电池质量（精选10篇）
电池质量 篇1
1 引言
核电厂建设周期长, 投资大, 在设备采购过程当中的质量监督非常重要。因此, 在AP1000项目建设当中, 对设备制造过程的质量监督必须重视, 及时发现问题, 及时解决问题, 避免影响现场施工。本文主要介绍AP1000项目中1E级蓄电池及非1E级蓄电池的质量监督。
2 AP1000项目蓄电池介绍
2.1 蓄电池介绍
蓄电池是一种可以被重新完全充电的电池。铅酸蓄电池, 又称铅蓄电池, 是蓄电池的一种, 电极主要由铅制成, 电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。一般分为开口型电池及阀控型电池两种。前者需要定期注酸维护, 后者为免维护型蓄电池。铅酸蓄电池一般由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成。
正极板为二氧化铅板 (Pb O2) , 负极板为铅板 (Pb) 。蓄电池的原理是通过将化学能和直流电能相互转化, 在放电后经充电后能复原, 从而达到重复使用效果。
由于在放电反应及充电反应中, 没有额外物质减少或增加, 因此为可逆反应。
化学方程式为:
2.2 AP1000项目蓄电池基本情况
AP1000蓄电池包括1E级和非1E级两种, 物项代码分别为DB01和DB02, 每台机组1E级蓄电池需要840个电池块, 非1E级蓄电池需要520个电池块。1E级蓄电池组共有14组, 每两组蓄电池包括120个电池块, 供应250VDC电压。非1E级蓄电池组共有5组, 每组蓄电池组包括104个电池块, 供应220VDC电压。
2.3 AP1000项目蓄电池功能要求
在不需要充电器的情况下, 24h电池组 (A, B, C, D通道) 和72h电池组 (B, C通道) 都能够分别为24h和72h负荷负载循环提供足够电力。非1E级蓄电池能够为2h负荷负载循环提供足够电力。
为了最大可能为电厂安全直流负荷正常和应急情况下供应电力, 1E级蓄电池系统设计为6个通道的电池组提供了备用电池组, 分别与6个通道电池组连接。备用电池组同样由120块电池组成。如果在其他电池组故障或者正常情况不可用时, 备用电池组可以允许电厂在满功率负荷下运行。备用电池组正常情况下处于完全充电状态, 维护时由指定充电器浮充。1E级与非1E级单个电池允许被旁路。
IDS系统蓄电池组结构图见图1。
3 AP1000蓄电池制造过程中的质量监督
AP1000项目蓄电池为序列形式制造, 即供应商与其供应者的各个生产部门, 循序向前进行一些加工操作, 最终形成完整产品。产品的制造主要依据供应商的设计图纸, 该设计图纸必须满足买方 (JPMO) 的要求, 并且得到买方的批准。设备制造的质量监督主要为3个部分:原材料控制、工序控制和产品控制。在这3部分的控制当中, 主要涉及人员、机器、材料、方法和环境因素的检查。
在蓄电池开工检查时, JPMO质量监造人员必须至少明确以下内容:
1) 了解供应商制造厂的安全规定;
2) 明确质量监督过程中可以检查的范围;
3) 依据采购文件要求, 审查供应商质保体系大纲及程序、制造文件, 检查EQ试验报告 (如果有) ;
4) 检查设备制造准备情况, 包括人员资质、材料、程序文件, 设备情况等;
5) 确认和建议对特殊工序的质量监督要求;
6) 了解制造计划, 记录检查结果。
对AP1000蓄电池制造的工序控制, 主要采取见证点监督和巡检两种方式来进行。在控制过程当中, 主要关注以下问题:
1) 根据质量计划检查关键工序, 验证操作人员资质、程序文件版本、操作记录等;
2) 检查加工和测试设备的标定状态、维护记录、标识等;
3) 检查部件是否满足制造文件要求, 如有问题, 跟踪处理结果;
4) 验证程序文件的最新版本, 确保满足买方最新技术文件要求。
蓄电池的产品控制, 主要由试验检查、最终检查、清洁包装等组成。在产品检查阶段, 买方需要投入很多时间来检查产品的试验过程及结果。在蓄电池形成后, 需要进行出厂试验。AP1000项目1E级蓄电池出厂试验主要为3h和72h放电率试验。非1E级蓄电池出厂试验主要为2h放电率试验。在进行试验检查时, 主要关注以下几点:
1) 试验前与试验人员进行充分交谈, 了解注意事项, 注意人身安全;
2) 被试验电池是否满足制造要求, 检查电池外观、电极尺寸、电解液液位、临时标记和永久标记、电池温度等;
3) 试验人员与检查人员资质及培训记录, 主要为试验人员对工厂质保体系、买方合同要求及试验程序的培训记录;
4) 试验设备是否满足要求, 包括电源设备、温度计、比重计、电压表、数据记录仪器、放电单元、分流器等;
5) 试验场地是否满足要求, 包括环境湿度、温度、照明等;
6) 试验程序是否被买方批准;
7) 试验计划, 主要包括需试验的电池数量、完成试验所需时间;
8) 试验准备情况, 包括设备连接、试验记录、试验时间、参数设置;
9) 试验过程当中, 及时观察记录仪器, 检查设备状况, 并记录情况;
10) 试验结束后, 检查试验结果, 保证试验报告的有效性, 同时检查试验人员从试验回路移出电池, 保证电池完好, 移到储存区域。
4 AP1000项目蓄电池制造过程中发现的问题及处理过程
1) 质量数据包编制问题
由于蓄电池供应商首次为AP1000项目供货, 虽然蓄电池供应商有类似项目供货经验, 但仍然不清楚项目文件如何准备。在开工检查时, 供应商表示对采购文件要求已经清楚, 但在具体执行时, 仍然不清楚如何准备相关质保记录。在产品试验阶段, JPMO监造人员及时检查最终质量数据包准备情况, 发现厂家仍然对买方要求不是很清楚。面对此种情况, 监造人员将供应商质量数据包编制的培训材料与供应商质保人员一起学习, 在双方的努力下, 完成质量数据包目录清单, 并提交给JPMO批准。之后, 供应商根据目录清单准备文件, 在数据包准备过程中, 监造人员进一步协助厂家完成质量记录, 确保满足合同要求。SM1号蓄电池成功发货, 使JPMO和供应商积累了大量经验, 为后续设备交货打下了良好的基础。
2) 蓄电池供应商在未完成产品EQ试验的情况下请求SM1号1E级蓄电池放行。JPMO监造人员认为EQ未完成, 不满足合同要求, 无法进行质量放行。供应商项目管理人员开启NCR, JPMO技术部门批复意见为返工 (Rework) , 采购部门发起有条件放行请求 (CR) 。而供应商制造工厂不清楚返工如何操作, 与JPMO技术部门沟通, JPMO技术部门予以澄清。由于EQ问题处理时间较长, JPMO监造人员需要在最终发货时, 再次对设备及质量数据包进行仔细审核。
3) 图纸升版问题
AP1000项目三门和海阳项目蓄电池均由一家供应商供货。由于SM1、HY1、SM2、HY2依次供货, 供货周期长, 监造人员一定要重视图纸升版带来的问题。供应商在顺利交付SM1号机组的蓄电池格架之后, 按照SM1号机组要求来提供HY1的蓄电池格架, 导致蓄电池格架发货时并不能满足买方最新图纸要求。JPMO监造人员仔细核对蓄电池支架的入场检验、质量记录的文件, 由于最新图纸刚刚升版, 供应商已经按照先前版本完成所有工作。造成该问题发生的原因, 主要为厂家质保人员未能及时对图纸的升版及时采取措施。供应商质保人员对图纸进行核对, 发现图纸升版未发生实质性变化, 不影响发货。JPMO监造人员坚决否决, 立即暂停蓄电池格架的放行, 建议厂家开启NCR, 提交技术人员判断是否需要重新检验。
5 对AP1000项目蓄电池采购管理的建议
1) 由于AP1000单个机组蓄电池数量较大, 1E级蓄电池共840个电池, 非1E级电池共520个, 而电池的制造基本属于流水作业, 有些工序供应商无法等待买方见证, 尤其在进行蓄电池试验阶段。蓄电池制造的周期如表1所示。
1E级蓄电池共分14组来进行试验, 非1E级共分10组进行试验。在1E级蓄电池7个月的制造时间中, 出厂试验大约需要2个月时间。非1E级蓄电池出厂试验大约需要1周时间。因此, JPMO监造人员需要关注试验过程的质量监督, 在此阶段如不能驻厂监督, 必须采取巡检方式进行质量监督, 确保蓄电池满足性能要求。
2) 在AP1000蓄电池的运行维护手册中提到, 1E级蓄电池在35℃以下, 每6个月必须充电一次, 35℃以上每4个月充电一次。因此, 供应商在电池出厂之前必须对其充电, 并且立刻包装发运, 避免包装发运阶段耽误时间, 影响电池质量。对于蓄电池的包装、发运、储存和吊装要求, 必须满足ASMENQA-1分篇2.2的B级要求。蓄电池抵达现场, 必须满足6个月充电要求, 项目采购组必须保证蓄电池充电器按时抵达现场。建议蓄电池采购工程师及时掌握现场需求, 协调蓄电池与电池充电器的发运时间及现场接收时间, 现场做好储存准备。
3) 供应商按照合同交付日期完成产品, JPMO项目现场暂不需要, 这样会导致工厂没有足够空间存放, 并且向JPMO收取高额存储费用。鉴于这种情况, 建议JPMO及时与现场沟通, 蓄电池交货时间推迟, 必须及时调整采购计划, 尽早通知供应商暂缓制造。
6 总结
本文通过对AP1000项目蓄电池的结构功能特点描述, 根据目前蓄电池的采购管理情况, 重点总结了蓄电池质量监督, 并且对发现的问题及处理简要说明, 为后续项目管理及质量监督提出一些有益的建议。希望能为后续项目的海内外采购和质量监督积累经验。
摘要：AP1000项目蓄电池包括1E级蓄电池和非1E级蓄电池, 技术要求严格。论文主要介绍了AP1000项目蓄电池结构功能, 根据三门和海阳项目的采购质量管理经验总结了蓄电池制造过程中的质量监督特点, 归纳了质量监督中发现的问题及处理方式, 对质量监督和设备采购提出一些合理建议, 可为后续项目的蓄电池质量监督提供有益帮助。
关键词：AP1000,1E级蓄电池,非1E级蓄电池,质量监督
参考文献
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[2]程平东, 孙汉虹.核电工程项目管理[M].北京:中国电力出版社, 2006.
电池质量 篇2
为保证核电厂核安全相关系统电源可靠性，不间断电源和直流系统均设计可靠性的蓄电池组。核电厂蓄电池组主要分布在电气厂房和常规岛，是核安全相关的1E级设备。核电工程蓄电池可分220V、110V、48V共3个电压等级。核岛蓄电池为固定型防酸式铅酸蓄电池，由多个标称电压2V的单体电池串联组成蓄电池组，相互之间用电缆连接，布置在防震支架上。蓄电池为直流电源的重要组成部分，平时在浮充状态，当充电器发生故障或者充电器380V电源失去的时候，由蓄电池组向用电设备提供直流电源。
2蓄电池的安装实践
2.1蓄电池安装的先决条件
蓄电池安装之前监理单位应组织各方对每个安装房间进行了先决条件检查，检查内容主要包括蓄电池运输通道是否合适、安措是否到位，蓄电池防震支架、直流充电器柜是否安装调试完毕，相关电气设备接地条件是否满足，蓄电池安装房间其他物项的施工是否已经全部完成，临时通风是否具备可用条件，房间封堵是否完成等等。
2.2防震支架的安装重点
蓄电池的防震支架主要由支承件、承重件、绝缘件、紧固件四大部分组成。主要步骤：防震架组装→测量定位钻孔→防震架拼装→固定→间距复核→接地线安装→补漆。
2.3蓄电池安装就位要点
蓄电池就位之前需对每个蓄电池进行仔细的检查表面是否有裂纹、污染、破损等问题。如蓄电池带酸液，重量较大，无法人力直接搬运，应精心编制了就位方案，自行制作了吊车。蓄电池之间的连接，严格按图纸施工，确保正负极接线正确，连接处应涂抹导电膏。电缆引出线应有正极是红色、负极是蓝色的色标。
3蓄电池注酸及问题分析
蓄电池可以在工厂里完成注酸，也可以在现场注酸。如在现场实施注酸，酸液为厂家提供，核电工程一般采用酸液密度：d=1.22±0.01g/cm3(20℃)，重量：W=31.5kg/桶，浓度29.6%;注酸完成之后必须仔细检查每个蓄电池是否有泄漏现象。
注酸过程中应注意如下问题：
(1)配置专用的注酸泵，人工倾倒既不安全，效率也不高。
(2)注酸以后必须静置6-12个小时以后，酸液温度降至30度以下时，方可充放电。
4蓄电池充电模式探讨
充电之前应检查蓄电池之间的连接线牢固，正负极正确无误，充电器相关试验全部完成，并且明确充电模式：恒流法。各组蓄电池以0.05C10(C10指10小时额定容量)充电电流充电，若充电期间蓄电池温度升高到43C°，则降低充电电流。降低充电电流以0.025C10充电电流充电，若蓄电池温度降低(约38C°)时再将充电电流调节到0.05C10充电电流充电。初充电压依据厂家资料，单节蓄电池最多可以承受2.7V电源，因此48V蓄电池组(共23节)采用64V充电电压充电;110V蓄电池组(共54节)采用148V充电电压充电;220V蓄电池组(共108节)采用295V充电电压充电。
充电期间，电解液温度应控制在15℃～40℃范围内，最高不得超过45℃。一旦超过应减小充电电流或停止充电，待电解液温度降到规定范围内再进行充电。初充电期间每二小时记录一次充电电流、电池组总电压，单体电池端电压、电解液密度和温度。初足电标志采用恒流充电时，充电末期电池的电压及电解液密度连续3小时以上保持稳定不变，并且电解液内部产生强烈气泡。由于充电过程中随着水分蒸发蓄电池内电解液比重会升高，初充电即将结束时应将电解液密度调整到1.24±0.005g/cm3(20℃)，电解液液面调至最高液面线。密度调节介质用厂家提供的酸液1.22±0.01g/cm3(20℃)和蒸馏水。
5蓄电池的放电实践案例分析
秦山二期扩建工程3号机组2种规格蓄电池的放电容量、电流及放电终止电压见下表。本次放电只考核10小时率容量，要求第一次10小时率容量不低于95%C10。如表1。
蓄电池放电主要是检查电池容量是否充足，蓄电池产品是否合格。初充电未完成时不允许放电，初次放电一般均以10小时放电率进行放电，并且放电电流应保持稳定。蓄电池是否合格的评定标准：
(1)首次放电时，不得过放。电池放电的最终电压及电解液密度应符合产品技术条件的规定。
(2)电池终止电压不合格的电池数不应该超过总数5%，且最低电压值不应低于单体电池电压平均电压的2%。
(3)电池放电容量及终止电压不得低于产品制定的标准。
蓄电池放电后应立即进行复充电，其间隔时间以不超过10小时为宜。蓄电池复充电可按初充电方法执行。蓄电池复充电结束后，对透明槽的电池应检查其内部情况，极板不得有严重弯曲、变形和活性物质严重脱落现象。复充电结束后应立即改为浮充电运行模式，浮充方式：将直流电源的充电电压置于2.23V/只。
6结论
电池质量 篇3
摘要：电池续航时间是移动计算市场上的核心竞争力之一，这涉及两个方面：一是每次充电后系统能支持多长使用时间，二是系统在产品使用寿命内的每个充电周期都能提供一致的使用能力。通过结合使用2S电池组和由DA9312所支持的高集成度电压转换策略，与现有分立解决方案相比，不仅有可能使PCB面积减半，还有可能使元件数量和PCB高度减半。
关键词：移动设备；电池续航；充电
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.019
移动计算市场发展非常迅速，各生产商为争夺市场份额纷纷展开激烈竞争。竞争的其中一项关键点是电池续航时间，这涉及两个方面：一是每次充电后系统能支持多长使用时间，二是系统在产品使用寿命内的每个充电周期都能提供一致的使用能力（图1）。
移动设备内部计算元器件如今被广泛采用在从可穿戴设备到笔记本电脑等众多应用中（图2），但电池容量与元器件的发展速度并不相同，因此生产商都在探索各种方法对电池进行配置，以便尽可能从现有的电池技术中获得更多电量。电池配置和系统架构的协同优化，为生产商提供更大功率效率、进而提供更长电池续航时间提供了一条康庄大道。
目前的一个主要问题是现在的处理器和系统级芯片（SoC）芯片在低电压条件下的高功率需要，这会导致高峰值电流需求。需要最大电流的时间可能很短，但其对系统一次充电能运行多长时间和总使用寿命有很大的影响。
今天的SoC迫使系统设计工程师在他们的电池解决方案中选择高电流放电率。提高SoC能效的需要促使他们降低内核电压——现已大幅降至PV以下。通常，当输入与输出电压比处于低水平时，向这些器件供电的降压转換器具有更高的工作效率，这使得看上去低压电池配置可提供更低的功率损耗，从而帮助确保系统一次充电运行更长时间。但使用低供电电压会导致电池组提供更大电流。
高放电速度下的反复电量损耗会显著降低电池的有效容量。为此，电池生产商都针对其产品在规定循环寿命下的最大放电速度给出了建议。
在2A平均放电电流下，电池在500个充放电循环后，还能充满其额定容量的95%以上。在20A平均放电电流下，该有效容量会降到仅70%，从而限制电池的使用寿命。在旧式设计中，电池常常可以更换。但生产商由于希望向用户提供更长的一次充电可运行时间，越来越倾向于使用不容易更換的嵌入式电池。
嵌入式电池方案为生产商提供了更多途径来增加其产品的额外电池容量。一些可翻转式平板电脑设计将电池嵌入平板电脑和键盘模块的多个位置，以提供比使用单个可拆卸电池组更高的总容量。因此，嵌入式电池解决方案在可使用周期内的容量变得日益重要。
电池单元的布置方式可决定输出电压和峰值电流额定值，因而电池配置常常以电池单元的布置方式来表示。电池单元可能采用并联（p）布线，这时的总峰值电流输出等于一个单元的输出乘以并联布线中的单元数量。2P配置能够有效地使电流加倍。相反，在采用串联（s）布线中，输出电压将会增加，2S配置可使输出电压加倍。有些系统（特别是笔记本电脑）使用混合布线，如3S2P配置。较小的系统常常使用1S、2S或35布线。
对许多设计而言，针对锂聚合物电池的2s配置可支持生产商想要的封装选项，以及对越来越多的便携式系统的电压兼容性，从高端智能手机到平板手机和可翻转式平板电脑，再到笔记本电脑。对于笔记本电脑，比旧式3S和4S更低的电压可与今天的内核电压进行更好的兼容，而且不会导致电池组放电率过高的问题。对于较大的智能手机设计，该电压水平有助于确保峰值电流消耗维持在不影响长期电池容量范围之内，并适合当前的轻薄外形设计。
尽管智能手机设计中的较高电压可能看似不符合生产商对更长电池寿命的要求，但通过改变供电策略可以有效地解决这个问题。虽然降压转換器会在输入和输出电压之比增加时在效率上受到影响，但增加预稳压步骤可使降压电路中的损耗保持较低水平，还可提供与2s解决方案的较高电压的兼容性。
解决方法是采用固定比率电源转换器架构——把2S电池组名义上的7.2V电压对半减至3.6V，而3.6V则完全在现有降压转換器的高效转換范围之内。除了支持高效转换策略，使用此类电源转換器还意味着，针对1S配置的降压转换器能够轻松地被再次用于围绕2S电池组而进行的设计，从而缩短新品上市时间。
例如，Dialog的DA9312（图3）中的电源转換器，从非常低的电流到最大电流10A均能提供平稳的效率曲线。与现有降压转换器一起使用时，附加的电压转换只会带来些许额外损耗，这完全可以通过使用一个2S电池组运行大量低压降压转換器而带来的寿命优势得到弥补。
2S电池组的输出电压可直接与为外设（如USB和其他接口）供电的降压转換器进行连接，这些外设需要的电压高于内核逻辑使用的电压，以便兼容外围电路。DA9312这类器件利用了2S配置的这个优势，通过集成两个降压转换器并配上它们的功率FET。
为支持这些较高电压接口上的高峰值容量，两个降压转換器可采用双相策略作为一对转換器来运行。在电源转換器向外部内核逻辑降压转换器或系统PMIC提供10A电流以外，双相拓扑允许再额外提供最大10A的峰值电流。
因为可将多个电压转換器的功能集成在一个封装之中，从而得到一种更小的整体电源管理解决方案。在目前的设计中，PCB板的面积一大部分专用于电源管理。在有些最新设计中可达到PCB面积的40%，这在很大程度上是由于SoC器件集成度的不断提高。通过使用超高集成度的SoC来为电池提供更多电路板空间，PCB本身也在逐渐缩小.那么遵循相同的SoC趋势，电源管理电路本身也可以缩小，并为增加电池容量提供更多机会。
DA93P2使用的电压转换器拓扑的另一优势是，无需外部电感，只需电容就可以运行。这不仅可以节省电路板空间，还提高了系统生产商提供超薄产品的能力。由于需要线圈，电感难以制作成较薄外形。但是电容的尺寸和形状具有较大的灵活性。使用高开关频率，例如两个降压转换器使用的1.5MHz，外部无源器件可以进一步缩小，以节省PCB空间。芯片级封装的使用旨在支持紧凑的布线，同时帮助减少占用PCB面积。
电池质量 篇4
1 EL测试的原理
EL测试在太阳电池中得到较好运用,其少子的扩散长度要高于势垒宽度,工作人员需要掌握电子和空穴通过势垒时存在复合而消失的情况,然后继续向扩散区扩散。在特定的电压下主要是正向偏置,p-n结势垒区和扩散区都拥有少数载流子,然后这些非平衡状态会与大多数载流子复合,并散发光亮,这就是太阳电池发光的主要原理[1],具体情况见图1[2]。
在测试过程中,工作人员应在太阳能电池两端增加正向偏压,并确保发出的光子能够被获取。灵敏的CCD相机,能够快速获取这些光子,形成太阳电池的辐射复合分布图像。这种情况下,电致发光强度比较低,其波长一般在红外区域,要能够保证产生较小的噪声,不会影响反应的灵敏度[3],具体情况见图2。
在EL测试中,晶体硅太阳电池加上正向偏置电压,都会向电池注入大量非平衡载流子和直流电源,是产生非平衡载流子的主要设备。电池通过在这些非平衡载流子与平衡的载流子不断复合而发生光亮,形成光伏效应的逆过程,然后利用有效的相机捕捉这些光子,计算机处理后,显示的整个过程都要在暗室进行。EL测试图像亮度,会与电池片的少子寿命及电流密度成正比排列[4],具体内容如图3所示。在太阳电池出现缺陷的地方,少子扩散长度比较短,且能够显示,此时图像展示的亮度较差。在EL测试后,分析图像,能够清晰地发现太阳电池及组件潜在的缺陷,工作人员要做好记录,并合理制定合理的措施。
2 EL测试常见缺陷及分析
2.1 破片
在测试组件测试中,工作人员发现其中存有破片,这种情况主要是封装过程中的焊接和层压导致。在测试图中,这种情况主要显示为黑块,见图4。电池片破裂后,没有电流注入,所以该区域不会发出亮光。
2.2 隐裂
晶体硅太阳电池选用的硅材料容易破碎,所以工作人员在组装中要注意裂片产生的不同形式。这种形式主要有两种,一种是显裂,另一种是隐裂。在实际工作中,显裂能够用眼睛看到,工作人员可以在组件生产中通过分序的方式,剔除这种情况。而在隐裂的分辨中,工作人员无法使用肉眼看到,所以在生产中存在破片问题。太阳电池中的单晶硅的解离面有一定规则,能够在EL测试图中更加清楚掌握单晶硅电池的隐裂纹,然后分析这种规律性。一般情况下,这种隐裂纹都是沿着对角线的方向,呈“X”状分布,工作人员很难在晶体中分辨是多晶硅的晶界还是电池片中的隐裂纹,见图5。
根据研究显示,在晶体硅太阳电池中,长度超过1 mm的裂纹无法应对较大的承载,一般以2 400 Pa为上限,这种压力会对电池产生严重影响[5]。工作人员在户外使用这种电池时,会加大裂缝的程度,使其变成碎片,导致电性能的损失或开路,这种情况下会严重影响电池的寿命和可靠性,所以,工作人员要进行EL测试。
2.3 断栅
在电池片中出现断栅,是因为电池片本身栅线印刷不够细致或焊接过程存在失误导致。在EL测试中,要分析电池片中主栅线的暗线,对其注入电流,如果密度很小或基本没有,会导致电池片的断栅出光度较弱,见图6。
2.4 烧结缺陷
生产电池片的过程中,要重视烧结工序,然后掌握这种工艺参数。如果烧结设备存在缺陷,就是会导致生产出的电池片在测试中,出现大面积的履带印,这种情况下如果进行工装改造,就能够较好改善这个问题。其现象如图7所示。
2.5 黑芯片
在EL测试图中,工作人员发现黑芯片能够清晰地看到电池片中心到边缘逐渐变亮的区域,其主要原因产生在硅材料制作过程中,即硅棒的拉制过程中,主要与溶解度和分凝系数有关。这种缺陷主要是晶体硅电池片内的少量载流子浓度降低,然后造成这种缺陷,最后出现电池片在EL测试成像图片中部分颜色较淡的情况,见图8。
2.6 漏电
漏电现象主要是电性能测试的问题,图9主要显示的是Irev2值偏大的片子。
从图中可知,较粗黑线主要代表这个区域缺少探测器,无法分析光子的出现。工作人员需要使用显微镜观察,发现电池正面银浆印刷,并在硅片的表面有划伤出现。在IV测试的分选中,要增加12 V反压,然后增加正面的p-n结烧穿短路,所以其区域测试显示为黑色。
2.7 电池片混档
电池片混档这种情况主要存在于组件生产过程中,有部分电池片发光强度不均衡,电池片电流分档受到影响,如图10的组件混档,就是电流或是电压分档不一致导致的。
2.8 电池片电阻不均匀
在EL测试中,工作人员要分析电池表面的发光强度,分析其出现的原因。电池片电阻不均匀,主要区域较暗,串联电阻较大。这种缺陷在电池片少子寿命少的情况下,有明显差异。例如电阻不均匀,太阳电池片分布的地段会呈现电阻大的情况。但从实际情况分析,这种缺陷密度较高,电池中会有少子符合,并逐渐增加符合速度,减少跃迁概率,这种现象会缩短少少子寿命,影响电池在EL测试中的亮度。
工作人员要明确电池片在使用上体现的功能,然后分析不均匀电阻及可能体现的参数数值,由这个因素分析并联电阻对整个线路的影响。一般来讲,并联电阻不会对电池造成较大影响,但是p-n结反向特征明显。工作人员要在并联电阻的影响下,分析漏电流的影响及作用,并检查和记录电池功率的下降情况。
3 结语
EL测试在晶硅电池组件的应用中,要明确主要使用的原理和方法,工作人员使用电致发光原理,对电池及其组件进行红外成像测试。在EL测试中,工作人员能够准确检查出电池片中的情况,例如是否存在隐裂、电阻不均匀或断栅等缺陷,这种隐形缺陷想无法通过人员肉眼查验,只能在试验中进行分析。在测验中,如果出现人为划痕也能被较好地分辨出来,工作人员通过这种方式进行电池及其组件的检测,充分体现EL在电池应用和组件质量使用中的作用[6]。
参考文献
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[5]肖娇,徐林,曹建明.缺陷太阳电池EL图像及伏安特性分析[J].现代科学仪器,2010,10(5):105-107.
动力电池研究系列之电池正极材料 篇5
——2010年年度总结
随着《私人购买新能源汽车试点财政补助资金管理暂行办法》和《节能汽车（1.6升及以下乘用车）推广实施细则》的出台，一直受价格制约的新能源汽车，终于看到了产业化的曙光。《办法》对插电式混合动力和纯电动汽车最高补贴额度分别为5万元和6万元，为新能源汽车的产业化道路保驾护航，赛迪顾问认为作为新能源汽车心脏的动力电池将是此产业链中的最大受益者。而锂离子电池作为最具发展前景的动力电池，在未来必将取代传统的镍氢电池，成为主流动力电池。
赛迪顾问对锂离子电池产业链发展现状和未来趋势进行了分析和预测，研究结果表明：电池材料是锂离子电池产业链的关键环节，将在新能源汽车产业化的浪潮中凸显极高的投资价值。而占据锂离子电池成本大约30%的正极材料由于能够很大程度的影响锂离子电池的性能，从而成为引领锂离子电池发展方向的重要载体。
锂离子电池需求量急剧膨胀，正极材料市场迎来发展良机
受益于锂离子电池需求量的扩大，正极材料近几年得到了很好的发展，2009年全球正极材料的销量达到了3.76万吨，而中国的正极材料销量占全球销量的47.87%，达到1.8万吨。
图 1 2007-2009年全球正极材料销量及增速
赛迪顾问认为未来两年随着新能源汽车对动力电池需求的扩大，正极材料行业销量将在2009年的基础上出现快速的增长，而国内的增速因为巨大的需求空间和现有的良好基础而高于全球增速。
三足鼎立，国内正极材料企业将异军突起
全球范围来看，锂电企业主要集中在日本、中国和韩国，相应的锂电正极材料的生产也主要集中在以上国家。日本和韩国的锂电正极材料企业整体技术水平和质量控制能力要优于我国多数锂电正极材料企业，在高端锂电正极材料的竞争中有一定优势。
表 1 日韩主要锂离子电池正极材料生产企业
在国外市场，日本和韩国主要锂电企业的供应商主要还是本土锂电正极材料企业。由于我国部分锂电正极材料企业近年的产品质量和一致性水平迅速提高，并且具备较大的成本优势，日本和韩国锂电企业近年开始逐步加大从我国采购锂电正极材料的力度。
表 2 国内重点锂离子电池正极材料生产企业
经过近十年的发展，国内锂电正极材料行业目前已经形成了以京津地区、长江中下游地区和华南地区三大锂电正极材料产业基地。
在国际市场，锂电正极材料行业已经逐渐形成了寡头竞争的局面。在国内市场，目前仍有较多的企业在参与市场竞争，由于锂电正极材料行业技术集成度高、下游客户对产品质量要求严格等原因，一些不具备核心竞争力的企业将会逐步退出，行业内的优势企业将占据越来越多的市场份额。
锂电正极材料行业的竞争格局还受到下游市场需求和上游资源供应的影响。一方面，全球锂电池厂商已形成了寡头垄断的竞争格局，这就要求锂电正极材料生产企业必须和这些锂电巨头建立长期紧密的合作关系才有机会在未来的竞争中占据制高点；另一方面，获得上游资源的长期充足供应也将是本行业未来发展的关键。我国拥有上游主要原材料冶炼产业集群效应的原材料供应优势，大量的相关金属资源都在我国市场集散，这对于国内锂电正极材料生产企业来说具有较大的供应链优势，有助于国内企业在国际竞争市场中扩大自身份额，获得快速发展的机会。
多种正极材料同台竞技，磷酸铁锂是发展方向
目前已批量应用于锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂三元材料以及磷酸铁锂。但由于钴金属储量少，价格昂贵，因此成本高，而且作为动力电池安全性存在问题，为了降低成本采用金属锰代替金属钴，形成锰酸锂，但锰酸锂电池循环寿命短且高温环境下循环寿命更差（注：60摄氏度以上寿命降低一半）。
图表 1 主要正极材料性能参数比较
磷酸铁锂可克服前两者的缺点，并且不含钴等贵金属，原材料价格低且磷、锂、铁资源丰富，理论电容量大，循环寿命长，是锂电池中公认的最有发展前途的产品。
钴酸锂：商业化应用的主流
钴酸锂最早实现商业化应用，技术发展至今已经很成熟，并已广泛应用在小型低功率的便携式电子产品上，如手机、笔记本电脑和数码电子产品等。2009年全球钴酸锂销量为2.35万吨，相比2008年的2.75万吨有所减少，其销量占全部正极材料的62.5%，在整个正极材料市场中占据了绝对重要的地位。随着正极材料技术的不断成熟，三元材料和磷酸铁锂等正极材料对钴酸锂的替代逐步加快，赛迪顾问认为钴酸锂在锂离子电池正极材料中的地位将逐步降低，但受益于新能源汽车对动力电池需求的加剧，钴酸锂正极材料的绝对数额在未来两年内还是会保持一定程度的上升，且其在正极材料中仍处于主导地位。
图 3 2007-2009年全球钴酸锂销量及占全部正极材料比例
国内目前钴酸锂市场主要集中在中端市场，这个市场的特点要求产品质量好和稳定，同时具有较大的价格弹性。由于终端消费品过去需求增长迅速，导致钴酸锂价格一度暴涨，最高攀至60万/吨，受金融危机影响最低回落到20万/吨，现在略有回升，毛利率在10%以上。
从销量来看，2009年中国钴酸锂的销量为1.2万吨，占全球销量的51.06%，占国内正极材料销量总额的66.7%。同全球趋势一样，赛迪顾问认为国内钴酸锂正极材料销量占比将呈现下降的趋势。
图 4 2007-2009年中国钴酸锂销量及占全部正极材料比例
国内钴酸锂市场从结构来看，2002年是一个分水岭。2002年以前，国内市场主要由日本SEIMI和比利时联合矿业集团（UM）等少数国外企业占据着。2002 年，以中信国安盟固利，北京当升为代表的国产材料生产商以较优的产品性价比，从国外厂商处夺得大量市场份额，中国锂电的龙头企业比亚迪在香港的成功上市后，转成部分自产钴酸锂。目前，国产正极材料占比已达到90%以上。从目前的情况来看，当升材料2009年全球钴酸锂市场份额为10.4%，其市场地位处于国内第一，全球第三。国内以钴酸锂为正极材料的锂电池生产厂家主要有：天津力神、深圳比克、邦凯、华粤宝、武汉力兴等。
锰酸锂：安全廉价的适用材料
钴酸锂目前虽为主要正极材料，但钴酸锂有一个很大的弊端，即钴酸锂的成本80%为氧化钴。氯化钴由钴矿冶炼加工制成，而世界金属钴总储量90%以上集中在刚果、澳大利亚、古巴、赞比亚和俄罗斯等国家，因分布过于集中，且属于小金属品种，其价格随市场供求及国际金属价格波动呈现周期性振荡，波动很大。因此用锰代替其中的金属钴形成锰酸锂，安全廉价的锰酸锂电池具有镍氢和钴酸锂电池无法比拟的优势，被认为是电动汽车最为实用的电极材料。
2009年全球锰酸锂销量达到2850吨，占全部正极材料销量总额的7.6%，随着锂离子电池对正极材料需求的扩大，再加上锰酸锂相比钴酸锂的各种优势，赛迪顾问认为全球锰酸锂销量在2010年将在2009年的基础上出现大幅度的增长，达到4600吨左右，占全部正极材料的比重也将提升到10%。
图 5 2007-2009年全球锰酸锂销量及占全部正极材料比例
就国内市场而言，2009年国内锰酸锂的销量为2000吨，占全球销量的70.2%，占国内全部正极材料销量的比重也高达11.1%，随着锰酸锂正极材料的逐渐成熟，国内大多数正极材料生厂商都积极开发锰酸锂正极材料生产线，锰酸锂在全部正极材料的比重将保持上升的趋势。
目前，我国的锰酸锂生产厂商主要有中信国安、云南玉溪汇龙科技有限公司、天津巴莫科技、大连太阳集团、北京当升等。目前国内以锰酸锂为正极材料的锂电池生产厂家主要有：比亚迪、青岛澳柯玛、苏州星恒、湖南晶科、河南海普赛等。
磷酸铁锂：动力电池的发展方向
正极材料中最适合用于动力电池的是磷酸铁锂。目前国内外已经能实现量产的合成方法均是高温固相法，高温固相法又分传统的（以天津斯特兰、湖南瑞翔、北大先行等为代表）和改进的（以美国威能、苏州恒正为代表，也称碳热法）两种。磷酸铁锂电池应用主要受制于电池组的一致性问题。用作汽车动力锂离子电池是将大量单体电池串并而成的电池组，目前单体磷酸铁锂电池的寿命超过2000次，在将多个电池组成电池组时，只有在电池性能高度一致时，电池组的循环寿命才能接近单体电池的寿命。由于目前国内大部分磷酸铁锂生产厂商的制造设备及制备工艺都不成熟，产品品质容易出现波动，使得电池产品的一致性受到影响，因此，应用在动力汽车上存在一定的障碍。对磷酸铁锂电池生产商来说，还面临一个专利的问题。目前国际上在磷酸铁锂领域的领先企业主要有3家，分别是美国的A123、加拿大的Phostech以及美国的Valence，掌握着较为成熟的量产技术。一直以来我国电池产业面临到国外专利作为商业阻碍以及技术垄断的干扰。目前，中国在磷酸铁锂电池材料上，基本没有自己的专利权，技术绝对称不上先进。此前日本的NTT公司支付美方3000万元和解金才解决了磷酸铁锂材料的专利纠纷。台湾很多企业也是花钱向Phostech等公司购买专利使用权。因此，我们认为如果锂电池行业内企业不能很好的解决专利权的问题，不得不和日本一样，花钱买专利，这将是我国电池材料企业所面临的第一大风险。通过赛迪顾问了解，目前，国内大多数厂商在与外方技术输出方签合同时，通过专利保险的方式，将专利被追诉的风险转嫁给国际保险公司。
2009年全球磷酸铁锂销售量为1000吨左右，其中主要集中在全球最大的供应商A123，国内厂商天津斯特兰几乎占据了国内市场一般的份额。目前，磷酸铁锂市场接受度不高，主要是受技术和价格的制约。从近期来看，技术已经不容置疑，国内能批量生产的企业有10家左右，如斯特兰、比亚迪、烟台卓能、北京锂先锋、苏州恒正、北大先行、合肥国轩、深圳贝特瑞、新乡花鑫、新乡创佳等，但是价格仍然是一大障碍，目前国内价格维持在15-18万/吨，国外要高出一倍，不过随着产能扩展步伐的加快，材料价格下降是趋势，未来三年有望降至10万元/吨，届时磷酸铁锂电池将得到广泛应用。
图 7 2007-2009年全球磷酸铁锂销量及占全部正极材料比例
图 8 2007-2009年中国磷酸铁锂销量及占全部正极材料比例
国际知名磷酸铁锂厂商都已经发展出十分成熟的量产技术，其中最大的产能5000吨/年以上。中国企业从2001年就陆续启动磷酸铁锂材料开发，历经6年时间，北大先行终在2007年突破了磷酸铁锂从实验室技术到中试生产技术的一系列技术及工程问题，并在完善相关工艺过程中，使得磷酸铁锂电池的安全性得到了较大程度的提高与保证，奠定了磷酸铁锂产品系列化和规模产业化的基础。
电池质量 篇6
a-Si:H/c-Si或μc-Si:H/c-Si异质结太阳电池结合了薄膜硅的工艺优势与晶体硅电池的优点,具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景,影响a-Si:H/c-Si或μc-Si:H/c-Si异质结性能的两个关键界面参数是能带补偿和界面态［１－２］。由于基于a-Si:H的太阳能电池因其本身的光致衰退问题,对太阳能电池性能的长期稳定性具有很大的影响,为了克服这个问题,用μc-Si:H来代替a-Si:H,而μc-Si:H在光照下具有更为明显的长期稳定性［３］。对于μc-Si:H/c-Si异质结太阳能电池,界面性能以及界面传输质量是一个关键的因数。事实上,几乎所有有关提高异质结太阳能电池的转换效率的研究,就是通过如何优化界面性能和提高界面传输质量来实现的。1994年日本SANYO公司开发了HIT(het-erojunction with intrinsic thin-layer)这种新型的太阳能电池结构,这种电池结构是在a-Si(p)和c-Si(n)之间插入一层本证缓冲层a-Si(i)为的就是钝化界面质量以及提高界面的传输质量,从而提高太阳能电池的性能［４］。并且在2014年,SANYO公司研发的HIT太阳能电池在实际应用中已获得创历史24.7% 的效率,与此同时开路电压达到了745~750mV［５］。
许多学者通过模拟优化每层的厚度,带隙以及掺杂浓度来提高μc-Si:H/c-Si异质结太阳能电池的转换效率,但这是不够的。μc-Si:H/c-Si异质结太阳能电池的性能不仅依靠μc-Si:H的缺陷态和每层的传输特性,而且关键的依靠三种界面的传输性能和质量:(1)透明导电膜(TCO)/发射极界面,(2)发射极/衬底界面,(3)衬底/背场(BSF)界面［６－７］。高质量的透明导电氧化膜(TCO)的使用会进一步提高太阳能电池的性能,这是由于很容易把载流子运输到金属接触界面,同时也阻止了载流子在界面处的横向移动［８］,对于μc-Si:H(n)/c-Si(p)异质结太阳能电池,较小的TCO功函数以及具有纹理结构的TCO可以进一步提高太阳能的性能［９－１０］。较大带隙的μc-Si(1.4eV-1.6eV)与较小带隙的c-Si(1.1eV)之间形成的能带,在界面处就会导致导带和价带的不连续,能带的不连续会使界面处载流子浓度发生急剧的改变［１１］,从而对电池的性能产生影响。
然而,对于发射极/衬底界面处能带失配和TCO的功函数以及衬底/背场界面处能带失配如何以及为什么影响载流子传输性能和质量,相关的研究很少,因此有必要进一步研究。本论文将会重点研究三种界面的传输性能,通过提高界面的传输质量来提高μc-Si:H/c-Si异质结太阳能电池的性能。通过使用AFORS-HET模拟软件,优化三种界面的传输性能,我们获得具有纹理型TCO/μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/a-Si:H(i)/μc-Si:H(p＋)/TCO双面型HIT太阳能电池的转换效率为24.43%
1 电池结构和电池结构参数
太阳能电池是以半导体材料为主,利用光电材料吸收光能后发生光电转换的器件。与传统的c-Si太阳能电池相比,异质结HJ(heterojunction)太阳能电池具有低的生产成本,好的热稳定性的潜力［１２］。通常情况下,通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术把掺杂的a-Si:H(或μc-Si:H)沉积到非掺杂的c-Si衬底上来制造HJ和HIT太阳能电池。简单的HIT太阳能电池是在μc-Si发射极和c-Si衬底之间插入了一层很薄的a-Si:H(i)来钝化异质结的界面(如图1(a)),同样在μc-Si:H(n)与c-Si(p)之间插入一层本征a-Si:H(i)以及在c-Si(p)与μc-Si:H(p＋)背场层之间插入一层本征a-Si:H(i)就形成了如图1(b)所示的BIFHIT(bifacial HIT)太阳能电池。
AFORS-HET是一款重要的异质结太阳能电池数值模拟工具,本文用来模拟基于c-Si(p)衬底的HIT太阳能电池。模拟时各层所采用的参数如表1所示,其中参数的选择来自文献[9,10,12],模拟中入射光照条件为AM1.5,100mW/cm２。
2 结果分析与讨论
2.1 能带失配对μc-Si:H(n)/c-Si(p)界面传输性能的影响
图2(a)和图2(b)分别表示μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)和a-Si:H(i)/c-Si(p)的界面缺陷态对TCO/μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)太阳能电池的性能影响。图中表明,当μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)的界面缺陷态小于1×10１３cm－２eV－１时,太阳能电池获得较好的性能;而当a-Si:H(i)/c-Si(p)的界面缺陷态1×10８cm－２eV－１到1×10１２cm－２eV－１时,电池的Jｓｃ,FF和Eff基本保持不变,只是Vｏｃ略微降低,因此a-Si:H(i)/c-Si(p)的界面缺陷态应保持低于1×10１２cm－２eV－１,这样电池的性能较好。两种较大的界面缺陷态都会使Vｏｃ和Jｓｃ迅速下降,从而使电池的转换效率Eff大幅降低,这主要是由于大的界面缺陷态增强了界面载流子的复合,使反向漏电流的增大。
此外,界面处材料的电子亲和势不同,导致界面处的能带不再连续,而能带的不连续和内建电势也会对异质结太阳能电池起到决定性作用,这是因为能带的失配程度,费米能级的对齐以及内建电势决定异质结界面处载流子传输性能和复合［１３］。根据电子亲和势的定义,导带失配 ΔEｃ和价带失配 ΔEｖ定义如下:
式中 ΔX是a-Si:H和c-Si的电子亲和势之差,ΔEｇ是a-Si:H和c-Si的带隙差。对μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)太阳能电池,光生电子-空穴对主要来自于c-Si(p)层,通过μc-Si:H(n)/c-Si(p)界面的内建电场,电子流向n区,但光生少数电子载流子通过该界面时会受到导带失配所产生势垒的阻碍,这样导带失配越大越不利于电子的通过,结果就是导带失配强烈的影响光生少数电子载流子在界面的运动。我们通过改变a-Si:H和c-Si的电子亲和势来模
拟导带失配 ΔEｃ对太阳能电池界面传输性能的影响。图3表示导带失配 ΔEｃ的变化对TCO/μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)太阳能电池性能的影响,从图中可以看出 ΔEｃ从0-0.4eV,Vｏｃ和Jｓｃ基本保持不变,当 ΔEｃ超过0.4eV时,Vｏｃ逐渐变大,但Jｓｃ快速下降直至为0;ΔEｃ从0-0.3eV,FF和Eff基本保持不变,当 ΔEｃ超过0.3eV时,FF先下降然后增大,而Eff逐渐下降直到为0。很明显,当 ΔEｃ低于0.3eV时,电池的效率达到最佳,这些现象归根结底是由于 ΔEｃ的变化引起能带结构的改变而导致的。
由不同的 ΔEｃ变化引起的电池能带结构如图4所示,从图中0~6 曲线可以看出,随着 ΔEｃ的增大,μc-Si:H(n)和c-Si(p)界面处能带弯曲程度变大;如图很明显,ΔEｃ低于0.3eV时,所引起的能带弯曲程度不大,对光生少数电子载流子在界面的传输性能基本不影响,而当 ΔEｃ超过0.4eV时,界面处能带向上弯曲程度变大,这样会产生较高的导带势垒,阻碍光生少数电子载流子的通过,从而降低了Jｓｃ,但高的势垒增加了内建电势从而是Vｏｃ变大。
图5形象的表示了光生电子在μc-Si:H(n)/c-Si(p)界面运动的过程,光生电子必须克服导带势垒才能到达n型μc-Si:H层,ΔEｃ越大,导带势垒越大,光生电子就越难穿过μc-Si:H(n)/c-Si(p)界面,那么光生电子就会在p型c-Si界面积累,这样p型c-Si界面处能带就会向下弯曲(如图中右边曲线6),越来越接近费米能级,这样就增大了光生载流子的复合,从而降低太阳能电池的性能。
不同的 ΔEｃ下,光生电子的浓度在p型c-Si界面积累如图6所示,图中很明显,随着 ΔEｃ的增大,越来越多的电子积累在p型c-Si界面,这样一方面会使前电极收集的光生电子减少,另一方面增加了界面处光生电子空穴对的复合,从而降低了Jｓｃ,太阳能电池的性能下降。
2.2 TCO的功函数对TCO/μc-Si:H(n)界面传输性能的影响
透明导电氧化膜的功函数是影响太阳能电池性能的一个关键的因素。图7表示了发射极掺杂浓度分别为Nｄ=1×10２０cm－３和Nｄ=2×10２０cm－３,不同透明导电膜的功函数(Wｔｃｏ)下,TCO/μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)太阳能电池的效率随发射极厚度变化的示意图。 图中表明,当Nｄ=1×10２０cm－３时Wｔｃｏ越小,较小的发射极厚度使电池的性能达到最佳;当Nｄ=1×10２０cm－３时,Wｔｃｏ从4.1eV到4.4eV,电池的效率基本没发生变化,而Wｔｃｏ再增大电池效率明显下降;相比较,高掺杂更有益于电池的性能。这时由于高掺杂导致μc-Si:H(n)和c-Si(p)界面的导带失配变小,有利于电子的收集。
电池的能带结构可以解释TCO的功函数是如何影响太阳能电池的性能。如图8所示,当Wｔｃｏ是低的,这时TCO的费米能级高于μc-Si:H(n)的费米能级,而此时μc-Si:H(n)的费米能级高于c-Si(p)的费米能级,这样TCO的电子就会从TCO注入到μc-Si:H(n)使TCO/μc-Si:H(n)界面μc-Si:H(n)的能带向下弯曲,这样一方面使TCO/μc-Si:H(n)界面的内建电压方向与μc-Si:H(n)/c-Si(p)异质结的内建电压的方向相同,另一方面使μc-Si:H(n)/c-Si(p)界面的导带势垒降低,有利于电子的收集。但高的Wｔｃｏ正好与上述情况相反,μc-Si:H(n)的电子会从μc-Si:H(n)注入到TCO,使μc-Si:H(n)的能带向上弯曲,μc-Si:H(n)/c-Si(p)界面的导带势垒增大,阻碍了了电子的收集。
2.3 能带失配对c-Si(p)/BSF界面传输性能的影响
c-Si(p)/μc-Si:H(p＋)的界面缺陷态对TCO/μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/a-Si:H(i)/μc-Si:H(p＋)/TCO太阳能电池性能的影响如图9,图中表明,随着界面缺陷态的变大,电池的整体性能下降,尤其Vｏｃ受界面缺陷态的影响较大,界面缺陷态从1×10９cm－２eV－１到1×10１１cm－２eV－１,Jｓｃ基本保持不变,当界面态超过1×10１１cm－２eV－１时,Jｓｃ从37mA/cm２降为35.3 mA/cm２,而电池的效率也从21.8%下降到17.4%,这归因于大的界面缺陷态增强了界面处载流子的复合。
而界面处的能带不连续决定异质结界面处载流
子传输性能和复合,图10为c-Si(p)/μc-Si:H(p＋)背场的能带结构图,如图所示太阳能电池背场区对c-Si(p)/BSF界面的能带不连续起到一个有效的作用,c-Si(p)/BSF界面的能带不连续阻碍了光生少数载流子(电子)从c-Si(p)到背电极的扩散。对于p型c-Si/BSF界面,较大的导带失配 ΔEｃ有利于电子的背反,较小的价带失配 ΔEｖ可以使空穴容易的通过背接触,也就是 ΔEｃ越大,ΔEｖ越小,背场的效果越好。这可以通过改变背场材料的带隙宽度以及c-Si(p)和μc-Si:H(p＋)的电子亲和势来实现,图11为c-Si(p)/BSF界面不同的 ΔEｃ对TCO/μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/a-Si:H(i)/μc-Si:H(p＋)/TCO太阳能电池J-V曲线的影响,明显的可以看出,当 ΔEｃ=0.05eV时,J-V曲线略微靠下,这时Vｏｃ=708.6 mV,Jｓｃ=37.14 mA/cm２,FF=77.19%,Eff=20.31%;当 ΔEｃ=0.15eV时,Vｏｃ=750mV,Jｓｃ=37.14 mA/cm２,FF=77.24%,Eff=21.51%;当 ΔEｃ=0.25eV时,Vｏｃ=750 mV,Jｓｃ=37.14 mA/cm２,FF=77.28%,Eff=21.53%;这样的模拟结果表明,当 ΔEｃ增加到0.15eV时,电池的效率增加了1.2%,这主要归因于Vｏｃ的增加,此时的 ΔEｃ对电子的背反起到良好的作用,此后 ΔEｃ的增加对电池的性能有较小的影响。但是ΔEｃ也不能太大,这时因为大的能带失配会导致界面缺陷态的增加,从而引起界面载流子的复合。在这里我们选择 ΔEｃ=0.25eV,合适的 ΔEｃ和 ΔEｖ可以导致一个有效的背场,抑制界面的复合并且提高电池的界面传输质量和效率。
2.4 模拟TCO/μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/a-Si:H(i)/μc-Si:H(p+)/TCO太阳能电池的性能
在分析并优化了μc-Si:H(n)/c-Si(p)太阳能电池三种界面的传输质量,界面能带失配,TCO的功函数。当μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)的界面缺陷态低于1×1012 cm-2eV-1,a-Si:H(i)/c-Si(p)的界面缺陷态低于1×1012 cm-2eV-1,ΔEc在μc-Si:H(n)/c-Si(p)界面低于0.3eV,对于TCO/μc-Si:H(n)界面Wtco低于4.3eV并且ΔEc在c-Si(p)/BSF界面为0.25eV时,具有纹理结构TCO/μc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/a-Si:H(i)/μc-Si:H(p+)/TCO太阳能电池的Voc为775 mV,Jsc为42.03 mA/cm2,FF为75%,而效率达到了24.43%。这说明进一步深入的理解太阳能电池的界面传输机理可以提高太阳能电池界面载流子传输质量和电池效率。
3 结论
飞轮电池,非一般的电池 篇7
非一般的飞轮电池
很早之前,人们就发现旋转会赋予物体以能量,之后飞轮就作为储能元件存在了,从古老的纺车到蒸汽时代的蒸汽机,人们利用它的惯性来均衡转速和闯过“死点”。
普通的内燃机,比如汽车上的四冲程汽油发动机,在它的工作流程中,只有在活塞处做功行程时才产生有用功,而吸气、压缩、排气行程都是在消耗能量。因此,曲轴对外输出的转矩呈周期性变化,曲轴转速也不稳定。为了改善这种状况,人们在曲轴后端装置飞轮,利用飞轮储存的能量来稳定曲轴的转速。由于它们的工作周期很短,所以那时候的人们并没有想过利用飞轮来进行储能。
然而到了20世纪90年代,飞轮电池的概念被提了出来,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。
飞轮电池到底是咋工作的?
想要了解为何旋转的飞轮能够储能,首先需要了解一个物理概念——转动惯量。转动惯量是刚体(在运动中和受力作用后,形状和大小不变,而且内部各点的相对位置不变的物体)绕轴转动时惯性(即回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性)的量度,在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量,可理解为一个物体对于旋转运动的惯性。
理解了什么是转动惯量之后,我们就可以谈谈飞轮电池的构造了。飞轮电池中有一个电机,在电机的轴上连着一个飞轮。当外界给电池充电时,电机将带动飞轮高速旋转完成电能到动能的转化,一旦外界需要电力时,旋转的飞轮将带动电机运转,将自身的动能又重新转化为电能。
改掉缺点的飞轮电池才是好电池
作为一种储存能量的物件,所能储存的能量自然是越多越好,然而想要用旋转的飞轮储存大量的能量,飞轮电池自身的能量损耗问题就显得尤为重要,毕竟一旦飞轮电池脱离了外界的能量来源,飞轮就只能依靠自身的努力来保持旋转的状态。
飞轮电池的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。为了提高飞轮电池的效率,人们想了很多办法,例如通过改变轴承结构,把滑动轴承变为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力,例如通过抽真空的办法来减小空气阻力。尽管如此,飞轮所储的能量在一天之内仍有25%的损耗,仍不能满足高效储能的要求。
正所谓“屋漏偏逢连夜雨”,飞轮电池的另一个缺点在于为了储存更多的能量,飞轮必须转得更快或者有更大的质量。增大质量无疑是比较容易的方法,但是如果采用传统的钢材料来制作飞轮的话,整个系统将十分庞大。例如,为了给一个发电能力为100万千瓦的电厂均衡发电,制作飞轮所需要的钢材可能达上百万吨!这显然是不现实的。当然,飞轮储能大小除与飞轮的质量有关外,还与飞轮上各点的速度有关,而且储能的大小与飞轮速度是平方的关系。因此提高飞轮的转速比增加质量更有效。但飞轮的转速受飞轮本身材料限制,转速过高,飞轮可能被强大的离心力撕裂。
近1 0年来,一大批新型复合材料和新技术的诞生和发展,如高强度的碳素纤维复合材料、磁悬浮技术、高温超导技术、高速电机/发电机技术以及电力电子技术等,使得飞轮能够储存大量的能量,给飞轮的应用带来了新的活力。例如flybird公司为F1赛车打造的飞轮电池,用仅5千克的飞轮实现了400千焦的储能目标,其碳纤维飞轮转速可达每分钟64 500转,这已经是个很不错的成绩了。
电池质量 篇8
从氢和空气中含有的氧产生电能和纯水的燃料电池,对其作为清洁和高效发动机的作用,近来引起人们的关注。日本铁道综合技术研究所(RTRI)开发出一种新型燃料电池作动力的铁道车辆,以便将来替代在非电气化区段运营的传统燃油车辆和电动车辆。已经对动力至少足以驱动单个车辆,安装在试验车辆进行运营试验的100 kW燃料电池系统(称之为FC系统)做过介绍。结果确认可达到42 km/h的最高速度,FC系统在波动荷载下能持续发电[1]。然而,在实际运用中却发现一些限定,如输出功率不足,无法达到传统车辆的加速能力,再生能量也无法应用。
在这次研究中,开发一种锂离子电池系统(称之为锂电池),电池用DC/DC变流器(电池变流器)和燃料电池/电池混合系统检测器(混合检测器),将它们与FC系统一起安装在R291系试验车辆上以建立一种混合系统。为提高加速能力、利用再生能量、提供辅助电力,制作了一列由2辆装有这种混合系统的车辆组成的车组。下面介绍这些开发和在不同运行情况下的能量效率和燃料耗量进行评定的结果。
2 燃料电池/电池混合系统的开发2.1
2.1装有这种燃料电池/电池混合系统试验车辆的技术条件
混合前,只用FC系统产生牵引动力,仅用单辆试验车辆组成的车组进行了运行试验。然而,在这次研究中,准备了一种燃料电池/电池混合系统,并用一列由2辆试验车辆组成的车组进行运行试验。图1示出所用的燃料电池/电池混合试验车辆,表1列出它们的主要技术参数,表2示出混合改变和改进的地方。与计划在不久的将来要替代的2辆传统燃油车辆(Kiha-40系,220 hp/车)的输出相比,这些试验车辆的输出得到改善。
2.2 燃料电池/电池混合系统的结构
这里示出各类燃料电池/电池混合结构。图2列出其主要类型。由于A类结构的燃料电池和电池都需要输出功率控制功能,所以,目前不选用这类结构。至于B类和C类结构,牵引逆变器的输入电压随燃料电池和电池的情况而波动,这会影响加速度能力。D类结构在图2所示所有结构中需要的设备最多,而它具有传统牵引系统适应的优点。而E类结构混合控制方法极为简单,但有一些缺点:功率再生只及感应电机的一半,电池不能从燃料电池充电。因此,为从使用普通牵引系统的传统电动车辆开发装有燃料电池/电池混合系统的车辆,就需要D类结构。表3对这些结构做了比较。由于RTRI的感应主电机和静态逆变器(SIV)是为传统牵引系统制作的,所以,有必要选用D类结构。图3示出RTRI的燃料电池/电池混合系统的结构。
2.3 为混合系统开发的锂电池
作为混合系统的电池类型,选用性能更高、可靠性得到改善、目前价格较低的锂离子电池。表4示出锂电池的主要技术参数。所选用的电池模件与Hi-电车(RTRI开发的接触网/电池混合轻轨车辆)所用尺寸和能量相同(图4)。然而,设计了模件的充放电电流密度,以便进行十倍率充放电。采用 1 组 168 节串联连接、2组并联连接的锂离子电池。为抑制这些电池在夏季的温升,设计了安装在轨道上带温度计控制冷却风机的冷却系统。此外,为获得如电池最大电压、最小电压、平均电压、电流、SOC(充电状态)、故障信号和电池温度等电池信息,在各个模件设一个电池观测装置。选择30 Ah电池容量,允许以360 kW功率进行充放电。
2.4 电池变流器的开发
为将锂电池用于混合系统,开发出可将锂电池的电压从600 V转化为1 500 V,且反过来也是一样相互作用的电池变流器。图5为电池变流器,表5列出主要技术参数。对为稳定接触网电压而设计的现场类DC/DC变流器进行了改进,开发出电池变流器安装在车辆地板上。为实际应用,有可能通过特别的设计而制作出尺寸较小的装置。将信号集中于电池变流器以便混合控制,但在将来可将混合控制装置从电池变流器中分开。
2.5 混合设备在试验车辆上的布置
图6示出包括上述FC系统、高压氢气罐系统和其他元件的混合设备在试验车辆上的布置。由于这里的重点是确认混合功能,所以,没有考虑减小尺寸、减轻质量和设备的优化布置。混合系统的所有设备(除高压氢气罐外)都安装在试验车辆的地板上。
2.6 混合监视器的开发
开发出混合监视器用来检测电流量/作业状态并记录测试参数。图7示出试样显示屏。混合监视器与电池管理装置采用RS-485方式进行通信,锂电池寿命的测量和计算采用SOC信号输出的功能。
3 燃料电池/电池混合系统的控制方法
3.1 燃料电池/电池混合控制方法
电池变流器接收牵引逆变器(INV)、锂电池、FC系统和FC变流器的信号,来控制燃料电池变流器(FC变流器)的功率输出和锂电池的充放电。锂电池控制方法使连接到FC变流器、电池变流器、INV和SIV的母线保持稳定电压。如果母线电压超过1 500 V,电池变流器给锂电池充电;如果低于1 500 V,电池变流器使锂电池放电。
对FC变流器的控制方法,预先设定SOC(CEO)的充电指标和SOC(CSO)的放电指标,而后,电池变流器控制FC变流器的输出,以将锂电池的SOC信号保持在CEO值和CSO值之间。车辆速度高于5 km/h 时,视为运行,为接收到随速度而生的再生能量,电池变流器则降低CEO值和CSO值。因此,运行中的SOC值低于静止时(车辆速度低于5 km/h)的值。当车辆在高SOC情况下进行运行试验时,锂电池可提供加速功率。
为接收再生制动的最大功率,将CEO值设定在70%。为避免SOC信号振动产生共振,将CSO值设定在60%(即比CEO值低10%)。确定在30%锂电池情况下,可以在最高速度达到45 km/h时进行运行试验。这些电池变流器的参数也可以改变。
3.2 混合控制用INV的改进
对紧急情况下的混合控制,要求INV具有若干功能(如降低功率)。在这种情况下的混合控制,可对INV增加下列功能:
(1) 如果接收到“电池过充电”信号,INV停止再生制动;
(2) 如果接收到“电池过放电”信号,INV作业降低2个刻度,只用FC系统供电;
(3) 如果INV的输入电压降低,INV降低输出功率,以便保持输入电压接近DC1 500 V。
3.3 从运行试验结果对混合控制的确定
图8示出使用上述混合控制装置进行运行试验的结果。首先,对静止车辆,控制FC变流器以增加60%以上的SOC。第二,车辆开始运行时,根据速度和SOC,控制FC变流器来降低输出功率,以接收再生能量。第三,根据车辆的惯性速度,与实际SOC和目标SOC间的差别相一致控制FC变流器。第四,车辆制动和再生时,控制FC变流器以尽可能小地降低输出功率,用再生能量给锂电池充电。最后,按上述说明,控制FC变流器来增加输出功率,以保持初始控制状况下(高于60%)的SOC值。
4 燃料电池/电池混合系统燃料耗量和效率的评定
依据用如上所述的燃料电池/电池混合试验车辆在试验线路进行运行试验的结果,评定了混合系统的燃料耗量和效率。由于试验线路的长度只有615 m,所以,营业线路的惰行长度并不可靠。因此,用往返作业进行运行试验。此外,由于铁路道口要用1 min以上的时间关闭,所以,运行试验要用很长的时间,这会造成辅助能量的增加。由于这些原因,平均速度(包括停车时间)和燃料耗量往往会低于在营业线路上的。使用上述混合结构和控制方法时,似乎评定燃料耗量和效率的结果随如何进行运行试验和辅助能量而变化较大。对等待SOC恢复情况的结果与无SOC恢复情况的结果进行了对比,还对开启空调作为辅助功率与关闭空调的结果进行了比较。
4.1 对关闭空调时的燃料耗量和各种效率的评定
图9示出用SOC恢复并关闭空调(工况1)进行连续运行试验的结果。在SOC恢复情况下,运行试验可持续的时间可与燃料达到的时间一样长。这里,除第一结果外,依据将SOC保持在60%、进行30次连续运行试验的结果,对燃料耗量和各种效率进行了评定。图10示出无SOC恢复和关闭空调(工况2)试验的结果。在无SOC恢复情况下,SOC值随运行试验的进程而逐渐下降,所以,当SOC值降到30%以下时终止试验。在这种情况下,SOC值从60%降到30%可进行22次运行试验。
在评定中,使用下列公式对燃料耗量和各种效率进行了定义:
燃料耗量undefined
燃料电池效率(净)undefined
再生效率undefined
车辆能量效率undefined
式中:A——加速能量;B——辅助能量;C——电池放电能量,氢能量耗量由低热值(LHV:237 kJ/mol)转换。对工况1和工况2, 表6示出对燃料耗量的评定,表7示出对各种能量的评定,表8示出对各种效率的评定。
注:*氢能量由LHV转换,能量单位(kW·h)。
4.2 开启空调时对燃料耗量和各种效率进行的评定
图11示出无SOC恢复而空调开启(只在1辆车)(工况3)进行连续运行试验的结果。在这种情况下,SOC值从60%下降到30%可进行16次试验。对工况3,表9示出对燃料耗量的评定,表10示出对各种能量的评定,表11示出对各种效率的评定。由于辅助能量最少,所以,工况2的燃料耗量和车辆能量效率高于其他工况的。在每种工况下,FC系统效率只有约50%。在只有空调开、关状态这一差别的工况2和工况3,可以看到燃料耗量只相差1.07(km/kg-H2),而车辆能量效率只相差7.4%。在工况2,SOC从30%恢复到60%要用12 min。而在工况3,则要用15 min。在工况1的每次运行试验,SOC恢复到60%则要用约3 min。RTRI试验车辆的高压氢气罐系统装有约17 kg的氢,所以,车辆可以在不充氢的工况1～工况3的燃料耗量运行55 km～74 km(2辆车)。
注:* 氢能量由LHV转换,能量单位(kW·h)。
5 结论
对安装燃料电池/电池混合系统的2辆车进行运行试验,对各种运行情况的SOC 60%恢复情况和无SOC恢复情况间的燃料耗量和各种效率进行评定。结果确定,后一种情况的燃料耗量和各种效率分别比前种情况好0.8 km/kg-H2和10%。此外,检查空调开、关状态间的差别,确定开启状态比关闭状态的燃料耗量优1 km/kg-H2,车辆能量效率优7%。在运营线,这些值似乎得到提高。正如所预计的,简单确定了车辆能量效率约65%的高性能。在将来的工作中,计划为燃料电池/电池混合系统开发尺寸小的装置,为实际使用确定燃料电池的寿命确定跨度。
参考文献
电池质量 篇9
关键词：燃料电池,电池利用率,平均电流控制
1 引言
燃料电池(Fuel Cell,FC)以清洁、噪音低、能量转换效率高等特点,拥有广泛的应用前景[1,2,3,4]。其电压和电流受燃料流量、氧气流量、气压、温度以及负荷需求的影响[5,6],存在输出电压范围宽,动态响应速度慢的问题。在控制器设计中,最为重要的是对电池利用率进行控制。
电池利用率可以通过参与反应的氢气流量与输入的氢气流量之比给定:
当负荷变化时,从燃料电池汲取的电流也发生改变,同时我们也必须调整燃料的输入量,使得电池利用率维持在一定范围内,否则将导致燃料电池的稳态输出电压突升或骤降,严重时则造成燃料电池堆的永久损坏。
文献[7,8,9]分别设计了基于燃料电池和蓄电池组/超级电容器的混合电源系统,并设计了针对电力电子变换器的能量管理系统。但都只把燃料电池作为一个宽输入慢响应的电压源,没有考虑燃料电池本身的功率调节与电池利用率。
文献[10,11]探讨了燃料电池在一定电池利用率下的可行操作区域(FOA),仿真了当功率参考值变化时,四种不同控制环节对输出电流、电压的影响。但文献中燃料电池利用率控制是通过开环实现的,稳定性不高。
本文在分析燃料处理器以及燃料电池堆模型的基础上,引入了SOFC并网系统的前级直流模块,提出了针对燃料电池及直流变换器的控制策略,使得:稳态时,该控制器保持电池利用率为恒值;当负荷突变时,仍然能确保燃料利用在安全范围内,仿真结果验证了控制策略的正确性。
2 燃料电池的模型与控制
2.1 SOFC电池堆数学模型
燃料电池将氢气及氧气中的化学能直接转换成电能量,阳极中的氧离子与氢气结合生成水并释放出电子,这样两极间的回路便产生电流。燃料电池内部电动势可以用能斯特方程(Nernst Equation)来表示:
其中N为串联电池数目;E0为单个电池的理想标准电动势;R为通用气体常数;T为电池工作时的绝对温度;F为法拉第常数;分别为氢气分压、水气分压、氧气分压。SOFC的动态模型如图1所示[12],Kr为常数,其值为N/(4F),其反映了输出电流与参与反应物流量之间的比例关系。反应中各种气体分压值分别通过三个一阶惯性环节产生,其中为氢气、水、氧气的阀摩尔常数,则为它们的流响应时间常数,然后通过式(1)可得出内电动势。流响应时间常数一般在几秒至几十秒不等,故当输入量变化对内电动势的影响有较长时间的滞后。考虑电极与电解液的欧姆损失,当温度恒定时,燃料电池堆的总电阻可表示成一定值r[13],故端电压Vfc=E-rIfc,Ifc为燃料电池的输出电流。
当电池利用率低于一定限值时(70%),燃料电池的稳态端电压将快速上升且发电效率下降;而当电池利用率高于一定限值时(90%),燃料电池则受到燃料不足的影响,将永久损伤电池堆。
2.2 燃料处理单元的模型与控制策略
通常输送给SOFC发电站的燃料并不是纯氢气,而是以甲烷为主的天然气,这就需要燃料处理单元对其重整为富氢燃料。燃料重整的化学反应过程很缓慢,可以简单表示成一个时间常数为τf的一阶惯性环节[14]。
对电池利用率的稳态控制关键在于对燃料阀的调节,若仅仅根据输出电流按照预设的电池利用率直接调节燃料阀,则当系统经过一个暂态过程后,往往无法快速回到电池利用率的额定值,甚至在后续电流调节器的作用下产生振荡。
为了消除上述不利的影响,本文设计了一个用于燃料阀控制的比例积分环节,并通过闭环控制保证恒定的电池利用率,如图2所示。
控制器通过采样输出电流,求得输入氢气流量的参考值,其中urated为额定电池利用率,为了确保安全高效地使用SOFC,电池利用率的取值一般限定在70%～90%范围内[10,12],这里取稳态urated=80%。将氢气流量参考与测量的氢气流量之差输入PI控制器,以达到稳态无差控制燃料流量的目的。控制器的上下限由燃料处理单元以及阀门的机械特性决定。rH_O为输入的氢气与氧气之比,为了使氢气和氧气充分反应,并且将阳极与阴极之间的气压差控制在一定的阈值以下,典型地1
3 直流变换器的控制策略
燃料电池的输出电流是由负载所决定,而当负载突变时,燃料处理单元的速度往往跟不上电流的变化,这样往往导致电池利用率超出限定的范围。本文采用BOOST变换器作为燃料电池与后续环节或负载的接口,一方面限制燃料电池输出电流(即电感电流),确保电池利用率在限定范围内;另一方面它不仅提高电压,并且在燃料电池端电压宽范围变化的情况下,仍能保持输出电压恒定。
由于需要实时控制变换器输入电流大小,本文采用基于平均电流控制的方法[15,16],系统结构如图3所示,Vpp=1V为锯齿波的峰值;Kv=Ki=10-3分别为电压、电流采样系数;Gc(s)、Gcl(s)分别为电压、电流调节器。
典型BOOST电路小信号状态方程如下:
其中D为稳态时的占空比,输出额定功率时D=0.58;^x指代x变量的扰动小信号。
忽略变换器损耗,则有IL=Vdc/(RlD'),不考虑输入电压的扰动,由式(2)可以得到控制对输出的传递函数:
其中D'=1-D。
设计的电流调节器,其传递函数可表示为:
相当于带有一阶滤波环节的PI控制器。则电流开环传递函数Ti(s)=KiGcl(s)Gid(s)/Vpp,Bode图如图4所示。其截止频率为1.8kHz,相位裕度为58.2°,是闭环稳定的。考虑变换器的运行安全,电流调节器的输出必须使得占空比d在一定的范围内。
电压调节器的表达形式与电流调节器类似。由于电压调节器输出的是电感电流(即燃料电池输出电流)的参考值,必须限制其大小,否则,当负载激增时,可能导致汲取的电流超出燃料的供给,给燃料电池堆带来损害;而当负载骤降时,电流往往远小于输入的燃料,降低其发电效率。
本文通过采样燃料电池实际输入的氢气流量,分别计算当70%、90%的氢气参与反应时所产生的电流大小,用于实时更新电压调节器的上下限。这样当负载突变时,燃料电池输出电流的平均值将在这个范围内动态调节,最终达到额定电池利用率的稳态。系统总体控制框图如图5所示。
图中Vpp=1V为锯齿波的峰值;Kv=Ki=10-3分别为电压、电流采样系数。
4 系统仿真与分析
本节通过仿真以验证上述控制系统的正确性,仿真参数如表1所示。
仿真1:由于电池利用率的范围是70%～90%,而电池利用率的额定值是80%,故Ifc最大阶跃限值为12.5%。现仿真临界负载突变的情况,设燃料电池工作在额定状态,运行到5s时,功率激增到112.5kW,继续运行到35s时又降回额定功率,仿真结果如图6所示。
从图6-a中可以看出变换器输出电压只经历极短时间的调节就恢复到额定值,这是由于负载变化较小,电池利用率变化小于10%(图6-b),即Ifc参考值的变化瞬时正好处于其上下限内,不要等待缓慢的燃料重整过程,如图6-c所示。从图6-d可以看出Vfc对负载变化的响应较慢,要经过一段时间才能达到稳态。
仿真2:当负载变化使得Ifc超过最大阶跃限值时,则要等待燃料重整,使得电池利用率不超出限定的范围。设燃料电池工作在额定状态,运行到5s时,功率激增到150kW,继续运行到35s时又降回额定功率。图7展示了仿真结果。
如图7-a所示,与仿真1的情况相比,输出电压经过更长时间的调节过程才能达到稳态,需要大约2s～3s。这是因为当负荷突变为150kW时,电压调节器的输出增大,但由于电池利用率只能达到90%这个上限(图7-b),于是电压调节器的输出值达到上限,并跟随输出的氢气流量缓慢上升(图7-c)。当电压回到稳态时,在燃料处理单元控制器的闭环调节下,电池利用率又回到了额定值。而当负载骤降到额定功率时,也发生类似于上述的情况。图7-d与图6-d相似,Vfc都需要较长的时间才能达到稳态。差别在于本例中Ifc受到调节,使得Vfc上升和下降的过程较为缓慢。
5 结语
本文从电池利用率的角度入手,首先通过燃料阀PI调节器的设计,保证燃料处理单元对电池利用率的稳态无差控制。接着设计了用于SOFC并网的前级BOOST变换器模块,并采用平均电流模式进行控制。通过实时采样燃料处理单元输出的氢气流量,动态改变变换器中电压调节器的上下限值,使得在负载突变的情况下,也能将电池利用率限制在限定的范围内,保证燃料电池高效安全地运行。
电池质量 篇10
随着世界范围绿色、环保呼声的高涨,电动汽车等绿色、低碳经济的用电设备的逐步增多。由于阀控式密封铅酸电池VRLA(Valve Regulated Lead Acid Battery)具有体积小、重量轻、自放电小、寿命长、使用方便、安全可靠等优良特点,目前己广泛应用于电力系统[1],目前大型电池供电设备一般多采用VRLA蓄电池作为主要的供电来源。由于目前对电池工作状态的监测管理系统在我国还是空白,使得电池供电系统的可靠性难以保证。目前国内企业所使用的管理系统,都是来自国外的产品,存在成本高,管理、升级困难,且仅适用于低电压、小电流器件,测控体系不健全,智能化程度低[2]。故此研究基于网络对大型电池供电系统电池电压、电流、温度、内阻等状态数据,监测的电池的工作状态的监测系统具有现实意义。
1 系统总体设计
系统由主监控室、分监控室和基站三部分组成,主监控室负责协调和管理的作用,管理各个分监控室和基站,具有最高权限,可是控制和访问下面的任意一个分监控室和基站。分监控室负责监控和管理基站,能够从基站得到信息并向主监控室提供信息服务。主监控室、分监控室由工业控制计算机和监控系统软件构成。基站的功能是实时采集本地监测数据并作一级存储,向分监控室提交监测信息,完成监控系统的执行功能。基站分为两种,一种是固定基站,另一类是移动基站,也就是该电池组使用在电力机车或者是电源车上。
1.1 基站检测单元的硬件设计
系统基站检测单元的硬件电路由处理器、蓄电池端电压检测、充放电电流检测、环境温度检测、充电电压输出、充电电流输出、液晶显示、RS232通信接口、失效报警电路和充电回路等部分组成。其结构如图1所示。
1.1.1 控制器的选择
处理器芯片是整个系统的核心部分。主要任务是对蓄电池状态信号采集、处理,并输出控制信号从而实现对蓄电池充放电的管理。系统选用ATmega16L,它是能够以单片方式提供Flash、EEPROM和10位ADC的高效的8位RISC微处理器,数据吞吐率高达1MIPS/MHz,可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
1.1.2 无线数据传输模块的实现
系统选用的是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器nRF905,该芯片工作电压为1.9～3.6V,32引脚QFN封装(5×5 mm),工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs。适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。无线数据传输系统结构如图2所示。
1.2 系统的软件设计
系统主要完成对蓄电池充电过程、放电过程实时监控,能及时判断出失效的蓄电池并输出报警信号通知用户,同时能够对蓄电池的剩余容量进行估算。实时显示当前蓄电池的状态信息,并通过串行通信接口将蓄电池的状态信息发送给上位监控机,实现信息的海量存储、查阅分析,决定对电池的维护、更换,保障供电的可靠性。
1.2.1 基站监测模块设计
电池充放电监测控制原理如图3所示。
(1)失效模块
在系统中,采取了以每节VRLA蓄电池出厂前厂家给出的在额定容量下的内阻值为基准值,进行比较、分析、评估VRLA蓄电池性能的优劣。当测得内阻高于基准值的25%,启动活化放电子程序对蓄电池进行核对性活化放电;当测得内阻高于基准值的50%时,即刻发出蓄电池己失效的报警指示。
(2)充电监控
系统采用改进的四阶充电法,动态地调整各充电阶段转换点的值。第一阶段,采用恒流充电,不断检测蓄电池的端电压,当一定时间t内检测到的两次端电压值变化足够小时,这时即刻转入第二充电阶段,第二阶段采用恒压充电方式,第二阶段不断的检测充电电流,当充电电流的变化也足够小时,转入第三阶段恒流充电方式,同理检测充电电压,如果变化很小,则转入第四阶段恒流充电,直至蓄电池充满并将充电电压保持在浮充电压补充蓄电池的自放电。
(3)放电监控
在蓄电池使用和维护的过程中,为了活化蓄电池和测量蓄电池的容量,必须定期进行放电实验,因此,一套高性能的放电装置对蓄电池显得尤为重要[3]。系统将1.80 V设置为VRLA蓄电池末期放电电压的基准值,实时检测蓄电池的放电电流,根据放电电流的大小动态调整VRLA蓄电池的末期放电电压,从而达到对VRLA蓄电池的保护。同时系统也对放电电流监控,当放电电流大于正常值较多时,可判断VRLA蓄电池发生短路放电,应立即切断开关,结束放电。
1.2.2 上位机软件的设计
上位机软件平台主要把对采集到的数据做处理,实现数据的海量存储,设计友好复杂的功能和加人性化的管理界面。考虑到通用计算机的功能要远远大于单片机,故此上位机采用通用计算机,利用LabVIEW软件开发系统的管理界面。主要有通信模块、电池充放电管理模块、在线检测模块和网络功能模块。
1.2.3 网络功能的实现
系统利用LabVIEW平台提供的Web Publishing来实现网络功能,该工具在所有平台的所有版本都支持Internet/HTTP服务。可以方便地实现FTP,Telnet,SMTP,CGI,和E-mail等功能。在对蓄电池的综合测试中,利用Internet Toolkit工具包对蓄电池电压、电流、温度等测量值进行上传、下载、网络发布、远程登陆甚至以E-mail的形式发送。利用Internet toolkit工具包所提供的Vi子模块,可以编写FTP,Telnet,SMTP,E-mail等程序,再把所有的程序以子程序的形式显示,即当点击网络按钮时自动弹出网络选择模块,从而实现相应网络功能[4]。
2 系统试验与分析
2.1 失效检测试验与分析
在线运行蓄电池组绝大部分时间处于浮充状态,也就是静态状态,少数时间处于充放电状态,也就是动态状态,由于长时间的浮充使得蓄电池极易老化,造成各个蓄电池性能不一致,蓄电池寿命会大大下降。如何及早知道蓄电池的寿命,准确把握蓄电池性能变化趋势[5]。本系统是通过测量蓄电池的内阻来判断蓄电池是否失效。实验时分别对五块12 V、7 Ah铅酸蓄电池进行了测试,测试结果如表1所示。
实验时,1号、2号、3号蓄电池能正常放电,程序运行正常,但是测不出其内阻值,分析原因是因为检测精度造成的,本系统的检测精度为l mV,而蓄电池放电在l ms内端电压的变化量远低于1 mV,因此读数全部为零。4号、5号已严重损坏,无法进行放电,未能检测。测内阻失效检测功能失败。
实验时,4号、5号蓄电池无法正常充电,未能做放电实验。1号、2号、3号分别放出电量4.24 Ah、4.5l Ah、0.07 Ah。判断结果全部失效。考虑到1号、2号是新购买的蓄电池,由于库存、运输等问题未能激发正常状态,因此对1号、2号蓄电池做了多个充放循环,后测试分别放出电量6.75 Ah和6.78 Ah。判断1号、2号蓄电池有效。3号蓄电池经多个循环后实际容量未能恢复,判断其已失效。
2.2 充电试验与分析
实验时分别对3块12 V、7 Ah铅酸蓄电池进行了测试,1号蓄电池充电曲线如图4所示。
2号蓄电池测试曲线如图5,充电前开路电压为11.08 V。
3号蓄电池在上电以后,其电压变化非常快,仅恒流充电约20 min就进去了浮充状态。
观察1号,2号蓄电池的充电曲线,可以看出:1号、2号蓄电池充电过程基本正常,共用时大约12个小时,充电经过了四个阶段,经过恒流、恒压、恒流充电,最后进入浮充状态。与最佳充电曲线比较,各阶段曲线比较接近,但是在各阶段充电时间上要比最佳充电曲线短,分析认为造成时间缩短的原因是因为1号、2号蓄电池都是新购买的蓄电池,对于新的蓄电池在最初的几个充电循环中出现这种情况应属正常。3号蓄电池在上电以后,其电压变化非常快,仅恒流充电约20 min就进去了浮充状态。
分析充电过程,由于在恒流充电阶段,通过判断端电压的变化值决定是否转入第二阶段,实际中蓄电池的端电压变化仍很大,未能达到进入第二阶段的条件,而电压直接超过了浮充电压值而转入了第四阶段浮充充电。
2.3 放电试验及分析
实验时对1、2、3号铅酸蓄电池进行了测试,测试结果1号蓄电池放电曲线如图6所示。
通过观察1号、2号、3号蓄电池的放电曲线,可以看出:1号、2号蓄电池放电过程正常,1号蓄电池放电约7 h结束,2号蓄电池放电约7个半小时结束,都未能达到理论放电时间,分析认为原因仍然是因为新的蓄电池初始几个循环未能达到最佳状态。3号蓄电池己经老化,放电不到7 min就结束了。
2.4 剩余容量显示实验与分析
剩余容量显示实验目的是要检测系统能否及时准确地显示蓄电池当前状态下的剩余容量。测试结果如表2。
从实验结果可以看出:1号蓄电池放电持续431min结束,实际放出电量4.26 Ah,用安时法计算剩余容量应为2.74Ah,改进后计算剩余容量理论值应为-0.02 Ah,而程序中设定当放出电量大于基准电量值时剩余容量显示为0。安时法与改进安时法显示结果差距非常大,造成这样结果的原因是两种方法的基准值不同,如果蓄电池的实际容量值与额定值相同时,两种方法的显示结果应该是相同的,实验中使用的1号蓄电池,是新的蓄电池,其容量未能达到额定容量,实验结果恰好能够证明当蓄电池使用很长时间以后,由于老化蓄电池的实际寿命减小,这时安时法显示就会出现偏差,而改进后的安时法则能够准确显示蓄电池的剩余容量。
3 结论
系统采用分级管理结构,以单片机为监控单元的基站实现电池状态数据的采集和电池的投入和切除,上位机采用LABVIEW编程实现与底层单片机的通信,系统结构简单,成本低廉,通过LABVIEW自带的Web Publishing工具实现采集的信息发布和数据的远程传送,实现了大型供电电池监测和控制。系统的应用变原有的故障维修机制为状态维修机制,减少了故障几率,提高了电池供电系统的供电可靠性。
参考文献
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