太阳能用镉镍电池技术手册.docx
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太阳能用镉镍电池技术手册
1简介
在工业应用上，袋式镉镍蓄电池是世界上可靠性最强的蓄电池。
在世界范围内，这种电池越来越多的应用在工业上。
随着光电市场的出现，光电系统对配套的储能电池要求非常严格，而具有可靠、低维护性能的镉镍蓄电池就成了用户首选的电池。
本手册详细描述了太阳能用NS系列镉镍蓄电池的设计和操作方面的知识。
四川长虹电源有限责任公司生产的NS系列镉镍蓄电池是经过特别设计，非常适用于危急、苛刻条件下的光电应用和可再生能源方面的应用，它们能承受深度放电、大的气候变化、误操作，并且长期使用后性能仍可靠。
NS系列镉镍蓄电池是采用袋式镉镍蓄电池先进的制造技术和优良的设计，使电池能在偏僻荒凉的场地工作。
NS系列镉镍蓄电池采用结构坚固的焊接极板、防震聚丙烯或MBS外壳材料和特殊的阻燃阀控气塞。
超丰富的电解液保证了较长的维护周期。
2光电应用
光电现象：
太阳能电池或光电模块（几个电池连接在一起）可以视为其他的产能装置，但却有一个重要的不同：
当没有阳光时，PV模块不能产电能（电流×电压）。
PV效应能使照射到PV模块表面的太阳光子的能量转换成电流，输出的电流与日照强度成正比。
PV模块产生的电能可用于各种任务作业，例如：
抽水、室内照明、给山顶上的微波塔供电、给电池组充电，而在阴天或夜晚电池组则可对负载供电。
常规的PV应用要求电池能适应野外环境、无人操作、易安装且性能可靠。
2.1光电应用领域包括以下方面：
导航设备
●偏僻灯塔；
●灯塔；
●海上。
通讯系统
●基地；
●广播增音站；
●紧急电话亭。
铁路运输
●交叉口保护；
●照明和信号。
油田和气田
●海上平台紧急照明；
●管道阴极保护。
效用
●给偏僻地区供电。
2.2光电系统构件
光电系统包含以下三个部分：
1）光电板。
2）电子元件：
模块化二极管、功率调节器和控制器逻辑电路。
3）电池组。
2.3PV应用时特性要求
●更高的利用率和安时效率；
●能承受误操作及温度极限；
●能容易的运输到偏僻地方；
●能承受电子控制系统的故障；
●操作可靠、无人操作、最少的维护。
3NS系列电池结构特征
3.1极板结构
正极主要物质是氢氧化镍，负极主要物质是氢氧化镉，通过滚轮的机械作用将它们装在镀镍钢带做成袋状的极板条内。
根据容量的不同，将需求数量的极板条通过机械作用力拼成一起，然后按照相应的极板高度裁剪相应尺寸。
再将这些极板焊接或装配在集流条上，进一步确保机械强度和电流稳定性。
由于极板的结构是钢，极板不会因重复循环而性能逐渐变弱，所以这种镉镍电池有非常好的循环寿命。
碱性电解液不会与钢发生反应，那就意味着支撑太阳能电池结构的钢终生保持完好，不会发生“突然死亡”现象，因为不存在腐蚀。
3.2隔离物
聚丙烯隔板在极板之间起阻隔作用。
为正负极板之间提供了大量的空间，使电池容有大量的电解液，电解液流通性能好，气体释放快，避免了像铅酸电池那样发生电解液层化。
3.3电解液
NS系列电池电解液是KOH和LiOH的混合溶液，它能使电池性能、寿命、能量效率、工作温度范围达到最合理。
配制不同密度电解液可使电池在－40℃～60℃温度范围内工作，并能在一定范围内能适应大的温度波动。
非常低的温度下，可以使用专用高密度电解液。
3.4极柱
极柱是用圆钢车制而成，上端有螺纹，镀镍后焊接在集流板上，与极板焊接组装成极板组。
极柱到电池盖之间通过密封圈密封。
这种组装设计能使电池整个寿命期间内处于密封。
3.5排气系统
NS系列电池装配有专用的阻燃阀控气塞，能提供一个安全有效的排气系统。
3.6电池容器
NS系列电池容器既可采用结构坚固的聚丙烯外壳，也可采用透明的MBS工程塑料。
4NS系列电池的优点
●非常长的循环寿命，如果合理使用，可达到20年之久；
●工作温度在低至－50℃高至60℃的极限温度下工作；
●电池内电解液非常丰富，减少了补水的频率，能放置在偏远的地方工作很长一段时间，无需维护；
●机械强度高，能够承受野蛮的搬运和途经艰险的地形运输。
5工作特性
5.1额定容量
太阳能用蓄电池容量值被定义为安培小时（Ah），它是指完全充满电的电池，在20℃，以120小时率（I120）放电至终止电压1.0V的所放出的电量。
5.2电池电压
NS系列电池的标称电压是1.2V。
5.3内阻
电池内阻随着使用情况和充电状态而异，因此很难去定义和准确测量。
在正常使用中，最有实际价值的是在放电电流下的电压的变化情况。
在常温度下NS电池的容量小于400Ah时，内阻约为200mΩ～250mΩ除以电池容量；电池容量大于或等于400Ah时，内阻约为250mΩ～300mΩ除以电池容量。
比如，NS-100电池的内阻R就是：
≤R≤
，即2mΩ≤R≤2.5mΩ
上述计算出的电池内阻是针对于完全充满电的电池。
荷电态较低的电池内阻，要比这个数字大。
电池放电50%时内阻要高出20%，放电90%时内阻要高出80%。
电池完全放电时，谈内阻就没有意义了。
降低温度能够提高内阻，在0℃以下内阻要高出15%。
5.4温度的影响
电池性能是受环境温度变化所影响。
在电池选型时，图1是不同放电终止电压所对应的温度系数。
图1不同终止电压下容量与温度的关系曲线
5.5短路值
NS系列电池瞬间电流值大约是电池容量的10倍。
5.6开路损失
开路时，由于自放电，电池的荷电量会随着时间慢慢减少。
图2是太阳能电池一系列温度范围内的开路损失值，它能在光电应用时起参考作用。
图220℃和40℃下的开路损失值
5.7循环
NS系列电池能适应不同的放电深度，从低深度到100%深度放电，随着放电深度的变化而变化，电池的循环次数取决于放电深度。
电池放电深度越浅，循环次数越多。
浅度放电可以进行成千上万次，而深度放电只能进行几百次。
图3是典型的放电深度和循环周期数的关系。
图3不同放电深度下的循环次数（20℃）
5.8温度对寿命的影响
NS系列电池设计寿命是20年，但随着电解液温度的增加，电池寿命也会逐渐降低。
一般来说，超过正常温度25℃以上，每9℃电池寿命就会降低20%。
图4高温下电池的设计寿命
5.9水消耗和气体的生成
在充电时过多的充电或过充电，会将电解液中的水分解成氧气和氢气，并且需要添加纯的蒸馏水来弥补水的损失。
理论上，被电解水的量通过法拉第方程式可以计算，每Ah的过充电能分解0.366㎝3的水。
图5是水的消耗值在不同充电电压和温度下的曲线。
放电时电池不产生气体。
1㎝3水电解产生2000㎝3的气体混合物，其中2/3的是氢气，1/3是氧气。
这样1㎝3水电解产生1300㎝3的氢气。
图5不同温度和充电电压下的水消耗值
6电池充电
6.1充电方法
单电压充电—电池以多大的电流充电，取决于太阳能板的能力。
当电池充到设定的电压限时，充电电流就会逐渐变小。
NS系列电池充电电压上限一般设在1.55V/只～1.65V/只。
双电压充电—电池先充到一个较高的预设电压，然后降到一个较低的电压，这样可以减少电池内水的消耗。
第一段电压应该设在1.55V/只～1.65V/只，第二段电压应该设在1.42V/只～1.45V/只。
如果进行频繁的深度放电循环，那么在充电时就增高充电电压。
在室外使用时，温度在10℃～30℃之外时，充电电压补偿系数为：
－3mV/℃。
6.2充电效率
电池的充电效率取决于电池的充电状态和温度。
图6是50%、70%和90%充电状态下不同温度的充电效率关系。
图6不同温度下的充电效率曲线
7电池选型原理
用于光电系统选型最常用的方法就是“独立运行选型”。
这种类型的选型方法要用到系统需要独立运行的天数（基于最大预期的阳光较弱天数）。
如果假定电池每天都是充满电的，下面给出的式子可以用来选型。
需求的容量=R×A×KT×KDOD×KA
其中：
R=需要独立运行的时间（h）
A=日常负载（A）
KT=温度系数
KDOD=最大允许的放电深度对应的修正系数
KA=老化修正系数
上面的参数可以从本手册中依据工作条件查到。
让我们举个例子便于理解，假设在一次应用中，电池组需要独立运行7天（168h），放电至终止电压1.14V/只，环境温度一般为40℃，平均日常负载为90W/48V。
独立运行时间R=168h
日常负载=90/48A=1.875A
温度系数（见图1）KT=1/0.95=1.053
通过寿命（20年）需求计算最大允许放电深度和循环次数（52次/年）=1040
所以允许的放电深度=78%
那么最大允许的放电深度对应的修正系数KDOD=1/0.78=1.282
40℃下的老化修正系数KA=20/14.2=1.408
所以电池容量=168×1.875×1.053×1.282×1.408=598.73Ah
需求电池数量=48/1.2=40
那么从太阳能电池选择表里，我们可以选出40NS-600
8放电数据表
完全充满电电池放电性能数据（20℃±5℃）放电终止电压1.14V/C
电池
类型
5h
10h
18h
20h
1d
24h
2d
48h
3d
72h
4d
96h
5d
120h
6d
144h
7d
168h
8d
192h
9d
216h
10d
240h
NS-10
1.8
0.94
0.53
0.49
0.42
0.21
0.14
0.11
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.05
NS-20
3.6
1.88
1.07
0.98
0.83
0.43
0.29
0.22
0.18
0.15
0.13
0.12
0.11
0.10
NS-30
5.4
2.82
1.60
1.47
1.25
0.64
0.43
0.33
0.27
0.23
0.20
0.18
0.16
0.15
NS-40
7.2
3.76
2.13
1.96
1.67
0.85
0.57
0.44
0.35
0.30
0.26
0.23
0.21
0.19
NS-50
9.0
4.70
2.67
2.45
2.08
1.06
0.72
0.55
0.44
0.38
0.33
0.29
0.26
0.24
NS-60
10.8
5.64
3.20
2.94
2.50
1.28
0.86
0.66
0.53
0.45
0.39
0.35
0.32
0.29
NS-70
12.6
6.58
3.73
3.43
2.92
1.49
1.00
0.77
0.62
0.53
0.46
0.41
0.37
0.34
NS-80
14.4
7.52
4.27
3.92
3.33
1.70
1.14
0.88
0.71
0.60
0.52
0.47
0.42
0.39
NS-90
16.2
8.46
4.80
4.41
3.75
1.91
1.29
0.98
0.80
0.68
0.59
0.53
0.48
0.44
NS-100
18.0
9.40
5.33
4.90
4.17
2.13
1.43
1.09
0.88
0.75
0.65
0.58
0.53
0.48
NS-120
21.6
11.3
6.40
5.88
5.00
2.55
1.72
1.31
1.06
0.90
0.79
0.70
0.63
0.58
NS-150
27.0
14.1
8.00
7.35
6.25
3.19
2.15
1.64
1.33
1.13
0.98
0.88
0.79
0.73
NS-200
36.0
18.8
10.7
9.80
8.33
4.25
2.86
2.19
1.77
1.50
1.31
1.17
1.06
0.97
NS-250
45.0
23.5
13.3
12.3
10.4
5.31
3.58
2.73
2.21
1.88
1.64
1.46
1.32
1.21
NS-300
54.0
28.2
16.0
14.7
12.5
6.38
4.29
3.28
2.65
2.25
1.96
1.75
1.58
1.45
NS-350
63.0
32.9
18.7
17.2
14.6
7.44
5.01
3.83
3.09
2.63
2.29
2.04
1.85
1.69
NS-400
72.0
37.6
21.3
19.6
16.7
8.50
5.72
4.38
3.53
3.00
2.62
2.33
2.11
1.93
NS-500
90.0
47.0
26.7
24.5
20.8
10.6
7.15
5.47
4.42
3.75
3.27
2.92
2.64
2.42
NS-600
108
56.4
32.0
29.4
25.0
12.8
8.58
6.56
5.30
4.50
3.93
3.50
3.17
2.90
NS-700
126
65.8
37.3
34.3
29.2
14.9
10.0
7.66
6.18
5.25
4.58
4.08
3.69
3.38
NS-800
144
75.2
42.7
39.2
33.3
17.0
11.4
8.75
7.07
6.00
5.24
4.67
4.22
3.87
NS-900
162
84.6
48.0
44.1
37.5
19.1
12.9
9.84
7.95
6.75
5.89
5.25
4.75
4.35
NS-1000
180
94.0
53.3
49.0
41.7
21.3
14.3
10.9
8.83
7.50
6.55
5.83
5.28
4.83
完全充满电电池放电性能数据（20℃±5℃）放电终止电压1.10V/C
电池
类型
5h
10h
18h
20h
1d
24h
2d
48h
3d
72h
4d
96h
5d
120h
6d
144h
7d
168h
8d
192h
9d
216h
10d
240h
NS-10
1.84
0.96
0.54
0.50
0.43
0.22
0.15
0.11
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.05
NS-20
3.68
1.92
1.09
1.00
0.85
0.43
0.29
0.22
0.18
0.15
0.13
0.12
0.11
0.10
NS-30
5.52
2.88
1.63
1.50
1.28
0.65
0.44
0.33
0.27
0.23
0.20
0.18
0.16
0.15
NS-40
7.36
3.84
2.18
2.00
1.70
0.87
0.58
0.45
0.36
0.31
0.27
0.24
0.21
0.20
NS-50
9.20
4.80
2.72
2.50
2.13
1.08
0.73
0.56
0.45
0.38
0.33
0.30
0.27
0.25
NS-60
11.0
5.76
3.27
3.00
2.55
1.30
0.88
0.67
0.54
0.46
0.40
0.36
0.32
0.30
NS-70
12.9
6.72
3.81
3.50
2.98
1.52
1.02
0.78
0.63
0.53
0.47
0.42
0.38
0.34
NS-80
14.7
7.68
4.36
4.00
3.40
1.73
1.17
0.89
0.72
0.61
0.53
0.48
0.43
0.39
NS-90
16.6
8.64
4.90
4.50
3.83
1.95
1.31
1.00
0.81
0.69
0.60
0.53
0.48
0.44
NS-100
18.4
9.60
5.44
5.00
4.25
2.17
1.46
1.11
0.90
0.76
0.67
0.59
0.54
0.49
NS-120
22.1
11.5
6.53
6.00
5.10
2.60
1.75
1.34
1.08
0.92
0.80
0.71
0.64
0.59
NS-150
27.6
14.4
8.17
7.50
6.38
3.25
2.19
1.67
1.35
1.15
1.00
0.89
0.81
0.74
NS-200
36.8
19.2
10.9
10.0
8.50
4.33
2.92
2.23
1.80
1.53
1.33
1.19
1.07
0.98
NS-250
46.0
24.0
13.6
12.5
10.6
5.42
3.65
2.79
2.25
1.91
1.67
1.48
1.34
1.23
NS-300
55.2
28.8
16.3
15.0
12.8
6.50
4.38
3.34
2.70
2.29
2.00
1.78
1.61
1.48
NS-350
64.4
33.6
19.1
17.5
14.9
7.58
5.10
3.90
3.15
2.67
2.33
2.08
1.88
1.72
NS-400
73.6
38.4
21.8
20.0
17.0
8.67
5.83
4.46
3.60
3.06
2.67
2.38
2.15
1.97
NS-500
92.0
48.0
27.2
25.0
21.3
10.8
7.29
5.57
4.50
3.82
3.33
2.97
2.69
2.46
NS-600
110
57.6
32.7
30.0
25.5
13.0
8.75
6.69
5.40
4.58
4.00
3.56
3.22
2.95
NS-700
129
67.2
38.1
35.0
29.8
15.2
10.2
7.80
6.30
5.35
4.67
4.16
3.76
3.44
NS-800
147
76.8
43.6
40.0
34.0
17.3
11.7
8.92
7.20
6.11
5.33
4.75
4.30
3.93
NS-900
166
86.4
49.0
45.0
38.3
19.5
13.1
10.0
8.10
6.88
6.00
5.34
4.83
4.43
NS-1000
184
96.0
54.4
50.0
42.5
21.7
14.6
11.1
9.00
7.64
6.67
5.94
5.37
4.92
完全充满电电池放电性能数据（20℃±5℃）放电终止电压1.05V/C
电池
类型
5h
10h
18h
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