工業堿性蓄電池智能化發展趨勢

程 迪，宋二虎，蘇正會

(中國化學與物理電源行業協會堿性蓄電池與新型化學電源分會，河南新鄉 453000)

一、概述

工業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品。其中，前三類蓄電池應用比較普遍，且其發展更能夠體現出工業堿性蓄電池行業發展的特點和趨勢。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、耐過充過放電、高低溫性能好、能以超高倍率(30C～40C)放電，維護方便等特點。20 世紀90年代發展的氫鎳蓄電池主要特點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，屬于環保型電池。

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

圖1 工業常用堿性鎘鎳/鐵鎳/氫鎳蓄電池

堿性蓄電池在工業領域具有比較堅實的市場空間和發展潛力，廣泛應用于軌道車輛、汽車、照明、通訊、電動工具、家用電器和醫用備用電源等。其中，最具代表性的應用領域主要集中在軌道交通和儲能應用。

1 軌道交通領域應用

軌道交通領域中，主要應用的是方形鎘鎳蓄電池和方形氫鎳蓄電池。以機車啟動電源、客車及高速動車組和地鐵車輛的備用電源為主。鑒于行業的慣性和水系電池的本質安全性特點，在安全性要求非常高的軌道交通領域仍然占據了主導地位。其中：

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

客車及高速動車組備用電源：客車和高速動車組通常需要備用電源，以供應無電區域的照明、通信設備和緊急系統。方形鎘鎳蓄電池和方形氫鎳蓄電池在這些應用中被廣泛使用，因為它們能夠提供可靠的備用電源，并且在緊急情況下保障乘客的安全。

地鐵車輛備用電源：地鐵系統是城市交通網絡的主要組成部分，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，以應對電力供應中斷或緊急情況。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域的應用

2 儲能領域應用

儲能領域中，堿性蓄電池主要應用的也是以方形鎘鎳蓄電池和方形鐵鎳蓄電池為主，主要應用于光伏儲能、石油平臺備用、大型醫療設備、水電站和高壓電力系統配套。盡管閥控式密封鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池有替代趨勢，但鑒于水系電池的本質安全性，仍然是石油平臺等備用電源的主要選擇方向之一。

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

石油平臺儲能蓄電池系統：在石油平臺和離岸設施中，穩定的備用電源至關重要。堿性蓄電池由于其高可靠性和本質安全性，常被選用用于提供緊急電力，確保設備運行和人員安全。

大型醫療設備：大型醫療設備，如核磁共振儀和電子斷層掃描儀，通常需要穩定的電源，以確保準確的診斷和治療。堿性蓄電池在這些設備中用作備用電源，以避免數據丟失或治療中斷。

水電站：水電站需要高效的能源儲備系統，以管理電力需求的峰谷。堿性蓄電池在水電站中用于調節電力產生和需求之間的差異，確保電力網絡的穩定性和可靠性。

高壓電力系統配套：高壓電力系統，如變電站和輸電線路，需要備用電源以應對緊急情況。堿性蓄電池在這些系統中提供備用電源，以維持電力分配的連續性。

盡管閥控式密封鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池在儲能領域也有替代趨勢，但堿性蓄電池仍然受歡迎的原因之一是它們的本質安全性。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用中成為首選。此外，這些電池的成本相對較低，也有助于它們在儲能領域的廣泛應用。隨著技術的進一步發展，堿性蓄電池有望繼續在各種儲能應用中發揮關鍵作用，支持能源的可持續利用和電力系統的穩定性(圖3)。

圖3 堿性蓄電池在儲能領域的應用

3 軍工領域應用

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

圖4 堿性蓄電池在軍事裝備領域的應用

總之，隨著軌道交通系統、電力系統、石油平臺供電等系統的智能化、數字化管控升級，工業堿性蓄電池系統也迎來了全新的數字化和智能化管理需求。這一趨勢促使堿性蓄電池從簡單的串并聯組合向更為系統集成化和數字化管控的方向發展。堿性蓄電池作為關鍵的能源儲存和備用電源解決方案，將繼續在支持可再生能源、確保軌道交通和電力系統的可靠性、以及維護石油平臺供電等方面發揮關鍵作用。同時也是電力和能源領域不斷創新進步的一部分，推動著未來更智能、更可持續的能源管理和供電系統的發展。

二、工業堿性蓄電池智能化/數字化發展趨勢

隨著鋰離子蓄電池管理系統普及應用與自動化、數字化、智能化的發展，及工業用戶自身的自動化、數字化和智能化發展需求，近年來，對堿性蓄電池系統的數字化、智能化要求越來越迫切。工業堿性蓄電池數字化、智能化發展的主要趨勢如下。

1 智能電池/智能電池模組的發展趨勢

智能電池也稱作智能電池系統，它是現代電源技術分支和重要組成部分。智能電池是利用內部電子線路來測量、計算和存儲電池數據，通過多尺度耦合設計、多維度內部傳感與一體化集成、執行器主動閉環管理等，使得電源使用和管理更加可預測。

鑒于工業堿性蓄電池品種比較多、且堿性蓄電池多數是處于氫氧化鉀或氫氧化鈉氣氛應用環境中，要實現單體電池的智能化管理其難度和成本會比較高，且難以感知內部多維信號、缺乏主動反饋控制器件等。因此，對于工業堿性蓄電池來講，其智能電池的發展趨勢更多是以電池模組的標準化和智能化為主要方向。

為滿足低成本和數字化的共同需求，推廣標準化智能電池模組是工業堿性蓄電池智能化發展的第一環節，即推行具有電池模組狀態監控、信息采集與存儲、安全預警功能，且可在多種使用狀態下互換的標準化電池模組是工業智能電池的主要發展方向。

為降低智能電池模組的成本，并鑒于堿性蓄電池特性特點，其標準化智能電池模組內部可以采用2 只或多只單體電池為一個監控單元。

2 堿性蓄電池智能制造方向與趨勢

智能制造通常指通過生命周期、系統層級和智能功能三個維度構建，形成智能裝備、智能工廠、智能服務、工業軟件和大數據、工業互聯網支撐的智能制造體系。其中，智能生產和數字化制造都是數字化和智能化的發展過程，即：智能化工廠是一種利用先進的信息技術手段，實現生產過程的智能化和自動化，它能夠通過物聯網、云計算、大數據、人工智能等，對生產過程進行監測、分析、優化和預測，從而提高生產效率、降低成本、提高產品質量；數字化工廠則是指將制造業的整個生產過程進行數字化、模擬、仿真和優化的工廠，通過數字化技術和先進制造技術相結合，將整個生產過程從設計、規劃、生產到售后服務都進行數字化處理，為智能制造和數字化管理提供基礎。

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

目前階段則更多應該是以推廣ERP為基礎和局部MES相結合為發展方向，即采用先進工藝與局部自動化相結合、產線大數據與工業互聯網相結合、缺陷檢測與生產閉環控制相結合，從而實現大數據與人工智能的協調發展和提升。

3 堿性蓄電池智能管理系統發展趨勢

堿性蓄電池是非常傳統的化學電源，鑒于該類電池具有非常高的安全性等特點，目前仍然被廣泛應用在軍工和鐵路等領域。由于此類電池單體電壓比較低和水性電解液體系之特點，該類電池從發明以來大多數是直接進行串并聯使用或加以簡單的電壓、溫度監控。但堿性蓄電池在實際使用過程中，也仍然存在諸如電解液補加不及時而燒壞電池組的現象、存在使用過程中電池短路而燒壞電池組系統的現象、存在電池組個別電池電壓偏低而導致電池組無法正常使用的現象、存在個別電池漏液導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的普及應用與自動化、數字化、智能化的發展，近年來，對堿性蓄電池采用類似鋰離子蓄電池管理系統進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，也紛紛響應用戶之需要，開發出了多款適用于堿性蓄電池的電池管理系統，并在地鐵車輛等領域開始了試用。

正在試用推廣的堿性蓄電池管理系統可以通過對單體電池電壓和總壓的監控、對電池組溫度及溫度場的監控、對電池充放電電流的監控、對浮充電及浮充電曲線狀態的監控、對電解液及液位的監控、對電池絕緣電阻的監控、對連接電阻的監控等，并可以通過采集變換電流與電壓等模型實現對電池內阻的監控，不僅可以實現對電池組SOC(state of charge)的狀態監控、還可以實現對電池組SOH(state of health)監控與預判，且也還可以通過聯動補水系統實現對電池的自動補液等維護性操作。

堿性蓄電池管理系統可以通過對各參數及控制閾值的合理設定，建立起電池組系統數字化監控模型，搭建起電池組系統更加安全的應用平臺，確保電池組系統的安全有效運行，即通過對蓄電池電壓、電流、液位、溫度、電阻、浮充電狀態等信息有效組合設定，或通過對電池組半電壓比對、對一段工作時間內的溫度比對等，做出蓄電池狀態分析，確保蓄電池工作在合適的監控狀態。當電池組狀態發生偏離，即電池管理系統檢測到電壓、電流、液位、溫度、壓差、溫升速率等參數異常時，會通過CAN、MVB(multifunction vehicle bus)或者以太網通信上傳至整車/機系統，或者通過T-BOX 上傳至后臺系統，提醒相關人員及時予以處置，提高電池應用的安全性。

堿性蓄電池管理系統的應用不僅能夠減少電池使用過程中維護工作量，還可以為整機自動化、數字化、智能化操控提供參數和依據，也能夠有效預判電池使用期限和最大限度的延長電池的使用壽命，具有良好的安全保障性和經濟合理性，是傳統堿性蓄電池應用的一個新發展方向。

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，在開發堿性蓄電池管理系統及模型時，不能簡單地套用鋰離子蓄電池的管理模型，需要重點對堿性蓄電池荷電狀態(SOC)模型算法、健康狀態(SOH)模型算法、多模型融合的溫度場評估算法等進行研究開發，建立起更適合堿性蓄電池自身特點的算法模型。

堿性蓄電池荷電狀態評估主要是通過安時積分法與不同溫度下的OCV(open circuit voltage)曲線相結合的不斷修正來計算荷電狀態。將修正后的結果存儲在電池管理系統的EEprom(electrically erasable programmable read-only memory)中，并上報給主機。圖5所示是河南新太行電源股份有限公司建立的SOC算法模型拓撲圖。

圖5 堿性蓄電池SOC 算法模型示例

堿性蓄電池健康度(SOH)評估主要是通過電池使用過程中的歷史數據積累，并依據使用期限及電池容量衰減趨勢、電阻變化趨勢，結合當期使用中檢測到的電壓、電流和溫度等參數，與蓄電池自身結構特性數據相結合，采用不斷修正模式，實時診斷蓄電池的健康度狀況。

通過實時在線監控系統，堿性蓄電池智能管理系統可以將蓄電池組電壓、SOC、充放電電流及環境溫度、安全預警提示、維護提示等信息發送用戶后臺系統，方便維護人員及時定位維護，提高維護效率，降低人工成本。圖6是河南新太行電源股份有限公司開發的SOC算法模型和管理系統在地鐵領域的應用案例。

圖6 河南新太行電源股份有限公司開發的堿性蓄電池管理系統應用實例

堿性蓄電池智能管理系統還包括絕緣電阻檢測與管理提示、溫度場監控與管理提示、氣體析出監控與管理提示、電解液液位監控與管理提示等。

4 堿性蓄電池智能管理系統應用趨勢

堿性蓄電池管理系統應用主要包括用戶管理平臺與蓄電池智能系統、運行數據與安全預警、蓄電池與充電機智能匹配、蓄電池組定期智能維護等，是堿性蓄電池應用的新趨勢、新要求。

(1)狀態監控與自動維護新需求

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

堿性蓄電池智能化監控除了對單體電池或標準化模組電壓、電流、溫度、絕緣電阻等參數監控以外，其網絡化、數字化和遠程移動平臺應用需求已經顯現。而對應該新需求，智能管理系統就需要結合新應用需求環境，通過先期的模型計算處理，開發適合遠程終端應有的數據模式，優化SOC、SOH及安全預警新模式。

例如：目前蓄電池健康監測系統和蓄電池充放電維護還沒有完全實現關聯。而河南新太行電源股份有限公司正探索性研究的監測系統，能夠溝通充電機等多方聯動，通過采用在線監控方法，協調充電機系統實現車輛的在線對蓄電池自動維護，可以有效提高產品維護工作質量(圖7)。

圖7 堿性蓄電池智能監控平臺拓撲圖

(2)安全預警新趨勢

盡管堿性蓄電池是水系電池，具有本質安全性，但是，該電池系統在使用過程中仍然會存在安全隱患，包括電壓異常、系統熱失控、氫爆、絕緣性降低等。因此，工業堿性蓄電池的管理系統需要具有安全預警模式，并且需要與管理平臺或移動終端等實現信息共享，確保系統運行的安全性。例如：

電壓異常預警：電壓異常包括單體電池電壓或最小檢測單元的電壓低于其它平均電壓0.3 V 以上；或電池系統的半電壓(電池組的一半)相差大于1 V時，應該向管理平臺發出異常預警。

熱失控預警：當檢測到單點溫度超過其它監控點溫度5 ℃以上，或檢測到溫度超過設定的閾值，或溫升(或出車與收車相比)明顯出現異常時，應該向管理平臺發出異常預警。

熱失控是蓄電池出現極端事故的主要原因，當蓄電池長時間過充電，或者電解液減少引起了蓄電池溫度升高，如果不能及時控制就會造成蓄電池的熱失控。開發熱失控預警系統則是通過檢測電池極柱溫度，當極柱溫度高于某個閾值或出現熱失控預兆，系統便預判該蓄電池有熱失控風險，通過Internet/MVB 向TCMS(train control and management system)系統提前預警，系統可指派工作人員進行巡檢，排查問題原因，有效預防熱失控事件發生(圖8)。

圖8 堿性蓄電池溫度監控與預警示意圖

氫爆預警：氫爆是堿性蓄電池比較嚴重的安全問題，由于設計或通風等緣故，會在某些時點出現氫氣聚集，從而可能引發氫爆發生。因此，堿性蓄電池智能管理系統需要具備氫氣濃度檢測和安全預警功能，確保電池系統使用的安全性。

絕緣性降低預警：堿性蓄電池在使用過程中會出現漏液現象，由于氣體溢出所帶堿性物質，有可能引發電池系統的絕緣性降低，從而引發安全事故。智能管理系統可通過持續測量電池組正極對箱體的絕緣值和電池組負極對箱體的絕緣值，如果系統絕緣值低于例如500 Ω/V，在線監控系統就會向管理平臺發出異常預警(圖9)。

圖9 絕緣性能監控示意圖

浮充電異常預警：眾多事故調查表明，堿性蓄電池不少事故是由于充電與電池系統匹配性不恰當所引發。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執行，沒有有效隨電池性能改變而調整充電策略。堿性蓄電池智能管理系統應具有隨著電池性能變化而與充電機進行有效協同功能，及時調整相關充電策略的發展需求。同時，智能管理系統也需要具有對充電模式，特別是浮充電模式下時間與電流關系的有效分析，一旦發現浮充電模式下卻長時間電流無法降低到預設狀態，應能向管理平臺發出異常預警。

(3)自動補水維護新趨勢

工業堿性蓄電池在使用過程中需要定期進行補液(水)，對電解液量控制有明確之要求。傳統辦法是定期的人工維護，但會導致停止使用，增加使用和維護成本等。目前，應用較多的補水系統是由補水車、補水氣塞及補液管等組成。其中，補液氣塞和補液管連接到蓄電池組上，作為蓄電池組一部分。當蓄電池組需要補水時，需將補水車與蓄電池組的補液管通過快換接頭連接，即可實現電池組之補水作業。

自動化補水系統，則是通過蓄電池液位監控和管理系統之智能化操作，選擇合適的時機對蓄電池進行定期的自動化補水作業，不要人工拆卸蓄電池或連接補水管路等，減少人工作業勞動強度且還能夠確保電池長壽(圖10)。

圖10 自動補水系統示意圖

(4)應用系統節能技術新趨勢

工業堿性蓄電池使用主要是以備用兼動力電源為主，為了解決再生能源消耗以及環境污染問題，未來的研究需要不斷創新節能技術。一個關鍵趨勢是提升堿性蓄電池的快速充電能力，并將其與先進的管理系統協同工作，從而實現再生制動能量的回收和利用，顯著提高能源回收的效率，最大程度地降低能源成本。

總之，工業堿性蓄電池的應用領域正在朝著更節能、更環保的方向發展。通過提高充電速度和優化能量管理，可更有效地利用堿性蓄電池作為備用電源，減少能源浪費，降低對傳統能源的依賴，以及減少對環境的不利影響。工業堿性蓄電池技術將在未來的能源管理中發揮重要作用，為可持續能源未來的實現貢獻力量。

三、結束語

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

工業堿性蓄電池的智能發展是一項基于標準化智能電池模組的發展趨勢，其核心特點是將自動化和局部智能化與數字化相結合，通過流程再造實現多工序一體化智能制造。這一發展取決于智能化管理系統的開發，具體來說，是通過堿性蓄電池管理系統來監控電池的各項參數，包括電壓、溫度、充放電電流、浮充電狀態、電解液液位、絕緣電阻、氫氣氣氛等，并實施電池內阻監測、SOC和SOH狀態模型的建立，以及聯動補水等操作，以實現應用過程的自動化和數字化管理。這一過程旨在確保工業堿性蓄電池組系統在其整個壽命周期內以最低成本和最高效率進行安全有效的運行。

工業堿性蓄電池的智能發展趨勢是符合時代發展的必然要求。它不僅有助于提高電池系統的性能和可靠性，還能夠減少運營和維護的成本，并促進電池系統的可持續應用。為實現這一目標，需要全行業的緊密協作和配套發展，以確保工業堿性蓄電池智能化發展而共同努力，從而更好地滿足不斷增長的工業電池需求。