鉛酸蓄電池組分布式在線監(jiān)測與狀態(tài)診斷

尹春杰，王亞男，宋彥螟，肖發(fā)達，李鵬飛，武文豪

(1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250101；2.大唐移動通信設(shè)備有限公司，北京 100083)

0 引言

自從1859年法國人普蘭特發(fā)明鉛酸蓄電池，至今已有一百多年的歷史。鉛酸蓄電池因其諸多優(yōu)良性能，在全球范圍內(nèi)的交通、電力、金融、通信、建筑等行業(yè)被廣泛使用。近年來，風(fēng)、光、氣等可再生、清潔能源在世界范圍內(nèi)廣泛利用。為增強傳統(tǒng)電網(wǎng)對新能源電力的吸納能力，儲能已成為大電力系統(tǒng)及分布式微能源系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定、高效運行的重要組成部分。而鉛酸蓄電池由于其安全性、經(jīng)濟性等優(yōu)點，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，在電力儲能系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

鉛酸蓄電池作為一種電化學(xué)產(chǎn)品，其健康狀態(tài)受實際充放電特性、環(huán)境溫度、放電深度、荷電狀態(tài)等諸多因素影響。特別在串聯(lián)蓄電池組應(yīng)用中，隨著各單體蓄電池間參數(shù)差異逐漸擴大，整個電池組的性能將急劇惡化，實現(xiàn)鉛酸蓄電池在線狀態(tài)監(jiān)測的意義重大[2-3]。目前，對鉛酸蓄電池組的檢測主要采用集中式電池端電壓比較法、內(nèi)阻法及離線整組放電測試法等，具有方法單一、接線繁雜、準(zhǔn)確度低及實施不方便、實時性差等不足[4]。本文采用分布式網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)共享、分布決策，并基于多種判據(jù)實現(xiàn)對各單體蓄電池健康狀態(tài)的綜合評估。該架構(gòu)具有安裝簡便、實時性強、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點。

1 鉛酸蓄電池基礎(chǔ)

1.1 電化學(xué)反應(yīng)原理

免維護閥控鉛酸(valve regulated lead acid,VRLA)蓄電池(以下簡稱鉛酸蓄電池)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VRLA蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖

鉛酸蓄電池主要包括正極板(PbO2)、負(fù)極板(Pb)、隔板、電解液(H2SO4)等。

鉛酸蓄電池充電、放電過程中，內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，主反應(yīng)過程如式(1)所示[5]。放電時，反應(yīng)正向進行；充電時，反應(yīng)反向進行。

(1)

蓄電池放電時，正、負(fù)極板化學(xué)反應(yīng)分別如式(2)、式(3)所示：

(2)

(3)

蓄電池充電時，正、負(fù)極板化學(xué)反應(yīng)分別如式(4)、式(5)所示。其為放電時的逆反應(yīng)。

(4)

(5)

1.2 鉛酸蓄電池等效電路模型

常用鉛酸蓄電池基本模型包括簡化模型與改進的Thevenin模型[6]。鉛酸蓄電池等效電路模型如圖2所示。

圖2 鉛酸蓄電池等效電路模型

①簡化模型。

如圖2(a)所示，E為蓄電池內(nèi)部電動勢，等于開路狀態(tài)下的電池輸出端電壓；U為工作狀態(tài)下的端電壓；r為鉛蓄電池內(nèi)部電阻；I為蓄電池放電電流。由歐姆定律可得：

(6)

②Thevenin模型。

Thevenin等效模型如圖2(b)所示。該模型由理想電壓源E′、歐姆內(nèi)阻r0、極化內(nèi)阻r1和電容C1構(gòu)成。歐姆內(nèi)阻r0和極化內(nèi)阻r1之和為蓄電池內(nèi)阻。

1.3 鉛酸蓄電池常見故障及失效機理

蓄電池是實現(xiàn)電化學(xué)儲能、變電站設(shè)備電動操作、建筑應(yīng)急供電等各類電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。除去人為、機械損壞等意外因素，比較典型的蓄電池失效原因包括以下幾個方面[7]。

1.3.1 極板硫酸鹽化

參照式(2)、式(3)，若電池放電后長期充電不足，硫酸鉛將結(jié)晶而形成大顆粒、低活性的硫酸鉛晶體附著在極板上。隨著硫酸鹽層的不斷累積，極板的孔隙率減小、電解液與電極的接觸面減小、電極反應(yīng)速率降低，使得蓄電池容量降低。隨著極板硫酸鹽化程度的加劇，蓄電池內(nèi)阻增大。

1.3.2 熱失控

蓄電池在充電過程中，若不能及時釋放氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，在溫度與化學(xué)反應(yīng)間會形成一個累積性增強作用。特別對于VRLA蓄電池，容易導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)研究，VRLA單體電池在2.35 V/25 ℃下連續(xù)浮充4個月將出現(xiàn)熱失控。熱失控輕則使電池外殼鼓包變形、漏氣，重則使蓄電池爆炸，造成毀滅性的損失。

1.3.3 失水與正極板腐蝕

從式(4)可以看出，蓄電池充電時，在正極板存在水分解過程。特別是當(dāng)蓄電池過充電時，水分解反應(yīng)加速，正極板析出大量氫氣，負(fù)極板析出氧氣。若這兩種成分未及時復(fù)合而發(fā)生逸出，電解液中的水分將減少，相應(yīng)電解液H2SO4濃度升高，正極板腐蝕加速。研究表明，鉛酸蓄電池的性能、壽命與溫度呈現(xiàn)很強的相關(guān)性。若不采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a償措施，以25 ℃為基準(zhǔn)，蓄電池運行環(huán)境每上升10 ℃，壽命將縮短50%[8]。

2 健康狀態(tài)綜合評估策略

蓄電池劣化和老化程度采用健康狀態(tài)(state of health,SOH)表征。但按照SOH的定義，需通過離線放電測定蓄電池實際容量，然后才能計算得電SOH值。顯然，該方法不適用于蓄電池健康狀態(tài)在線監(jiān)測。本文研究通過實時在線采集蓄電池的端電壓、充放電電流、溫升，實現(xiàn)蓄電池健康狀態(tài)等級綜合評估。

2.1 基于蓄電池端電壓的健康狀態(tài)估計

有關(guān)研究表明，鉛酸蓄電池的端電壓與荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)及SOH具有較強的相關(guān)性[9]。但在不同的工作模式下，蓄電池端電壓正常值域的差異較大，故無法采用固定的端電壓判斷閾值對蓄電池的健康狀況進行估計。

2.1.1 工作模式識別及正常端電壓值域確定

鉛酸蓄電池工作狀態(tài)可分為充電狀態(tài)與放電狀態(tài)。蓄電池端電壓的正常值在此兩個狀態(tài)時差別較大，應(yīng)予以分類判定。

①充電過程。

為避免初始充電電流過大和充電后期析氣嚴(yán)重的問題，現(xiàn)多采用三階段充電法。整個充電工程分為恒流均充、恒壓均充及浮充三個階段。三階段充電法充電特性曲線如圖3所示。

圖3 三階段充電法充電特性曲線

記恒流充電的充電電流限值為I1，恒壓充電電壓限值為U1，取充電時電流方向為正方向。在環(huán)境溫度25 ℃ 條件下，以10倍率單體蓄電池為例：一般I1取值為0.1C10(A)，不大于0.25C10(A)；U1一般取值為2.35 V，最大不超過2.40 V；浮充電壓U2一般取值為2.25 V；I2為均充轉(zhuǎn)浮充電流設(shè)定值[10]。I1、I2、U1、U2的具體取值可根據(jù)制造廠給定參數(shù)及蓄電池充電機設(shè)定參數(shù)求取。

②放電過程。

當(dāng)蓄電池電流為負(fù)時，可判定為蓄電池處于放電狀態(tài)。相關(guān)研究表明，鉛酸蓄電池在不同荷電狀態(tài)、不同放電倍率下，其放電曲線差異較大。但放電截止電壓U3有明顯的規(guī)律性[11-12]。一般在大電流放電時，U3取值為1.6 V； 在中小電流放電時，U3取值為1.8 V。具體應(yīng)用中可按制造廠給定參數(shù)確定。

2.1.2 基于端電壓的評估策略

①同組蓄電池端電壓均衡性判別。

(7)

②單體蓄電池端電壓異常判別。

通過電流值I的方向與大小，判斷出蓄電池的工作狀態(tài)。蓄電池端電壓正常取值范圍如表1所示。結(jié)合表1可確定端電壓是否異常。 表1中：ΔU1、ΔU2、ΔU3分別為均充、浮充及放電狀態(tài)下允許的電壓偏差設(shè)定值。

表1 蓄電池端電壓正常取值范圍

2.2 基于蓄電池溫度的健康狀態(tài)估計

鉛酸蓄電池性能受環(huán)境溫度影響很大。通過實時檢測各蓄電池的體表溫度T及環(huán)境溫度Ta，一方面可以對蓄電池充、放電端電壓基準(zhǔn)值進得溫度校正，另一方面可以預(yù)防熱失控現(xiàn)象的發(fā)生?；跍囟鹊慕】禒顩r評估基本策略如下。

①同組內(nèi)各蓄電池溫升均衡性判別。

(8)

②單體蓄電池最大溫升限值判別。

比較各單體蓄電池溫升值ΔTi與最大溫升限值ΔTmax，超出限值時診斷為異常。ΔTmax可參考具體蓄電池技術(shù)參數(shù)及正常運行工況確定。

2.3 基于蓄電池內(nèi)阻的健康狀態(tài)估計

相關(guān)研究表明：荷電率為50%以上的健康蓄電池，在進行正常充、放電時，內(nèi)阻變化很小；而異常蓄電池內(nèi)阻，隨著荷電狀態(tài)、充放電電流的改變，將發(fā)生顯著變化[13]。目前，通過蓄電池等效直流內(nèi)阻進行蓄電池狀態(tài)評估的方法已為業(yè)界廣泛認(rèn)同。

2.3.1 蓄電池內(nèi)阻在線檢測

目前，蓄電池內(nèi)阻檢測方法主要為直流放電法和交流注入法。直流放電法瞬間產(chǎn)生幾十甚至上百安的負(fù)載大電流，易造成極化電阻，對蓄電池不利；交流注入法實現(xiàn)過程復(fù)雜、抗干擾差、成本較高[14]。本文以傳統(tǒng)直流放電法基本原理為基礎(chǔ)，研究借助蓄電池實際負(fù)載變動，實現(xiàn)內(nèi)阻在線監(jiān)測。

蓄電池內(nèi)阻檢測原理如圖4所示。因無需考慮電容效應(yīng)的影響，選用蓄電池簡化模型。

圖4 蓄電池內(nèi)阻檢測原理示意圖

蓄電池在充、放電過程中，定時采集各蓄電池端電壓及電流。以第i只蓄電池為例，順序采樣數(shù)列記為{Ui(k)，I(k)}。設(shè)ΔIm為設(shè)定最小電流變化閾值。對當(dāng)前采樣時刻k，若存在其鄰近時間間隔j，滿足：

|I(k)-Ik-(j)|>ΔIm

(9)

則有：

(10)

由于內(nèi)部電動勢E及內(nèi)阻均為緩慢變化量，可認(rèn)為：

(11)

聯(lián)立式(8)、式(9)，可得到：

(12)

(13)

2.3.2 基于內(nèi)阻的評估策略

①同組內(nèi)蓄電池內(nèi)阻均衡性判別。

②各蓄電池最大內(nèi)阻限值判別。

將各蓄電池當(dāng)前內(nèi)阻值與正常內(nèi)阻基準(zhǔn)值作比較，正偏差超出設(shè)定值(一般取25%)則判定異常。

2.4 蓄電池健康狀態(tài)等級綜合評估

由于蓄電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性及不確定性，難以用單一外部特性參數(shù)對蓄電池的劣化情況作出準(zhǔn)確判定。本文在分別依據(jù)端電壓、溫升、內(nèi)阻評判結(jié)果基礎(chǔ)上，進一步對蓄電池的劣化狀況進行分級綜合評估。蓄電池劣化等級綜合評估策略如表2所示。

表2 蓄電池劣化等級綜合評估策略

表2中:集合A為依據(jù)端電壓篩選出的異常電池；集合B為依據(jù)溫升篩選出的異常電池；集合C為依據(jù)內(nèi)阻篩選出的異常電池。

負(fù)責(zé)蓄電池檢修維護的部門，可據(jù)此有針對性地對處于不同劣化等級的蓄電池安排檢修計劃，并作出相應(yīng)處置。這也有利于促進定期設(shè)備檢修方式向狀態(tài)檢修方式的轉(zhuǎn)換。

3 分布式監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)本文所述方法，需對串聯(lián)蓄電池組內(nèi)每一單體蓄電池的端電壓、環(huán)境溫度、殼體溫度及充放電電流分別進行實時檢測。在諸如變電站、發(fā)電廠及分布式電化學(xué)儲能系統(tǒng)等應(yīng)用場合，單組內(nèi)串聯(lián)的單體蓄電池數(shù)量常達到數(shù)十只甚至上百只，檢測點很多，采用傳統(tǒng)的集中式測控系統(tǒng)連接線繁復(fù)，安裝、維護困難。本文設(shè)計采用了基于控制局域網(wǎng)(controller area network,CAN)的分布式網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)架構(gòu)。

本系統(tǒng)主要包括單體電池監(jiān)測模塊(monomer battery monitoring module，MBMM)與中央信號模塊(central signal module，CSM)。MBMM單元分散安裝于每個單體蓄電池殼體上，解決了信號連接線繁雜的問題。各MBMM單元通過CAN總線互聯(lián)，在實時檢測本單體蓄電池數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可方便地通過網(wǎng)絡(luò)偵聽并獲取其他單體蓄電池的實時數(shù)據(jù)。因此，每個MBMM單元都可根據(jù)個體與全局?jǐn)?shù)據(jù)實現(xiàn)分布式?jīng)Q策。CSM單元可根據(jù)實際應(yīng)用需要實現(xiàn)現(xiàn)場信號顯示及數(shù)據(jù)提取、協(xié)議轉(zhuǎn)換、遠程通信等。

分布式蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分布式蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

MBMM單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。MBMM單元的可靠性及低成本是本設(shè)計的關(guān)鍵。本文選用STM32F103RET芯片作為中央處理器。該芯片應(yīng)用廣泛、價格低廉、片上資源豐富。

圖6 MBMM單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 蓄電池端電壓信號變換電路

本設(shè)計采用霍爾式電壓互感器LV-25P，以隔離、線性傳感蓄電池端電壓。LV-25P電壓互感器一、二次側(cè)變比為10 mA/25 mA。蓄電池端電壓檢測電路如圖7所示。

圖7 蓄電池端電壓檢測電路

其選用運算放大器LM258構(gòu)成信號調(diào)理電路，將蓄電池端電壓變換為0～3 V的信號接入STM32的模擬輸入端口，由內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器完成由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

3.2 蓄電池充放電電流信號變換電路

設(shè)計采用穿心式霍爾電流互感器LA-50P檢測蓄電池充放電電流。LA-50P二次輸出為-50～+50 mA電流信號。蓄電池電流檢測電路如圖8所示。其使用運算放大器LM258搭建信號調(diào)理電路，將-50～+50 mA電流信號轉(zhuǎn)換成0～3 V電壓信號。

圖8 蓄電池電流檢測電路

3.3 溫度檢測電路

設(shè)計采用兩片單總線高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20，分別實現(xiàn)蓄電池殼體溫度及環(huán)境溫度的檢測，測溫范圍為-55～+125 ℃，精度為±0.5 ℃。溫度傳感器接口電路如圖9所示。

圖9 溫度傳感器接口電路

4 結(jié)論

本文通過分析鉛酸蓄電池的工作原理及失效機理，研究了分別通過端電壓、溫度、內(nèi)阻實時數(shù)據(jù)對蓄電池健康狀態(tài)進行在線診斷分選的方法，并進一步提出了基于各單項分選結(jié)果的綜合分級評估策略。為方便安裝、維護，本文采用基于CAN的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，選用STM32F103RET為主控芯片。所設(shè)計的分布式鉛酸蓄電池在線監(jiān)測與健康狀態(tài)綜合評估系統(tǒng)，具有分散布置、分布決策、安裝簡便、實時性強等優(yōu)點。