計量終端備用電池控制方法及應(yīng)用

吳飛財

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

智能計量終端在電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)中起著“承上啟下”的作用，終端對下采集匯聚電能表數(shù)據(jù)，對上將處理后的電能量數(shù)據(jù)傳送至主站，是重要的信息采集設(shè)備[1-3].在外部停電狀態(tài)下，終端仍需具備電能表停電信息收集與上報、電能量數(shù)據(jù)采集與分析、故障記錄與交互等功能.因此需要電池組提供可靠的備用電源供應(yīng).目前電網(wǎng)公司使用的備用電池主要為鎳氫電池，存在著可靠性低、容量衰減快、監(jiān)測方法弱等缺點.現(xiàn)有關(guān)于電池管理系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)大多關(guān)注汽車的電池管理或者新能源發(fā)電的電池控制方法，而適用于計量終端備用電池的控制和保護(hù)方法比較少見[4-7].本文首先分析影響備用電池使用壽命與可靠性供電的主要因素，然后提出一種新的備用電池控制方法，最后通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析.

1 問題分析

(1)電池容量測試

選擇10組已使用6～12 m的電池，先將電池電壓充電至5.8 V，再利用安時積分法以60 mA的放電電流測試每組電池的容量[8]，結(jié)果(見圖1).

根據(jù)技術(shù)規(guī)范的要求，備用電池的額定容量需≥600 mAh，而上述10組電池的容量僅為額定容量的13%～26%，明顯低于額定容量的要求[2-3].

(2)大電流放電測試

將待測的10組電池充電至5.8 V，再通過阻性負(fù)載以600 mA的電流放電，記錄電池電壓降到4.2 V時的持續(xù)時間，測試結(jié)果(見圖2).

圖1 電池容量測試結(jié)果

圖2 放電持續(xù)時間測試結(jié)果

從測試結(jié)果可知，10組電池組在大電流放電下的持續(xù)時間較短，難以滿足停電情況下通過4G模塊上報停電告警的要求[1].

(3)二組測試的比較

通過上述兩組試驗，結(jié)合電池控制電路的分析，得出終端備用電池控制方法存在的主要問題：①電池控制電路簡單，缺乏對電池的有效保護(hù).大部分終端僅使用一個限流電阻作為保護(hù)，無法有效避免電池過充電、過放電.②缺乏電池維護(hù)電路，導(dǎo)致電池容量降低.由于無法定期對電池充放電，難以激活電池容量.③無法滿足大電流放電沖擊.停電初期，終端與主站通信需要消耗較大電流，而備用電池難以滿足大電流的需求.④電量檢測不準(zhǔn)確，無法及時發(fā)現(xiàn)容量不足的情況.由于采用電壓法檢測電量，存在電量虛高現(xiàn)象[9].

為了延長備用電池壽命，提高計量終端備用電源的穩(wěn)定性和可靠性，滿足終端掉電時的需求，本文設(shè)計了一種終端備用電池控制方法，以期解決上述問題.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行模式

本文提出的新的備用電池控制方法，具有充放電電流檢測、電池容量檢測、電池容量激活、短時大電流輸出、充放電管理等功能.該方法的原理(見圖3).圖中所示的備用電池模塊由一組鎳氫電池、一組超級電容、一個LED負(fù)載、兩個電流檢測元件以及三個電子開關(guān)組成.電子開關(guān)由驅(qū)動電路控制，可工作于導(dǎo)通、截止以及PWM調(diào)制狀態(tài).其電池模塊的運行模式包括充電模式、激活模式、放電模式、保護(hù)模式等.

圖3 備用電池模塊原理圖

2.1 充電模式

當(dāng)終端外部電源正常時，備用電池模塊處于充電模式，終端向模塊提供直流電源.此時開關(guān)S2閉合，S1斷開，電池模塊的充電電流由開關(guān)S3的占空比決定.當(dāng)電容C和電池BT的電壓較低時，減小S2占空比，優(yōu)先給超級電容充電.電池BT的充電采用恒流充電與涓流充電相結(jié)合的策略，充電電流為0.1C.當(dāng)BT電壓達(dá)到設(shè)定值后，通過控制S2，僅為BT提供抵消其自放電的涓流充電電流，避免鎳氫電池由于長期過充電而損壞.

2.2 激活模式

激活模式是對鎳氫電池定期充放電，避免電池由于長期浮充電而導(dǎo)致容量減少.該模式包含放電和充電兩種子模式.當(dāng)開關(guān)S2斷開，S1、S3閉合時，模塊工作于放電子模式.當(dāng)開關(guān)S1斷開，S2、S3閉合時，模塊工作于充電子模式.為了解決阻性負(fù)載發(fā)熱的問題，采用LED燈作為負(fù)載.該模式在鎳氫電池放電過程中，還可利用電流元件TA2檢測放電電流，從而實現(xiàn)電池容量檢測功能.若電池容量不足，且經(jīng)過多次激活充放電仍無法恢復(fù)電池容量，則終端將上報電池容量低告警，提醒及時更換電池.本電池模塊采用安時積分法檢測電池容量，當(dāng)電池充電至電壓上限值US后，開始利用LED負(fù)載放電，記錄放電電流IL、電池電壓U1和放電時間t，直至電池電壓下降至下限值UX.此時電池容量可由式(1)計算得到.

(1)

安時積分法檢測電池容量耗時長但結(jié)果準(zhǔn)確，電壓檢測法雖然誤差大但速度快，為此本文提出了一種基于放電數(shù)據(jù)的電壓檢測法.

由于放電過程中電流IL、電壓U1隨時間t單調(diào)遞減，因此根據(jù)記錄的電流、電壓、時間等數(shù)據(jù)，可建立電流和電壓il(u1)、持續(xù)時間和電壓T(u1)的對應(yīng)關(guān)系.從而由電池電壓U1估算出電池剩余電量QB，見式(2)所示.

(2)

每次激活放電之后，由放電電流、電池電壓、放電時間等數(shù)據(jù)更新式(2)，從而提高電壓法檢測電池容量的準(zhǔn)確性和快速性.

從電網(wǎng)運行經(jīng)驗可知，終端每年的停電時間較少(2014年南方電網(wǎng)公司用戶年平均停電時間<5 h)，備用電池長期處于浮充狀態(tài).因此每次放電之后，需記錄非放電時間T，當(dāng)T超過閾值Tf時,則需要激活電池，恢復(fù)電池容量.Tf可根據(jù)電池特性設(shè)置，對于鎳氫電池一般為2～3個月.考慮到備用電池模塊的備用特性，在激活模式下，開關(guān)S2斷開，由超級電容C承擔(dān)應(yīng)急放電任務(wù).

2.3 放電模式

當(dāng)終端失去外部電源時，直流電壓U2低于設(shè)置值，備用電池模塊進(jìn)入放電模式.此時開關(guān)S1斷開、S2、S3閉合，超級電容C和電池BT并聯(lián)向終端提供備用電源.終端此時保存重要數(shù)據(jù)并向主站上報告警信息.由于終端與主站通信需要較大的電流，因此由超級電容提供短時大電流，后續(xù)的小電流則主要由電池提供.

為了避免電池由于過放電而損壞，當(dāng)檢測到電池電壓U1低于下限值Ux時，斷開開關(guān)S2.為了避免電池因放電電流過大而損壞，當(dāng)電流元件TA1檢測到的放電電流過大時，經(jīng)過延時時間Td后斷開開關(guān)S3.

2.4 保護(hù)模式

當(dāng)開關(guān)S1、S2、S3斷開時，備用電池模塊工作于保護(hù)模式，此時電池、超級電容與終端和放電負(fù)載電氣脫離.終端外部電源受到干擾(如雷擊影響、短時過電壓)而導(dǎo)致電壓U2過高，或者由于短路導(dǎo)致充放電電流TA1過大時，為了保護(hù)備用電池模塊不受損壞而進(jìn)入保護(hù)模式.待故障消失后，備用電池模塊退出保護(hù)模式.

3 電池控制方法研究

由于計量終端分散安裝的特性，計量終端的現(xiàn)場運維成本較高，不適合經(jīng)常人工檢測和更換備用電池，為此需要提高終端備用電池模塊的自檢自維護(hù)能力[10-11].

3.1 電池及超級電容容量選擇

根據(jù)技術(shù)規(guī)范的要求，備用電池應(yīng)選擇鎳氫電池，且額定容量≥600 mAh[2-3].終端若不處于遠(yuǎn)程通信狀態(tài)，則消耗電流一般<100 mA，鎳氫電池可持續(xù)放電6 h以上.

超級電容的可用容量取鎳氫電池額定容量的1/60，電容的可用電壓降設(shè)為3.3 V，則由式(3)可計算得出其電容值.

(3)

因此超級電容值選取10F，可單獨放電6 min左右.

3.2 工作機制及流程

備用電池模塊的運行模式包括充電、激活、放電、保護(hù)等四種模式.圖4給出了電池模塊在各種模式之間轉(zhuǎn)換的條件.

圖4 備用電池運行模式原理圖

終端外部電源供電正常時，電池模塊處于充電模式.此時模塊優(yōu)先為超級電容充電，再為鎳氫電池充電.模塊監(jiān)測電池電壓，自動調(diào)節(jié)充電電流.當(dāng)電量充滿后，僅用涓流補足充電.若電池模塊連續(xù)處于充電模式的時間超過限值，則模塊定期進(jìn)入激活模式.在該模式下，鎳氫電池通過LED負(fù)載放電，再進(jìn)行充電，實現(xiàn)鎳氫電池的激活維護(hù).在放電過程中，電池模塊同時進(jìn)行電池容量測試.根據(jù)測試結(jié)果更新電壓/容量關(guān)系曲線，提高電壓容量檢測法的準(zhǔn)確性.若經(jīng)過多次激活維護(hù)仍發(fā)現(xiàn)電池容量不足時，則發(fā)出告警信號.

當(dāng)終端失去外部電源時，電池模塊處于放電模式.此時超級電容和鎳氫電池并聯(lián)為終端供電，若需要短時大電流，則主要由超級電容提供.電池模塊檢測放電電流和電池電壓，避免由于過放電而損壞電池.當(dāng)外部電源恢復(fù)正常時，退出放電模式.終端工作時易受電網(wǎng)影響，也可能出現(xiàn)電源故障.因此當(dāng)電池模塊檢測到過壓、過流、短路等故障時，迅速切斷電池模塊與終端的電連接，進(jìn)入保護(hù)模式.

4 實驗驗證

為了驗證備用電池模塊控制方法的性能，設(shè)計了兩種實驗，一種是放電實驗，另一種是充電實驗[12].實驗中選擇的鎳氫電池標(biāo)稱電壓為4.8 V，容量為600 mAh，超級電容為10 F，LED負(fù)載電流為10 mA.

4.1 放電實驗

選擇5組已使用6～12 m的備用電池，編號1～5，其中第1～3組電池先經(jīng)歷3輪激活模式，第4～5組電池不經(jīng)歷激活模式.將5組備用電池置于充電模式，直至電壓達(dá)到5.8 V，再將其置于放電模式，放電電流為60 mA.記錄每組電池放電至4.2 V時所持續(xù)的時間.

表1為電池放電實驗結(jié)果，從中可發(fā)現(xiàn)第1～3組電池的容量明顯高于第4～5組電池，驗證了激活模式對于恢復(fù)電池容量的作用.

表1 電池放電實驗結(jié)果

將5組備用電池置于充電模式，直至電壓達(dá)到5.8 V，再將其置于放電模式，放電電流為600 mA.記錄每組電池放電至4.2 V時所持續(xù)的時間.

表2為電池大電流放電實驗結(jié)果，從中可發(fā)現(xiàn)第1～3組電池的放電持續(xù)時間明顯大于第4～5組電池，驗證了激活模式對于提高電池放電能力的作用.

表2 電池大電流放電實驗結(jié)果

4.2 充電實驗

選擇一組備用電池模塊，先將其置于放電模式，待電壓降至4.2 V，再將其接于最高電壓為5.8 V最大電流為60 mA的直流電源上.記錄外部電壓U2、鎳氫電池電壓U1、開關(guān)S2狀態(tài).

圖5給出了充電試驗中外部電壓曲線，圖6給出了充電過程中開關(guān)S2的占空比變化曲線.從圖5、圖6分析可以得到，為了使超級電容快速完成充電，充電初期S2處于斷開狀態(tài)，外部電源僅對超級電容充電，在260s時超級電容電壓達(dá)到5.8 V.為了保證超級電容能夠及時提供備用電源，需將其電壓維持在5.8 V處，因此開關(guān)S2隨后處于占空比調(diào)制狀態(tài).隨著電池電壓的提升，S2的占空比也逐漸增大.

圖5 放電實驗中外部電壓U2曲線

圖6 放電試驗中的開關(guān)S2占空比曲線

5 結(jié) 語

本文結(jié)合計量終端長期處于浮充電的使用特點，提出了一種適用于終端備用電池的控制方法，可解決鎳氫電池可靠性低、容量衰減快、監(jiān)測方法弱等問題.提高了終端在停電情況下的工作可靠性，降低運維成本.本文設(shè)計的備用電池組結(jié)合了電池和超級電容的優(yōu)勢，能夠滿足大電流放電的需求.通過LED負(fù)載和超級電容的有機組合，可實現(xiàn)電池模塊在線激活維護(hù)，有效延長電池的使用壽命.本文提出的方法對于其他設(shè)備備用電池模塊的設(shè)計具有一定的參考價值.

[1] 國家電網(wǎng)公司.Q/GDW1374.1—2013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范第1部分：專變采集終端技術(shù)規(guī)范[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2013.

[2] 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司.Q/CSG11109007—2013中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司配變監(jiān)測計量終端技術(shù)規(guī)范[S].廣州:中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司,2013.

[3] 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司.Q/CSG11109002—2013中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司負(fù)荷管理終端檢驗技術(shù)規(guī)范[S].廣州：中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，2013.

[4] 宋永華，陽岳希，胡澤春.電動汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(4)：1-7.

[5] 夏正鵬，汪興興，倪紅軍，等.電動汽車電池管理系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2012，36(7)：1052-1054.

[6] 高照亮.內(nèi)燃機車輛電源管理系統(tǒng)及其維護(hù)[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，22(4)：73-76.

[7] 朱振宇.通信基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)設(shè)計[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2009，21(4)：38-41.

[8] 劉 閣.鎳氫電池充放電原理研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，21(6)：12.

[9] 易菊蘭，王忠華，李申飛.電池電量精確測量方法的設(shè)計與實現(xiàn)[J].光盤技術(shù)，2008，23(2)：34.

[10] 張瑞松，吳仲光，金麗娟，等.鎳氫電池管理系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計算機，2013，26(8)：123-125.

[11] 馮 燕.用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)[J].電測與儀表，2010，47(11)：76-80.

[12] 李素英，竇真蘭.智能鎳氫電池充電電路設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2017，33(7)：88-92.