西藏光伏铅酸电池修复

胡贵军，诺 桑，措加旺姆，晋亚铭，拉瓜登顿

（西藏大学太阳紫外线实验室，拉萨 850000）

储能系统是太阳能光伏离网系统中的关键和短板，直接制约着离网系统的整体寿命。西藏是全国太阳能资源最丰富的地区，在西藏太阳能光伏系统应用中，铅酸蓄电池用量超过90%，锂离子电池用量不足10%。目前，全区户用光伏发电系统使用的铅酸蓄电池已超过50 万只。然而，使用最广泛的12 V/150 Ah型阀控密封式铅酸蓄电池，由于高寒、使用不当等因素，容易硫化[1]。大量废旧或老化的铅酸电池对西藏自然环境形成潜在的污染风险[2]。

铅酸电池修复技术不仅能够适当延长电池的使用寿命，也能够消除部分污染风险。目前，铅酸电池的修复研究仍处于探索阶段。传统使用化学药剂法修复开口式铅酸电池，主要是增加液体，使蒸发的液体得到补充，达到修复目的。但是，对阀控密封式铅酸蓄电池一般使用电脉冲修复技术，使沉积在极板上的硫化物分解活化，重新溶解到电解液，参与化学反应，达到修复目的[3]。

目前，对西藏高寒高海拔地区光伏系统使用的蓄电池进行修复再利用的研究基本处于空白。本文采用低频正负脉冲法对西藏光伏系统铅酸电池进行了修复研究，这种方式无需拆开电池，也不需要补加电解液，操作简单，更重要的是可以防止修复过程中电池升温爆裂[4]。本研究为西藏高寒高海拔地区铅酸蓄电池的修复研究奠定一定基础，延长了蓄电池的寿命，提高资源利用率。

1 光伏蓄电池修复方法

1.1 修复仪器

本试验研究主要利用CD-4 系列智能铅酸电池检测与修复仪，属于佛山市蓝光科技有限公司产品，是一款多功能蓄电池检测与修复设备，具有四路独立高精度电子负载恒流放电单元，四路独立正负脉冲充电电源，能高效执行蓄电池修复和除硫化工作，如图1所示。

试验辅助仪器是“全保护智能蓄电池检测仪”，属于深圳市驿生胜利科技有限公司产品，可实时检测蓄电池的容量和内阻。其他设备分别是温度计、万用表。

图1 CD-4 系列智能铅酸电池检测与修复仪

1.2 被修复电池

试验蓄电池取自拉萨尼木县续迈乡霍德村，为已运行6年的12 V/150 Ah、20HR 型号阀控密封式铅酸蓄电池（2012年1月生产，作为试验组），经过实地调研，笔们了解到，试验电池常年使用，用于照明和电视机等小功率家电，属于小电流放电。选用与修复电池同厂家同规格同型号的新电池作为对比组（2018年5月生产），如图2、图3所示。

图2 旧铅酸蓄电池（实验组）

图3 新铅酸蓄电池（对比组）

2 修复结果

试验采用正负3.5 V 低频脉冲电流在同一只铅酸蓄电池上以进行3 次除硫活化修复，对试验数据进行图表分析。

试验开始前，测定试验电池端电压12.795 V，放电至10.5 V 时输出容量90.66 Ah，实验室环境温度18～20℃，海拔3 650 m。

2.1 第1 轮活化修复

第1 轮活化试验采用“修复充电-修复放电”模式，每10 min 记录一次参数。

图4 第1 轮活化试验之修复充电

在第1 轮修复充电中，10 min 实时记录一次电池端电压（V），如图4所示，可以看出，修复充电至1 230 min，电压为13.492 V 时，电池端电压开始快速升高，经过1 380 min 的修复充电，电池实时端电压达到16.512 V，总耗时2 610 min。图4中第1 490 min、第1 750 min、第2 210 min 开始的电压快速上升源自系统断电重启后，仪器电压对蓄电池的扰动。

图5 第1 轮活化试验之修复放电

在第1 轮修复充电后，蓄电池静置24 h，进行第1 轮的修复放电。10 min 实时记录一次电池端电压（V）和输出容量（Ah），如图5所示。可以看出，经过24 h 的静置，蓄电池端电压自然回落至13.169 V，以10 A 的恒定电流进行修复放电，从图中可以看出，经过600 min 的放电，共输出容量100.4 Ah；电池端电压经历短暂的10 min 后降至12.5 V，之后经历590 min 将至11 V，随后骤降至10.5 V，修复放电结束[5]。本图中第400 min、第510 min 的电压突起源自系统断电重启后，仪器电压对蓄电池的扰动。

2.2 第2 轮活化修复

第2 轮活化试验同样采用“修复充电-修复放电”模式，每10 min 记录一次参数。

图6 第2 轮活化试验之修复充电

在第2 轮修复充电中，10 min 实时记录一次电池端电压（V），如图6所示，可以看出，修复充电至1 970 min，电压为14.67 V 时，电池端电压快速升高，经过340 min 的修复充电，电池实时端电压达到16.54 V，总耗时2 310 min。图6中第380 min、第560 min、第1 050 min、第1 710 min、第2 270 min 的电压下陷源自系统断电后铅酸蓄电池电压自然衰减，静置24 h 重启，仪器电压对蓄电池的扰动，使电压快速回升至下降前水平。

图7 第2 轮活化试验之修复放电

在第2 轮修复充电后，蓄电池静置24 h，进行第2 轮的修复放电。间隔10 min 实时记录一次电池端电压（V）和输出容量（Ah），如图7所示。可以看出，蓄电池静置24 h 后，端电压自然回落至12.92 V，以10 A 的恒定电流进行修复放电，电池端电压经历短暂的10 min 后降至12.49 V，之后经历590 min 将至11 V，随后骤降至10.5 V，经过600 min 的放电，共输出容量100.4 Ah。本图中第430 min、第580 min 的电压突起源自系统断电重启后，仪器电压对蓄电池的扰动。

2.3 第3 轮活化修复

第3 轮活化试验采用“修复充电-放电”模式，每10 min 记录一次参数。

图8 第3 轮活化试验之修复充电

在第3 轮修复充电中，10 min 实时记录一次电池端电压（V），如图8所示，可以看出，修复充电至1 850 min，电压为14.49 V 时，电池端电压快速升高，经过360 min 的修复充电，电池实时端电压达到16.293 V，总耗时2 210 min。

图8中，第120 min、第1 320 min 的电压下降后快速上升形成的凹陷源自系统断电重启后，仪器电压对蓄电池的扰动。

图9 第3 轮放电中电池端电压的衰落情况

在第3 轮修复充电后，蓄电池静置120 h 进行放电试验。1 小时实时记录一次电池端电压（V）和输出容量（Ah）和内阻（mΩ）。由图9可以看出，经过120 h 的静置，蓄电池端电压自然回落至13.09 V，已经接近新电池的端电压。以10 A 的恒定电流进行放电，电池端电压1 h 后降至12.4 V，之后经历8 h降至11.56 V，随后在第10.6 h 快速降至10.5 V，放电结束。

图10 第3 轮活化试验中放电时电池内阻变化

在第3 轮修复充电后，蓄电池静置120 h 进行放电试验。1 h 实时记录一次电池端电压（V）、输出容量（Ah）和内阻（mΩ）。以10 A 的恒定电流进行放电，电池内阻由初始的3.53 mΩ 上升至7.14 mΩ，如图10所示。

图11 第3 轮放电时的输出容量

在第3 轮修复充电后，蓄电池静置120 h 进行放电试验。1 h 实时记录一次电池端电压（V）、输出容量（Ah）和内阻（mΩ）。以10 A 的恒定电流进行放电，共放电10 h 39 min，输出容量108.15 Ah。

2.4 对比分析

本次试验通过将新旧蓄电池在相同条件下进行放电，比较输出容量、内阻变化曲线和电压变化曲线等性态，对比分析修复后蓄电池的状态，综合得出旧蓄电池的修复效果。

2.4.1 修复前后对比

从3 轮修复充电图可以直观看出，随着修复充电次数的增加，电池端电压的变化越来越连续和平滑。

从表1可以看出，随着修复次数的增加，初始时刻电压有所提高，修复至结束时刻的时间逐渐缩短；修复充电图中，电压快速上升时刻和电压比较接近。

表1 修复充电中转折时刻电压值

表2 每轮修复的效果

从表2可以看出，第1 轮和第2 轮修复放电所用时间基本相同，输出容量基本相同；第2 次修复充电后未进行修复放电，而是进行放电，以进行修复效果检验。试验表明，经过3 轮的修复，使12 V/150 Ah阀控密封式铅酸蓄电池输出容量增加19.29%。

2.4.2 新旧蓄电池对比

通过新电池与修复后旧蓄电池的横向对比，人们可以简便地判断修复后旧蓄电池的性态和寿命[6]。

图12 新电池放电时电池端电压衰落（对比组）

图9与图12比较可知，放电期间，修复电池电压平稳下降区间为11.56～12.40 V；新电池电压平稳下降区间为11.24～12.56 V；修复电池和新电池电压均在平稳期后快速下降到10.50 V。

图13 新电池放电时电池内阻变化（对比组）

图10与图13比较，放电期间，修复后电池内阻基本稳定在4.1 mΩ 上下，稳定时间4 h；新电池内阻基本稳定在3.1 mΩ上下，稳定时间14 h。可以看出，新电池内阻更加稳定。

图14 新电池输出容量（对比组）

图11与图14比较，修复后电池输出容量108.15 Ah，同等放电条件下，新电池输出容量146.66 Ah。

3 结论

综合比较，在西藏高寒高海拔地区的使用超过6年的12 V/150 Ah 阀控密封式铅酸蓄电池经过3 轮活化修复，其输出容量恢复至新电池的73.7%，在同等使用条件下可再使用2～3年。