卷绕式纯铅蓄电池低温放电性能的研究

阀控密封铅酸蓄电池作为成熟、稳定而又性价比高的储能介质,在各个行业得到广泛应用。但是由于其组成部分中包含有液态电解液以及其固有的电化学特性,其在低温环境下放电性能并不理想。而在我们的日常生活和工业应用中,需要采用蓄电池实现后备供电的应用场景是极其普遍的,例如在具备远动功能的电气化铁路沿线都装设了大量的智能型箱式变电站,这些箱式变电站都会配备带蓄电池的UPS。由于箱式变电站密封性不高,对内部元器件的防护较差,因此蓄电池的运行环境较为恶劣,尤其是在冬季北方地区的低温环境下,蓄电池经常不能放电或者放电容量非常低,不能满足远动系统安全运行所需要的后备时间要求,成为铁路安全运行的潜在隐患。因此有必要寻找更适合的储能介质以适应这种低温环境下应用场景。

  目前可以作为储能介质的产品有很多,包括阀控密封铅酸蓄电池、卷绕式纯铅蓄电池、锂电池、超级电容等等。由于锂电池在低温环境下的容量衰减也较为严重,超级电容的能量密度比太低,经过多方面比较分析,发现卷绕式纯铅蓄电池是目前相对比较合适的一种储能介质。

  卷绕式纯铅蓄电池是以卷绕方式组合成形的电芯所组成的电池,称为卷绕电池(图2)。其最早主要作为室外工程机械或汽车的启动电池使用,主要特点是启动电流大,高低温特性好,循环使用寿命长,没有游离电解液,能适用于各类复杂环境,-55℃～65℃均可正常使用。安装方便,密封式结构使得电池可以随意横向或倒立安装,不会漏液。同时,卷绕式纯铅蓄电池采用圆形结构设计,解决了壳体在高温情况下,热失控鼓胀而变形问题。结构如图2所示。

  为了定性及定量地比较卷绕式纯铅蓄电池和普通阀控密封铅酸蓄电池在低温环境下的放电性能，我们分别在实验环境和实际工程应用环境下对两者进行了比较试验，给出试验的相关方案及其结果。

  1 研究方法

  在实验室测试(以阻性负载为主，配合施耐德塑壳开关电动操作机构)，在实际运行场所测试(接近于实际负载)，并在哈尔滨铁路局齐齐哈尔供电段进行实地试验，以及在我局管段范围内实验性应用。

  2 测试方案

  (1)准备

  ①某品牌普通阀控密封蓄电池4只(12V/24Ah),每次试验前在室温环境下完全充满电,蓄电池选用某合资品牌。

  ②某品牌卷绕式纯铅电池4只(12V/25Ah),每次试验前在室温环境下完全充满电,卷绕式纯铅电池选用某国产品牌。

  ③配备高低温箱、万用表、负载仪、耐德塑壳断路器(配电动操作机构)、蓄电池测试仪等实验仪器。

  (2)试验室测试方案

  以2kVAUPS连接4只蓄电池，高低温实验箱设置温度-40℃，分别将全部阀控密封铅酸蓄电池或卷绕式纯铅蓄电池整体放置于高低温箱中冻8h，外接阻性负载以及施耐德塑壳断路器电动操作机构。断开交流输入电源，使UPS完全工作于电池逆变输出模式。每半小时分合闸6次(模拟3个电动开关各分合闸2次)。测量电池电压6次，并计算平均值。

  (3)实际应用工况测试方案

  在东北地区冬季低温环境下，将UPS及4节阀控密封铅酸蓄电池或卷绕式纯铅蓄电池放置箱式变电站内(不采暖、不加热)，经完全冻透一晚(超过8h)后，以蓄电池模式逆变输出。采集每天的室外气温条件以及前天夜间更低气温。每半小时分合闸6次(模拟3个电动开关各分合闸2次)。测量输出电压(交、直)、电池电压。两种不同蓄电池测试时，要尽量在室外温度相差不大的天气下进行测试。

  3 研究过程和相关数据

  (1)实验室测试结果见图3、图4、表1、表2从以上试验数据结果可以看出,在低温-40℃环境及同样负载情况下,阀控密封铅酸蓄电池的放电时间为204min,卷绕式纯铅蓄电池为282min,卷绕式纯铅蓄电池的放电容量约比阀控密封铅酸蓄电池的多40%。