配電終端免維護電池性能在線評估方法

湯定陽 劉恒 王建微

摘要：免維護（閥控鉛酸VRLA）蓄電池組作為配電終端的后備電源，在保障配電可靠性中發(fā)揮著重要作用。長期運行在惡劣環(huán)境、缺乏必要的維護，蓄電池性能下降迅速難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。因此在線監(jiān)測蓄電池組的健康度（SOH）是至關(guān)重要的。由于電池電化學(xué)非線性和動態(tài)特性，要準確評估電池SOH一直以來都是相當(dāng)困難的事。本文根據(jù)蓄電池組放電曲線特性，提出了一種切實可行的在線評估蓄電池組健康情況的方法，具有較大的經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：蓄電池；健康度；性能在線評估；配電終端。

1. 配電網(wǎng)發(fā)展中后備電源現(xiàn)狀及意義

1.1. 后備電源現(xiàn)狀簡介

2009年8月，國網(wǎng)啟動第一批城市配電網(wǎng)自動化試點工程并取得初步成效，之后配電網(wǎng)自動化試點工程在越來越多的城市開展起來。配電網(wǎng)快速發(fā)展的同時帶來了許多新的問題和挑戰(zhàn)。穩(wěn)定、可靠后備供電對配電自動化具有十分重要的意義。然而實際應(yīng)用中存在以下難題：

配電設(shè)備及蓄電池組多運行于戶外或簡單遮蔽場所，運行環(huán)境惡劣，運行溫度隨天氣變化大，蓄電池往往在使用一段時間后就開始出現(xiàn)劣化，實際使用壽命與廠家提供的蓄電池設(shè)計壽命相差巨大；配電終端點多面廣，配套的蓄電池的數(shù)量極為龐大、廣泛分布；同時配電維護人員數(shù)量增加相對于配電網(wǎng)發(fā)展嚴重滯后，維護力量薄弱；檢測設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、周期長等等導(dǎo)致蓄電池得不到及時有效維護，蓄電池失效得不到及時的處理，常常在配電自動化真正需要控制時無法完成保障工作時才發(fā)現(xiàn)蓄電池失效，嚴重的制約了配電自動化實用化的發(fā)展。

1.2. 蓄電池在線性能評估的意義

可靠的蓄電池是保障配網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要組成。蓄電池供給操作、保護、通信、數(shù)據(jù)保存、網(wǎng)絡(luò)自愈的最后一級防線，其穩(wěn)定運行對防止系統(tǒng)破壞、事故擴大和設(shè)備嚴重損壞起到至為重要的作用。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，電源無法正常供電所引發(fā)的事故中，有50%以上事故是由蓄電池失效引發(fā)的，也是事故發(fā)生率居高不下的一個環(huán)節(jié)。=

2. 蓄電池性能在線評估方法簡介

2.1. 常用評估方法

VRLA蓄電池整體采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等缺陷，正常運行時無須對電解液進行檢測和調(diào)酸加水，因此又被稱為“免維護”蓄電池。從實際應(yīng)用情況來看，由于對“免維護”的認識偏差，蓄電池組在配電網(wǎng)的應(yīng)用中實際上是出于一種長期不維護的狀態(tài)，嚴重偏離了蓄電池運行維護管理的基本要求，造成蓄電池性能下降過快。

VRLA蓄電池是一個復(fù)雜的電化學(xué)體系，電池的性能取決于制備電極的材料、工藝、活性物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)以及電池運行狀態(tài)和條件等[2]。蓄電池性能主要可以通過兩個指標(biāo)進行判定：蓄電池容量和內(nèi)阻。為了了解蓄電池的性能狀況，目前有如下幾種常用方法：

2.1.1. 放電法

將蓄電池以10小時率恒定電流放電至規(guī)定的終止電壓，計算時間得出電池容量。該方法雖然準確，但蓄電池需專用測試系統(tǒng)且脫離供電系統(tǒng)，時間較長。

2.1.2. 蓄電池電壓巡檢

在線對電池電壓進行檢測，根據(jù)每節(jié)電池的電壓來判別電池性能。該方式對蓄電池性能差異不能做出準確評估，效果較差。

2.1.3. 測量電池內(nèi)阻

VRLA蓄電池中如板柵腐蝕和增長、接觸不良、活性物質(zhì)可用量減少等集中表現(xiàn)于電池內(nèi)阻的增大，電導(dǎo)的減少，因此，電池內(nèi)阻的高低可提供反映電池性能和使用程度的有效信息。電池內(nèi)阻測量的基本原理是向蓄電池注入一個低頻20～30Hz或60Hz的交流信號，測量電池兩端的交流電壓和通過電池的電流，然后計算出Vac/Iac值，得出電池內(nèi)阻值[3]。

然而上述常用的蓄電池性能檢測方法中放電法屬于離線檢測、蓄電池電壓巡檢不能很好的評估蓄電池性能，效果較差、交流內(nèi)阻測量法與檢測溶液密度法實現(xiàn)起來較為困難，高昂的價格不適于配網(wǎng)的配套產(chǎn)品中。

2.2. 基于活化評估方法介紹

目前最有效、最可靠的評估方法是離線核對性放電的容量試驗。容量試驗是在蓄電池離線狀態(tài)下以恒定電流對負載放電，當(dāng)蓄電池端電壓達到放電終止電壓值時則停止放電，整個過程所放出的容量就是蓄電池實際容量。容量實驗的條件包括：1、設(shè)置放電電流0.1CA；2、設(shè)置放電終止電壓1.80×N V[5]。

不同SOH健康度的電池有些電池前期放電電壓跟隨SOH變化，電池越不健康前期放電電壓越低，在經(jīng)過相同的線性區(qū)到終止電壓后，比例關(guān)系很明顯，比較容易判斷出SOH健康指標(biāo)。但有些電池前期反應(yīng)不明顯，僅在放電后期下降區(qū)才能顯示出其電壓與放電的差別，如圖 1為3只健康狀況不同的12V電池在0.1CA放電率（小電流）、同電壓條件下的離線放電電壓與放電時間的曲線：

圖 1不同性能的電池放電曲線

從電池的放電曲線我們可以總結(jié)出蓄電池具有以下放電及容量特征：

1） 電池充滿電的浮充電壓約在13.65V左右；電池負載放電時，電壓立即從13.65V的空載電壓下降至12.7V左右；

2） 電池的二八原理現(xiàn)象：從12.7V～12V的0.7V之間，占了電池總?cè)萘康?0%，而12～10.8V之間只占20%；

3） 電壓與容量的關(guān)系不是全部正比例關(guān)系，一部分線性，一部分下降曲線。不同容量的電池下降曲線基本一致；

4） 到10.8V終止電壓，基本是直線下降，電池沒有容量了，不能再放電；

5） 放電初期，不同健康狀況的電池，電壓幾乎相同或略低。放電末期，不同健康狀況的電池，電壓不同，健康狀況越差的電池，電壓下降越快；

6） 由于電池放電率基本相同，電池的健康SOH與電池終止時間成正比關(guān)系，當(dāng)電池電壓為12V左右時，可近似將放電容量看成正比關(guān)系。

3. 性能評估實現(xiàn)

目前蓄電池監(jiān)測管理系統(tǒng)多集中于由多節(jié)電池組成的大型高壓電池組。由運行于計算機上的系統(tǒng)軟件、監(jiān)測主機及采集模塊組成。其實現(xiàn)遠程監(jiān)測蓄電池的工作狀況及性能的在線評估，為用戶的維護提供可靠的依據(jù)[4]。現(xiàn)行的檢測管理系統(tǒng)需要架設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信線路，對眾多配電節(jié)點的蓄電池監(jiān)管均需安裝監(jiān)測主機和采集模塊，對于蓄電池分布廣泛，單個節(jié)點蓄電池檢測數(shù)量少的配電網(wǎng)來說建設(shè)成本昂貴，設(shè)備利用率不高，不適用于規(guī)模大、經(jīng)濟性強的配電網(wǎng)產(chǎn)品配套中。下面介紹一種適用于配電終端免維護電池實時檢測系統(tǒng)及其在線性能評估方法，其實現(xiàn)方式充分利用配電終端現(xiàn)有設(shè)備，對于配電網(wǎng)具有較強的經(jīng)濟性和實用性。

3.1. 系統(tǒng)組成

配電終端免維護電池在線監(jiān)測及性能評估硬件實現(xiàn)方式如圖 2所示。通過在電源模塊中加入MCU及蓄電池電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息的采集電路來實現(xiàn)蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測。電源模塊中MCU將蓄電池狀態(tài)信息通過串口將數(shù)據(jù)傳送給配電終端，配電終端通過蓄電池性能評估算法實時評估蓄電池性能。當(dāng)蓄電池性能出現(xiàn)劣化，配電終端可通過其通信網(wǎng)絡(luò)通知維護人員。

圖 2配電終端蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)

蓄電池組在線評估充分利用現(xiàn)有的配電終端硬件系統(tǒng)，具有較好的經(jīng)濟性和實用性。

3.2. 硬件結(jié)構(gòu)

配電設(shè)備中的電源模塊將交流電轉(zhuǎn)換成直接電，除了給設(shè)備提供電源外，同時給作為后備電源的蓄電池進行充電，實現(xiàn)恒流、恒壓、活化等監(jiān)管措施。

基于配電設(shè)備連續(xù)性供電的特殊要求，所設(shè)計的電源模塊具備五大主要功能：①、交流整直流功能，為負載提供直流電源外，同時向并聯(lián)連接的蓄電池提供充電電源；②、充電支路具備恒壓、恒流輸出數(shù)字控制電路；③、數(shù)字邏輯處理功能；④、蓄電池端電壓、充放電電流和溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣功能；⑤、串行數(shù)據(jù)通信功能。電源模塊的架構(gòu)圖如圖 3所示。

圖 3電源模塊架構(gòu)圖

模塊①是整流器，通過PWM控制技術(shù)將交流電經(jīng)過濾波整流后輸出直流電，為負載和蓄電池提供直流電源。

模塊②是反饋控制電路，按照設(shè)定的電壓值分別線性控制電壓和電流的輸出值大小，設(shè)定的電壓值由數(shù)模轉(zhuǎn)換器根據(jù)CPU設(shè)定值輸出，這樣即可實現(xiàn)CPU對充電電壓和輸出電流大小的有效控制，可根據(jù)實際需要調(diào)整輸出恒定電壓或恒定電流。具備高精度轉(zhuǎn)換能力，因而可實現(xiàn)對充電電壓及電流大小的精確控制。

模塊③是數(shù)字邏輯處理中心，即CPU。將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓和電流采樣值，溫度傳感器的輸出值作為數(shù)據(jù)源進行處理，根據(jù)計算結(jié)果進行邏輯控制，由模數(shù)轉(zhuǎn)換部分控制充電電壓及電流的大小，由端口引腳控制開關(guān)的通斷，由通信接口與配電設(shè)備進行交互式通信，配電設(shè)備通過通信方式獲取監(jiān)測值及對電源模塊進行邏輯控制。

模塊④是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將蓄電池的端電壓和充放電電流大小經(jīng)過采樣后，由模塊量轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，傳送給CPU處理。具備高精度采樣，因而可以識別小電流，減小測量誤差。

模塊⑤是通信模塊，實現(xiàn)電源模塊與配電設(shè)備的交互式通信，配電設(shè)備可查詢電源模塊監(jiān)測蓄電池的運行參數(shù)，亦可遠程對蓄電池進行活化及通斷控制，電源模塊監(jiān)測參數(shù)越限時具備告警功能。

3.3. 活化評估方法實現(xiàn)

配電網(wǎng)運行過程中需要定期對蓄電池進行活化放電。蓄電池放電過程中負載特性相對穩(wěn)定，放電電流相對恒定。然而蓄電池在線活化過程中，不允許將電池電壓放到放電10.8V的終止電壓。可以通過近似的方式將活化終止電壓設(shè)置為12V，將離線的檢查轉(zhuǎn)換為在線的容量檢測，在活化過程中完成對容量的計算。判斷出一個容量比例值K，也就是當(dāng)前的容量比額定容量小于于K就認為失效[6]。12V以上的活化充放電電壓可近似一個等比關(guān)系：

圖 4活化比例示意圖

此精度足以滿足工程上對電池容量失效的簡單快速判斷。因此，配電網(wǎng)的蓄電池性能的評估可以通過電池活化時充放電容量的計算來進行評估。

3.3.1. 安時計量法計算容量

電池充放電容量的計算是基于安時計量法。它是目前最常使用的電池容量估計方法，廣泛應(yīng)用于手機、通信等電池領(lǐng)域。通過負載電流的積分估計電池容量，簡單易用。假設(shè)在等間隔△t內(nèi)，蓄電池工作電流為I，溫度為T，根據(jù)安時（Ampere-Hour）定律，電池充放電容量Si與充放電電流I的關(guān)系為：

連續(xù)： ； 離散： 。----其中：i為第i次活化，j第j次采樣的電流，N為采樣總個數(shù)；

將Si轉(zhuǎn)換為標(biāo)準溫度25。公式轉(zhuǎn)化為：

連續(xù)： ；離散：

式中k為蓄電池溫度系數(shù)。由于容量的評估是活化容量間的比值，那么相同充放電率對容量的影響被約去。

3.3.2. 活化容量在線性能評估過程

監(jiān)控模塊啟動活化，蓄電池管理模塊關(guān)閉充電電源并啟動電池放電，在一次完整的放電充電活化過程中（活化放電到額定電壓值后打開充電電源轉(zhuǎn)化為活化充電狀態(tài)，并一直充電到設(shè)定的浮充電流值，設(shè)置充電完成標(biāo)志），計算完成活化充放電容量與活化充放電時間。最后通過不同時間采集到的電池活化容量值進行性能評估。

第i次蓄電池活化充電容量Sci≤K×相對充電額定容量Sxcn--（1）

第i次蓄電池活化放電容量Sfi≤K×相對放電額定容量Sxfn--（2）

相對充電額定容量：Sxcn=Max{Sci}；

相對放電額定容量：Sxfn=Sxcn；

Max{Sci，Sfi}≤0.25×Max{Sn，Sxcn}--（3）

注：一般Sxfn≌Sxcn，在一次活化循環(huán)中Sci≌Sfi，K為一個小于0.8的系數(shù)。

同時蓄電池活化充電過程完全可控，因此主要以（1）為主判據(jù)，（2）、（3）為輔助判據(jù)，連續(xù)三次滿足（1）、（2）、（3）任一個條件判蓄電池失效。在電池容量不滿足要求的情況下此方法可以有效的在線判斷出電池是否失效，起到提前告警的作用。

4、結(jié)論

基于蓄電池管理模塊和監(jiān)控模塊的配電網(wǎng)蓄電池管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)蓄電池性能的在線評估，并提前進行提醒，使問題早發(fā)現(xiàn)，早處理。還能根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行擬合來實現(xiàn)蓄電池壽命預(yù)測。蓄電池狀態(tài)的實時監(jiān)測可以為蓄電池的檢修提供有力的數(shù)據(jù)支持，為安排檢修維護計劃提供依據(jù)，很大程度上提高了對后備電源的維護水平，合理減低了維護成本，為電網(wǎng)和電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行提供了可靠的保證。

參考文獻：

[1]安建鋒，陶濤.淺析配電網(wǎng)自動化技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（2）：136-136.

[2]徐劍虹.鉛酸蓄電池的失效機理及檢測[J].電源，2005（5）：54-55.

[3]桂長清，柳瑞華.密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻分析[J].電池，2000，30（1）.

通訊作者：王建微（1983.02-），漢，學(xué)歷：碩士，職稱：高級工程師，研究方向：配電終端研發(fā)。