓄电池使用寿命。选取了第1、2、9、10、17、18次循环充电过程中电压随时间的变化关系曲线(图 3)，分析循环充电过程中，充电电压随时间变化趋势。由图 3可知，在所有循环过程中，充电瞬间30 s内，电压上升0.06~0.09 V，随后电压以一定的速率上升，在充电后期，电压上升速率随着时间的增长而加快，直至电压为2.40 V，在充电末期，以恒压2.40 V充电直至充电时长结束，总体呈现突越上升-平缓-急剧上升-稳定的趋势。随着循环次数的增加，电压上升的速率增大，充电至2.40 V时，所需时间减少，由第1次循环充电所需时间24005 s减少到第18次循环所需时间19440 s。原因是随着循环次数的增加，电池性能下降，导致电池电压能在更短的时间内充至截止电压。由以上分析，随着循环次数的增加，电池性能逐渐衰减。

  图 3

  

  图 3.  循环充电过程中电压-时间图

  Figure 3.  Voltage-time diagram during the charging cycle

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  由于循环放充电中充电为恒压限流模式，当以100 A(限压2.40 V)电流充电一定时长后，充电电流下降，直至充电时长结束。选取第1、2、9、10、17、18次循环充电过程中电流随时间变化关系曲线(图 4)，分析循环充放电过程中，充电电流随时间变化趋势。由图 4可知，随着时间的增加，电流下降的趋势减缓，随着循环次数的增加，恒流充电时长减少，由第1次循环充电所用时间24120 s减少到第18次循环所用时间19530 s，电流下降曲线随着循环次数的增加而平缓，末端电流随着循环次数的增加而降低，由第1次循环充电末端电流50.21 A减少到第18次循环充电末端电流13.49 A。由以上分析可知，在100 A充电时间越长，后期电池电化学极化内阻增大，说明整个充电阶段充电电流较大，充入容量越多，随着循环次数的增加，充电电流的平均值下降，末端电流越小，说明充入容量减少且对电池的过充越大。可知，随着循环次数的增加，电池的性能逐渐下降。

  图 4

  

  图 4.  循环充电过程中电流-时间图

  Figure 4.  Current-time diagram during the charging cycle

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  根据容量是充电电流与所充电时长的积分，可得到每次循环中充电容量；根据能量是充电电流、充电电压和充电时间的积分，可得到每次循环中充电能量。将循环过程中充入容量、能量与循环次数作图(图 5)，分析电池在循环过程中容量、能量的衰减情况。由图 5可知，第1次和第2次循环充入容量和能力较为接近，从第3次循环，充入容量和能量明显比前2次下降，后续出现连续下降的趋势。由第1次循环充电充入容量699.52 A·h减少到第18次循环充电充入容量601.47 A·h；第1次循环充电充入能量1.508 kW·h减少到第18次循环充电充入容量1.312 kW·h。第1次和第2次循环充入容量和能量比较接近的原因是在循环初期电池并未受到破坏，仍保持其良好的性能。后续出现容量和能量下降的原因之一是大电流对电池内部正、负极板的活性物质结构的破坏；另一个原因是电池高温，导致电解液密度增加，从而使负极板硫酸铅晶体颗粒尺寸增大，造成负极板硫酸盐化严重，电池寿命缩短^[9-11]。充入容量和能量的下降速率，大致呈现随着循环次数的增加，其速率增大。综上可知，随着循环次数的增加，电池性能逐渐下降。

  图 5

  

  图 5.  充电容量、能量与循环次数的关系图

  Figure 5.  The relationship between charging capacity, energy and the number of cycles

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  2.3   容量测试分析

  对蓄电池大电流加速充放电循环试验前后的蓄电池进行容量核定，前后2次容量测试电压与时间的关系如图 6所示。由图 6可知，核容过程中，电压随着时间的增加而降低，且加速试验前比加速试验后的下降趋势缓慢，加速试验后核容过程所需时间比新电池核容所需时间短。这些现象都说明了大电流加速循环试验能使极板活性物质结构受到破坏，电池的性能下降。

  图 6

  

  图 6.  大电流加速充放电循环试验前后蓄电池核容电压曲线

  Figure 6.  Voltage curves of battery for capacity approval before and after accelerated tests

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  核容阶段电池性能参数和容量测试结果列于表 2。由表 2可知，充满电后的电池内阻低于放电后的电池内阻，新电池的内阻低于大电流加速循环后的电池内阻，对角正、负极处的内阻高于相邻正、负极处的内阻。新电池的容量为701.93 A·h，试验后的容量为563.12 A·h，衰减率为19.78%。结果表明经历18次大电流加速循环试验，电池容量保持率仍达80.22%，说明该电池性能较为优良。

  表 2

  

  表 2  2次核容阶段电池参数

  Table 2.  Battery parameters for two capacity approval stages

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  Test stage	Battery status	Internal resistance/mΩ	Capacity/(A·h)
  Before large current	Fully charged and let	0.309(adjacent)	701.93
  acceleration test	stand for 1 h	0.317(diagonal)
  	Discharge to 1.80 V and	0.441(adjacent)
  	let stand for 1 h	0.451(diagonal)
  After high current	Fully charged and let	0.314(diagonal)	563.12
  	acceleration test	stand for 1 h	0.336(diagonal)
  	Discharge to 1.80 V and	0.493(adjacent)
  	let stand for 1 h	0.516(diagonal)

  2.4   拆解及阻燃试验测试分析

  对循环加速试验后的电池进行拆解，观察试验后电池内部结构形貌的变化情况。拆解前首先将对试验后的电池进行完全放电，并测量放电后的电压和内阻(分别为1.7909 V和1.258 mΩ)。拆解后观察其形貌(如图 7)，并对极板数量、几何尺寸进行测量，结果列于表 3。电池拆解过程中和拆解后无电解液流出，电解液被吸收在隔板中。由图 7可知，正负极板表面有白色绒状物，是为隔板粘贴表面所引起。负极活性物质为绒状铅，呈灰色；正极板活性物质为PbO₂(棕黑色)；隔板材质主要为玻璃纤维，呈白色。负极板、隔板和正极板并未脱落、裂痕等现象，说明18次大电流加速循环试验后，电池内部结构保持相对完好，电池性能较为优良。

  图 7

  

  图 7.  电池内部结构示意图

  Figure 7.  Schematic diagram of the internal structure of the battery

  A.Negative plate; B.Separator; C.Positive plate

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  表 3

  

  表 3  电池拆解数据

  Table 3.  Battery disassembly data

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  Plate name	Quantity	Length/mm	Width/mm	Thickness/mm
  Positive plate	18	248.00	149.74	4.00
  Negative plate	19	249.00	149.62	2.50

  由表 3可知，负极板为19片，正极板为18片，负极板比正极板多1片，负极板和正极板的长度和宽度大致相等，负极板的厚度为2.50 mm，符合行业标准。正极板的厚度为4.00 mm，大于行业标准规定的3.5 mm(DL/T 637-1997)。

  按照水平燃烧试验及垂直燃烧试验的方法对蓄电池槽、盖进行材料的阻燃能力试验(GB/T 5169.16-2017)。水平和垂直燃烧试验均出现当燃烧器移除后，试样立即停止有焰燃烧。根据标准评判材料阻燃为HB(水平级)和V-0(垂直级)，说明阻燃能力强。

  综上可知，对GFMD-600C某生产厂家2V600 A·h固定型阀控密封式铅酸蓄电池，在50 ℃条件下，循环参数为放电电流100 A、放电截止电压为1.75 V，充电电流100 A、充电截止电压为2.4 V，循环次数为18次。对循环放、充电阶段的电压、电流、容量和能量分析，发现电池的性能随着循环次数的增加，性能降低。大电流加速试验后容量由701.93 A·h下降至563.12 A·h，电池性能下降，但其容量保持率仍达80.22%。拆解和阻燃试验说明，大电流加速试验后电池内部结构仍保持相对完整，电池槽盖阻燃效果好。

  3.   结论

  本文采用高温和大电流加速循环试验、拆解试验及阻燃试验，快速综合分析铅酸蓄电池的性能，大电流加速循环试验参数为：试验温度为50 ℃，循环参数为放电电流100 A、放电截止电压为1.75 V，充电电流100 A、充电限值电压为2.40 V，循环次数为18次，能快速有效地分析蓄电池性能质量，可作为快速评价蓄电池性能的一种新试验方法的探索。

  
  
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  图 1  循环放电过程中电压-时间图

  Figure 1  Voltage-time plots during the discharging cycle

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  图 2  放出容量、能量与循环次数的关系图

  Figure 2  The relationship between the discharge capacity, energy and the number of cycles

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  图 3  循环充电过程中电压-时间图

  Figure 3  Voltage-time diagram during the charging cycle

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  图 4  循环充电过程中电流-时间图

  Figure 4  Current-time diagram during the charging cycle

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  图 5  充电容量、能量与循环次数的关系图

  Figure 5  The relationship between charging capacity, energy and the number of cycles

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  图 6  大电流加速充放电循环试验前后蓄电池核容电压曲线

  Figure 6  Voltage curves of battery for capacity approval before and after accelerated tests

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  图 7  电池内部结构示意图

  Figure 7  Schematic diagram of the internal structure of the battery

  A.Negative plate; B.Separator; C.Positive plate

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  表 1  电池试验参数

  Table 1.  Parameters for battery test

  Temperature/℃	Discharge current/A	Discharge cut-off voltage/V	Discharge time setting/h	Charging current/A	Charging cut-off voltage/V	Charging time settings/h
  50	100	1.75	18	100	2.40	t

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  表 2  2次核容阶段电池参数

  Table 2.  Battery parameters for two capacity approval stages

  Test stage	Battery status	Internal resistance/mΩ	Capacity/(A·h)
  Before large current	Fully charged and let	0.309(adjacent)	701.93
  acceleration test	stand for 1 h	0.317(diagonal)
  	Discharge to 1.80 V and	0.441(adjacent)
  	let stand for 1 h	0.451(diagonal)
  After high current	Fully charged and let	0.314(diagonal)	563.12
  	acceleration test	stand for 1 h	0.336(diagonal)
  	Discharge to 1.80 V and	0.493(adjacent)
  	let stand for 1 h	0.516(diagonal)

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  表 3  电池拆解数据

  Table 3.  Battery disassembly data

  Plate name	Quantity	Length/mm	Width/mm	Thickness/mm
  Positive plate	18	248.00	149.74	4.00
  Negative plate	19	249.00	149.62	2.50

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