工業(yè)堿性蓄電池智能化發(fā)展趨勢(shì)

程 迪，宋二虎，蘇正會(huì)

(中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)堿性蓄電池與新型化學(xué)電源分會(huì)，河南新鄉(xiāng) 453000)

一、概述

工業(yè)堿性蓄電池最具代表性的是鎘鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池、氫鎳蓄電池和鋅銀蓄電池等系列產(chǎn)品。其中，前三類蓄電池應(yīng)用比較普遍，且其發(fā)展更能夠體現(xiàn)出工業(yè)堿性蓄電池行業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢(shì)。鎘鎳蓄電池自1900 年問世以來，系列品種逐漸增多，性能不斷改善。鎘鎳蓄電池具有壽命長(zhǎng)、耐過充過放電、高低溫性能好、能以超高倍率(30C～40C)放電，維護(hù)方便等特點(diǎn)。20 世紀(jì)90年代發(fā)展的氫鎳蓄電池主要特點(diǎn)是與鎘鎳蓄電池具有相同的電壓體系，互換性非常高，無污染，屬于環(huán)保型電池。

由于工業(yè)領(lǐng)域單機(jī)裝備對(duì)系統(tǒng)能量有比較大的需求，所以，工業(yè)用堿性蓄電池主要是以大容量方形電池為主。目前，主要應(yīng)用的容量多集中在120～1 200 Ah，其中鎘鎳蓄電池單體最大容量可達(dá)1 600 Ah(圖1)。

圖1 工業(yè)常用堿性鎘鎳/鐵鎳/氫鎳蓄電池

堿性蓄電池在工業(yè)領(lǐng)域具有比較堅(jiān)實(shí)的市場(chǎng)空間和發(fā)展?jié)摿?，廣泛應(yīng)用于軌道車輛、汽車、照明、通訊、電動(dòng)工具、家用電器和醫(yī)用備用電源等。其中，最具代表性的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在軌道交通和儲(chǔ)能應(yīng)用。

1 軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用

軌道交通領(lǐng)域中，主要應(yīng)用的是方形鎘鎳蓄電池和方形氫鎳蓄電池。以機(jī)車啟動(dòng)電源、客車及高速動(dòng)車組和地鐵車輛的備用電源為主。鑒于行業(yè)的慣性和水系電池的本質(zhì)安全性特點(diǎn)，在安全性要求非常高的軌道交通領(lǐng)域仍然占據(jù)了主導(dǎo)地位。其中：

機(jī)車啟動(dòng)電源：方形鎘鎳蓄電池和方形氫鎳蓄電池在機(jī)車啟動(dòng)電源中發(fā)揮了重要作用。機(jī)車是軌道交通系統(tǒng)的核心組成部分，而啟動(dòng)電源是確保機(jī)車能夠可靠啟動(dòng)和運(yùn)行的關(guān)鍵要素。這些蓄電池提供了高功率輸出，以滿足機(jī)車的起動(dòng)需求，并且能夠在運(yùn)行過程中提供穩(wěn)定的電源。

客車及高速動(dòng)車組備用電源：客車和高速動(dòng)車組通常需要備用電源，以供應(yīng)無電區(qū)域的照明、通信設(shè)備和緊急系統(tǒng)。方形鎘鎳蓄電池和方形氫鎳蓄電池在這些應(yīng)用中被廣泛使用，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┛煽康膫溆秒娫?，并且在緊急情況下保障乘客的安全。

地鐵車輛備用電源：地鐵系統(tǒng)是城市交通網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，而地鐵車輛必須始終保持高度的可靠性和安全性。堿性蓄電池在地鐵車輛中用作備用電源，以應(yīng)對(duì)電力供應(yīng)中斷或緊急情況。這有助于確保乘客在任何情況下都能夠安全地離開列車(圖2)。

圖2 堿性蓄電池在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

2 儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用

儲(chǔ)能領(lǐng)域中，堿性蓄電池主要應(yīng)用的也是以方形鎘鎳蓄電池和方形鐵鎳蓄電池為主，主要應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能、石油平臺(tái)備用、大型醫(yī)療設(shè)備、水電站和高壓電力系統(tǒng)配套。盡管閥控式密封鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池有替代趨勢(shì)，但鑒于水系電池的本質(zhì)安全性，仍然是石油平臺(tái)等備用電源的主要選擇方向之一。

光伏儲(chǔ)能蓄電池系統(tǒng)：隨著可再生能源的不斷發(fā)展，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)變得越來越普遍。堿性蓄電池，特別是方形鎘鎳蓄電池和方形鐵鎳蓄電池，被廣泛用于儲(chǔ)存太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能。這些電池能夠在白天收集太陽能，并在晚上或陰天供應(yīng)電力，提高了可再生能源的可用性和可靠性。

石油平臺(tái)儲(chǔ)能蓄電池系統(tǒng)：在石油平臺(tái)和離岸設(shè)施中，穩(wěn)定的備用電源至關(guān)重要。堿性蓄電池由于其高可靠性和本質(zhì)安全性，常被選用用于提供緊急電力，確保設(shè)備運(yùn)行和人員安全。

大型醫(yī)療設(shè)備：大型醫(yī)療設(shè)備，如核磁共振儀和電子斷層掃描儀，通常需要穩(wěn)定的電源，以確保準(zhǔn)確的診斷和治療。堿性蓄電池在這些設(shè)備中用作備用電源，以避免數(shù)據(jù)丟失或治療中斷。

水電站：水電站需要高效的能源儲(chǔ)備系統(tǒng)，以管理電力需求的峰谷。堿性蓄電池在水電站中用于調(diào)節(jié)電力產(chǎn)生和需求之間的差異，確保電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

高壓電力系統(tǒng)配套：高壓電力系統(tǒng)，如變電站和輸電線路，需要備用電源以應(yīng)對(duì)緊急情況。堿性蓄電池在這些系統(tǒng)中提供備用電源，以維持電力分配的連續(xù)性。

盡管閥控式密封鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域也有替代趨勢(shì)，但堿性蓄電池仍然受歡迎的原因之一是它們的本質(zhì)安全性。這種安全性使得堿性蓄電池在需要高度可靠性和安全性的應(yīng)用中成為首選。此外，這些電池的成本相對(duì)較低，也有助于它們?cè)趦?chǔ)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，堿性蓄電池有望繼續(xù)在各種儲(chǔ)能應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，支持能源的可持續(xù)利用和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性(圖3)。

圖3 堿性蓄電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用

3 軍工領(lǐng)域應(yīng)用

堿性蓄電池在軍工和重點(diǎn)工程配套領(lǐng)域仍處于穩(wěn)定供貨狀態(tài)，特別是在殲擊機(jī)、直升機(jī)、裝甲車輛和特種裝備等仍然處于繼續(xù)備選應(yīng)用中(圖4)。

圖4 堿性蓄電池在軍事裝備領(lǐng)域的應(yīng)用

總之，隨著軌道交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石油平臺(tái)供電等系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化管控升級(jí)，工業(yè)堿性蓄電池系統(tǒng)也迎來了全新的數(shù)字化和智能化管理需求。這一趨勢(shì)促使堿性蓄電池從簡(jiǎn)單的串并聯(lián)組合向更為系統(tǒng)集成化和數(shù)字化管控的方向發(fā)展。堿性蓄電池作為關(guān)鍵的能源儲(chǔ)存和備用電源解決方案，將繼續(xù)在支持可再生能源、確保軌道交通和電力系統(tǒng)的可靠性、以及維護(hù)石油平臺(tái)供電等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時(shí)也是電力和能源領(lǐng)域不斷創(chuàng)新進(jìn)步的一部分，推動(dòng)著未來更智能、更可持續(xù)的能源管理和供電系統(tǒng)的發(fā)展。

二、工業(yè)堿性蓄電池智能化/數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)

隨著鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)普及應(yīng)用與自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展，及工業(yè)用戶自身的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化發(fā)展需求，近年來，對(duì)堿性蓄電池系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化要求越來越迫切。工業(yè)堿性蓄電池?cái)?shù)字化、智能化發(fā)展的主要趨勢(shì)如下。

1 智能電池/智能電池模組的發(fā)展趨勢(shì)

智能電池也稱作智能電池系統(tǒng)，它是現(xiàn)代電源技術(shù)分支和重要組成部分。智能電池是利用內(nèi)部電子線路來測(cè)量、計(jì)算和存儲(chǔ)電池?cái)?shù)據(jù)，通過多尺度耦合設(shè)計(jì)、多維度內(nèi)部傳感與一體化集成、執(zhí)行器主動(dòng)閉環(huán)管理等，使得電源使用和管理更加可預(yù)測(cè)。

鑒于工業(yè)堿性蓄電池品種比較多、且堿性蓄電池多數(shù)是處于氫氧化鉀或氫氧化鈉氣氛應(yīng)用環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)單體電池的智能化管理其難度和成本會(huì)比較高，且難以感知內(nèi)部多維信號(hào)、缺乏主動(dòng)反饋控制器件等。因此，對(duì)于工業(yè)堿性蓄電池來講，其智能電池的發(fā)展趨勢(shì)更多是以電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化和智能化為主要方向。

為滿足低成本和數(shù)字化的共同需求，推廣標(biāo)準(zhǔn)化智能電池模組是工業(yè)堿性蓄電池智能化發(fā)展的第一環(huán)節(jié)，即推行具有電池模組狀態(tài)監(jiān)控、信息采集與存儲(chǔ)、安全預(yù)警功能，且可在多種使用狀態(tài)下互換的標(biāo)準(zhǔn)化電池模組是工業(yè)智能電池的主要發(fā)展方向。

為降低智能電池模組的成本，并鑒于堿性蓄電池特性特點(diǎn)，其標(biāo)準(zhǔn)化智能電池模組內(nèi)部可以采用2 只或多只單體電池為一個(gè)監(jiān)控單元。

2 堿性蓄電池智能制造方向與趨勢(shì)

智能制造通常指通過生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能三個(gè)維度構(gòu)建，形成智能裝備、智能工廠、智能服務(wù)、工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐的智能制造體系。其中，智能生產(chǎn)和數(shù)字化制造都是數(shù)字化和智能化的發(fā)展過程，即：智能化工廠是一種利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化和自動(dòng)化，它能夠通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、優(yōu)化和預(yù)測(cè)，從而提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量；數(shù)字化工廠則是指將制造業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化、模擬、仿真和優(yōu)化的工廠，通過數(shù)字化技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，將整個(gè)生產(chǎn)過程從設(shè)計(jì)、規(guī)劃、生產(chǎn)到售后服務(wù)都進(jìn)行數(shù)字化處理，為智能制造和數(shù)字化管理提供基礎(chǔ)。

工業(yè)堿性蓄電池制造也有明顯的向自動(dòng)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。但是，鑒于該類型電池的品種非常多、且其單品種數(shù)量相對(duì)來講比較受限。因此，工業(yè)堿性蓄電池智能制造更多是局部自動(dòng)化或局部智能化與數(shù)字化相結(jié)合，即通過流程再造向多工序一體化智能制造發(fā)展。

目前階段則更多應(yīng)該是以推廣ERP為基礎(chǔ)和局部MES相結(jié)合為發(fā)展方向，即采用先進(jìn)工藝與局部自動(dòng)化相結(jié)合、產(chǎn)線大數(shù)據(jù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合、缺陷檢測(cè)與生產(chǎn)閉環(huán)控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)與人工智能的協(xié)調(diào)發(fā)展和提升。

3 堿性蓄電池智能管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

堿性蓄電池是非常傳統(tǒng)的化學(xué)電源，鑒于該類電池具有非常高的安全性等特點(diǎn)，目前仍然被廣泛應(yīng)用在軍工和鐵路等領(lǐng)域。由于此類電池單體電壓比較低和水性電解液體系之特點(diǎn)，該類電池從發(fā)明以來大多數(shù)是直接進(jìn)行串并聯(lián)使用或加以簡(jiǎn)單的電壓、溫度監(jiān)控。但堿性蓄電池在實(shí)際使用過程中，也仍然存在諸如電解液補(bǔ)加不及時(shí)而燒壞電池組的現(xiàn)象、存在使用過程中電池短路而燒壞電池組系統(tǒng)的現(xiàn)象、存在電池組個(gè)別電池電壓偏低而導(dǎo)致電池組無法正常使用的現(xiàn)象、存在個(gè)別電池漏液導(dǎo)致電池組絕緣電阻下降而影響安全的情況等。

隨著鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)的普及應(yīng)用與自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展，近年來，對(duì)堿性蓄電池采用類似鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)進(jìn)行管理的需求越來越迫切，并且以河南新太行電源股份有限公司為代表的企業(yè)，也紛紛響應(yīng)用戶之需要，開發(fā)出了多款適用于堿性蓄電池的電池管理系統(tǒng)，并在地鐵車輛等領(lǐng)域開始了試用。

正在試用推廣的堿性蓄電池管理系統(tǒng)可以通過對(duì)單體電池電壓和總壓的監(jiān)控、對(duì)電池組溫度及溫度場(chǎng)的監(jiān)控、對(duì)電池充放電電流的監(jiān)控、對(duì)浮充電及浮充電曲線狀態(tài)的監(jiān)控、對(duì)電解液及液位的監(jiān)控、對(duì)電池絕緣電阻的監(jiān)控、對(duì)連接電阻的監(jiān)控等，并可以通過采集變換電流與電壓等模型實(shí)現(xiàn)對(duì)電池內(nèi)阻的監(jiān)控，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組SOC(state of charge)的狀態(tài)監(jiān)控、還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組SOH(state of health)監(jiān)控與預(yù)判，且也還可以通過聯(lián)動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的自動(dòng)補(bǔ)液等維護(hù)性操作。

堿性蓄電池管理系統(tǒng)可以通過對(duì)各參數(shù)及控制閾值的合理設(shè)定，建立起電池組系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控模型，搭建起電池組系統(tǒng)更加安全的應(yīng)用平臺(tái)，確保電池組系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行，即通過對(duì)蓄電池電壓、電流、液位、溫度、電阻、浮充電狀態(tài)等信息有效組合設(shè)定，或通過對(duì)電池組半電壓比對(duì)、對(duì)一段工作時(shí)間內(nèi)的溫度比對(duì)等，做出蓄電池狀態(tài)分析，確保蓄電池工作在合適的監(jiān)控狀態(tài)。當(dāng)電池組狀態(tài)發(fā)生偏離，即電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到電壓、電流、液位、溫度、壓差、溫升速率等參數(shù)異常時(shí)，會(huì)通過CAN、MVB(multifunction vehicle bus)或者以太網(wǎng)通信上傳至整車/機(jī)系統(tǒng)，或者通過T-BOX 上傳至后臺(tái)系統(tǒng)，提醒相關(guān)人員及時(shí)予以處置，提高電池應(yīng)用的安全性。

堿性蓄電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠減少電池使用過程中維護(hù)工作量，還可以為整機(jī)自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化操控提供參數(shù)和依據(jù)，也能夠有效預(yù)判電池使用期限和最大限度的延長(zhǎng)電池的使用壽命，具有良好的安全保障性和經(jīng)濟(jì)合理性，是傳統(tǒng)堿性蓄電池應(yīng)用的一個(gè)新發(fā)展方向。

需要特別注意的是，堿性蓄電池與鋰離子蓄電池有非常大的充放電特性差異，特別是其充電效率與水的電解、比較大的自放電等。因此，在開發(fā)堿性蓄電池管理系統(tǒng)及模型時(shí)，不能簡(jiǎn)單地套用鋰離子蓄電池的管理模型，需要重點(diǎn)對(duì)堿性蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)模型算法、健康狀態(tài)(SOH)模型算法、多模型融合的溫度場(chǎng)評(píng)估算法等進(jìn)行研究開發(fā)，建立起更適合堿性蓄電池自身特點(diǎn)的算法模型。

堿性蓄電池荷電狀態(tài)評(píng)估主要是通過安時(shí)積分法與不同溫度下的OCV(open circuit voltage)曲線相結(jié)合的不斷修正來計(jì)算荷電狀態(tài)。將修正后的結(jié)果存儲(chǔ)在電池管理系統(tǒng)的EEprom(electrically erasable programmable read-only memory)中，并上報(bào)給主機(jī)。圖5所示是河南新太行電源股份有限公司建立的SOC算法模型拓?fù)鋱D。

圖5 堿性蓄電池SOC 算法模型示例

堿性蓄電池健康度(SOH)評(píng)估主要是通過電池使用過程中的歷史數(shù)據(jù)積累，并依據(jù)使用期限及電池容量衰減趨勢(shì)、電阻變化趨勢(shì)，結(jié)合當(dāng)期使用中檢測(cè)到的電壓、電流和溫度等參數(shù)，與蓄電池自身結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)相結(jié)合，采用不斷修正模式，實(shí)時(shí)診斷蓄電池的健康度狀況。

通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)，堿性蓄電池智能管理系統(tǒng)可以將蓄電池組電壓、SOC、充放電電流及環(huán)境溫度、安全預(yù)警提示、維護(hù)提示等信息發(fā)送用戶后臺(tái)系統(tǒng)，方便維護(hù)人員及時(shí)定位維護(hù)，提高維護(hù)效率，降低人工成本。圖6是河南新太行電源股份有限公司開發(fā)的SOC算法模型和管理系統(tǒng)在地鐵領(lǐng)域的應(yīng)用案例。

圖6 河南新太行電源股份有限公司開發(fā)的堿性蓄電池管理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

堿性蓄電池智能管理系統(tǒng)還包括絕緣電阻檢測(cè)與管理提示、溫度場(chǎng)監(jiān)控與管理提示、氣體析出監(jiān)控與管理提示、電解液液位監(jiān)控與管理提示等。

4 堿性蓄電池智能管理系統(tǒng)應(yīng)用趨勢(shì)

堿性蓄電池管理系統(tǒng)應(yīng)用主要包括用戶管理平臺(tái)與蓄電池智能系統(tǒng)、運(yùn)行數(shù)據(jù)與安全預(yù)警、蓄電池與充電機(jī)智能匹配、蓄電池組定期智能維護(hù)等，是堿性蓄電池應(yīng)用的新趨勢(shì)、新要求。

(1)狀態(tài)監(jiān)控與自動(dòng)維護(hù)新需求

堿性蓄電池應(yīng)用從最初的將幾只單體蓄電池串聯(lián)起來作為電源使用，再到具有完美的組合殼體及簡(jiǎn)單的電子配套，并發(fā)展到目前的蓄電池系統(tǒng)集成，即將單體電池、電池模組、電子與軟件系統(tǒng)集成為一體，更好地滿足軌道交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石油平臺(tái)供電等系統(tǒng)智能化、數(shù)字化管控升級(jí)需求。

堿性蓄電池智能化監(jiān)控除了對(duì)單體電池或標(biāo)準(zhǔn)化模組電壓、電流、溫度、絕緣電阻等參數(shù)監(jiān)控以外，其網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和遠(yuǎn)程移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用需求已經(jīng)顯現(xiàn)。而對(duì)應(yīng)該新需求，智能管理系統(tǒng)就需要結(jié)合新應(yīng)用需求環(huán)境，通過先期的模型計(jì)算處理，開發(fā)適合遠(yuǎn)程終端應(yīng)有的數(shù)據(jù)模式，優(yōu)化SOC、SOH及安全預(yù)警新模式。

例如：目前蓄電池健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和蓄電池充放電維護(hù)還沒有完全實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。而河南新太行電源股份有限公司正探索性研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠溝通充電機(jī)等多方聯(lián)動(dòng)，通過采用在線監(jiān)控方法，協(xié)調(diào)充電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛的在線對(duì)蓄電池自動(dòng)維護(hù)，可以有效提高產(chǎn)品維護(hù)工作質(zhì)量(圖7)。

圖7 堿性蓄電池智能監(jiān)控平臺(tái)拓?fù)鋱D

(2)安全預(yù)警新趨勢(shì)

盡管堿性蓄電池是水系電池，具有本質(zhì)安全性，但是，該電池系統(tǒng)在使用過程中仍然會(huì)存在安全隱患，包括電壓異常、系統(tǒng)熱失控、氫爆、絕緣性降低等。因此，工業(yè)堿性蓄電池的管理系統(tǒng)需要具有安全預(yù)警模式，并且需要與管理平臺(tái)或移動(dòng)終端等實(shí)現(xiàn)信息共享，確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。例如：

電壓異常預(yù)警：電壓異常包括單體電池電壓或最小檢測(cè)單元的電壓低于其它平均電壓0.3 V 以上；或電池系統(tǒng)的半電壓(電池組的一半)相差大于1 V時(shí)，應(yīng)該向管理平臺(tái)發(fā)出異常預(yù)警。

熱失控預(yù)警：當(dāng)檢測(cè)到單點(diǎn)溫度超過其它監(jiān)控點(diǎn)溫度5 ℃以上，或檢測(cè)到溫度超過設(shè)定的閾值，或溫升(或出車與收車相比)明顯出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)該向管理平臺(tái)發(fā)出異常預(yù)警。

熱失控是蓄電池出現(xiàn)極端事故的主要原因，當(dāng)蓄電池長(zhǎng)時(shí)間過充電，或者電解液減少引起了蓄電池溫度升高，如果不能及時(shí)控制就會(huì)造成蓄電池的熱失控。開發(fā)熱失控預(yù)警系統(tǒng)則是通過檢測(cè)電池極柱溫度，當(dāng)極柱溫度高于某個(gè)閾值或出現(xiàn)熱失控預(yù)兆，系統(tǒng)便預(yù)判該蓄電池有熱失控風(fēng)險(xiǎn)，通過Internet/MVB 向TCMS(train control and management system)系統(tǒng)提前預(yù)警，系統(tǒng)可指派工作人員進(jìn)行巡檢，排查問題原因，有效預(yù)防熱失控事件發(fā)生(圖8)。

圖8 堿性蓄電池溫度監(jiān)控與預(yù)警示意圖

氫爆預(yù)警：氫爆是堿性蓄電池比較嚴(yán)重的安全問題，由于設(shè)計(jì)或通風(fēng)等緣故，會(huì)在某些時(shí)點(diǎn)出現(xiàn)氫氣聚集，從而可能引發(fā)氫爆發(fā)生。因此，堿性蓄電池智能管理系統(tǒng)需要具備氫氣濃度檢測(cè)和安全預(yù)警功能，確保電池系統(tǒng)使用的安全性。

絕緣性降低預(yù)警：堿性蓄電池在使用過程中會(huì)出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，由于氣體溢出所帶堿性物質(zhì)，有可能引發(fā)電池系統(tǒng)的絕緣性降低，從而引發(fā)安全事故。智能管理系統(tǒng)可通過持續(xù)測(cè)量電池組正極對(duì)箱體的絕緣值和電池組負(fù)極對(duì)箱體的絕緣值，如果系統(tǒng)絕緣值低于例如500 Ω/V，在線監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)向管理平臺(tái)發(fā)出異常預(yù)警(圖9)。

圖9 絕緣性能監(jiān)控示意圖

浮充電異常預(yù)警：眾多事故調(diào)查表明，堿性蓄電池不少事故是由于充電與電池系統(tǒng)匹配性不恰當(dāng)所引發(fā)。特別是隨著電池使用及性能的衰減，充電模式卻仍按在按照新電池狀態(tài)執(zhí)行，沒有有效隨電池性能改變而調(diào)整充電策略。堿性蓄電池智能管理系統(tǒng)應(yīng)具有隨著電池性能變化而與充電機(jī)進(jìn)行有效協(xié)同功能，及時(shí)調(diào)整相關(guān)充電策略的發(fā)展需求。同時(shí)，智能管理系統(tǒng)也需要具有對(duì)充電模式，特別是浮充電模式下時(shí)間與電流關(guān)系的有效分析，一旦發(fā)現(xiàn)浮充電模式下卻長(zhǎng)時(shí)間電流無法降低到預(yù)設(shè)狀態(tài)，應(yīng)能向管理平臺(tái)發(fā)出異常預(yù)警。

(3)自動(dòng)補(bǔ)水維護(hù)新趨勢(shì)

工業(yè)堿性蓄電池在使用過程中需要定期進(jìn)行補(bǔ)液(水)，對(duì)電解液量控制有明確之要求。傳統(tǒng)辦法是定期的人工維護(hù)，但會(huì)導(dǎo)致停止使用，增加使用和維護(hù)成本等。目前，應(yīng)用較多的補(bǔ)水系統(tǒng)是由補(bǔ)水車、補(bǔ)水氣塞及補(bǔ)液管等組成。其中，補(bǔ)液氣塞和補(bǔ)液管連接到蓄電池組上，作為蓄電池組一部分。當(dāng)蓄電池組需要補(bǔ)水時(shí)，需將補(bǔ)水車與蓄電池組的補(bǔ)液管通過快換接頭連接，即可實(shí)現(xiàn)電池組之補(bǔ)水作業(yè)。

自動(dòng)化補(bǔ)水系統(tǒng)，則是通過蓄電池液位監(jiān)控和管理系統(tǒng)之智能化操作，選擇合適的時(shí)機(jī)對(duì)蓄電池進(jìn)行定期的自動(dòng)化補(bǔ)水作業(yè)，不要人工拆卸蓄電池或連接補(bǔ)水管路等，減少人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度且還能夠確保電池長(zhǎng)壽(圖10)。

圖10 自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)示意圖

(4)應(yīng)用系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)新趨勢(shì)

工業(yè)堿性蓄電池使用主要是以備用兼動(dòng)力電源為主，為了解決再生能源消耗以及環(huán)境污染問題，未來的研究需要不斷創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)。一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)是提升堿性蓄電池的快速充電能力，并將其與先進(jìn)的管理系統(tǒng)協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的回收和利用，顯著提高能源回收的效率，最大程度地降低能源成本。

總之，工業(yè)堿性蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域正在朝著更節(jié)能、更環(huán)保的方向發(fā)展。通過提高充電速度和優(yōu)化能量管理，可更有效地利用堿性蓄電池作為備用電源，減少能源浪費(fèi)，降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，以及減少對(duì)環(huán)境的不利影響。工業(yè)堿性蓄電池技術(shù)將在未來的能源管理中發(fā)揮重要作用，為可持續(xù)能源未來的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。

三、結(jié)束語

工業(yè)堿性蓄電池從最初將幾只單體蓄電池串聯(lián)起來使用，發(fā)展到目前系統(tǒng)集成，即將單體蓄電池、組合箱體、電子、軟件系統(tǒng)集成為一體，更好地滿足了客戶系統(tǒng)的智能化發(fā)展需求。

工業(yè)堿性蓄電池的智能發(fā)展是一項(xiàng)基于標(biāo)準(zhǔn)化智能電池模組的發(fā)展趨勢(shì)，其核心特點(diǎn)是將自動(dòng)化和局部智能化與數(shù)字化相結(jié)合，通過流程再造實(shí)現(xiàn)多工序一體化智能制造。這一發(fā)展取決于智能化管理系統(tǒng)的開發(fā)，具體來說，是通過堿性蓄電池管理系統(tǒng)來監(jiān)控電池的各項(xiàng)參數(shù)，包括電壓、溫度、充放電電流、浮充電狀態(tài)、電解液液位、絕緣電阻、氫氣氣氛等，并實(shí)施電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)、SOC和SOH狀態(tài)模型的建立，以及聯(lián)動(dòng)補(bǔ)水等操作，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用過程的自動(dòng)化和數(shù)字化管理。這一過程旨在確保工業(yè)堿性蓄電池組系統(tǒng)在其整個(gè)壽命周期內(nèi)以最低成本和最高效率進(jìn)行安全有效的運(yùn)行。

工業(yè)堿性蓄電池的智能發(fā)展趨勢(shì)是符合時(shí)代發(fā)展的必然要求。它不僅有助于提高電池系統(tǒng)的性能和可靠性，還能夠減少運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的成本，并促進(jìn)電池系統(tǒng)的可持續(xù)應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要全行業(yè)的緊密協(xié)作和配套發(fā)展，以確保工業(yè)堿性蓄電池智能化發(fā)展而共同努力，從而更好地滿足不斷增長(zhǎng)的工業(yè)電池需求。