現(xiàn)行蓄電池健康狀態(tài)的問(wèn)題及智能蓄電池的應(yīng)用

張永明 程 鵬 陳 炯 馮耀宇 張 宇

(昆明供電局 云南 昆明 650100)

以閥控式鉛酸蓄電池為主的備用電源常用于交通、通信、不間斷電源系統(tǒng)，為保護(hù)、照明等設(shè)備提供可靠的備用電源，尤其是電力直流系統(tǒng)，對(duì)閥控式鉛酸蓄電池的應(yīng)用量巨大，通常成組批量應(yīng)用，但在對(duì)蓄電池組的維護(hù)技術(shù)上有很大的欠缺.除了一些地區(qū)由于人力、設(shè)備等資源調(diào)配問(wèn)題，無(wú)法保證基本的定期維護(hù)，使備用電源處于無(wú)管理無(wú)監(jiān)管的狀態(tài)，即使有充足的人力物力完成規(guī)定的人工巡檢、定期核容放電等作業(yè)，依然無(wú)法確保每組、每節(jié)電池處于可控狀態(tài)，一些技術(shù)條件優(yōu)越的站點(diǎn)，對(duì)電池加裝了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也只能掌握電池的電壓、電流、環(huán)境溫度等易測(cè)量，僅對(duì)嚴(yán)重失效的電池有一定的監(jiān)測(cè)效果，但依然無(wú)法準(zhǔn)確判斷每節(jié)電池的健康狀態(tài)，對(duì)大部分健康狀況不佳的電池都沒(méi)有有效的監(jiān)測(cè)作用，在線監(jiān)測(cè)的意義大打折扣[1～4].

1 現(xiàn)行蓄電池健康狀態(tài)的問(wèn)題

所謂電池的健康狀態(tài)即電池SOH(State of Health)，定義為當(dāng)前電池有效容量與電池標(biāo)稱容量的比值，作為準(zhǔn)確判斷蓄電池健康狀態(tài)和荷電能力的參量對(duì)蓄電池狀態(tài)描述非常關(guān)鍵，也是目前對(duì)鉛酸蓄電池監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，在應(yīng)用中仍然處于理論和實(shí)驗(yàn)階段，在實(shí)現(xiàn)精確、低成本、實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)方面，仍需要大量的研究和實(shí)驗(yàn)工作，也是本文研究的重點(diǎn).目前蓄電池SOH估計(jì)算法較多，通常結(jié)合在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，相關(guān)物理量包括蓄電池的單體電壓、單體溫度、單體內(nèi)阻、環(huán)境溫度，蓄電池組的電壓、電流，其中電壓包括開(kāi)路電壓、浮充電壓、負(fù)載電壓等[5,6].

蓄電池開(kāi)路電壓是指蓄電池在開(kāi)路狀態(tài)下的端電壓.由于電池正負(fù)極板附著不同極性的離子，形成電勢(shì)差.因此，開(kāi)路電壓由極板附著的不同極性的物質(zhì)總量決定.

蓄電池浮充電壓是指蓄電池在浮充狀態(tài)下的電壓，浮充是電池充電狀態(tài)的一種情況，是指將滿電電池接入略高于電池端電壓的電路，用于防止電池自放電過(guò)程，蓄電池浮充電壓主要由接入的電路的總電壓決定.

蓄電池負(fù)載電壓是指電池在給負(fù)載供電時(shí)的電壓，電池供電(放電)能力越弱，負(fù)載電壓越低，因此負(fù)載電壓主要由電池的放電能力決定.

蓄電池單體溫度是指電池內(nèi)部溫度，內(nèi)部熱量交換和環(huán)境溫度都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度變化，由于內(nèi)部溫度不宜測(cè)量，很多在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品簡(jiǎn)單地以環(huán)境溫度或蓄電池殼體表面溫度作為蓄電池內(nèi)部溫度處理，并不合理.

蓄電池內(nèi)阻用于描述電流流過(guò)電池內(nèi)部受到的阻力，包括歐姆電阻和正負(fù)極阻抗，其等效電路如圖1所示，電池內(nèi)部活性物質(zhì)數(shù)量、接觸面積、電流流過(guò)的極柱、匯流排的電阻都是蓄電池內(nèi)阻的影響因素[7～10].

圖1 電池內(nèi)阻等效電路圖

圖1中Lp，Ln為正負(fù)極電感；Rtp，Rtn為電極離子遷移電阻；Cdlp，Cdln是極板雙電層電容；Zwp，Zwn是離子在電解液和多孔電極中的擴(kuò)散速度決定形成的阻抗；RHF是蓄電池歐姆內(nèi)阻.

電池劣化失效的根本因素分析如表1所示.

表1 電池劣化失效分析

從表1可知，我們從電池劣化的5個(gè)原因入手，分析電池劣化的過(guò)程，探究物理模型參數(shù)的變化.

綜上，盡管開(kāi)路電壓、溫度、電流等對(duì)電池健康狀態(tài)有一定的影響，但幾乎所有導(dǎo)致電池失效的根本因素都伴隨著內(nèi)阻的變化，也就是說(shuō)內(nèi)阻是目前研究分析的唯一能夠反饋電池內(nèi)部變化的因素.

2 智能蓄電池結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)勢(shì)

2.1 內(nèi)阻測(cè)量辦法

內(nèi)阻測(cè)量過(guò)程會(huì)引起電池短時(shí)放電，也是加速電池劣化的因素之一，在內(nèi)阻測(cè)量方案的選擇上應(yīng)充分考慮這一影響.在線內(nèi)阻宜采用脈沖小電流法進(jìn)行測(cè)量，為了提高內(nèi)阻測(cè)量精度一般采用四線法，圖2(a)是四線法測(cè)內(nèi)阻的原理圖.

圖2 內(nèi)阻測(cè)量接線原理

圖2(b)是二線法測(cè)內(nèi)阻的原理圖，圖中Rr為被測(cè)電阻，RW為線路阻抗，由于被測(cè)電阻非常小，所以線路阻抗不可以忽略不計(jì).二線法測(cè)量回路中，共用線路導(dǎo)致電流經(jīng)過(guò)線路阻抗RW時(shí)產(chǎn)生壓降，測(cè)得的電壓值為被測(cè)電阻加線路阻抗兩端的電壓值，計(jì)算得到的電阻值為Rr+2RW.

相對(duì)于二線法，四線法電壓與電流分別測(cè)量，由于測(cè)量電壓的回路阻抗非常大，相應(yīng)的線路電流非常小，可以忽略不計(jì)，線路阻抗RW2不產(chǎn)生壓降，測(cè)得的電壓值即為被測(cè)電阻兩端電壓值，計(jì)算得到的電阻值為Rr.

2.2 智能蓄電池結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

四線法在應(yīng)用中，接線與極柱下端越近，測(cè)得的內(nèi)阻值就越有價(jià)值.為此，我們提出基于智能蓄電池進(jìn)行蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，通過(guò)對(duì)電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造創(chuàng)新，增加電池智能芯片倉(cāng)，與電池兩極柱在空間上直接相通，將內(nèi)阻監(jiān)測(cè)芯片和相關(guān)線路集成置于智能芯片倉(cāng)，對(duì)外增加通信接口，使其具備自我監(jiān)測(cè)和通信功能.

如圖3所示，普通蓄電池(a)與智能蓄電池(b)采用四線法測(cè)量電池內(nèi)阻的誤差對(duì)比，采用普通蓄電池測(cè)量點(diǎn)位于極柱螺柱突出部分上方與螺栓之間，電壓監(jiān)測(cè)線路一般通過(guò)接線線鼻子穿過(guò)螺栓，螺栓通過(guò)螺紋與極柱接觸，從線路連接點(diǎn)至極柱內(nèi)部之間包括電壓測(cè)量線路接觸電阻R0v，電流測(cè)量線路接觸電阻R0i，螺栓接觸電阻RL，線路與螺柱實(shí)際接觸點(diǎn)a到b點(diǎn)之間的電阻Rab，極柱螺栓突出部分電阻Rbc，極柱澆注絕緣層部分電阻Rcd；而采用智能蓄電池測(cè)量點(diǎn)位于螺柱澆注層下方，只存在電壓測(cè)量線路接觸電阻R1v，電流測(cè)量線路接觸電阻R1i.

圖3 普通蓄電池與智能蓄電池測(cè)量?jī)?nèi)阻誤差對(duì)比

測(cè)量?jī)?nèi)阻時(shí)，電壓測(cè)量回路位于靠近電池內(nèi)部的一方，較大的測(cè)量電流并不通過(guò)電壓測(cè)量線路接觸電阻，因此接觸電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生影響.智能蓄電池相對(duì)比普通蓄電池而言，減少了電阻Rab，Rbc，Rcd和RL的影響，因此更加精確.

3 智能蓄電池監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用及前景

我們采用保定鈺鑫電氣科技有限公司生產(chǎn)的具備運(yùn)行工況自我監(jiān)測(cè)功能以及通信功能的智能蓄電池[12]，其內(nèi)阻測(cè)量絕對(duì)誤差能夠控制在3～5 μΩ(2 V單體蓄電池)，并基于智能蓄電池?cái)?shù)據(jù)和運(yùn)行老化情況展開(kāi)電池健康狀態(tài)研判與評(píng)估研究.

我們將同一批次的智能蓄電池放置在不同的環(huán)境下進(jìn)行老化測(cè)試，通過(guò)阻變化趨勢(shì)評(píng)估額定環(huán)境下的正常蓄電池、自然劣化狀態(tài)下的正常蓄電池、自然環(huán)境下的落后蓄電池.同時(shí)通過(guò)定期對(duì)被測(cè)電池進(jìn)行容量核定測(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，內(nèi)阻的變化趨勢(shì)與電池的健康狀態(tài)評(píng)估、趨勢(shì)變化評(píng)估有很強(qiáng)的相關(guān)性，以內(nèi)阻變化趨勢(shì)表示電池健康程度變化趨勢(shì)具備一定的科學(xué)性，前提是內(nèi)阻測(cè)量精度足夠精確，能夠明顯感知到相應(yīng)的劣化變化.

智能蓄電池在應(yīng)用方面還具備溫度觸點(diǎn)可內(nèi)置、電池組接線更便捷等優(yōu)點(diǎn)，其一體化設(shè)計(jì)意味著自電池生產(chǎn)出廠之日起，伴隨著電池內(nèi)阻測(cè)量記錄和數(shù)據(jù)，與電池存在捆綁關(guān)系，可以通過(guò)軟件將其與電池的其他信息例如廠家、型號(hào)、批次、工藝等相關(guān)聯(lián)，具備物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)，獲得電池的全壽命數(shù)據(jù)，能夠很好地應(yīng)用在大數(shù)據(jù)體系中，使電池測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)揮更大的作用.

4 總結(jié)

本文通過(guò)分析蓄電池健康狀態(tài)與電池內(nèi)阻的本質(zhì)關(guān)系，提出蓄電池評(píng)估最關(guān)鍵的技術(shù)在于蓄電池內(nèi)阻的高精度、低影響度測(cè)量，同時(shí)基于智能蓄電池具備的高精度內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)對(duì)電池進(jìn)行分組劣化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一基本觀點(diǎn)，為電池健康狀態(tài)評(píng)估方法提供了一種新方法，具備較高的研究借鑒意義.