通信蓄電池健康度綜合評(píng)價(jià)方法研究*

繆巍巍吳海洋施 健呂順利

（1.江蘇省電力公司 南京 210024）（2.南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司） 南京 210003）

1 引言

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)得到快速增長(zhǎng)，使得電力系統(tǒng)的調(diào)度監(jiān)控運(yùn)行任務(wù)日益繁重，電網(wǎng)大規(guī)模、全過(guò)程的監(jiān)視、控制、分析、計(jì)算正向著動(dòng)態(tài)、在線的方向轉(zhuǎn)變。通信系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)信息傳輸、實(shí)時(shí)互動(dòng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其高效實(shí)時(shí)、雙向聯(lián)通的特性為智能電網(wǎng)提高供電性能效率、有效運(yùn)用資源、安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和傳輸媒體。電力通信蓄電池作為保障通信系統(tǒng)正常運(yùn)作的最后一道安全保障，是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行必不可少的重要環(huán)節(jié)。

蓄電池作為一種能量轉(zhuǎn)換器，可以在不同條件下將化學(xué)能和電能進(jìn)行多次重復(fù)循環(huán)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)充電與放電。它被廣泛應(yīng)用于通信、電力、交通、醫(yī)療、軍事等多個(gè)領(lǐng)域［1～3］。從二十世紀(jì)七十時(shí)代以來(lái)，鉛酸蓄電池經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)完善，在化學(xué)能源領(lǐng)域中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。特別是閥控式密封鉛酸蓄電池的出現(xiàn)，因其具有電流放電性能強(qiáng)、電壓特性平穩(wěn)、溫度適用范圍廣、單體電池容量大、使用成本低廉、安全性高等眾多優(yōu)點(diǎn)，使其在絕大多數(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域和一些新興應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了牢不可摧的統(tǒng)治地位［4～6］。

然而近年來(lái)，免維護(hù)鉛酸蓄電池在實(shí)際使用過(guò)程中，因蓄電池故障導(dǎo)致的通信重大事故時(shí)有發(fā)生，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大的安全隱患。傳統(tǒng)的蓄電池日常維護(hù)工作通常采用人工方式定期進(jìn)行，由于電網(wǎng)的通信蓄電池通常分布在不同等級(jí)的變電站通信機(jī)房中，很難保證做到專人監(jiān)管與檢測(cè)，同時(shí)也缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法，無(wú)法對(duì)通信蓄電池開(kāi)展有針對(duì)性的健康狀態(tài)評(píng)估，并實(shí)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)事前預(yù)警。

本文在深入分析蓄電池特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合蓄電池運(yùn)行狀態(tài)健康的定義，提出了一種針對(duì)電力通信蓄電池運(yùn)行狀況的綜合判定方法，能夠在充電、放電和浮充等不同條件下對(duì)蓄電池的運(yùn)行狀況健康度進(jìn)行全方位的科學(xué)判定。本方法能夠針對(duì)蓄電池的不同狀態(tài)定性地判定蓄電池的健康狀況，從而有效提高蓄電池正常運(yùn)行的保障水平。

2 蓄電池健康狀況定義

表征蓄電池運(yùn)行狀況健康度最直接的特性參數(shù)不是額定容量，而是其實(shí)際容量大小。通常蓄電池有兩個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)，即SOC（State of Charge）和SOH（State ofHealth）［7～8］。

SOC指蓄電池的荷電狀態(tài)，其定義為其中，Cn表示其額定容量，Cr表示其剩余容量，Cu表示其已使用的容量。在蓄電池的實(shí)際使用過(guò)程中，一般會(huì)用蓄電池的實(shí)際容量Ca來(lái)代替額定容量Cn，從而能夠更準(zhǔn)確地反映出蓄電池的真實(shí)荷電狀態(tài)。即：

SOH指蓄電池的健康程度（健康狀況），其定義為

其中，Ca表示其滿電狀態(tài)下的實(shí)際容量，Cn為表示其額定容量。

由于蓄電池的額定容量在出廠時(shí)便已明確，故在生產(chǎn)環(huán)境中判定蓄電池的健康狀況，主要是指對(duì)其實(shí)際真實(shí)容量進(jìn)行估算與預(yù)測(cè)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于蓄電池實(shí)際真實(shí)容量的估算方法主要有傳統(tǒng)的電池內(nèi)阻法、安時(shí)計(jì)量法、開(kāi)路電壓法等，也有新型的Kalman濾波法、灰色理論預(yù)測(cè)方法、模糊邏輯理論法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［9～13］。但在電力通信蓄電池的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，蓄電池實(shí)際容量估算會(huì)受到廠家品牌、充放電電流大小、溫度變化等眾多因素影響，使得蓄電池的實(shí)際容量變化計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，現(xiàn)有的這些蓄電池實(shí)際容量的估算方法都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，且數(shù)據(jù)多在離線狀態(tài)下通過(guò)充放電測(cè)試獲取，難以實(shí)現(xiàn)在線條件下蓄電池容量的精確預(yù)測(cè)和估算。

3 蓄電池健康狀況綜合判定方法

3.1 蓄電池健康狀況綜合判定方法

在電力通信蓄電池現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，蓄電池作為站房?jī)?nèi)電力設(shè)備的后備電源，通常長(zhǎng)期處于浮充工作條件下。只有在交流電源故障或停電的情況下蓄電池才會(huì)進(jìn)行充放電操作。長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)的蓄電池容易出現(xiàn)了老化、容量下降等需要更換的情況。實(shí)驗(yàn)表明蓄電池的剩余容量與內(nèi)阻存在著負(fù)相關(guān)性，即蓄電池的剩余容量越高，其內(nèi)阻越小；反之蓄電池的剩余容量越低，其內(nèi)阻越大［14～15］。由于受到眾多因素影響，實(shí)際的蓄電池剩余容量與其內(nèi)阻之間的關(guān)系并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，不同品牌和不同型號(hào)的蓄電池之間存在較大差異，即使是同一品牌同類型號(hào)的蓄電池也會(huì)因生產(chǎn)批次不同產(chǎn)生較大的內(nèi)阻差值。所以，實(shí)際蓄電池單體的內(nèi)阻數(shù)據(jù)只能根據(jù)與其自身的歷史采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較和綜合分析。

利用改進(jìn)的安時(shí)法，并結(jié)合傳統(tǒng)的內(nèi)阻法，本文提出了一種針對(duì)通信蓄電池綜合判定其健康狀況的計(jì)算方法，在充放電期間進(jìn)行蓄電池剩余容量的定量計(jì)算，記錄每個(gè)蓄電池單體在不同剩余容量下的內(nèi)阻值，從而為浮充期間定性分析蓄電池健康狀況提供了依據(jù)。

圖1 健康度綜合判定流程圖

3.2 放電條件下SOC的計(jì)算

傳統(tǒng)的安時(shí)法對(duì)蓄電池剩余容量的計(jì)算方法是通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行積分的方式來(lái)定量地計(jì)算剩余容量大小。其可表示為

然而蓄電池在不同的放電電流下，放電的時(shí)間會(huì)隨著放電的終止電壓不同而不同，最終使得蓄電池的實(shí)際剩余容量與安時(shí)法計(jì)算得到的估算電量存在較大差異。

因此，在剩余容量計(jì)算過(guò)程中，需要有針對(duì)性地修正不同的放電電流和不同的溫度所產(chǎn)生的測(cè)量誤差，以提高計(jì)算的精度。本文在傳統(tǒng)的安時(shí)法基礎(chǔ)上引入了K(A)作為修正因子，其計(jì)算公式如下：

其中，A為放電電流速率，K為影響因子。

設(shè)F(A)為蓄電池放電電流速率的系數(shù)，其與不同廠商、不同型號(hào)的蓄電池放電特性，以及實(shí)際放電時(shí)的放電電流速率A有關(guān)。蓄電池的放電特性可參考相應(yīng)蓄電池廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)。因此對(duì)于在放電期間的蓄電池剩余容量估算，只需要持續(xù)不斷地對(duì)放電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)采樣，并通過(guò)一系列的計(jì)算就可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的蓄電池剩余容量值。

設(shè)δT為某工作溫度T下的蓄電池放電容量百分?jǐn)?shù)，根據(jù)蓄電池廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可通過(guò)曲線擬合得出δT與工作溫度T之間的關(guān)系：

在放電條件下，K與F(A)成正比，與δT(T)成反比。通過(guò)放電期間對(duì)放電電流速率和工作溫度的持續(xù)監(jiān)測(cè)，即可計(jì)算出蓄電池的放電大小，進(jìn)而得到剩余容量Cu。

根據(jù)式（2），則可計(jì)算出放電條件下的SOC：

其中，Cp為放電前的蓄電池剩余容量。若放電前蓄電池處于浮沖狀態(tài)時(shí)，則Cp=Ca。

3.3 充電條件下SOC的計(jì)算

在充電條件下，蓄電池剩余容量的估算精度會(huì)受到輸出效率的影響。輸出效率是指在一定條件下，蓄電池在放電期間所提供的電量輸出與再充電時(shí)達(dá)到滿荷電狀態(tài)時(shí)所需電量輸入的比值。輸出效率依賴于蓄電池的充電策略，通常有兩種基本的充電策略，恒壓充電和恒流充電。

在恒壓充電時(shí)，電路以恒定的充電電壓為蓄電池充電，當(dāng)時(shí)間達(dá)到某一限定值或者充電電流降至某一閾值時(shí)就會(huì)終止；在恒流充電時(shí)，電路以恒定的電流為蓄電池充電，當(dāng)電壓達(dá)到某一閾值時(shí)會(huì)終止。在恒壓充電和恒流充電時(shí)，輸出效率分別為充電電壓和充電電流的函數(shù)。根據(jù)蓄電池廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)，通過(guò)曲線擬合，可得出輸出效率與充電電壓和充電電流的關(guān)系為

其中，β(%)為輸出效率，Vi為恒壓充電時(shí)的充電電壓，Ai為恒流充電時(shí)的充電電流。

在充電條件下，K與β(%)、δT(T)均成正比，充電過(guò)程中蓄電池增加的容量可計(jì)算為

根據(jù)式（2），則可計(jì)算出充電條件下的SOC：

其中，Cp為充電前的剩余容量。

3.4 充放電條件下的SOH計(jì)算

1）放電條件下SOH計(jì)算

蓄電池在放電條件下，當(dāng)端電壓下降低于截止電壓時(shí)表明當(dāng)前蓄電池處于滿放狀態(tài)，此時(shí)蓄電池實(shí)際容量為Ca=Cu(max)，則SOH計(jì)算如下：

2）充電條件下SOH計(jì)算

蓄電池在充電條件下，當(dāng)充電電流小于最大浮充電流時(shí)表明當(dāng)前蓄電池處于浮充狀態(tài)，此時(shí)蓄電池實(shí)際容量為Ca=Cr(max)，則SOH計(jì)算如下：

3.5 浮充條件下蓄電池健康判定

電力通信現(xiàn)場(chǎng)的蓄電池長(zhǎng)期處于浮充條件下，因此在浮充狀態(tài)下對(duì)蓄電池進(jìn)行在線健康狀況的評(píng)價(jià)，即不影響蓄電池的正常保障，又可有效避免潛在隱患引起的生產(chǎn)事故。

在浮充狀態(tài)下，可根據(jù)蓄電池內(nèi)阻的變化定性地評(píng)判蓄電池的健康狀態(tài)。本文采用開(kāi)爾文四線檢測(cè)法來(lái)測(cè)量蓄電池的內(nèi)阻，即在兩個(gè)電流引線中引入低頻正弦交流電流信號(hào)，實(shí)時(shí)量測(cè)兩條電壓引線上正弦交流電流信號(hào)所形成的形成的電位差為URX。設(shè)定蓄電池等效內(nèi)阻為RX，根據(jù)不同容量下采樣蓄電池電阻的阻值，監(jiān)測(cè)當(dāng)前采樣電阻和蓄電池兩端的正弦交流信號(hào)峰值，則可計(jì)算出RX，其計(jì)算公式如下：

其中，RS為采集電阻，URX為該采樣電阻下的蓄電池電位差，URS為該采樣電阻下的采樣電阻電位差。

蓄電池的內(nèi)阻受廠家、型號(hào)和溫度等眾多因素影響，導(dǎo)致取值差異很大，同時(shí)由于監(jiān)測(cè)設(shè)備精度和測(cè)量方法的不同也會(huì)造成監(jiān)測(cè)的內(nèi)阻數(shù)據(jù)不同。因此，為保障蓄電池健康狀態(tài)的科學(xué)精確判定，可將每個(gè)蓄電池單體的內(nèi)阻歷史數(shù)據(jù)作為取值依據(jù)。同時(shí)，為確保采樣數(shù)據(jù)的歸一化和一致性，需將不同溫度下監(jiān)測(cè)的蓄電池內(nèi)阻換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度下的蓄電池內(nèi)阻，以盡可能減少由于溫度因素造成的精度誤差。

設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度為Ts=20℃，通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析擬合出溫度與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系：其中，T為蓄電池工作溫度，R為蓄電池內(nèi)阻。

由于蓄電池單體內(nèi)阻與蓄電池單體SOC之間會(huì)呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，即SOC增大時(shí)，其內(nèi)阻會(huì)逐漸變??；SOC減小時(shí)，其內(nèi)阻會(huì)逐漸增大。因此，通過(guò)在充放電過(guò)程中的數(shù)據(jù)采樣，可建立每個(gè)蓄電池單體的SOC與內(nèi)阻數(shù)據(jù)模型，其對(duì)應(yīng)關(guān)系表如表1。

表1 SOC與內(nèi)阻映射關(guān)系表

在浮充條件下，健康狀態(tài)的蓄電池剩余容量應(yīng)等于蓄電池的實(shí)際容量，即其內(nèi)阻應(yīng)等于充放電條件下SOC為100%時(shí)的內(nèi)阻大小。通過(guò)采集浮充條件下的內(nèi)阻值，并與表1進(jìn)行比對(duì)，即可快速檢索出當(dāng)前蓄電池的實(shí)際容量大小，從而能夠?qū)Ω〕錀l件下的蓄電池健康狀況進(jìn)行定性。

根據(jù)固定設(shè)備用的閥調(diào)節(jié)鉛酸蓄電池的維修、試驗(yàn)和更換的推薦實(shí)施規(guī)程要求，當(dāng)蓄電池的實(shí)際容量不到額定容量的80%時(shí)，蓄電池則應(yīng)該被替換。由此，當(dāng)蓄電池的內(nèi)阻大于SOC為80%時(shí)對(duì)應(yīng)的充電或放電內(nèi)阻時(shí)，表征蓄電池健康狀況已經(jīng)發(fā)生惡化，此時(shí)可提醒運(yùn)維人員對(duì)蓄電池及時(shí)做出檢測(cè)與維護(hù)。

4 算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)蓄電池在充放電以及浮充條件下的健康狀況判定方法可知，對(duì)于蓄電池的監(jiān)測(cè)可以首先量測(cè)蓄電池的電流，判定該蓄電池所處的運(yùn)行狀態(tài)，然后計(jì)算或預(yù)測(cè)蓄電池具體的SOC和SOH值。在健康度綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中，持續(xù)監(jiān)測(cè)蓄電池電流的采樣頻率可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境需要設(shè)定為0.5s/次或1s/次。蓄電池健康狀況綜合判定方法監(jiān)測(cè)的詳細(xì)工作流程如圖2所示。

圖中，Ib為監(jiān)測(cè)到的蓄電池電流；Vb為監(jiān)測(cè)到的蓄電池電壓；Ve為根據(jù)放電電流不同所設(shè)定的蓄電池終止電壓；If為根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景具體所設(shè)定的蓄電池浮充電流；Cp為監(jiān)測(cè)前的蓄電池剩余容量初始值，通常在蓄電池投運(yùn)前進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若為投運(yùn)后蓄電池為滿電狀態(tài)，則其與實(shí)際容量相同，即Cp=Ca。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，投運(yùn)后的通信蓄電池缺乏專人監(jiān)管與值守，難以有效保障蓄電池的正?？煽窟\(yùn)行。本文針對(duì)電力通信的工作環(huán)境與運(yùn)行方式，通過(guò)對(duì)蓄電池健康狀況定義的研究，提出了一種蓄電池健康度綜合評(píng)價(jià)方法，在充電、放電和浮充條件下對(duì)蓄電池進(jìn)行全方位的健康狀況評(píng)定。在充放電條件下，利用改進(jìn)安時(shí)法修正了放電速率、輸出效率和溫度對(duì)容量的影響，實(shí)現(xiàn)了蓄電池容量的精確計(jì)算，可定量地判定蓄電池的健康狀況；在浮充條件下，構(gòu)建了蓄電池的剩余容量與內(nèi)阻之間的在線動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)精確測(cè)量蓄電池的內(nèi)阻進(jìn)而定性地判定蓄電池的健康狀況。最后本文給出運(yùn)用該綜合判定方法的蓄電池健康狀況監(jiān)測(cè)工作流程。本方法具有適用性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但由于實(shí)驗(yàn)條件限制，沒(méi)有對(duì)該方法進(jìn)行大規(guī)模、大范圍的驗(yàn)證分析。在后續(xù)的研究中，可以通過(guò)實(shí)際場(chǎng)景下的試點(diǎn)應(yīng)用，對(duì)該方法進(jìn)行不斷地完善補(bǔ)充，進(jìn)一步提高蓄電池實(shí)際容量的測(cè)量精度和健康狀況判定的準(zhǔn)確性與通用性。

圖2 蓄電池健康狀況綜合判定方法流程圖