蓄電池壽命評估技術研究

包 蕊

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

蓄電池壽命評估技術研究

包 蕊

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

綜合考慮蓄電池實際應用情況及各項參數指標，采用模糊原理建立數學模型，并通過大量試驗驗證了該模型計算出的使用壽命與實際壽命誤差小于10%，該技術能夠對蓄電池壽命進行有效判斷，提高了蓄電池的利用率，減少了投入成本。

蓄電池；壽命；模糊；評估技術

蓄電池壽命評估技術目前國內外還處于空白狀態，因蓄電池運行壽命受運行環境、放電頻率、放電深度、運行年限、維護技術、設計壽命、蓄電池生產商、生產工藝、型號等因素影響［1］，單一條件判斷蓄電池運行壽命不現實。綜合分析影響蓄電池實際運行壽命的因素，依據模糊理論建立蓄電池運行壽命模型是研究蓄電池壽命評估技術的核心。

1 影響蓄電池壽命的因素

1.1 放電深度

變電站站用交流電停電后，蓄電池組為二次負載提供直流電源［2］。當蓄電池被過度放電時，將導致蓄電池陰極硫酸鹽化形成硫酸鉛晶體。硫酸鉛本身是一種絕緣體，陰極形成的硫酸鉛越多，蓄電池的內阻［3］越大，充放電性能越差，容量下降越快，使用壽命越短。

1.2 運行條件

蓄電池在高溫下長期使用，溫度每升高10℃，壽命將降低50%。

1.3 放電頻率

蓄電池頻繁長時間放電，并經常在沒有充滿電的情況下進行深度放電，使蓄電池長時間處于虧電狀態，內部極板硫化，導致蓄電池容量迅速下降，成為落后蓄電池。

1.4 荷電狀態

蓄電池的荷電狀態［4］SOC（State of charge）與蓄電池劣化程度、劣化模式、放電倍率、放電頻率、溫度等因素有關，因此，蓄電池荷電狀態同樣影響其使用壽命。

2 壽命評估技術研究

蓄電池因為設計、生產工藝不同，可能在使用中突然出現故障，這種使用壽命的提前終止情況，一般在故障出現時才能診斷出來，不能提前預測。

本文提供了一種根據蓄電池放電容量計算容量衰減比，得到當前蓄電池的老化系數，進而根據老化系數評估蓄電池的壽命的方案。蓄電池的壽命采用蓄電池的老化系數來表征，用蓄電池的當前容量與蓄電池的初始容量比值表示。

2.1 蓄電池老化系數研究

蓄電池測試發現，蓄電池老化模型類似于電壓容量放電曲線，在放電曲線中，記錄了N點的電壓、容量、電流、溫度。

設第1次電壓容量放電曲線第i點電壓為V1i、容量為C1i、電流為I1i、溫度為T1i、老化系數β1i為1，第m次電壓容量放電曲線第i點電壓為Vmi、容量為Cmi、電流為Imi、溫度為Tmi，如0.8＜Imi／I1i＜1.2，則第m次蓄電池容量計算公式為

第m次電壓容量放電曲線第i點老化系數βmi計算公式為

第m次老化系數為

2.2 蓄電池壽命模型的建立

蓄電池使用壽命受設計工藝、使用條件、環境溫度、充電模式等因素影響。綜合考慮影響壽命的因素，利用模糊理論建立1個通用性較強的數學模型，從而對蓄電池的壽命進行研究，通過函數圖發現，循環壽命的圖像特性接近冪函數的圖像特性，因此，確定隸屬函數為冪函數，使其具有較高的隸屬度，模糊系統架構如圖1所示。

圖1 模糊系統的架構

首先需確定1個集合：D＝｛y（xi，xj）｜i，j＝1，2，3，…，n｝，其中i≠j，xi，xj為模型的輸入量，y為模型的輸出量，自適應模糊推理系統包括3層。

第1層：

?n＝S（xi）隸屬函數xi應符合冪函數的數學關系

第二層：

第三層：

x為模型的輸入量［5］，與SOC（實際容量）、溫度T、放電截止電壓、蓄電池老化系數有關，y為蓄電池循環壽命次數，a、b、c、d、p、q矯正系數需通過實際試驗數據驗證確定范圍，主要受蓄電池放電深度、放電頻率、放電電流、環境溫度、生產工藝、廠品型號等因素影響。訓練樣本應盡可能覆蓋模型的輸入空間，蓄電池要在不同使用條件和環境下進行測試，以驗證模型的自適應性。模型建立所需數據樣本獲取工作量較大，本文選擇具有代表性的數據進行舉例。

2.3 試驗方案

a.分別以使用年限為3～6年，容量在80%以上，相同品牌按照使用年限分成2類，共4組分別用于壽命試驗。

b.試驗使用智能放電負載、高精度萬用表、直流開關電源系統。

c.每組電池按放電率為C10（10 h放電），C5（5 h放電），C15（15 h放電）進行試驗。

d.放電頻率為1天，即每天均進行放電試驗。

e.放電截止電壓為1.8 V，放電溫度控制在25℃，并記錄放電測試數據。

f.當容量在額定容量80%以下時，停止放電，計算放電次數。

3 試驗數據分析

3.1 實測數據

分別對2個生產廠家運行5年和6年的300 AH蓄電池進行壽命評估試驗，試驗結果如表1～表4所示。

表1 廠家1運行5年壽命評估表

表2 廠家1運行6年壽命評估表

表3 廠家2運行5年壽命評估表

表4 廠家2運行6年壽命評估表

3.2 實測數據與評估數據對比

以3個廠家為例預測蓄電池壽命如表5所示，同時將預估壽命與實際壽命對比，結果如圖2所示。

表5 蓄電池壽命預測結果

圖2 壽命預測值與實際值比較

由圖2可以看出，預測值與實際值相差不大，誤差低于10%，該評估技術可行。

4 結束語

本文提出的蓄電池壽命評估數學模型，當放電深度、放電頻率、放電電流及溫度等參數確定后，即可通過SOC剩余容量推算出蓄電池的剩余壽命，誤差在10%以內。該模型可根據蓄電池的使用條件預估使用壽命。

［1］ 馬 勇，王艷慧.電廠廠用蓄電池組的選型［J］.東北電力技術，2005，26（10）：45－47.

［2］ 陳 曦，張曉東，耿宇缽.蓄電池在線監測系統的設計［J］.東北電力技術，2005，26（7）：38－41.

［3］ 王秀霞.固定型閥控式鉛酸蓄電池組充放電試驗與運行狀況分析［J］.東北電力技術，2009，30（1）：31－33.

［4］ 高安同，張 金，陳榮剛，等.鋰離子電池荷電狀態估算及剩余壽命預測［J］.電源技術，2014，28（6）：15－19.

［5］ 呂 超，劉珊珊，沈 杰，等.鋰離子電池等效電路模型的比較研究［J］.電源技術應用，2013，12（11）：26－29.

Battery Life Assessment Technology Research

BAO Rui
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper，considering the actual application situation and the battery parameters，sets up the principle of fuzzy mathe?matics model.It verifies through massive experiments the service life and real life error less than 10%by the model calculation.The technology can effectively judge the life of battery，improve the utilization rate of battery and reduce the cost.

Battery；Lifetime；Fuzzy；Evaluate technology

TM912

A

1004－7913（2015）04－0022－03

包 蕊（1981—），女，碩士，高級工程師，從事二次設備研究。

2015－02－10）