一種智慧蓄電池

黃世回，王汝鋼，白海江，楊忠亮

（1.深圳普祿科智能檢測(cè)設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518067；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

一種智慧蓄電池

黃世回1，王汝鋼1，白海江1，楊忠亮2

（1.深圳普祿科智能檢測(cè)設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518067；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

蓄電池的人工方式測(cè)試過(guò)程存在操作危險(xiǎn)性，接線錯(cuò)誤可能造成蓄電池短路傷及人員，損毀電池。本文介紹了一種“智慧電池”，為蓄電池嵌入“大腦”，并且采用一種基于嵌入式技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力線載波通信技術(shù)的蓄電池測(cè)試新方法，使用者就可以隨時(shí)隨地掌握電池的狀態(tài)?！爸腔垭姵亍碧嵘诵铍姵毓芾碇悄芑剑M(jìn)一步解決因人工安裝，復(fù)雜接線帶來(lái)的安全事故問(wèn)題。

智慧電池；電池管理系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；電力載波通信；嵌入式；荷電狀態(tài)；健康狀態(tài)

0　引言

在電力、通訊、交通等領(lǐng)域，各類大型的蓄電池廣泛作為儲(chǔ)能、直流供電電源、不間斷電源系統(tǒng)（UPS）、應(yīng)急電源系統(tǒng)（EPS）等使用［1］。蓄電池的檢測(cè)按照測(cè)試操作方法可分為人工測(cè)試和在線測(cè)試兩類。人工檢測(cè)多數(shù)用手持式檢測(cè)儀表。在線監(jiān)測(cè)時(shí)，檢測(cè)設(shè)備獨(dú)立于蓄電池之外，工程上需要專業(yè)人員處理復(fù)雜繁冗的接線，若接線失誤則可能造成蓄電池突發(fā)事故，存在一定的安全隱患。本文提出一種“智慧電池”的概念，在傳統(tǒng)的蓄電池結(jié)構(gòu)里中，嵌入有智慧的“大腦”，讓電池自己能提供出相關(guān)狀態(tài)參數(shù)：電壓、等效內(nèi)阻、電極溫度、實(shí)際容量、荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）等，從而不需要額外復(fù)雜的接線，而是通過(guò)電力線載波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池組內(nèi)所有單體電池狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸。

1　傳統(tǒng)蓄電池與其檢測(cè)

蓄電池是一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)能跟電能可逆轉(zhuǎn)變的二次電池。人們看到的蓄電池是密封好的外殼，只露出電極而已。顯然，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，面對(duì)的就是一塊“黑箱”，純粹就是提供電能和儲(chǔ)存電能。人們?yōu)榱烁谜J(rèn)知這個(gè)“黑箱”，便于方便安全的應(yīng)用，建立了其等效電路的模型，模型中的等效元件都是模擬蓄電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的電氣特性。最常見(jiàn)是 Thevenin 等效電路模型（圖1），其中：E 代表理想蓄電池電動(dòng)勢(shì)；R1代表電極與電解質(zhì)之間的非線性電阻，也稱為歐姆電阻；R2為反應(yīng)蓄電池內(nèi)部極化效應(yīng)的極化電阻；C2代表極化電容。人們建立蓄電池等效電路模型后，就可以有的放矢地研究其檢測(cè)技術(shù)了。

圖1　蓄電池 Thevenin 模型

估計(jì)蓄電池狀態(tài)參數(shù)，特別像是sOC和SOH，不是一件簡(jiǎn)單的事［2］。SOC和sOH 跟蓄電池電壓、充放電電流、內(nèi)阻、環(huán)境溫度等有著復(fù)雜的關(guān)系，大多數(shù)手持儀表很難準(zhǔn)確估計(jì)。對(duì)于大型的蓄電池組，安裝在線的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要敷設(shè)大量的測(cè)試線、通信線、電源線等，施工復(fù)雜，維護(hù)工作量大，成本高。首先，接線容易出錯(cuò)，造成蓄電池短路，損毀電池，燒毀設(shè)備，甚至擊傷安裝人員；其次，這些檢測(cè)線接法不同（有的直接用端子固定在電極，有的用電夾夾在電極上），對(duì)檢測(cè)的結(jié)果有很大影響，特別像內(nèi)阻的測(cè)試，很是敏感；再者，電線本身還帶來(lái)外加阻抗和壓降，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，也極易受到其它高頻電力設(shè)備的干擾?，F(xiàn)有的蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）是集監(jiān)測(cè)與管理一體的，由于不同廠家的BMS 系統(tǒng)軟件沒(méi)有兼容性，檢測(cè)的方法不一樣，所以很難做到管理策略統(tǒng)一，沒(méi)有確定的標(biāo)準(zhǔn)可循，不易于產(chǎn)品的推廣。

2　智慧電池

鑒于工程上電池檢測(cè)諸多不便，本文提出一種“智慧”電池的構(gòu)想，即給傳統(tǒng)電池裝上“大腦”。所謂的“大腦”就是專門的控制檢測(cè)模塊。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)電池配有專門電源芯片的例子，某些消費(fèi)類電子鋰電池里面就有專門電源芯片，國(guó)外甚至開(kāi)發(fā)出帶有液晶片通過(guò)電壓判斷顯示電量的鋰電池，整個(gè)封裝用戶是看不到里面的電源芯片模塊的；但是這些電源芯片一般只起到充放電保護(hù)電池的功能，還不具備更多的檢測(cè)功能?！爸腔邸彪姵乩砟畎褌鹘y(tǒng)電池管理系統(tǒng)的檢測(cè)功能分離出來(lái)，做成單獨(dú)的模塊，嵌入到電池的整體結(jié)構(gòu)中。這個(gè)模塊存貯有電池的ID 信息，包括序列號(hào)、生產(chǎn)日期、額定容量、額定電壓；同時(shí)還有電池的狀態(tài)信息，包括電極溫度、電壓、歐姆電阻、極化電阻、極化電容以及估算出的sOH和sOC的性能參數(shù)。特別是對(duì)于蓄電池溫度測(cè)試，溫度傳感器直接設(shè)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，準(zhǔn)確地掌握電池內(nèi)部溫度參數(shù)。這就好比蓄電池被嵌入了一塊“大腦”，能夠提供自身的狀態(tài)信息。在成組使用中，跟傳統(tǒng)蓄電池的安裝方法一樣，智慧電池利用電池間的連接電力母線，也就是通過(guò)電力線載波通信技術(shù)（PLC）傳輸這些數(shù)據(jù)到每組電池或者多組電池總數(shù)據(jù)接受轉(zhuǎn)接模塊中，跟上位機(jī)終端（電池檢測(cè)服務(wù)器）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通訊模式包括以太網(wǎng)、RS485、GPRS 等。

從圖2和圖3 可以看到，對(duì)于自身帶有檢測(cè)模塊的蓄電池，直接按照普通蓄電池那樣進(jìn)行連接，通過(guò)電力線載波通信技術(shù)，直接傳送電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)，無(wú)需大量而又繁冗的外部測(cè)試線接入，保證了安裝的簡(jiǎn)易性和安全性，整個(gè)安裝現(xiàn)場(chǎng)整潔有序，同時(shí)相比大量外接測(cè)試線，大幅減少了環(huán)境噪聲源干擾。每節(jié)單體智慧電池都有自己的“身份狀態(tài)”信息，不需要人工再去接線檢測(cè)。一旦電池出現(xiàn)不良，電池監(jiān)測(cè)服務(wù)器會(huì)根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并報(bào)警。

圖2　智慧電池的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　智慧電池的工程拓?fù)鋱D

3　智慧電池應(yīng)用的關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)

3.1多頻點(diǎn)測(cè)試技術(shù)

基于圖1的Thevenin 等效電路模型，把模型中的各個(gè)參數(shù)辨識(shí)出來(lái)，是個(gè)很關(guān)鍵的任務(wù)。辨識(shí)電池的模型參數(shù)，一方面是為了更好地刻畫(huà)電池的特性，另一方面是為了根據(jù)這些參數(shù)，特別是內(nèi)阻信息，建立電池的sOC、SOH 數(shù)學(xué)模型，來(lái)估計(jì)SOC、SOH。為了準(zhǔn)確地辨識(shí)出電池模型參數(shù)，智慧電池應(yīng)用了多頻點(diǎn)交流法內(nèi)阻測(cè)試技術(shù)［3］。

電池是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，放電及充電反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，真正決定蓄電池容量的是電池的化學(xué)和電化學(xué)狀態(tài)。根據(jù)如圖1所示的蓄電池物理模型，我們可以寫(xiě)出其交流復(fù)阻抗公式（1）［3-4］：

其中，F(xiàn)為測(cè)試信號(hào)頻率。由公式（1）可以看出，只要在不同的頻率下進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)解聯(lián)立方程，可以分別計(jì)算出蓄電池歐姆電阻、極化電阻、電容參數(shù)值，就能辨識(shí)出蓄電池模型。經(jīng)過(guò)控制電路，產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率F1、f2的正弦電流交流信號(hào)，同時(shí)在蓄電池兩極柱捕獲響應(yīng)的同頻交流電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)系列數(shù)據(jù)信號(hào)處理最終得到蓄電池的模型參數(shù)。

3.2SOH 判斷和基于kalmanfilter的sOC 最優(yōu)估計(jì)

SOH 反映的是蓄電池的健康狀態(tài)。其定義為，在規(guī)定的充放電協(xié)議下，蓄電池滿充的最大容量與其額定容量的之比［5］，如公式（2）所示。其中：xSOH表示sOH的大??；Ca是蓄電池當(dāng)前實(shí)際滿充容量；Cn是蓄電池出廠額定容量。

目前，專門針對(duì)sOH 研究還比較少，最常見(jiàn)的方法就是核容放電，即對(duì)單體電池滿充后，按照0.1C電流放電到規(guī)定截止電壓，得到完全放出電量來(lái)計(jì)算sOH的值?？紤]到用電安全，這種方法不適合 EPS 或者 UPS 等領(lǐng)域。通過(guò)大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)電池老化一定伴隨著滿充電壓也有明顯下降和內(nèi)阻變大等現(xiàn)象，選取電壓、內(nèi)阻、極化電容作為變量，建立與sOH 之間的函數(shù)關(guān)系式：

SOC 反應(yīng)的是蓄電池的荷電狀態(tài)，即蓄電池在工作中實(shí)時(shí)剩余電量，放電過(guò)程sOC 至關(guān)重要，所以國(guó)內(nèi)外對(duì)sOC 研究也非常之多。在公式（4）中：xSOC表示sOC的大??；Ca是蓄電池當(dāng)前實(shí)際滿充容量；Ca′是蓄電池實(shí)時(shí)容量。

采用KalmanFilter 算法，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的迭代，使得最優(yōu)估計(jì)逼近回歸到真實(shí)荷電量上來(lái)，解決了安時(shí)計(jì)量法由于初始電量不準(zhǔn)確造成的誤差累積，同時(shí)比單獨(dú)用電壓或者內(nèi)阻法估計(jì)sOC 有更加良好的線性特性。通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)得出，只要建立合理準(zhǔn)確的蓄電池狀態(tài)空間方程，由 Kalman 濾波算法得到的sOC 最優(yōu)估計(jì)值誤差就可控制在5％以內(nèi)。如下式（5）和式（6）就是一組空間狀態(tài)方程［1］。

狀態(tài)方程：

觀測(cè)方程：

式（5）中：xSOC為SOC 狀態(tài)量；Ua為實(shí)時(shí)電壓；△t為抽樣時(shí)間間隔；η為放電效率；C2為極化電容；R2極化電阻；I為放電電流；w1、w2為噪聲狀態(tài)。式（6）中：Uo為開(kāi)路電壓；α、β為與xSOC的關(guān)系系數(shù)；v為觀測(cè)噪聲。

3.3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力線載波通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制［6-7］。根據(jù)應(yīng)用范圍不同，它具有不同的復(fù)雜度和多樣的形式。如圖3所示的智慧電池工程拓?fù)鋱D儼然是一個(gè)典型的三層結(jié)構(gòu)模式的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即有感控層—智慧電池、電流傳感器、溫度傳感器等，網(wǎng)絡(luò)層—數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)、蓄電池監(jiān)控服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、以太網(wǎng)、本地終端等，應(yīng)用層—客戶智能終端、蓄電池監(jiān)控管理等。

低壓電力線載波（PLC）通信是利用輸電線路為載波信號(hào)的傳輸媒介的特殊通信方式，其最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)數(shù)據(jù)纜線網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)有電力線，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞［8］。其本意是利用電網(wǎng)中輸電線路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是在電網(wǎng)中，受到變壓器、電力線固定脈沖干擾，相線中信號(hào)的損失衰減等限制大范圍長(zhǎng)距離應(yīng)用空間。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，特別隨著智能家居系統(tǒng)、安保系統(tǒng)等局部范圍系統(tǒng)應(yīng)用的出現(xiàn)，電力載波通信又得到很大的發(fā)展應(yīng)用空間。

相比之下，UPS 或者儲(chǔ)能電站大型蓄電池應(yīng)用環(huán)境是一個(gè)完整的線路系統(tǒng)，直流母線不存在如電網(wǎng)交流線路存在的固定干擾，在有限的傳輸范圍內(nèi)，電力載波不失為最佳的解決方案。智慧電池“大腦”中，應(yīng)用TI 公司提供的專業(yè)載波芯片，支持FSK、BPSK、OFDM-PRIME、OFDM-G3電力載波（PLC）通信標(biāo)準(zhǔn)，即智慧電池可以采用PLC 通信標(biāo)準(zhǔn)與電池監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收設(shè)備進(jìn)行相互通信，但并不限于此，也可以采用其他標(biāo)準(zhǔn)的或用戶自定義的PLC 通信協(xié)議，與電池監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收設(shè)備進(jìn)行相互通信。如圖4所示，智慧電池連接中，電力線載波信號(hào)傳輸示意。電力線載波信號(hào)采用高頻信號(hào)。智慧電池、智慧電池間的連接線、正負(fù)直流母線和電池監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)環(huán)路。電池監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收設(shè)備發(fā)送的電力線載波信號(hào)，所有智慧電池都可以接收到；每個(gè)智慧電池發(fā)送的電力線載波信號(hào)，電池監(jiān)測(cè)接收設(shè)備也可以接收到（單雙工）。電池監(jiān)測(cè)接收設(shè)備及所有智慧電池的監(jiān)測(cè)模塊都設(shè)有不同的地址，且電力線載波信號(hào)發(fā)送設(shè)備發(fā)送的信號(hào)含有目標(biāo)地址及源地址，只有與目標(biāo)地址符合的設(shè)備才返回應(yīng)答信號(hào)（該設(shè)備返回的應(yīng)答信號(hào)中同樣含有目標(biāo)地址及源地址）。

圖4　智慧電池工程拓?fù)鋱D

4　結(jié)束語(yǔ)

每一智慧電池通過(guò)其他智慧電池、智慧電池間的連接線、正直流母線和負(fù)直流母線，將檢測(cè)到的電池本體的性能參數(shù)以及該智慧電池的ID 信息以電力線載波通信方式發(fā)送給電池監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電池狀態(tài)信息互聯(lián)。電池使用者及管理者可以隨時(shí)掌握每一只電池當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。采用智慧電池及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)方法時(shí)，不必增加任何測(cè)試線，完全不用改變電池傳統(tǒng)的連接方式及使用方式。它可應(yīng)用于電力、通訊、交通等領(lǐng)域的各類蓄電池的全生命周期的監(jiān)控管理，極大地提升了蓄電池管理的智能化自動(dòng)化水平。

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A kind oFintelligent battery

HUANG shihui1，WANG Rugang1，BAI Haijiang1，YANG Zhongliang2
（1.shenzhen Pluke Intelligent Test Equipment Co.，Ltd.，shenzhen Guangdong 518067；2.shenzhen Powersupply Co.，Ltd.，shenzhen Guangdong 518000，China）

There is an operational risk in the process oFmanual testing，because wiringFault may causeshort circuit resulting in an injury to operators and the damage to batteries.In this paper，a kind oF‘intelligent battery’ is introduced，which is embedded in the battery as a ‘brain’.A new battery test method is adopted，which is based on embedded technology，and combined with the Internet oFThings technology and power line carrier communication technology，so the users can control the batterystates at anytime and anywhere.The ‘intelligent battery’ enhances the level oFintelligent management oFbatteries，andFurthersolve thesafety accidents caused by manual installation and complex wiring.

intelligent battery；battery managementsystem；Internet oFThings；power line carrier communication；embedded；state oFcharge；state oFhealth

TM 912.9

A

1006-0847（2016）05-233-4

2016-08-18