一種配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置的探索與研究

吳飛鵬 姚綺明

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

1 研制背景

隨著配網(wǎng)智能化與數(shù)字化建設(shè)如火如荼地開展，配網(wǎng)自動(dòng)化終端的投運(yùn)數(shù)量劇增。根據(jù)抽樣調(diào)查，當(dāng)配網(wǎng)自動(dòng)化終端運(yùn)行年限超過3年，作為終端后備電源的電池組就會(huì)開始出現(xiàn)不同程度的老化、容量下降甚至故障等問題。

電池組在投入使用之后，其運(yùn)行環(huán)境需要保持在適當(dāng)?shù)臏貪穸?，即溫度為?0±5）℃，濕度不大于75%。此外，每節(jié)電池需定期進(jìn)行電流/電壓測(cè)量和核容計(jì)算，以判斷電池性能的好壞，并以此作為是否需要進(jìn)行深度充放電活化維護(hù)的依據(jù)。當(dāng)電池深度放電時(shí)，通過多次測(cè)量其輸出電壓和輸出電流，算出電池內(nèi)阻，將多次計(jì)算出的內(nèi)阻數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，得出電池的內(nèi)阻變化曲線。待電池放電完成，將放電期間多次測(cè)量出的時(shí)間、電池容量等數(shù)據(jù)也導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，可得出電池容量變化曲線。結(jié)合內(nèi)阻變化曲線和容量變化曲線，生成可判斷電池性能好壞的依據(jù)曲線圖，如圖1所示，若電池存在容量明顯下降或內(nèi)阻值突增的情況，可以判斷其性能已經(jīng)大幅降低甚至電池已經(jīng)發(fā)生損壞[1]。通過掌握電池性能曲線的變化，對(duì)電池性能的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，可及時(shí)將不合格的電池進(jìn)行淘汰、更換，對(duì)容量值在可維護(hù)容量范圍內(nèi)的電池進(jìn)行活化維護(hù)，有效實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)的效果。

由于制造工藝、設(shè)備運(yùn)行方式和儲(chǔ)存環(huán)境不同等原因，即使是同一廠家、同一生產(chǎn)批次、同款規(guī)格型號(hào)的電池，在容量、內(nèi)阻等方面仍會(huì)存在一定差異，這就導(dǎo)致在充電過程中，電池組里的單節(jié)電池容易出現(xiàn)滿電更滿而缺電更缺這種兩極分化現(xiàn)象，也稱為“充電不均衡現(xiàn)象”[2]。當(dāng)電池組老化后，各節(jié)電池的容量各不相同，若其中一節(jié)電池出現(xiàn)故障，則會(huì)造成整組電池性能再次急劇下降，嚴(yán)重影響電池的使用年限。另外，充電不均衡現(xiàn)象不僅影響到電池組的充放電效率，還會(huì)造成設(shè)備運(yùn)行存在重大安全隱患。為了避免上述問題，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電過程中各節(jié)電池情況并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)管理[3]。

2 設(shè)計(jì)原理與思路

配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置適用于不同型號(hào)規(guī)格的鋰電池或蓄電池存放，按照設(shè)計(jì)思路分為觸摸屏（人）和可編程控制器、檢測(cè)電路、繼電器、充電器（物），實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的功能，如圖2所示。

通過觸摸屏與可編程控制器的連接，可一鍵式自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)電壓/電流、計(jì)算電池容量、電池活化及電池?fù)p壞自動(dòng)告警功能，并生成監(jiān)測(cè)報(bào)告，無(wú)須人工監(jiān)控電池充放電過程。

可編程控制器接收到信號(hào)后，通過若干個(gè)10 A繼電器與相關(guān)模塊之間的連通或斷開，有序?qū)﹄娏?電壓監(jiān)測(cè)電路與充放電回路進(jìn)行開斷。當(dāng)繼電器#2連通時(shí)，電池進(jìn)行充電或浮充，充電器通過將充電電壓控制在一定范圍內(nèi)，以設(shè)置恒定值的方式對(duì)電池充電。當(dāng)繼電器#3連通時(shí)，電池進(jìn)行放電，裝置對(duì)電流/電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和電池容量計(jì)算，最后根據(jù)電池容量情況判斷電池可用性，對(duì)仍具有可用性的電池直接進(jìn)行活化，對(duì)可用性不高的電池判斷為電池?fù)p壞并建議更換。

3 功能介紹

該裝置主要具有電池充電養(yǎng)護(hù)管理、電池容量核查測(cè)試、電池放電活化維護(hù)三種應(yīng)用模式。其中，充電養(yǎng)護(hù)管理可根據(jù)用戶在觸摸屏輸入的設(shè)定內(nèi)容對(duì)電池進(jìn)行恒壓充電，滿足電池恒充補(bǔ)充電量與浮充維持電量的日常儲(chǔ)存需求；電池容量核查測(cè)試是指通過采集電池充電或放電時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行容量計(jì)算，根據(jù)電池容量的多少判斷是否需要進(jìn)行電池活化維護(hù)工作；電池放電活化維護(hù)是指將電池放電至截止電壓后再充電，有利于維持電池容量與延長(zhǎng)電池壽命，滿足電池修復(fù)維護(hù)的需求。配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置的具體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

為了更好地實(shí)現(xiàn)上述三種應(yīng)用模式的運(yùn)行，配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置可以實(shí)現(xiàn)以下四種功能：自動(dòng)充電切換功能、電流/電壓監(jiān)測(cè)功能、電池活化檢測(cè)功能和溫濕度恒定功能。每種應(yīng)用模式均包含多個(gè)功能，如表1所示。

表1 配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置應(yīng)用模式—功能關(guān)系表

3.1 自動(dòng)充電切換功能

電池的充電過程存在一定局限性，如果不限制其充電電流或電壓，在充電過程中電池很可能會(huì)發(fā)熱甚至爆炸，嚴(yán)重威脅到人身、設(shè)備安全。如果電池過度充電，則會(huì)加速縮短電池的壽命。因此，控制電池恒壓充電可有效避免電池過熱和過充現(xiàn)象。

該裝置設(shè)置了10個(gè)蓄電池充電工位和10個(gè)鋰電池充電工位，當(dāng)蓄電池或鋰電池被放置在相應(yīng)充電工位上時(shí)，充電器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換充電電壓對(duì)其進(jìn)行充電（充電電壓如表2所示）。若檢測(cè)到充電工位上的電池電壓低于某電壓值，例如蓄電池可設(shè)置為11 V，鋰電池可設(shè)置為22 V，充電器將自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行浮充，保持電池電壓不低于截止電壓。該裝置可同時(shí)滿足電池日常浮充養(yǎng)護(hù)和電池活化維護(hù)（放電后補(bǔ)充充電）功能，滿足電池充電養(yǎng)護(hù)管理的使用需求。

表2 不同電池類別的充放電電壓

3.2 電流/電壓監(jiān)測(cè)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)。該裝置的優(yōu)點(diǎn)為全程無(wú)須人工監(jiān)控運(yùn)行過程，但為防止電池在充放電過程中出現(xiàn)異常情況，增設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)的功能，通過觸摸屏將功能狀態(tài)與相關(guān)數(shù)據(jù)一并顯示，便于使用者快速了解裝置的運(yùn)行情況。

（2）測(cè)量電池剩余容量。標(biāo)志電池運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)就是它的可用電量（剩余容量）或荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）[4]，傳統(tǒng)的電池容量試驗(yàn)（battery capacity test）就是對(duì)電池進(jìn)行核容放電，即在適宜的環(huán)境溫度下，以恒定電流將電池放電至某一終止電壓所放出的容量，按以下公式進(jìn)行容量計(jì)算：

式中：C為電池容量（Ah）；If為恒定放電電流（A）；t為放電時(shí)間（h）。

因測(cè)量電池剩余容量的放電時(shí)間較長(zhǎng)，需投入大量的人力、物力。為解決此問題，該裝置在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電流/電壓的同時(shí)，將放電至終止電壓那一刻的恒定電流與放電時(shí)間數(shù)據(jù)導(dǎo)入式（1）中，得出準(zhǔn)確的電池剩余容量并顯示結(jié)果于屏幕。裝置以電池剩余容量為參考，自行判斷電池可用性及是否需要進(jìn)行活化維護(hù)。

3.3 電池活化檢測(cè)功能

MengX等人通過對(duì)在不同外界應(yīng)力作用下的LiMn2O4石墨電池系統(tǒng)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，利用在不同循環(huán)次數(shù)下的電池容量保持率進(jìn)行試驗(yàn)采樣與數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)電池的循環(huán)容量常常會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)線性或指數(shù)性的下降趨勢(shì)。

為了提高電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性，保證電池特性在使用標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則需要定期對(duì)電池進(jìn)行活化，令電池的內(nèi)部離子活性受到激發(fā)，使電池特性恢復(fù)到正常使用的標(biāo)準(zhǔn)范圍。電池活化的基本原理為：對(duì)電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充放電，使負(fù)氧化還原反應(yīng)發(fā)生在電池的正負(fù)極上，從而消除電極表面因長(zhǎng)期使用而產(chǎn)生的氧化保護(hù)膜，最終促使電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定性得到大幅提升，在增加電池容量的同時(shí)降低電池內(nèi)阻，使電池達(dá)到最佳狀態(tài)，滿足相應(yīng)的循環(huán)性能標(biāo)準(zhǔn)[5]。

針對(duì)電池老化需活化維護(hù)的情況，該裝置設(shè)置了活化檢測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)到電池的剩余容量偏低但還沒完全損壞時(shí)，裝置開始對(duì)該電池進(jìn)行放電，在放至截止電壓后自動(dòng)轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)，直至電池滿電。由圖4可以看出，當(dāng)電池放電完全后開始充電時(shí)，容量逐漸升高，達(dá)到了電池容量維護(hù)的效果。

由于不同類型的電池充放電電壓各不相同，為拓寬裝置的適用性，在默認(rèn)充電電壓值的基礎(chǔ)上增加了可調(diào)節(jié)區(qū)間，如表2所示。

3.4 溫濕度恒定功能

在充電特性上，鋰電池對(duì)環(huán)境溫度的變化很敏感，尤其是在低溫環(huán)境下，電化學(xué)反應(yīng)速率下降，參與反應(yīng)的鋰離子數(shù)量銳減，使電池充電內(nèi)阻增大，充電容量降低，甚至?xí)a(chǎn)生鋰枝晶，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路[6]。

鉛酸蓄電池容量變化也與環(huán)境溫度密切相關(guān)，其標(biāo)準(zhǔn)的工作溫度為25℃。若電池長(zhǎng)期超標(biāo)運(yùn)行，則溫度每升高10℃，電池的壽命就會(huì)減半；溫度每下降10℃，電池的放電容量就會(huì)降低1%。溫度對(duì)電池自放電也有著一定的影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，電池的自放電率與溫度變化為正反饋。因此，鉛酸蓄電池應(yīng)配備必要的保溫保濕措施及良好的通風(fēng)設(shè)備[7]。

為改善上述問題，該裝置的內(nèi)部增設(shè)了溫濕度恒定功能，通過連接溫濕度傳感器，智能調(diào)節(jié)溫度在（20±5）℃范圍內(nèi)，且濕度不大于75%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究的配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置可同時(shí)適用于鉛酸蓄電池、鋰電池兩種類型的電池，將活化功能、整組浮充功能集成于一體，能單獨(dú)對(duì)每節(jié)電池進(jìn)行智能檢測(cè)和活化維護(hù)，并具備自動(dòng)記錄、告警提示及自動(dòng)切換充電模式的功能，對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化終端電池的日常維護(hù)管理有著重大的實(shí)際意義。