單體蓄電池在線檢測修復(fù)原理的研究及應(yīng)用

張少博 王予舒

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鄂爾多斯供電公司 2.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院）

1 蓄電池在線檢測修復(fù)技術(shù)的研究背景

直流電源系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)保護(hù)測控裝置、通信設(shè)備、航天航空、金融、工礦企業(yè)、安防系統(tǒng)等對電力供應(yīng)要求嚴(yán)格的場所。而蓄電池組是直流電源系統(tǒng)的心臟，在交流失電的情況下，蓄電池組可以繼續(xù)保持對設(shè)備的電能供應(yīng)。

我國蓄電池的使用量非常大，且普遍存在蓄電池維護(hù)水平不足、蓄電池壽命短、故障率高等問題。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，蓄電池異常占直流電源系統(tǒng)故障總量的80%，常見的缺陷包括電池電壓異常、內(nèi)阻異常、容量不足、外殼或極柱爬堿等，一旦出現(xiàn)這些情況，要求維護(hù)人員短時間內(nèi)處理[1]。

目前蓄電池檢測主要包括內(nèi)阻測量、電壓監(jiān)測、剩余容量預(yù)測三大方向，而蓄電池的修復(fù)技術(shù)研究主要集中在活化、補(bǔ)充電方面。上述關(guān)于蓄電池檢測修復(fù)的研究應(yīng)用均是在蓄電池離線情況下進(jìn)行的。本文提出一種可以在蓄電池組不脫離直流母線的條件下，在線完成蓄電池檢測與修復(fù)的新方案。

2 核心原理及實(shí)現(xiàn)方案

在線式檢測修復(fù)方案面對的是運(yùn)行中的蓄電池，其設(shè)計目標(biāo)是在不影響直流電源系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)具備以下功能：①實(shí)現(xiàn)單體蓄電池在線補(bǔ)充電功能；②實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線檢測功能；③實(shí)現(xiàn)蓄電池剩余容量預(yù)測功能；④實(shí)現(xiàn)蓄電池在線活化功能。其整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 蓄電池在線補(bǔ)充電實(shí)現(xiàn)方案

蓄電池在線補(bǔ)充電模塊，通過測試單體蓄電池的端電壓和內(nèi)阻，采集到端電壓和內(nèi)阻數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得蓄電池的工作狀態(tài)，經(jīng)過軟件分析，確認(rèn)該電池是否具備補(bǔ)充電的必要性，如果需要補(bǔ)充電量，則執(zhí)行在線補(bǔ)充電程序。該功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 蓄電池補(bǔ)充電原理

該功能由主控芯片、繼電器、接觸器、可調(diào)直流電源模塊及相關(guān)連接線實(shí)現(xiàn)，主控芯片已經(jīng)選用STM32F103VET6 單片機(jī)，整流輸出模塊選擇eTML303SP 可編程直流穩(wěn)壓電源。本方案基本原理是測量蓄電池電壓，通過測得的電壓值調(diào)整充電模塊輸出電壓，保持裝置輸出電壓略高于待補(bǔ)充電蓄電池電壓，使待修復(fù)蓄電池可以被單獨(dú)充電。

2.2 蓄電池內(nèi)阻在線測量方案

為表征蓄電池工作時的實(shí)際內(nèi)阻，本裝置需要測量蓄電池的直流內(nèi)阻。測量蓄電池直流內(nèi)阻使用的是大電流放電原理，也就是在裝置發(fā)出內(nèi)阻測量指令后，內(nèi)阻測量模塊對待測蓄電池短時提供一個負(fù)載，該負(fù)載可以讓蓄電池進(jìn)入恒流放電狀態(tài)，在蓄電池恒流放電狀態(tài)下，檢測蓄電池兩端電壓電流變化，根據(jù)歐姆定律R=U/I得到蓄電池內(nèi)阻值。

此處選擇HW-TR 模塊作為內(nèi)阻檢測功能的核心模塊，該模塊采集端口設(shè)置了專用濾波器，可以有效去除測量回路上由整流模塊產(chǎn)生的高頻交流干擾量，確保在高噪聲環(huán)境下也能得到準(zhǔn)確結(jié)果。由于該模塊使用短時恒流小電流放電法，每次測試所消耗的蓄電池容量僅相當(dāng)于自放電量，對容量的影響很小。

利用直流放電原理測試蓄電池內(nèi)阻時，雖然放電時間很短，但為了保證蓄電池運(yùn)行的絕對安全，本裝置在負(fù)極電纜上包裹了測溫電偶，由于蓄電池負(fù)極溫度接近其內(nèi)部溫度，所以該熱電偶可以及時反映蓄電池內(nèi)部溫度，一旦測量過程中出現(xiàn)內(nèi)部溫度過高現(xiàn)象，及時發(fā)出告警信息。

HW-TR 模塊使用Modbus 協(xié)議與主控芯片實(shí)現(xiàn)通信，主控芯片通過Modbus 協(xié)議獲得蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)用于相關(guān)功能使用。

2.3 蓄電池在線活化實(shí)現(xiàn)方案

本方案使用正負(fù)脈沖和高頻脈沖諧振兩種方式對蓄電池進(jìn)行活化。為了簡化電路設(shè)計，本方案采用分別設(shè)計負(fù)脈沖發(fā)生電路和高頻脈沖電路[2]，這兩部分電路具備獨(dú)立工作能力，通過繼電器將兩部分電路整合，達(dá)到正負(fù)脈沖和高頻脈沖協(xié)同活化的效果。

負(fù)脈沖實(shí)質(zhì)是一個短時放電過程，正脈沖是一個短時充電過程，基于這個過程，可以用電源、開關(guān)管和放電電阻實(shí)現(xiàn)可控的正負(fù)脈沖發(fā)生過程。當(dāng)使用電源向蓄電池充電時，相當(dāng)于發(fā)出正脈沖，當(dāng)使用電阻對蓄電池放電時，相當(dāng)于發(fā)出負(fù)脈沖，如圖3 所示。

圖3 正負(fù)脈沖發(fā)生電路

復(fù)合修復(fù)電路的另一部分是高頻脈沖修復(fù)電路。高頻脈沖需要用電容、電感元件產(chǎn)生諧振，目前蓄電池修復(fù)儀使用的高頻脈沖修復(fù)電路有很多，其原理大致相同，使用的元件數(shù)量及成本也近似，本文選擇圖4 所示的高頻脈沖發(fā)生電路。

圖4 高頻脈沖發(fā)生電路

圖中DC 為可調(diào)整流輸出模塊，電容C、電感L1、L2、二極管D、開關(guān)管Q 構(gòu)成高頻諧振電路，Lf為濾波電感，最后是待修復(fù)的蓄電池?？尚迯?fù)容量為20～400Ah 的鉛酸蓄電池。

2.4 蓄電池剩余容量預(yù)測方案

蓄電池容量預(yù)測技術(shù)的關(guān)鍵是大量初始數(shù)據(jù)，國內(nèi)很多學(xué)者使用了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到相對可靠、可用的模型，將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入模型，得到剩余容量的預(yù)測值，本方案也借鑒該方法。作者工作單位每年會對40 套直流電源系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，預(yù)試項(xiàng)目涵蓋了直流電源系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，也包括蓄電池的內(nèi)阻、放電曲線、放電時各單體電池的端電壓、剩余容量。經(jīng)過多年的積累，已經(jīng)收集了大量的蓄電池放電曲線和內(nèi)阻值，結(jié)合這些數(shù)據(jù)，可以建立各型蓄電池的容量—內(nèi)阻關(guān)系，可以用擬合的方式計算出待測蓄電池的剩余容量。

在實(shí)驗(yàn)室的直流電源系統(tǒng)上，可以通過人為定量放電，獲得待測數(shù)據(jù)。該直流電源所配蓄電池組使用2V、200Ah 蓄電池，將單個蓄電池從整組電池中取出，通過蓄電池放電儀定量放電至容量剩余80%、60%、40%、20%，再將其裝回電池組中，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度至10℃、20℃、30℃，測量其內(nèi)阻、電壓、電流，獲得容量預(yù)測所需原始數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立容量預(yù)測模型。

同時，蓄電池容量受溫度影響很大，以25℃時的容量為100% 容量基準(zhǔn)，溫度每下降1℃，電池容量約下降1%，所以蓄電池剩余容量預(yù)測需要考慮溫度的影響。裝置通過容量—內(nèi)阻曲線獲取的剩余容量值，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其補(bǔ)償方法為：

式中，SOC 為經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的蓄電池剩余容量；SOC1為根據(jù)容量—內(nèi)阻曲線獲取的剩余容量值；T為蓄電池工作時的環(huán)境溫度，℃。

測量蓄電池內(nèi)阻時，由于直流放電法測量內(nèi)阻依靠對蓄電池放電進(jìn)行，所以蓄電池本身的放電電流對內(nèi)阻測量結(jié)果是有影響的，而且蓄電池處于放電狀態(tài)時，其容量本身也處于變化狀態(tài)，在此狀態(tài)下獲取的剩余容量偏差很大。為了盡可能準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)，需要測量過程中蓄電池處于浮充狀態(tài)或小電流放電狀態(tài)[3]。

獲得溫度、內(nèi)阻、放電電流數(shù)據(jù)后，與數(shù)據(jù)庫中同型號同廠家蓄電池對應(yīng)的容量—內(nèi)阻曲線對比，得到剩余容量，其工作流程如圖5 所示。

圖5 剩余容量預(yù)測程序流程圖

通過該方法，現(xiàn)場作業(yè)人員可以快速獲得蓄電池剩余容量預(yù)測值，參考該預(yù)測值，結(jié)合其他因素，更加合理地做出決策。

2.5 軟件流程設(shè)計

按照前述原理制作測試裝置時，需要完成相應(yīng)的軟件開發(fā)。首先對軟硬件進(jìn)行初始化[4]。初始化后系統(tǒng)具備工作條件，可以根據(jù)操作人員的需求執(zhí)行進(jìn)一步的操作。圖6 是軟件總體流程圖。

圖6 軟件總體流程圖

3 測試驗(yàn)證

開發(fā)過程中，對各個功能模塊進(jìn)行測試。為了充分測試其在不同工作現(xiàn)場的性能表現(xiàn)，整個測試分兩個階段進(jìn)行。第一階段是實(shí)驗(yàn)室模擬測試。在實(shí)驗(yàn)室中對各類異常蓄電池進(jìn)行檢測，充分利用實(shí)驗(yàn)室便利條件，對各模塊功能進(jìn)行詳細(xì)測試，包括利用不同廠家、不同型號的蓄電池，進(jìn)行內(nèi)阻測量模塊的功能測試；利用不同容量蓄電池，完成在線補(bǔ)充電及剩余容量預(yù)測的功能測試；使用內(nèi)阻超標(biāo)的蓄電池，進(jìn)行蓄電池在線活化功能測試。第二階段是作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際使用測試。由于這是在生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行測試，必須在保證安全的前提下進(jìn)行。該階段選擇了存在蓄電池缺陷的直流電源系統(tǒng)作為測試地點(diǎn)，且特意選擇了使用不同型號蓄電池組的直流電源系統(tǒng)，以便盡可能地驗(yàn)證裝置功能。

通過蓄電池在線檢修修復(fù)裝置的一系列測試，考驗(yàn)了該裝置運(yùn)行的安全性和可靠性。測試結(jié)果表明，該裝置各項(xiàng)功能實(shí)用性強(qiáng)，測量值準(zhǔn)確度合格，修復(fù)效果達(dá)到了預(yù)期，可以滿足作業(yè)人員的要求；裝置運(yùn)行可靠，未引發(fā)相關(guān)的不安全事件。

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了針對單體蓄電池的在線監(jiān)測和修復(fù)方案，通過一系列的測量、反饋、輸出控制，能夠在蓄電池不停運(yùn)的情況下，在線進(jìn)行檢測和修復(fù)操作，并取得了良好的效果。

開發(fā)的針對輕度“硫化”蓄電池的在線活化功能，選擇了正負(fù)脈沖與高頻脈沖協(xié)同工作的活化電路，經(jīng)實(shí)際測試，該型活化電路修復(fù)效果很好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。開發(fā)的蓄電池剩余容量預(yù)測功能，通過對各個型號蓄電池建立容量—內(nèi)阻曲線，結(jié)合蓄電池工作狀態(tài)、工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對蓄電池剩余容量的預(yù)測。

通過對裝置進(jìn)行的大量測試，表明該方案的測量值準(zhǔn)確可靠，對故障蓄電池的修復(fù)效果也達(dá)到了期望目標(biāo)。證實(shí)了本文提出的蓄電池在線檢測和修復(fù)方案是可行的，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。