蓄電池壽命評(píng)估技術(shù)研究

包 蕊

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

蓄電池壽命評(píng)估技術(shù)研究

包 蕊

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

綜合考慮蓄電池實(shí)際應(yīng)用情況及各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，采用模糊原理建立數(shù)學(xué)模型，并通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型計(jì)算出的使用壽命與實(shí)際壽命誤差小于10%，該技術(shù)能夠?qū)π铍姵貕勖M(jìn)行有效判斷，提高了蓄電池的利用率，減少了投入成本。

蓄電池；壽命；模糊；評(píng)估技術(shù)

蓄電池壽命評(píng)估技術(shù)目前國內(nèi)外還處于空白狀態(tài)，因蓄電池運(yùn)行壽命受運(yùn)行環(huán)境、放電頻率、放電深度、運(yùn)行年限、維護(hù)技術(shù)、設(shè)計(jì)壽命、蓄電池生產(chǎn)商、生產(chǎn)工藝、型號(hào)等因素影響［1］，單一條件判斷蓄電池運(yùn)行壽命不現(xiàn)實(shí)。綜合分析影響蓄電池實(shí)際運(yùn)行壽命的因素，依據(jù)模糊理論建立蓄電池運(yùn)行壽命模型是研究蓄電池壽命評(píng)估技術(shù)的核心。

1 影響蓄電池壽命的因素

1.1 放電深度

變電站站用交流電停電后，蓄電池組為二次負(fù)載提供直流電源［2］。當(dāng)蓄電池被過度放電時(shí)，將導(dǎo)致蓄電池陰極硫酸鹽化形成硫酸鉛晶體。硫酸鉛本身是一種絕緣體，陰極形成的硫酸鉛越多，蓄電池的內(nèi)阻［3］越大，充放電性能越差，容量下降越快，使用壽命越短。

1.2 運(yùn)行條件

蓄電池在高溫下長(zhǎng)期使用，溫度每升高10℃，壽命將降低50%。

1.3 放電頻率

蓄電池頻繁長(zhǎng)時(shí)間放電，并經(jīng)常在沒有充滿電的情況下進(jìn)行深度放電，使蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于虧電狀態(tài)，內(nèi)部極板硫化，導(dǎo)致蓄電池容量迅速下降，成為落后蓄電池。

1.4 荷電狀態(tài)

蓄電池的荷電狀態(tài)［4］SOC（State of charge）與蓄電池劣化程度、劣化模式、放電倍率、放電頻率、溫度等因素有關(guān)，因此，蓄電池荷電狀態(tài)同樣影響其使用壽命。

2 壽命評(píng)估技術(shù)研究

蓄電池因?yàn)樵O(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝不同，可能在使用中突然出現(xiàn)故障，這種使用壽命的提前終止情況，一般在故障出現(xiàn)時(shí)才能診斷出來，不能提前預(yù)測(cè)。

本文提供了一種根據(jù)蓄電池放電容量計(jì)算容量衰減比，得到當(dāng)前蓄電池的老化系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)老化系數(shù)評(píng)估蓄電池的壽命的方案。蓄電池的壽命采用蓄電池的老化系數(shù)來表征，用蓄電池的當(dāng)前容量與蓄電池的初始容量比值表示。

2.1 蓄電池老化系數(shù)研究

蓄電池測(cè)試發(fā)現(xiàn)，蓄電池老化模型類似于電壓容量放電曲線，在放電曲線中，記錄了N點(diǎn)的電壓、容量、電流、溫度。

設(shè)第1次電壓容量放電曲線第i點(diǎn)電壓為V1i、容量為C1i、電流為I1i、溫度為T1i、老化系數(shù)β1i為1，第m次電壓容量放電曲線第i點(diǎn)電壓為Vmi、容量為Cmi、電流為Imi、溫度為Tmi，如0.8＜Imi／I1i＜1.2，則第m次蓄電池容量計(jì)算公式為

第m次電壓容量放電曲線第i點(diǎn)老化系數(shù)βmi計(jì)算公式為

第m次老化系數(shù)為

2.2 蓄電池壽命模型的建立

蓄電池使用壽命受設(shè)計(jì)工藝、使用條件、環(huán)境溫度、充電模式等因素影響。綜合考慮影響壽命的因素，利用模糊理論建立1個(gè)通用性較強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)蓄電池的壽命進(jìn)行研究，通過函數(shù)圖發(fā)現(xiàn)，循環(huán)壽命的圖像特性接近冪函數(shù)的圖像特性，因此，確定隸屬函數(shù)為冪函數(shù)，使其具有較高的隸屬度，模糊系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊系統(tǒng)的架構(gòu)

首先需確定1個(gè)集合：D＝｛y（xi，xj）｜i，j＝1，2，3，…，n｝，其中i≠j，xi，xj為模型的輸入量，y為模型的輸出量，自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)包括3層。

第1層：

?n＝S（xi）隸屬函數(shù)xi應(yīng)符合冪函數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系

第二層：

第三層：

x為模型的輸入量［5］，與SOC（實(shí)際容量）、溫度T、放電截止電壓、蓄電池老化系數(shù)有關(guān)，y為蓄電池循環(huán)壽命次數(shù)，a、b、c、d、p、q矯正系數(shù)需通過實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證確定范圍，主要受蓄電池放電深度、放電頻率、放電電流、環(huán)境溫度、生產(chǎn)工藝、廠品型號(hào)等因素影響。訓(xùn)練樣本應(yīng)盡可能覆蓋模型的輸入空間，蓄電池要在不同使用條件和環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證模型的自適應(yīng)性。模型建立所需數(shù)據(jù)樣本獲取工作量較大，本文選擇具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行舉例。

2.3 試驗(yàn)方案

a.分別以使用年限為3～6年，容量在80%以上，相同品牌按照使用年限分成2類，共4組分別用于壽命試驗(yàn)。

b.試驗(yàn)使用智能放電負(fù)載、高精度萬用表、直流開關(guān)電源系統(tǒng)。

c.每組電池按放電率為C10（10 h放電），C5（5 h放電），C15（15 h放電）進(jìn)行試驗(yàn)。

d.放電頻率為1天，即每天均進(jìn)行放電試驗(yàn)。

e.放電截止電壓為1.8 V，放電溫度控制在25℃，并記錄放電測(cè)試數(shù)據(jù)。

f.當(dāng)容量在額定容量80%以下時(shí)，停止放電，計(jì)算放電次數(shù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

分別對(duì)2個(gè)生產(chǎn)廠家運(yùn)行5年和6年的300 AH蓄電池進(jìn)行壽命評(píng)估試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1～表4所示。

表1 廠家1運(yùn)行5年壽命評(píng)估表

表2 廠家1運(yùn)行6年壽命評(píng)估表

表3 廠家2運(yùn)行5年壽命評(píng)估表

表4 廠家2運(yùn)行6年壽命評(píng)估表

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)估數(shù)據(jù)對(duì)比

以3個(gè)廠家為例預(yù)測(cè)蓄電池壽命如表5所示，同時(shí)將預(yù)估壽命與實(shí)際壽命對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

表5 蓄電池壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

圖2 壽命預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較

由圖2可以看出，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相差不大，誤差低于10%，該評(píng)估技術(shù)可行。

4 結(jié)束語

本文提出的蓄電池壽命評(píng)估數(shù)學(xué)模型，當(dāng)放電深度、放電頻率、放電電流及溫度等參數(shù)確定后，即可通過SOC剩余容量推算出蓄電池的剩余壽命，誤差在10%以內(nèi)。該模型可根據(jù)蓄電池的使用條件預(yù)估使用壽命。

［1］ 馬 勇，王艷慧.電廠廠用蓄電池組的選型［J］.東北電力技術(shù)，2005，26（10）：45－47.

［2］ 陳 曦，張曉東，耿宇缽.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.東北電力技術(shù)，2005，26（7）：38－41.

［3］ 王秀霞.固定型閥控式鉛酸蓄電池組充放電試驗(yàn)與運(yùn)行狀況分析［J］.東北電力技術(shù)，2009，30（1）：31－33.

［4］ 高安同，張 金，陳榮剛，等.鋰離子電池荷電狀態(tài)估算及剩余壽命預(yù)測(cè)［J］.電源技術(shù)，2014，28（6）：15－19.

［5］ 呂 超，劉珊珊，沈 杰，等.鋰離子電池等效電路模型的比較研究［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2013，12（11）：26－29.

Battery Life Assessment Technology Research

BAO Rui
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper，considering the actual application situation and the battery parameters，sets up the principle of fuzzy mathe?matics model.It verifies through massive experiments the service life and real life error less than 10%by the model calculation.The technology can effectively judge the life of battery，improve the utilization rate of battery and reduce the cost.

Battery；Lifetime；Fuzzy；Evaluate technology

TM912

A

1004－7913（2015）04－0022－03

包 蕊（1981—），女，碩士，高級(jí)工程師，從事二次設(shè)備研究。

2015－02－10）