電力鉛酸電池智能養(yǎng)護(hù)運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)研究

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 李方軍 宋 曦

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力信息通信公司 張 磊

1.引言

鉛酸電池廣泛應(yīng)用于各種電力電子系統(tǒng)中，傳統(tǒng)運(yùn)維方式使得鉛酸電池實(shí)際使用壽命往往和設(shè)計(jì)使用壽命相差較大，如設(shè)計(jì)使用壽命 10-12 年，而實(shí)際往往只能使用 5-6年甚至不到一半，這不僅對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，同時(shí)產(chǎn)生極大的資源浪費(fèi)，不符合當(dāng)前節(jié)能減排、綠色環(huán)保的國(guó)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略。本文通過(guò)對(duì)鉛酸電池的免硫化、能量載入等養(yǎng)護(hù)技術(shù)及遠(yuǎn)程檢測(cè)、遠(yuǎn)程充放電等自動(dòng)化運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)鉛酸電池使用壽命有效延長(zhǎng)、供電時(shí)間增加，運(yùn)維高效便捷。

2.影響鉛酸電池壽命主要因素

目前影響鉛酸電池壽命的主要因素有以下方面：一是在從單體電池方面，主包括過(guò)充電、過(guò)放電、環(huán)境溫度、長(zhǎng)期浮充電等；二是從電池組方面，主要為串聯(lián)鉛酸電池組單體電池不均衡性等。

2.1 過(guò)充電

研究表明過(guò)充電是影響鉛酸電池壽命重要因素。當(dāng)充電電流超過(guò)氧循環(huán)允許的最大電流時(shí)，會(huì)造成過(guò)充電，鉛酸電池正極出現(xiàn)析氧，使得鉛酸電池殼壓力增大，極板深處生成的氧在析出過(guò)程中可能形成氣泡，沖擊正極板的活性物質(zhì)二氧化鉛（PbO2），造成其與板柵間的結(jié)合力變小，甚至出現(xiàn)脫落，影響活極板活性物質(zhì)的使用壽命，使得鉛酸電池容量下降，影響鉛酸電池使用壽命。

2.2 過(guò)放電

過(guò)放電是影響鉛酸電池壽命的重要因素，鉛酸電池要避免過(guò)放電尤其是深度放電，過(guò)放電時(shí)鉛酸電池的極板表面會(huì)生成大顆粒的硫酸鉛（Pb SO4）結(jié)晶，其難以恢復(fù)，長(zhǎng)期過(guò)放電會(huì)造成極板硫酸鹽化，縮短鉛酸電池使用壽命。

2.3 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度是影響鉛酸電池壽命的又一因素。鉛酸電池出廠時(shí)一般都會(huì)明確鉛酸電池的適用溫度范圍，在該溫度范圍內(nèi)使用，能發(fā)揮鉛酸電池最佳性能。由于鉛酸電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊性，其電解液濃度較大，低溫時(shí)，大電流放電使得負(fù)極板容易形成致密硫酸鉛（PbSO4）結(jié)晶層，減慢電極的化學(xué)反應(yīng)速度，影響放電；高溫時(shí)，會(huì)加快正極析氧的速度，消耗更多的水，產(chǎn)生更多的 H+離子，加速正極腐蝕速度，減少鉛酸電池使用壽命。

2.4 長(zhǎng)期浮充電

用作備用電源鉛酸電池大多長(zhǎng)期處于浮充電狀態(tài)，作為對(duì)自放電損失的補(bǔ)償。長(zhǎng)期浮充電會(huì)造成鉛酸電池陽(yáng)極鈍化，使得內(nèi)阻急劇增加，容量大幅下降，導(dǎo)致實(shí)際容量遠(yuǎn)低于額定容量，縮短壽命并給備用電源系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患。

2.5 電池組中電池間的不均衡

在實(shí)際應(yīng)用中，目前鉛酸電池多以串聯(lián)形式使用，電池組充電主要通過(guò)對(duì)串聯(lián)鉛酸電池組的端電壓進(jìn)行，由于制造工藝的差異性，無(wú)法確保鉛酸電池正負(fù)極板、電解液等制造材料性能完全一致，進(jìn)而導(dǎo)致單體電池充放電性能出現(xiàn)不一致，造成電池組在充放電時(shí)單體電池出現(xiàn)不均衡，這種不均衡會(huì)進(jìn)一步加速電池老化。

同時(shí)，在傳統(tǒng)鉛酸電池運(yùn)維中，多是以人工運(yùn)維為主，運(yùn)維效率低下，運(yùn)維操作風(fēng)險(xiǎn)大。

3.解決方案

本文采用鉛酸電池在線養(yǎng)護(hù)+智能運(yùn)維技術(shù)架構(gòu)，一方面通過(guò)免硫化技術(shù)消除已有電池硫化，恢復(fù)單體電池性能，并通過(guò)均衡充電、補(bǔ)充欠充單體電池能量，提高電池間均勻性，確保整組電池始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，從而有效提升電池使用壽命。另一方面，實(shí)現(xiàn)鉛酸電池在線監(jiān)控、在線養(yǎng)護(hù)以及遠(yuǎn)程自動(dòng)容量測(cè)試等操作，并可快速發(fā)現(xiàn)劣化鉛酸電池，準(zhǔn)確甄別電池劣化程度、及時(shí)預(yù)警電池故障隱患并給出合理的維護(hù)指導(dǎo)建議，將事故被動(dòng)告警變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)警，提高運(yùn)行設(shè)備供電安全，建立鉛酸電池在線養(yǎng)護(hù)模式。

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)鉛酸電池充放電特性和影響鉛酸電池壽命主要因素的分析，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如下圖所示，系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)模塊：

系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.1 鉛酸電池組：可以將多個(gè)單體鉛酸電池以串聯(lián)或者先串聯(lián)后并聯(lián)的形式使用并組成的鉛酸電池組。

3.1.2 電壓、電流、溫度檢測(cè)模塊：為防止鉛酸電池出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電、超溫等現(xiàn)象，該模塊需要完成環(huán)境溫度、串聯(lián)鉛酸電池組充放電電流、每個(gè)單體電池的端電壓和溫度的檢測(cè)。為對(duì)充放電進(jìn)行有效控制需要較為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

3.1.3 放電控制模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸電池組放電的控制，包括：防止出現(xiàn)過(guò)放電，放電截止電壓，對(duì)放電進(jìn)行控制，防止單體電池出現(xiàn)過(guò)放電；電池組自動(dòng)放電維護(hù)，為避免電池長(zhǎng)期只充電不放電，定期對(duì)其進(jìn)行放電維護(hù)。

3.1.4 充電控制模塊：充電控制模塊需要實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電壓的控制，包括：充電電壓溫度補(bǔ)償，根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)充電電壓進(jìn)行補(bǔ)償，防止電池組因環(huán)境溫度升高出現(xiàn)過(guò)充電；充電均衡控制，對(duì)串聯(lián)鉛酸電池組充電進(jìn)行均衡控制，防止出現(xiàn)單體電池過(guò)充電。

3.1.5 通信模塊：通信模塊實(shí)現(xiàn)單個(gè)充放電監(jiān)測(cè)控制模塊和主控制板間的雙向通信功能，其能接收主控制板的控制信息并能將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制板。

3.1.6 主控制板：主控制板負(fù)責(zé)充放電監(jiān)測(cè)控制模塊和計(jì)算機(jī)間的通信，主控制板將多個(gè)充放電監(jiān)測(cè)控制模塊監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)匯總并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，并將計(jì)算機(jī)的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給單個(gè)監(jiān)測(cè)控制模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)充放電的監(jiān)測(cè)控制。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

技術(shù)一：消除鉛酸電池劣化問(wèn)題

鉛酸電池極板上活性物質(zhì)被硫酸鉛結(jié)晶包裹面積越大，則被包裹的活性物質(zhì)就無(wú)法參與電化學(xué)反應(yīng)，極板上被包裹結(jié)構(gòu)容量就等同于消失，電池表現(xiàn)為容量下降，逐漸老化。 本文通過(guò)自主研發(fā)的鉛酸電池“免硫化”、“能量載入”等技術(shù)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾鉛酸電池使用壽命的“硫化”問(wèn)題，通過(guò)消除或抑制硫化，就可有效延長(zhǎng)電池使用壽命，讓鉛酸電池長(zhǎng)期處于最佳。

技術(shù)二：“動(dòng)態(tài)均衡”差異化補(bǔ)充單體電池電能

鉛酸電池組是由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成，單節(jié)電池如同木桶的不同板塊，電池組的真實(shí)容量是由最小容量的單節(jié)電池決定。整組電池中的單體電池通過(guò)外部電源統(tǒng)一充電。由于電池一致性的內(nèi)在差異，會(huì)造成每節(jié)電池充電不均勻。智能養(yǎng)護(hù)運(yùn)維系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)均衡充電技術(shù)，可根據(jù)電池組中每個(gè)單體電池的狀態(tài)，進(jìn)行差異化補(bǔ)充電能，有效調(diào)節(jié)整組電池均勻性，讓每節(jié)單體電池性能到達(dá)最優(yōu)，提升電池組的整體性能。

技術(shù)三：動(dòng)態(tài)自適應(yīng)均衡提升電池組均勻性

智能養(yǎng)護(hù)運(yùn)維系統(tǒng)可將在線養(yǎng)護(hù)和均衡充電技術(shù)運(yùn)用于每節(jié)電池上，一方面可消除電池已有劣化，改善電池均勻性，另一方面使每節(jié)電池結(jié)構(gòu)容量及充入容量有動(dòng)態(tài)增加，同時(shí)系統(tǒng)可連續(xù)跟蹤記錄這種變化，并通過(guò)大數(shù)據(jù)準(zhǔn)確鎖定電池組中的落后電池。產(chǎn)品采用的鉛酸電池組“能量再入”技術(shù)，可讓鉛酸電池組中每節(jié)單體電池達(dá)到最大儲(chǔ)能狀態(tài)，并讓整組電池達(dá)到最佳狀態(tài)。同時(shí)采用鉛酸電池組“劣化甄別”技術(shù)，可發(fā)現(xiàn)鉛酸電池組中隱性單體劣化電池，從而只需要對(duì)單體落后電池進(jìn)行替換，解決了傳統(tǒng)維護(hù)方式中電池劣化即需整組更換問(wèn)題。

技術(shù)四：新技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉛酸電池自動(dòng)化運(yùn)維

利用“互聯(lián)網(wǎng)+”新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在線鉛酸電池組的在線狀態(tài)監(jiān)控、在線養(yǎng)護(hù)提升電池性能、在線甄別隱性劣化電池、遠(yuǎn)程全自動(dòng)放電核容等維護(hù)業(yè)務(wù)的智能化；利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)鉛酸電池運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，不斷積累鉛酸電池運(yùn)行狀態(tài)及解決措施，形成“鉛酸電池維護(hù)知識(shí)庫(kù)”，并利用“最優(yōu)匹配算法”，可將當(dāng)前最佳解決方案及時(shí)推送終端用戶(hù)。

4.效益分析

4.1 管理效益

通過(guò)鉛酸電池在線養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)將分散、手動(dòng)、間隔式被動(dòng)的鉛酸電池測(cè)試變成在線集中式主動(dòng)養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化管理，節(jié)省大量人力物力，實(shí)現(xiàn)鉛酸電池供電安全；利用鉛酸電池智能養(yǎng)護(hù)運(yùn)維技術(shù)可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)電池組性能變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)掌控電池供電能力，將“事后”搶修變?yōu)椤笆虑啊敝鲃?dòng)維護(hù)，將故障隱患消滅在萌芽狀態(tài)，可有效規(guī)避因鉛酸電池造成的重大安全生產(chǎn)隱患，大幅減輕一線運(yùn)維人員的維護(hù)壓力及工作量，同時(shí)也提升了用戶(hù)方的鉛酸電池安全管理水平。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)鉛酸電池在線養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了員工對(duì)鉛酸電池的測(cè)試、巡檢和安全放電過(guò)程。鉛酸電池組“劣化甄別”技術(shù)，可發(fā)現(xiàn)鉛酸電池組中隱性單體劣化電池，并可對(duì)該單體電池進(jìn)行替換，解決了傳統(tǒng)維護(hù)方式中必須整組更換的問(wèn)題，從而創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益，具體體現(xiàn)在以下方面： 1）延長(zhǎng)電池壽命節(jié)省更新投資；2）準(zhǔn)確鎖定電池組中落后單體，整組更換變?yōu)閱喂?jié)更換節(jié)省的投資；3）節(jié)省站點(diǎn)日常巡檢維護(hù)費(fèi)用；4）節(jié)省的電池核容測(cè)試費(fèi)用。

4.3 社會(huì)效益

減緩鉛酸電池淘汰和更新速率產(chǎn)生的效益，鉛酸電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，減少鉛酸電池更替數(shù)量，是直接的節(jié)能；在節(jié)能的同時(shí)，也減少上游鉛酸電池生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各項(xiàng)排放，減少電池報(bào)廢量，減少?gòu)U水廢氣、鉛、硫酸等物質(zhì)的排放，是直接的減排。

5.結(jié)束語(yǔ)

隨著鉛酸電池智能養(yǎng)護(hù)運(yùn)維技術(shù)的突破，一套結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、運(yùn)行可靠的鉛酸電池智能養(yǎng)護(hù)運(yùn)維平臺(tái)及養(yǎng)護(hù)設(shè)備，可發(fā)現(xiàn)鉛酸電池現(xiàn)有缺陷，延長(zhǎng)使用壽命，增加供電時(shí)長(zhǎng)，減少電池采購(gòu)成本。采用遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化操作手段，解決目前鉛酸電池運(yùn)維中工作量大、檢修操作風(fēng)險(xiǎn)高等一系列問(wèn)題，在提高工作效率、降低操作風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，極大降低用戶(hù)運(yùn)維成本。