朱明海，付冰冰，郭云龍

（1. 華富（江蘇）鋰電新技術(shù)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600；2. 江蘇華富儲(chǔ)能新技術(shù)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600；3. 沈陽蓄電池研究所，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

2005 年之前，儲(chǔ)能用蓄電池運(yùn)行工況是以光伏離網(wǎng)型應(yīng)用為主，而光伏并網(wǎng)型應(yīng)用還處于試驗(yàn)和示范階段。所以，《太陽能光伏能量系統(tǒng)用蓄電池和蓄電池組 一般要求和測試方法》（IEC 61427: 2005）和《儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池》（GB/T 22473—2008）的應(yīng)用范圍泛指光伏離網(wǎng)型應(yīng)用。2013 年，國際電工委員會(huì)（IEC）頒布《再生儲(chǔ)能用二次電池和電池組—一般要求和測試方法 第 1部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用》（IEC 61427-1: 2013），代替 IEC 61427: 2005，構(gòu)成技術(shù)修訂版。同時(shí)，新制定了《再生儲(chǔ)能用二次電池和電池組—一般要求和測試方法 第 2 部分：并網(wǎng)應(yīng)用》（IEC 61427-2:2013）[1]。

國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池》（GB/T 22473—2008）已經(jīng)滯后于儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度，不能引導(dǎo)儲(chǔ)能用蓄電池制造企業(yè)技術(shù)升級、指導(dǎo)用戶開展技術(shù)選型以及運(yùn)行維護(hù)。儲(chǔ)能用蓄電池的產(chǎn)品范圍已經(jīng)由原來單一的鉛酸蓄電池轉(zhuǎn)變?yōu)楦采w鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件不適用于光伏并網(wǎng)應(yīng)用的儲(chǔ)能蓄電池。在此背景下，國家市場監(jiān)督管理總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于 2021 年 12 月 31 日發(fā)布了《儲(chǔ)能用蓄電池 第 1 部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)條件》（GB/T 22473.1—2021），用以代替標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池》（GB/T 22473—2008）[2]。

1 GB/T 22473.1—2021 與 IEC 61427-1:2013 對比

《儲(chǔ)能用蓄電池 第 1 部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)條件》（GB/T 22473.1—2021）對應(yīng)于《再生儲(chǔ)能用二次電池和電池組—一般要求和測試方法 第 1部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用》（IEC 61427-1: 2013），但與其在一致性程度上并非等效，而是按照我國國情對部分章、節(jié)進(jìn)行重新編排。GB/T 22473.1—2021增加和修改的技術(shù)內(nèi)容詳見表 1 和表 2。

表1 GB/T 22473.1—2021 增加的技術(shù)內(nèi)容

表2 GB/T 22473.1—2021 修改的技術(shù)內(nèi)容

2 GB/T 22473.1-2021 標(biāo)準(zhǔn)解讀

《儲(chǔ)能用蓄電池 第 1 部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)條件》（GB/T 22473.1—2021）與《儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池》（GB/T 22473—2008）相比，除了結(jié)構(gòu)調(diào)整和編輯改動(dòng)外，主要技術(shù)變化如下。

2.1 增加鎳氫電池和鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

每個(gè)時(shí)期發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)反映出儲(chǔ)能行業(yè)的階段性特點(diǎn)。2008 年頒布的 GB/T 22473—2008《儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池》對應(yīng)于 IEC 61427: 2005《太陽能光伏能量系統(tǒng)用蓄電池和蓄電池組 一般要求和測試方法》。當(dāng)時(shí)儲(chǔ)能裝置僅限于鉛酸蓄電池，而鎳氫電池和鋰離子電池應(yīng)用范圍還沒有拓展到儲(chǔ)能領(lǐng)域。GB/T 22473.1—2021《儲(chǔ)能用蓄電池 第 1 部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)條件》，在鉛酸蓄電池的基礎(chǔ)上，增加了鎳氫電池和鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。這種不同電化學(xué)體系的綜合標(biāo)準(zhǔn)，既要考慮技術(shù)條件、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則的通用性，又要統(tǒng)籌差異性部分內(nèi)容表述的深度和廣度統(tǒng)一性，以保持標(biāo)準(zhǔn)文本格式的流暢、規(guī)范[4]。

2.2 增加充電效率

2.2.1 技術(shù)要求

光伏離網(wǎng)應(yīng)用的儲(chǔ)能蓄電池和公共電網(wǎng)沒有電氣連接，所以充電能量只能來源于光伏發(fā)電。由于光伏電源的發(fā)電量受光照輻射量、環(huán)境溫度等客觀條件影響，有時(shí)候蓄電池的充電量并不富裕，甚至?xí)霈F(xiàn)充電不足的情況。如果發(fā)電量相同，那么充電效率越高，充入蓄電池的能量就越多。對于光伏離網(wǎng)應(yīng)用的儲(chǔ)能蓄電池，充電效率是重要技術(shù)條件，和充電過程的極化、充電恒流比及充放電過程的電化學(xué)轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。圖 1 列出了標(biāo)準(zhǔn)中各型蓄電池 90 % 荷電態(tài)（SOC）、75 % 荷電態(tài)和 50 % 荷電態(tài)對應(yīng)充電效率的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從圖 1 可以看出，在相同荷電態(tài)下，鋰離子電池的充電效率最高，鎳氫電池次之，而鉛酸蓄電池最低。對于同一類型蓄電池，SOC 越低，充電效率越高。

圖1 不同 SOC 對應(yīng)充電效率

2.2.2 試驗(yàn)方法

IEC 61427-1: 2013 標(biāo)準(zhǔn)將充電效率定義為：蓄電池放電期間輸出的容量（Ah）與在特定條件下恢復(fù)初始充電狀態(tài)所需的容量（Ah）之間的比率。不同于鉛酸蓄電池和鋰離子電池的恒流限壓充電模式，鎳氫電池具有記憶效應(yīng)，每次充電前必須先放空電。如果按照鉛酸蓄電池或鋰離子電池的試驗(yàn)方法，鎳氫電池不同 SOC 條件下的充電效率實(shí)際都是滿放滿充條件下的充電效率。而且，如果鎳氫電池采用恒流定電量充電模式，充電效率就是一個(gè)固定值，并不能真正反映充電過程的極化、充電恒流比及充放電過程的電化學(xué)轉(zhuǎn)換效率。因此，GB/T 22473.1—2021 標(biāo)準(zhǔn)對鎳氫電池的充電效率試驗(yàn)方法單獨(dú)進(jìn)行了表述：

① 試驗(yàn)用鎳氫電池應(yīng)符合第 5.4.2 條款規(guī)定，并記錄實(shí)際放電容量 Ce。

② 鎳氫電池以 I5（A）電流恒流放電至放電截止電壓，擱置 1 h。

③ 鎳氫電池以 I5（A）電流恒流充電至實(shí)際放電容量 Ce的 90 % 停止。然后，擱置 1 h，再以I5（A）電流恒流放電至放電截止電壓，記錄放電容量 Ce1。

④ 重復(fù)上述步驟③，鎳氫電池以 I5（A）電流分別恒流充電至實(shí)際放電容量 Ce的 75 %、50 % 時(shí)停止，并記錄對應(yīng)放電容量 Ce2、Ce3。

⑤ 按公式

分別計(jì)算 90 % SOC、75 % SOC、50 % SOC 荷電條件下蓄電池的充電效率 η。式中：η—充電效率；Cax—90 % SOC、75 % SOC、50 % SOC 荷電態(tài)對應(yīng)的充電容量 90 % Ce、75 % Ce、50 % Ce；Cex—90 % SOC、75 % SOC、50 % SOC 荷電態(tài)對應(yīng)的放電容量 Ce1、Ce2、Ce3。

2.3 增加過充電能力、過放電能力

光伏發(fā)電具有間歇性、不穩(wěn)定性與不可控的特點(diǎn)。在晴朗的夏天，由于太陽光照強(qiáng)度大、時(shí)間長，光伏電源日發(fā)電量大于負(fù)載用電量，導(dǎo)致蓄電池有過充電風(fēng)險(xiǎn)。反之，在多云天氣或連續(xù)陰雨天，光伏電源日發(fā)電量小于負(fù)載用電量，使蓄電池有過放電的隱患。IEC 61427-1: 2013 中第 4.4.5 條款（季節(jié)性循環(huán)）、第 4.4.11 條款（充電控制）和第 5.3 條款（深度放電保護(hù)），都對蓄電池的過充電、過放電有描述。蓄電池過度充電、深度放電時(shí)存在容量損失、熱失控隱患[5]，特別是鎳氫電池和鋰離子電池。鎳氫電池和鋰離子電池的電器件由電池模塊、管理保護(hù)裝置兩部分組成。一旦管理保護(hù)裝置失效，電池模塊存在起火、爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)。

鎳氫電池和鋰離子電池模塊是由電池單體采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接方式，且只有一對正負(fù)極輸出端子的電池組合體。當(dāng)電池模塊充電或放電至任一串電池過充或過放保護(hù)電壓閾值時(shí)，并聯(lián)的管理保護(hù)裝置就會(huì)啟動(dòng)保護(hù)功能，斷開功率回路，阻止過度充電或放電，因此無法真正實(shí)現(xiàn)對電池模塊的過充電能力或過放電能力試驗(yàn)。如果在試驗(yàn)前斷開或去除管理保護(hù)裝置，就需要拆開電池模塊的外殼，并且需要由專業(yè)的技術(shù)人員來操作，給檢測機(jī)構(gòu)帶來難度，所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定過充電能力和過放電能力試驗(yàn)應(yīng)在蓄電池單體上進(jìn)行。而且特別強(qiáng)調(diào)，試驗(yàn)應(yīng)在有充分安全保護(hù)的環(huán)境條件下進(jìn)行[6]。

2.4 刪除充電接受能力

GB/T 22473—2008《儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池》中關(guān)于充電接受能力試驗(yàn)方法的規(guī)定是，50 % 荷電態(tài)的鉛酸蓄電池在 0 ℃ 環(huán)境下，以 2.40 V/單體恒壓充電，而且要求第 10 分鐘的電流值不低于2I10（A）。而 IEC 61427-1: 2013 中第 4.4.3 條款對典型充電和放電電流規(guī)定的是蓄電池的最大充電電流 I20（A）?？梢姡@兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是相矛盾的。離網(wǎng)型應(yīng)用的儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池適用于低倍率淺循環(huán)的能量型使用工況，因此正常充電電流范圍是 I10（A）～I(xiàn)120（A）。顯然，GB/T 22473—2008 中充電接受能力試驗(yàn)要求的充電電流已經(jīng)超過了儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池允許的充電電流上限。

充電接受能力技術(shù)條件源自起動(dòng)用鉛酸蓄電池，根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)上信息可以追溯到 GB 5008.1—91《起動(dòng)用鉛酸蓄電池 技術(shù)條件》，重點(diǎn)考核起動(dòng)用鉛酸蓄電池在低溫環(huán)境下接受充入電量的能力。GB/T 22473—2008 技術(shù)條件相當(dāng)于將充電接受能力的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)提高了 1 倍，所以正常情況下大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品很難通過這一項(xiàng)檢測。由于 GB/T 22473—2008 的充電接受能力試驗(yàn)方法中，充電電流值是以額定電流為基準(zhǔn)，生產(chǎn)企業(yè)普遍采用“以大容量電池標(biāo)稱小容量”的方法，使其生產(chǎn)的儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池勉強(qiáng)通過第三方對充電接受能力的檢測項(xiàng)目。

充電接受能力的技術(shù)條件和試驗(yàn)方法對鎳氫電池和鋰離子電池同樣不適用。50 % 荷電態(tài)的鎳氫電池和鋰離子電池在 0 ℃ 環(huán)境下接受充入電流的能力大于光伏離網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能端的最大充電電流。

2.5 修改循環(huán)耐久性

由于光伏離網(wǎng)應(yīng)用屬于淺循環(huán)使用，儲(chǔ)能用蓄電池的日放電深度不足 30 %，但荷電狀態(tài)的波動(dòng)范圍是 0～100 %，所以日充入電量受制于光伏電源發(fā)電量。光伏電源和發(fā)電量受光輻照度、日照時(shí)間、環(huán)境溫度及氣象條件等因素影響。夏季光伏發(fā)電量富裕，所以蓄電池在 80 %～100 % 的高荷電狀態(tài)運(yùn)行。由于冬季光伏發(fā)電量少，蓄電池荷電狀態(tài)可下降至 20 %，甚至更低，導(dǎo)致循環(huán)將在低荷電狀態(tài)下進(jìn)行。

GB/T 22473.1—2021 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) IEC 61427-1:2013 技術(shù)修訂條款，對 GB/T 22473—2008 中循環(huán)耐久能力的技術(shù)條件、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則做了對應(yīng)修改，詳見表 3。

表3 循環(huán)耐久能力修訂內(nèi)容

循環(huán)耐久性試驗(yàn)是一項(xiàng)模擬加速試驗(yàn)，要求整個(gè)試驗(yàn)過程中，蓄電池周圍環(huán)境溫度保持在 40 ℃ ±3 ℃。試驗(yàn)過程包括兩個(gè)階段：第一階段，10 % 荷電態(tài)蓄電池以 0.103C（A）充電 3 h 后，轉(zhuǎn)以 0.1C（A）放電 3 h 為 1 個(gè)循環(huán)，重復(fù)循環(huán) 49 次；第二階段，100 % 荷電態(tài)蓄電池以 0.125C（A）放電 2 h 后，轉(zhuǎn)以 0.1C（A）恒流限壓充電 6 h 為 1 個(gè)循環(huán)，重復(fù)循環(huán) 99 次。該過程模擬了蓄電池在光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的極端應(yīng)用條件。第一階段模擬在冬季低荷電狀態(tài)（10 %～40 %）下淺循環(huán) 50 次。第二階段模擬在夏天高荷電狀態(tài)（75 %～100 %）下淺循環(huán) 100 次。這兩個(gè)階段組成 1 個(gè)周期（共計(jì)循環(huán) 150 次），折合使用壽命 1 a。每個(gè)周期結(jié)束后進(jìn)行一次剩余容量檢測。如果實(shí)際容量大于額定容量的 80 %，則進(jìn)行下 1 個(gè)周期試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)要求循環(huán)周期不少于3 個(gè)。

3 結(jié)束語

與 GB/T 22473—2008《儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池》相比，GB/T 22473.1—2021《儲(chǔ)能用蓄電池 第 1 部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)條件》在技術(shù)條件上新增了 5 項(xiàng)、修改了 3 項(xiàng)、刪除了 2 項(xiàng)[7]。這對目前國內(nèi)儲(chǔ)能用蓄電池產(chǎn)品技術(shù)水平的提高及用戶對該類產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)起到了指導(dǎo)作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了中國儲(chǔ)能用蓄電池產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的接軌，對提高中國儲(chǔ)能用蓄電池在國際市場的競爭力起到了積極促進(jìn)作用。由于首次將不同電化學(xué)體系的蓄電池編制在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里面，GB/T 22473.1—2021 可能在某些具體內(nèi)容操作上還存在著不完善之處。因此，希望各企業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施過程中及時(shí)向全國鉛酸蓄電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)反饋信息，以使 GB/T 22473.1—2021《儲(chǔ)能用蓄電池 第 1 部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)條件》不斷地得到完善，使其更加具有先進(jìn)性、適應(yīng)性和適用性[8]。