鉛酸電池開路電壓的測量及其與累積放電量的關
來源：寶鄂實業(yè)
2019-02-27 09:51
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開路電壓（OCV，U）和累積放電量（Q）的關系（U-Q圖）是電池模型的基礎，也是描述電池特性的重要數(shù)據(jù)。
U-Q圖一般通過電池的恒流放電獲得。如以0.1C恒流放電，在第i次測量時，放電一定時間使累積放電量為Qi，停止放電2 h，測得的電壓作為開路電壓Ui，持續(xù)放電到截止電壓為止，將所有Ui、Qi繪成U-Q圖。這樣測得的開路電壓實際上是近似的。
目前U-Q關系大都直接對實驗數(shù)據(jù)進行經(jīng)驗擬合，對OCV的測量也不盡合理。本文提出了一種基于實驗數(shù)據(jù)擬合外推獲得OCV的方法，可以得到更可靠的OCV值。在實驗數(shù)據(jù)的基礎上提出了U-Q的三段線性關系模型，并對模型參數(shù)進行了關聯(lián)。 鉛酸電池開路電壓與累積放電量的關系是鉛酸電池模型的基礎，對電池內(nèi)電化學反應、傳質(zhì)過程等研究有重要意義。用恒流放電法測得了30次放電過程中電壓和累積放電量的數(shù)據(jù)；提出了一種基于實驗數(shù)據(jù)擬合外推獲得開路電壓的方法，由此獲得的開路電壓比傳統(tǒng)方法更合理；基于電極反應速率和電解質(zhì)濃度的平方成正比的假設，推導了開路電壓-累積放電量的分段線性關系模型，并用遺傳算法對模型參數(shù)進行了關聯(lián)，結果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。1 U-Q關系的測量
1.1 實驗儀器與測量條件
測試電池采用超威6-DZM-12型動力鉛酸電池（電壓12 V，標稱容量12 A·h），測試儀為美爾諾M9710可編程直流電子負載，測試室溫為20 ℃。
1.2 測量方案
用恒流放電法對電池進行測試，放電倍率0.1 C（電流1.2 A），截止電壓為10.8 V。每放出額定容量的5%（約0.6 A·h），停止放電2 h使電池內(nèi)離子恢復均勻，測量電壓值。每隔10 s自動記錄電壓、累積放電量值。圖1為某次恒流放電實驗獲得的U-t曲線。
圖1 某次放電測試的U-t曲線
1.3 U-Q圖
1.3.1 充放電停止后電壓隨時間的變化
一般認為，充放電停止后2 h測得的電壓為OCV，為弄清2 h是否足以使電池內(nèi)離子恢復均勻，本文測定了充放電停止后電壓隨時間的變化。表1、表2分別是充電停止和放電停止后電壓隨時間的變化，結果顯示，電壓沒有趨于穩(wěn)定，說明2 h的靜置時間不足以使電池內(nèi)離子恢復均勻。
1.3.2 外推法確定OCV
在不大幅增加測試時間的前提下，為了獲得更可靠的OCV，本文提出將充電/放電停止后電壓變化的趨勢模型化并令時間趨于無窮求得OCV的觀點。對每次靜置過程中電壓變化數(shù)據(jù)進行擬合，并外推其極限，作為最終的OCV。
2 U-Q關系模型的推導和參數(shù)的確定
2.1 三段線性模型
2.1.1 線性關系的推導
把實驗測得的OCV與相應的累積放電量結合，得到鉛酸電池U-Q，可以看出，U-Q關系整體上可以分為3部分，且都有較好的線性相關性，下文嘗試推導U-Q關系模型。
圖4 鉛酸電池U-Q關系
2.1.2 三段線性關系
2.2 模型參數(shù)的確定
2.3 與文獻模型的對比
圖7 文獻中U-Q模型與本文模型的對比
（1）通過恒流放電實驗測得了鉛酸電池的U-Q關系。
（2）提出了一種用外推原理測量OCV的方法，與傳統(tǒng)方法相比，更為可靠。
（3）在電極反應速度r與電解液濃度c的平方成正比的假設下，在實驗數(shù)據(jù)的基礎上提出了OCV與累積放電量的分段線性模型，并對模型參數(shù)進行了回歸，相關度大于0.999。
