关于铅酸电池系统热力学模型构成分析

高彦波邱何

摘要：近年来，城市轨道交通高速发展，因而迫切需要质量更好、使用更方便、维护更简单的备用电源。阀控式密封铅酸蓄电池因其价格低廉、电压稳定、无需维护等优点，在城市轨道交通系统的通信、电力等部分得到了广泛应用。但是由于对蓄电池的不合理使用，产生了蓄电池的电解液干涸、热失控、早期容量损失、内部短路等问题，进而严重影响了供电系统的可靠性。因此，良好的热能管理设计对于避免电池的过热和电池组内的不均匀发热至关重要。本文重点讨论了温度对阀控式密封铅酸蓄电池的影响，并建立了蓄电池的系统级热力学模型，用于指导蓄电池的维护工作以及充放电过程的分析。

关键词：铅酸电池；热能管理；有限元；温度场

1蓄电池的过热退化机理

大多数电池体系都存在发热问题，发热是由内部的电阻损耗、局部过电压极化、电池反应熵、混合热和副反应等引起。在阀控式密封铅蓄电池中发热的可能性更大，这是由于：氧再化合过程使电池内产生更多的热量，但排出的气体量小，减少了热的消散；能量密度高，相对散热面积小。若阀控式蓄电池工作环境温度过高或充电设备电压失控，则电池充电量会增加过快，电池内部温度随之增加，大容量电池散热不佳，就会产生过热，使电池内阻下降，充电电流又进一步升高；反过来，电流的升高又使电池内部温度再升高，内阻进一步降低。如此反复形成恶性循环，直到热失控使电池壳体严重变形、胀裂。

目前，铅酸电池巡检设备的温度监测通常是单点测量，温度补偿亦只是基于局部温度的控制手段，无法解决和响应发热不均、电池性能差异等情况，因此电池热能管理的设计核心需要包括冷却系统设计和单体电池热量计算两方面的认识。

2铅酸电池的系统级模型

针对电池管理系统的设计，仿真在两个层面上起到辅助作用：单体级和系统级。电池单体级是针对单体的电化学计算和仿真，关注点是电池内部发热机理和温度场分布，这一类问题制造商较为关心。而系统级则是电池组间以及与外部环境的热力学仿真，主要着眼于实际应用。

单体级和系统级的仿真在多物理场仿真软件COMSOL中都可以实现，本文主要利用其共轭传热模块对蓄电池组的系统环境进行研究。

系统级仿真的关键在于热力学参数和热力学方程的定义，具体定义如下：

2.1几何模型和热力学参数

图1为国内某地铁变电所交直流用电的蓄电池组及其仿真模型，蓄电池组容量为60Ah，共18节，分五层放置于柜体内，柜体宽800mm，单层高380mm，钢板厚度为3mm，每层蓄

电池间隔23mm，在柜体的第3层有温度传感器安装于蓄电池上方。

根据图1建立蓄电池组的系统级模型，系统级模型的计算区域包括蓄电池组、柜体结构及柜体内部空间三个部分。

本文将蓄电池模型简化为电池外壳和电池本体两个部分，其中蓄电池本体为发热源，它们的各项热力学参数取平均值列于表1。

式中，Qi为单体电池的热功率，等于单体电池电压与充、放电电流的乘积；q为钢架外壳与外界的交换热量；h为热对流系数；Tetx为外界的温度。

3仿真结果与讨论

3.1放电试验算例

由式（3）～（5）可知，获得单体电池电压和充、放电电流便可以对蓄电池组温度场的整体分布进行仿真。本文以蓄电池的放电试验为例，利用建立的模型对整个放电过程的温度分布进行计算。初始时刻，电池组处于浮充状态，蓄电池柜内温度为25℃，蓄电池组以6A的速度进行放电，放电时间持续约10h。放电过程中的单体电池电压变化如图2所示。

3.2仿真结果

根据图2中的电压数据与放电电流可以求得蓄电池的功率变化，将各单体的功率代入共轭热传导模型，则可求得蓄电池组的温度场分布。放电试验结束时刻的蓄电池组温度场分布如图3所示，柜体内的温度分布相对均匀，温度场差约1.6℃。

在温度传感器的安装位置上定义Probe变量，模拟温度传感器的温度变化，并与试验中采集的实际数据进行比较，实际测得的温度与仿真结果变化趋势基本吻合，试验结果与仿真有约1.0℃的差别。当以10A的速度进行放电时，试验与仿真结果的差异缩小。

4结语

为了指导和分析铅酸电池的充、放电过程，本文建立了蓄电池组的系统级仿真模型，并与放电试验结果进行了比较，发现仿真结果与试验结果基本吻合，说明本文关于系统级热力学参数和热力学方程的定义方法具有可行性。蓄电池柜共轭传热模型可以用于评估蓄电池的整体热力学环境，实现对蓄电池组的系统级热能管理。

参考文献

[1]胡信国.动力电池技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2009：67-75.

[2]康岩.一维粘性热传导流体力学方程组解的衰减性估计[D].南京：南京航空航天大学，2012.

作者简介

高彦波（1986.08-），男，吉林人，东北电力大学电气工程及其自动化学士，工程师，单位：国网浙江台州市黄岩区供电公司（浙江，台州），单位邮编：318020

邱何（1976.3-），女，浙江台州黄岩人，天津大学电气工程及其自动化本科，工程师，单位：国网浙江台州市黄岩区供电公司（浙江，台州），单位邮编：318020