一種配網終端電池智能檢測存儲裝置的探索與研究

吳飛鵬 姚綺明

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

1 研制背景

隨著配網智能化與數字化建設如火如荼地開展，配網自動化終端的投運數量劇增。根據抽樣調查，當配網自動化終端運行年限超過3年，作為終端后備電源的電池組就會開始出現不同程度的老化、容量下降甚至故障等問題。

電池組在投入使用之后，其運行環境需要保持在適當的溫濕度，即溫度為（20±5）℃，濕度不大于75%。此外，每節電池需定期進行電流/電壓測量和核容計算，以判斷電池性能的好壞，并以此作為是否需要進行深度充放電活化維護的依據。當電池深度放電時，通過多次測量其輸出電壓和輸出電流，算出電池內阻，將多次計算出的內阻數據導入數據庫中，得出電池的內阻變化曲線。待電池放電完成，將放電期間多次測量出的時間、電池容量等數據也導入數據庫中，可得出電池容量變化曲線。結合內阻變化曲線和容量變化曲線，生成可判斷電池性能好壞的依據曲線圖，如圖1所示，若電池存在容量明顯下降或內阻值突增的情況，可以判斷其性能已經大幅降低甚至電池已經發生損壞[1]。通過掌握電池性能曲線的變化，對電池性能的健康狀態進行預判，可及時將不合格的電池進行淘汰、更換，對容量值在可維護容量范圍內的電池進行活化維護，有效實現預防性維護的效果。

由于制造工藝、設備運行方式和儲存環境不同等原因，即使是同一廠家、同一生產批次、同款規格型號的電池，在容量、內阻等方面仍會存在一定差異，這就導致在充電過程中，電池組里的單節電池容易出現滿電更滿而缺電更缺這種兩極分化現象，也稱為“充電不均衡現象”[2]。當電池組老化后，各節電池的容量各不相同，若其中一節電池出現故障，則會造成整組電池性能再次急劇下降，嚴重影響電池的使用年限。另外，充電不均衡現象不僅影響到電池組的充放電效率，還會造成設備運行存在重大安全隱患。為了避免上述問題，需實時監測充電過程中各節電池情況并及時對其進行相應管理[3]。

2 設計原理與思路

配網終端電池智能檢測存儲裝置適用于不同型號規格的鋰電池或蓄電池存放，按照設計思路分為觸摸屏（人）和可編程控制器、檢測電路、繼電器、充電器（物），實現了人機交互的功能，如圖2所示。

通過觸摸屏與可編程控制器的連接，可一鍵式自動調節充電電壓，實現自動檢測電壓/電流、計算電池容量、電池活化及電池損壞自動告警功能，并生成監測報告，無須人工監控電池充放電過程。

可編程控制器接收到信號后，通過若干個10 A繼電器與相關模塊之間的連通或斷開，有序對電流/電壓監測電路與充放電回路進行開斷。當繼電器#2連通時，電池進行充電或浮充，充電器通過將充電電壓控制在一定范圍內，以設置恒定值的方式對電池充電。當繼電器#3連通時，電池進行放電，裝置對電流/電壓進行實時檢測和電池容量計算，最后根據電池容量情況判斷電池可用性，對仍具有可用性的電池直接進行活化，對可用性不高的電池判斷為電池損壞并建議更換。

3 功能介紹

該裝置主要具有電池充電養護管理、電池容量核查測試、電池放電活化維護三種應用模式。其中，充電養護管理可根據用戶在觸摸屏輸入的設定內容對電池進行恒壓充電，滿足電池恒充補充電量與浮充維持電量的日常儲存需求；電池容量核查測試是指通過采集電池充電或放電時的數據進行容量計算，根據電池容量的多少判斷是否需要進行電池活化維護工作；電池放電活化維護是指將電池放電至截止電壓后再充電，有利于維持電池容量與延長電池壽命，滿足電池修復維護的需求。配網終端電池智能檢測存儲裝置的具體結構圖如圖3所示。

為了更好地實現上述三種應用模式的運行，配網終端電池智能檢測存儲裝置可以實現以下四種功能：自動充電切換功能、電流/電壓監測功能、電池活化檢測功能和溫濕度恒定功能。每種應用模式均包含多個功能，如表1所示。

表1 配網終端電池智能檢測存儲裝置應用模式—功能關系表

3.1 自動充電切換功能

電池的充電過程存在一定局限性，如果不限制其充電電流或電壓，在充電過程中電池很可能會發熱甚至爆炸，嚴重威脅到人身、設備安全。如果電池過度充電，則會加速縮短電池的壽命。因此，控制電池恒壓充電可有效避免電池過熱和過充現象。

該裝置設置了10個蓄電池充電工位和10個鋰電池充電工位，當蓄電池或鋰電池被放置在相應充電工位上時，充電器可實現自動切換充電電壓對其進行充電（充電電壓如表2所示）。若檢測到充電工位上的電池電壓低于某電壓值，例如蓄電池可設置為11 V，鋰電池可設置為22 V，充電器將自動對其進行浮充，保持電池電壓不低于截止電壓。該裝置可同時滿足電池日常浮充養護和電池活化維護（放電后補充充電）功能，滿足電池充電養護管理的使用需求。

表2 不同電池類別的充放電電壓

3.2 電流/電壓監測功能

（1）實時監測電池狀態。該裝置的優點為全程無須人工監控運行過程，但為防止電池在充放電過程中出現異常情況，增設實時監測電池狀態的功能，通過觸摸屏將功能狀態與相關數據一并顯示，便于使用者快速了解裝置的運行情況。

（2）測量電池剩余容量。標志電池運行狀態的一個重要參數就是它的可用電量（剩余容量）或荷電狀態（State Of Charge，SOC）[4]，傳統的電池容量試驗（battery capacity test）就是對電池進行核容放電，即在適宜的環境溫度下，以恒定電流將電池放電至某一終止電壓所放出的容量，按以下公式進行容量計算：

式中：C為電池容量（Ah）；If為恒定放電電流（A）；t為放電時間（h）。

因測量電池剩余容量的放電時間較長，需投入大量的人力、物力。為解決此問題，該裝置在實時監測電池電流/電壓的同時，將放電至終止電壓那一刻的恒定電流與放電時間數據導入式（1）中，得出準確的電池剩余容量并顯示結果于屏幕。裝置以電池剩余容量為參考，自行判斷電池可用性及是否需要進行活化維護。

3.3 電池活化檢測功能

MengX等人通過對在不同外界應力作用下的LiMn2O4石墨電池系統進行加速壽命試驗，利用在不同循環次數下的電池容量保持率進行試驗采樣與數據分析，發現電池的循環容量常常會隨著循環次數的增加而呈現線性或指數性的下降趨勢。

為了提高電池內部電化學反應的穩定性，保證電池特性在使用標準范圍內，則需要定期對電池進行活化，令電池的內部離子活性受到激發，使電池特性恢復到正常使用的標準范圍。電池活化的基本原理為：對電池進行標準充放電，使負氧化還原反應發生在電池的正負極上，從而消除電極表面因長期使用而產生的氧化保護膜，最終促使電池內部電化學反應穩定性得到大幅提升，在增加電池容量的同時降低電池內阻，使電池達到最佳狀態，滿足相應的循環性能標準[5]。

針對電池老化需活化維護的情況，該裝置設置了活化檢測功能，當檢測到電池的剩余容量偏低但還沒完全損壞時，裝置開始對該電池進行放電，在放至截止電壓后自動轉為充電狀態，直至電池滿電。由圖4可以看出，當電池放電完全后開始充電時，容量逐漸升高，達到了電池容量維護的效果。

由于不同類型的電池充放電電壓各不相同，為拓寬裝置的適用性，在默認充電電壓值的基礎上增加了可調節區間，如表2所示。

3.4 溫濕度恒定功能

在充電特性上，鋰電池對環境溫度的變化很敏感，尤其是在低溫環境下，電化學反應速率下降，參與反應的鋰離子數量銳減，使電池充電內阻增大，充電容量降低，甚至會產生鋰枝晶，導致電池內部短路[6]。

鉛酸蓄電池容量變化也與環境溫度密切相關，其標準的工作溫度為25℃。若電池長期超標運行，則溫度每升高10℃，電池的壽命就會減半；溫度每下降10℃，電池的放電容量就會降低1%。溫度對電池自放電也有著一定的影響，當溫度升高時，電池的自放電率與溫度變化為正反饋。因此，鉛酸蓄電池應配備必要的保溫保濕措施及良好的通風設備[7]。

為改善上述問題，該裝置的內部增設了溫濕度恒定功能，通過連接溫濕度傳感器，智能調節溫度在（20±5）℃范圍內，且濕度不大于75%。

4 結語

本文研究的配網終端電池智能檢測存儲裝置可同時適用于鉛酸蓄電池、鋰電池兩種類型的電池，將活化功能、整組浮充功能集成于一體，能單獨對每節電池進行智能檢測和活化維護，并具備自動記錄、告警提示及自動切換充電模式的功能，對配網自動化終端電池的日常維護管理有著重大的實際意義。