配電終端VRLA電池性能在線評(píng)估方法

湯定陽(yáng)，劉 恒，王建微（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519000）

配電終端VRLA電池性能在線評(píng)估方法

湯定陽(yáng)，劉 恒，王建微
（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519000）

摘要：閥控式鉛酸（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(zhǎng)期運(yùn)行在惡劣環(huán)境、缺乏必要的維護(hù)，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(cè)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(dòng)態(tài)特性，要準(zhǔn)確評(píng)估電池 SOH 一直以來(lái)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(shí)可行的在線評(píng)估蓄電池組健康情況的方法，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：蓄電池；健康度；性能在線評(píng)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(jiǎn)介

2009年 8 月，國(guó)網(wǎng)啟動(dòng)第一批城市配電網(wǎng)自動(dòng)化試點(diǎn)工程并取得初步成效，之后配電網(wǎng)自動(dòng)化試點(diǎn)工程在越來(lái)越多的城市開(kāi)展起來(lái)。隨著配電網(wǎng)自動(dòng)化的逐步發(fā)展，未來(lái)配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)將掀起高潮[1]。配電網(wǎng)快速發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了許多新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。閥控式鉛酸（VRLA）蓄電池以其自放電小、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、維護(hù)工作少等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于配電終端后備電源，在交流失電的情況下，為合閘操作機(jī)構(gòu)的分合閘、配電終端設(shè)備的運(yùn)行提供電能。因此穩(wěn)定、可靠后備供電對(duì)配電自動(dòng)化具有十分重要的意義。然而實(shí)際應(yīng)用中存在以下難題：配電設(shè)備及蓄電池組多運(yùn)行于戶外或簡(jiǎn)單遮蔽場(chǎng)所，運(yùn)行環(huán)境惡劣，運(yùn)行溫度隨天氣變化大，蓄電池往往在使用一段時(shí)間后就開(kāi)始出現(xiàn)老化甚至損壞，導(dǎo)致電池實(shí)際使用壽命與廠家提供的蓄電池設(shè)計(jì)壽命相差巨大；配電終端點(diǎn)多面廣，配套的蓄電池的數(shù)量極為龐大、廣泛分布；同時(shí)配電維護(hù)人員數(shù)量增加相對(duì)于配電網(wǎng)發(fā)展嚴(yán)重滯后，維護(hù)力量薄弱；檢測(cè)設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、周期長(zhǎng)等導(dǎo)致蓄電池得不到及時(shí)有效維護(hù)，蓄電池失效得不到及時(shí)的處理，常常在配電自動(dòng)化真正需要控制時(shí)無(wú)法完成保障工作時(shí)才發(fā)現(xiàn)蓄電池失效，嚴(yán)重地制約了配電自動(dòng)化實(shí)用化的發(fā)展。

1.2蓄電池在線性能評(píng)估的意義

1.2.1可靠的蓄電池是保障配網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成

蓄電池供給操作、保護(hù)、通信、數(shù)據(jù)保存、網(wǎng)絡(luò)自愈的最后一級(jí)防線，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)防止系統(tǒng)破壞、事故擴(kuò)大和設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞起到了至為重要的作用。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，電源無(wú)法正常供電所引發(fā)的事故中，有 50 % 以上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(gè)環(huán)節(jié)。及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池劣化，采取有效措施，降低、杜絕蓄電池事故發(fā)生率，由事故發(fā)生后的被動(dòng)救火式管理轉(zhuǎn)化為事故發(fā)生前的主動(dòng)規(guī)避式管理，保證配電網(wǎng)自動(dòng)化安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于用戶有很高的實(shí)用價(jià)值及管理效益。1.2.2 在線性能評(píng)估降低企業(yè)運(yùn)行維護(hù)成本

及時(shí)有效的蓄電池性能評(píng)估能改變用戶的維護(hù)方式，由原先大范圍的、盲目的定期維護(hù)轉(zhuǎn)為有計(jì)劃的、有目的、確定對(duì)象維護(hù)，可節(jié)省用戶運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，確保配電網(wǎng)正常、可靠運(yùn)行。因此對(duì)蓄電池進(jìn)行在線監(jiān)視與評(píng)估、保證蓄電池安全可靠運(yùn)行，是現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能高效電網(wǎng)運(yùn)行的迫切需要，確保經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展相輔相成、相得益彰。

2　蓄電池性能在線評(píng)估方法簡(jiǎn)介

2.1常用評(píng)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易爬酸、酸氣污染等缺陷，正常運(yùn)行時(shí)無(wú)須對(duì)電解液進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)酸加水，因此又被稱為“無(wú)需維護(hù)”蓄電池。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，由于對(duì)“無(wú)需維護(hù)”的認(rèn)識(shí)偏差，蓄電池組在配電網(wǎng)的應(yīng)用中實(shí)際上是出于一種長(zhǎng)期不維護(hù)的狀態(tài)，嚴(yán)重偏離了蓄電池運(yùn)行維護(hù)管理的基本要求，造成蓄電池性能下降過(guò)快。

VRLA 蓄電池是一個(gè)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(yùn)行狀態(tài)和條件等[2]。蓄電池性能主要可以通過(guò)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行判定：蓄電池容量和內(nèi)阻。了解蓄電池的性能狀況常用方法有：

2.1.1放電法

將蓄電池以 10 小時(shí)率恒定電流放電至規(guī)定的終止電壓，計(jì)算時(shí)間得出電池容量。該方法雖然準(zhǔn)確，但蓄電池需專用測(cè)試系統(tǒng)且脫離供電系統(tǒng)，時(shí)間較長(zhǎng)。

2.1.2蓄電池電壓巡檢

在線對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)每節(jié)電池的電壓來(lái)判別電池性能。該方式對(duì)蓄電池性能差異不能做出準(zhǔn)確評(píng)估，效果較差且人工成本高。

2.1.3測(cè)量電池內(nèi)阻

VRLA 蓄電池中如板柵腐蝕和增長(zhǎng)、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(cè)量的基本原理是向蓄電池注入一個(gè)低頻 20～30 Hz 或 60 Hz 的交流信號(hào)，測(cè)量電池兩端的交流電壓和通過(guò)電池的電流，然后計(jì)算出 Uac/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(cè)方法中放電法屬于離線檢測(cè)，蓄電池電壓巡檢不能很好地評(píng)估蓄電池性能，效果較差，交流內(nèi)阻測(cè)量法與檢測(cè)溶液密度法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難，高昂的價(jià)格不適于配網(wǎng)的配套產(chǎn)品中。

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)整體方案以先進(jìn)性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、擴(kuò)展性、安全性、可靠性和易維護(hù)性為目標(biāo)。高精度高準(zhǔn)確度不是本方法追求的目標(biāo)，本方法的目的在于針對(duì)上述問(wèn)題，采用一種經(jīng)濟(jì)、可靠、快速、實(shí)用的方式對(duì)蓄電池的性能進(jìn)行在線評(píng)估。

2.2基于活化評(píng)估方法介紹

目前最有效、最可靠的評(píng)估方法是離線核對(duì)性放電的容量試驗(yàn)。容量試驗(yàn)是在蓄電池離線狀態(tài)下以恒定電流對(duì)負(fù)載放電，當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到放電終止電壓值時(shí)則停止放電，整個(gè)過(guò)程所放出的容量就是蓄電池實(shí)際容量。容量實(shí)驗(yàn)的條件包括：設(shè)置放電電流 0.1C；設(shè)置放電終止電壓 1.80n[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(guò)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，圖 1 為 3 只健康狀況不同的 12 V 電池在 0.1C 放電率（小電流）、同電壓條件下的離線放電電壓與放電時(shí)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 13.65 V 左右；電池負(fù)載放電時(shí)，電壓立即從 13.65 V 的空載電壓下降至 12.7 V 左右；

（2）電池的二八原理現(xiàn)象：從 12.7～12 V 的0.7 V 之間，占了電池總?cè)萘康?80 %，然而 12～10.8 V 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 10.8 V 終止電壓，基本是直線下降，電池沒(méi)有容量了，不能再放電；

（5）放電初期，不同健康狀況的電池，電壓幾乎相同或有的略低。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(shí)間成正比關(guān)系，當(dāng)電池電壓為12 V 左右時(shí)，可近似將放電容量看成正比關(guān)系。

因此采用定期活化時(shí)期的電池容量的方法是評(píng)估當(dāng)前電池健康 SOH 最簡(jiǎn)單、方便的一種方式。

3　性能評(píng)估實(shí)現(xiàn)

目前蓄電池監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)多集中于對(duì)多只電池組成的大型高壓電池組，由運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的系統(tǒng)軟件、監(jiān)測(cè)主機(jī)及采集模塊組成。其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)蓄電池的工作狀況及性能的在線評(píng)估，為用戶的維護(hù)提供可靠的依據(jù)[4]?，F(xiàn)行的檢測(cè)管理系統(tǒng)需要架設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信線路，對(duì)眾多配電節(jié)點(diǎn)的蓄電池監(jiān)管均需安裝監(jiān)測(cè)主機(jī)和采集模塊，對(duì)于蓄電池分布廣泛，單個(gè)節(jié)點(diǎn)蓄電池檢測(cè)數(shù)量少的配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)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(jì)性強(qiáng)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(hù)電池實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)及其在線性能評(píng)估方法，其實(shí)現(xiàn)方式充分利用配電終端現(xiàn)有設(shè)備，對(duì)于配電網(wǎng)具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

3.1系統(tǒng)組成

配電終端免維護(hù)電池在線監(jiān)測(cè)及性能評(píng)估硬件實(shí)現(xiàn)方式如圖 2 所示。通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。電源模塊中MCU 將蓄電池狀態(tài)信息通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送給配電終端，配電終端通過(guò)蓄電池性能評(píng)估算法實(shí)時(shí)評(píng)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(guò)其通信網(wǎng)絡(luò)通知維護(hù)人員。

圖 2　　配電終端蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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)換成直流電，除了給設(shè)備提供電能外，同時(shí)給作為后備電源的蓄電池進(jìn)行充電，實(shí)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(jì)的電源模塊有五大主要功能：①交流整直流功能，為負(fù)載提供直流電源，同時(shí)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)如圖 3。

圖 3　　電源模塊架構(gòu)圖

模塊①是整流器，通過(guò) PWM 控制技術(shù)將交流電經(jīng)過(guò)濾波整流后輸出直流電，為負(fù)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(shí)現(xiàn) CPU 對(duì)充電電壓和輸出電流大小的有效控制，可根據(jù)實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行處理，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(kāi)關(guān)的通斷，由通信接口與配電設(shè)備進(jìn)行交互式通信，配電設(shè)備通過(guò)通信方式獲取監(jiān)測(cè)值及對(duì)電源模塊進(jìn)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(guò)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(shí)別小電流，減小測(cè)量誤差。

模塊⑤是通信模塊，實(shí)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(cè)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)，亦可遠(yuǎn)程對(duì)蓄電池進(jìn)行活化及通斷控制，電源模塊監(jiān)測(cè)參數(shù)越限時(shí)具備告警功能。

溫度傳感使用 Dallas 公司生產(chǎn)的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸接口為12wire 總線。綜合考慮溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在每個(gè)電池箱內(nèi)設(shè)一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，分布在電池單體上為溫度傳感器預(yù)留的縫隙中。溫度數(shù)據(jù)的巡檢周期為 500 ms，采集精度為 0.5 ℃。

3.3活化評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)

配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中需要定期對(duì)蓄電池進(jìn)行活化放電。蓄電池放電過(guò)程中負(fù)載特性相對(duì)穩(wěn)定，放電電流相對(duì)恒定。然而蓄電池在線活化過(guò)程中，不允許將電池電壓放到 10.8 V 的終止電壓。可以通過(guò)近似的方式將活化終止電壓設(shè)置為12 V，然后將離線檢查轉(zhuǎn)換為在線容量檢測(cè)，在活化過(guò)程中完成對(duì)容量的計(jì)算。判斷出一個(gè)容量比例值 K，即當(dāng)前的容量與額定容量之比小于 K 就認(rèn)為電池失效[6]。如圖4 所示。12 V 以上的活化充放電電壓可近似一個(gè)等比關(guān)系：

此精度足以滿足工程上對(duì)電池容量失效的簡(jiǎn)單快速判斷。因此，配電網(wǎng)蓄電池性能的評(píng)估可通過(guò)電池活化時(shí)充放電容量的計(jì)算來(lái)進(jìn)行。

圖 4　　活化比例示意圖

3.3.1安時(shí)計(jì)量法計(jì)算容量

電池充放電容量的計(jì)算是基于安時(shí)計(jì)量法。它是目前最常使用的電池容量估計(jì)方法，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、通信等電池領(lǐng)域。通過(guò)負(fù)載電流的積分估計(jì)電池容量，簡(jiǎn)單易用。假設(shè)在等間隔Δt 內(nèi)，蓄電池工作電流為 I，溫度為 T，根據(jù)安時(shí)定律，電池充放電容量 Si與充放電電流 I 的關(guān)系為：

其中：i 表示第 i 次活化，j 表示第 j 次采樣，N 為采樣總個(gè)數(shù)；

將 Si轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)溫度 25 ℃下。公式轉(zhuǎn)化為：

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

3.3.2活化容量在線性能評(píng)估過(guò)程

監(jiān)控模塊啟動(dòng)活化，蓄電池管理模塊關(guān)閉充電電源并啟動(dòng)電池放電，在一次完整的放電充電活化過(guò)程中（活化放電到額定電壓值后打開(kāi)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(jì)算完成活化充放電容量與活化充放電時(shí)間。最后通過(guò)不同時(shí)間采集到的電池活化容量值進(jìn)行性能評(píng)估。

（1）第 i 次蓄電池活化充電容量 Sci≤K×相對(duì)充電額定容量 Sxcn；

（2）第 i 次蓄電池活化放電容量 Sfi≤K×相對(duì)放電額定容量 Sxfn；

相對(duì)充電額定容量：Sxcn=Max{Sci}

相對(duì)放電額定容量：Sxfn= Sxcn

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

同時(shí)對(duì)蓄電池活化充電的過(guò)程是完全可控的，因此主要以（1）為主要判據(jù)，（2）和（3）為輔助判據(jù)，連續(xù)三次滿足（1）、（2）、（3）任一個(gè)條件就判定蓄電池失效。在電池容量不滿足要求的情況下此方法可以有效地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(shí)現(xiàn)蓄電池性能的在線評(píng)估，并提前進(jìn)行提醒，使問(wèn)題早發(fā)現(xiàn)、早處理。還能根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池壽命預(yù)測(cè)。蓄電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hù)計(jì)劃提供依據(jù)，很大程度上提高了對(duì)后備電源的維護(hù)水平，合理減低了維護(hù)成本，為電網(wǎng)和電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保證。

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Online performance evaluation method of VRLA battery of distribution terminal

TANG Ding-yang, LIU Heng, WANG Jian-wei
(Zhuhai XJ Electric Co., Ltd., Zhuhai Guangdong 519000, China)

Abstract:VRLA battery as a backup power of distribution terminal plays an important role in ensuring the reliability of distribution system. A long-term operating in harsh environments and lacking of necessary maintenance make the battery performance decreasing rapidly. So it is essential to conduct online monitoring state of health (SOH) of the batteries. Because of the nonlinear and dynamic characteristics of the electrochemical cell, it is diffi cult to accurately evaluate SOH of the battery. Based on the battery discharge curve characteristics, we propose a practical online evaluation method of SOH of battery, which has great economic value.

Key words:battery; SOH; performance online evaluation; distribution terminal

中圖分類號(hào)：TM912.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1006-0847(2015)01-35-05

收稿日期：2014-08-25