基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法

李用駿，陀新輝，元鵬

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息通信分公司，海口 570203；2.南京南瑞信息通信科技有限公司，南京 210006； 3.南京華蘇科技有限公司，南京 210006）

引言

蓄電池是一種可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，它是一種按照可再充電進行設(shè)計的電池，利用可逆的化學(xué)反應(yīng)來進行再充電[1]。蓄電池具有體積小、電壓穩(wěn)定、無污染、維護量少、放電性能好等特點，經(jīng)常被作為各種領(lǐng)域的供電設(shè)備的備用電源，以保證系統(tǒng)負載的穩(wěn)定、可靠性，當系統(tǒng)發(fā)生正常停電時，可以及時地對其進行補充，從而避免了一級負載停電事故造成的一系列不良后果。蓄電池的健康狀態(tài)可靠性直接決定了蓄電池的工作穩(wěn)定性，同時也影響了蓄電池對應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境的供電效果，為此提出蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法。

健康狀態(tài)可靠性評估就是在規(guī)定時間內(nèi)，完成預(yù)定功能能力的量化評估過程。現(xiàn)階段發(fā)展較為成熟的電池健康狀態(tài)可靠性評估方法包括：基于模糊邏輯的電池健康狀態(tài)可靠性評估方法、基于多特征融合的電池健康狀態(tài)可靠性評估方法和基于RLS和CKF算法的電池健康狀態(tài)可靠性評估方法，然而上述傳統(tǒng)評估方法在實際運行過程中存在評估效果不佳的問題，主要體現(xiàn)在評估偏差大、評估結(jié)果應(yīng)用價值低等方面，其主要原因是蓄電池實時工作數(shù)據(jù)采集難度較大，為解決上述傳統(tǒng)評估方法存在的問題，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法進行優(yōu)化，以期能夠提升對蓄電池健康狀態(tài)可靠性的評估性能，間接的為電網(wǎng)工作中蓄電池的選擇以及蓄電池維修工作提供有效參考。

1 蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法基本運行原理為：將蓄電池評估目標接入到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取蓄電池的實時運行數(shù)據(jù)，以實時工作數(shù)據(jù)的采集結(jié)果為數(shù)據(jù)支持，在考慮健康狀態(tài)可靠性影響因素的情況下，計算可靠性評估指標的具體取值，結(jié)合評估指標權(quán)重值，得出蓄電池健康狀態(tài)可靠性的精準評估結(jié)果。

1.1 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集蓄電池工作數(shù)據(jù)

蓄電池的內(nèi)部由正極板、負極板、隔板、電解質(zhì)、正負極接頭、安全閥、外殼等構(gòu)成，正極板和負極板都是用鉛-銻-鈣合金制成的，不過正極板中含有氧化鉛，負極中含有海綿狀的纖維，所以蓄電池的容量可以保持很長一段時間，同時也可以降低電池的自放電率。分隔器通常由具有絕緣性的微細玻璃棉制成，可確保正、負極之間不發(fā)生短路。蓄電池中使用了硫酸作為電解質(zhì)，以確保電池中的電子能夠在正負電極之間進行交換。安全閥是用高耐酸、耐老化的合成橡膠制成，以確保電池內(nèi)壓力正常，防止氧的進入[2]。蓄電池的外殼通常采用PVC、丙烯酸等材質(zhì)，外形更是千奇百怪，但功能卻大同小異，起到支撐電極、儲存電解質(zhì)的作用。同時還可以對鉛酸電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行保護，防止其破壞，確保電池的長期續(xù)航。蓄電池的工作可以分為充電和放電兩個過程，充電、放電的過程均是通過蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)來完成，該過程是依靠正極板活性物質(zhì)和負極板活性物質(zhì)在電解液的作用下進行。蓄電池在放電過程中的化學(xué)反應(yīng)原理為：

式中：

ypositiveelectrode、ynegative electrode和ydischarge—蓄電池中正極、負極以及總反應(yīng)方程，公式（1）的逆過程即為蓄電池在充電過程中的工作原理[3]。

在考慮上述蓄電池工作原理的情況下，在蓄電池內(nèi)部安裝物聯(lián)網(wǎng)元件，實現(xiàn)蓄電池在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的接入。蓄電池所處物聯(lián)網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蓄電池物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境層次結(jié)構(gòu)圖

利用蓄電池接口連接工作數(shù)據(jù)采集電路，具體的工作采集數(shù)據(jù)包括電壓、電流、液壓、溫度等。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，得出蓄電池在任意時刻的工作電壓為：

式中：

Uport(t)—t時刻蓄電池的端口電壓；

R1和R2—蓄電池電壓采集物聯(lián)網(wǎng)元件中的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻；

κInternetofThings—物聯(lián)網(wǎng)傳輸系數(shù)[4]。

同理可以得出物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中蓄電池在任意時刻的電壓工作數(shù)據(jù)采集結(jié)果，按照上述方式可以獲得電流、液壓等其他工作數(shù)據(jù)的實時采集結(jié)果。

1.2 確定蓄電池健康狀態(tài)可靠性影響因素

在蓄電池不斷的循環(huán)使用過程中，其內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)也會不斷的進行，這會導(dǎo)致電池的電解液及電池的正負極材料的消耗而降低，再加上其所產(chǎn)生的不良副作用，會導(dǎo)致蓄電池的健康狀態(tài)可靠性不斷下降[5]。影響電池健康狀態(tài)可靠性的因素如圖2所示。

圖2 蓄電池健康狀態(tài)可靠性影響因素示意圖

在電池充放電過程中，電解質(zhì)和正負極板之間會發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)。其中有一小部分反應(yīng)是不可逆的，生成的氧化物沉積在極板上，不再參與到蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，實際能繼續(xù)進行充放電的那部分物質(zhì)減少，導(dǎo)致鋰離子電池容量降低[6]。從化學(xué)的角度來看，溫度對化學(xué)反應(yīng)的進行有著極大的影響，溫度與反應(yīng)速度之間的關(guān)系可以量化表示為：

式中：

υattenuation—蓄電池正/負電極的衰減速率；

E、R、T—蓄電池化學(xué)反應(yīng)活化能、總電阻和工作環(huán)境溫度值；

f—頻率因子。

從公式（3）中可以看出，蓄電池工作環(huán)境溫度越高，對應(yīng)蓄電池電極的反應(yīng)速度越快，即工作環(huán)境溫度與蓄電池反應(yīng)速度之間存在正相關(guān)關(guān)系。同理可以得出圖3中其他影響因素的作用原理與屬性。

圖3 5v100ah蓄電池工作數(shù)據(jù)樣本

1.3 選擇并計算蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標

在考慮蓄電池健康狀態(tài)可靠性影響因素的情況下，從影響因素、健康狀態(tài)直觀表現(xiàn)鏈各個方面，選擇蓄電池健康狀態(tài)的可靠性評估指標，部分可靠性評估指標的設(shè)置情況如表1所示。

表1 蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標設(shè)置表

表1表示的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標中電動勢指標的計算公式如下：

式中：

D0—標準電動勢；

αFaraday—法拉第常數(shù)；

、—硫酸和水的相對密度值[7]。

開路電壓和端電壓指標的計算公式為：

式中：

Uwork、UΩ、Upolarization—蓄電池的工作電壓、歐姆阻抗電壓和極化阻抗電壓；

W+和W-對應(yīng)的是正極和負極電位[8]。

另外蓄電池容量指標的計算過程可以量化表示為：

式中：

I—蓄電池的放電電流；

tdischarge—蓄電池放電到對應(yīng)終止電壓所用的時間。

按照上述方式可以確定表1中所有選擇蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標的計算方式，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的工作數(shù)據(jù)代入到上述計算公式中，確定各個可靠性評估指標的具體取值。

1.4 計算蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標權(quán)重

采用層次分析法計算蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標的權(quán)重值，AHP的基本思路是把構(gòu)成一個復(fù)雜問題的多因子綜合權(quán)重的評判轉(zhuǎn)化為對各個因子綜合權(quán)重的“兩兩比較”，進而轉(zhuǎn)化為對各個因子綜合權(quán)重的評判，并最終確定各個因子的權(quán)重[9]。任意蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標對應(yīng)權(quán)重的計算公式為：

式中：

z(i)—指標權(quán)值；

nindex—設(shè)置的任意蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標數(shù)量。

將各個評估指標的權(quán)值數(shù)據(jù)代入到公式（7）中，即可得出所有評估指標權(quán)重值的計算結(jié)果。

1.5 實現(xiàn)蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估

蓄電池的荷電能力是蓄電池健康狀態(tài)可靠性的直觀參數(shù)，蓄電池荷電能力的評估結(jié)果為：Q

式中：

Qrated—蓄電池的額定容量。

融合蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估指標和權(quán)重值的計算結(jié)果，得出可靠性的量化評估結(jié)果為：

將相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果代入到公式（9）中，即可完成蓄電池健康狀態(tài)可靠性的量化評估[10]。將蓄電池的健康狀態(tài)可靠性劃分成四個等級，四個等級的閾值設(shè)置情況如下：

式中：

K1、K2、K3、K4—蓄電池健康狀態(tài)可靠性的四個等級。

將公式（9）的計算結(jié)果代入到公式（10）中，即可確定當前蓄電池健康狀態(tài)的可靠性等級。最終將可靠性綜合取值和等級的評估結(jié)果以可視化的形式輸出。

2 實證分析

為了測試優(yōu)化設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法的評估效果，設(shè)計實證分析實驗，此次實驗的基本思路是：選擇蓄電池評估對象，并設(shè)置蓄電池的健康狀態(tài)可靠性的實際值，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下獲取蓄電池的工作數(shù)據(jù)，將其代入到優(yōu)化設(shè)計的評估方法中，得出蓄電池健康狀態(tài)可靠性的評估結(jié)果。由于優(yōu)化設(shè)計的評估方法主要用來判斷蓄電池是否需要執(zhí)行維修操作，從而為電網(wǎng)中蓄電池設(shè)備的選擇提供輔助參考，因此將優(yōu)化設(shè)計的可靠性評估方法應(yīng)用到實際的電力設(shè)備維修與選擇工作中，判斷評估方法應(yīng)用前后電網(wǎng)環(huán)境的運行性能變化情況，從而體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計評估方法的應(yīng)用性能。

2.1 準備蓄電池可靠性評估對象

此次實驗選擇多個不同電壓等級的蓄電池作為評估對象，選擇蓄電池的具體型號包括5v100ah理士蓄電池、12v100ah理士蓄電池、30v100ah理士蓄電池、36v100ah理士蓄電池和60v100ah理士蓄電池，所有蓄電池對象的電流范圍為（0～12）A，測試精度與穩(wěn)定度均為±0.05 %，最小脈沖寬度為 500 ms，單脈沖工步可以實現(xiàn)從充電到放電的連續(xù)切換。蓄電池對象的放電截止電壓和充電截止電壓分別為2.8 V和4.6 V最大放電倍率為5 C。

2.2 生成蓄電池工作數(shù)據(jù)樣本

將準備的蓄電池評估對象調(diào)整至不同的健康狀態(tài)，確定對應(yīng)狀態(tài)下可靠性評估指標的具體取值。在不同的健康狀態(tài)下獲取蓄電池的工作樣本數(shù)據(jù)，其中5v100ah理士蓄電池的電壓和電流數(shù)據(jù)樣本的生成結(jié)果，如圖3所示。

按照上述方式可以得出所有蓄電池樣本所有工作數(shù)據(jù)的生成結(jié)果。

2.3 布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境

優(yōu)化設(shè)計的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為技術(shù)支持，因此需要在蓄電池的運行環(huán)境中布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。實證分析實驗中布設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)由物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備、通信端口、云平臺和應(yīng)用程序組成，物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備主要包括智能電壓表、智能電流表、溫度傳感器等，物聯(lián)網(wǎng)采用專網(wǎng)傳輸方式，接入網(wǎng)關(guān)，并由防火墻統(tǒng)一分配接入物聯(lián)內(nèi)網(wǎng)IP。在一系列物聯(lián)硬件設(shè)備的支持下，得出蓄電池環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)運行平臺。實證分析實驗中布設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中包含1臺物理防火墻、1臺三層交換機和5臺資源服務(wù)器，用來支持物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸工作。

2.4 描述實證分析過程

優(yōu)化設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法的開發(fā)選擇 Coremi7-7700HQ CPU@29GHz，內(nèi)存l6 G，NVIDIA的GTX1050Ti4G作為硬件支持。蓄電池在實驗環(huán)境中的接線情況，如圖4所示。

圖4 蓄電池接線實景圖

軟件使用的是Windows10和 Pycharm社區(qū)版2020的編譯環(huán)境，完成評估方法軟件程序的開發(fā)，將蓄電池樣本及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果輸入到評估方法的運行程序中，得出蓄電池健康狀態(tài)可靠性的輸出結(jié)果。圖5為5v100ah蓄電池的健康狀態(tài)可靠性的評估結(jié)果。

圖5 5v100ah蓄電池的健康狀態(tài)可靠性評估結(jié)果

按照上述方式可以得出所有蓄電池樣本的健康狀態(tài)可靠性評估結(jié)果。為體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計方法在評估效果方面的優(yōu)勢，設(shè)置傳統(tǒng)的基于模糊邏輯的電池健康狀態(tài)可靠性評估方法和基于多特征融合的電池健康狀態(tài)可靠性評估方法作為實驗的對比方法，按照上述流程完成對比方法的開發(fā)并得出相應(yīng)的評估輸出結(jié)果。

2.5 設(shè)置評估效果測試指標

實驗中設(shè)置評估效果的測試指標為蓄電池健康狀態(tài)可靠性相關(guān)參數(shù)的評估誤差和應(yīng)用評估方法后蓄電池所處電網(wǎng)環(huán)境的運行穩(wěn)定系數(shù)，其中健康狀態(tài)可靠性參數(shù)評估誤差的數(shù)值結(jié)果如下：

式中：

Uopencircuit、Uopencircuit-set—開路電壓的評估值和設(shè)置值；

Q、Qset—蓄電池容量的評估值和設(shè)置值。

計算得出參數(shù)評估誤差越大，證明對應(yīng)方法的評估效果越優(yōu)。另外電網(wǎng)環(huán)境運行穩(wěn)定系數(shù)的測試結(jié)果為：

式中：

U(t )和U(t-1)—t和t-1時刻的電網(wǎng)電壓；

Uavg—平均電壓值；

ttest—測試時間。

計算得出電網(wǎng)環(huán)境運行穩(wěn)定系數(shù)越高，證明對應(yīng)評估方法的應(yīng)用性能越優(yōu)。

2.6 實驗分析結(jié)果

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出反映蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估誤差指標的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 反映蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估誤差測試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到公式11中，得出三種評估方法的平均開路電壓評估誤差分別為0.40 V、0.22 V和0.06 V，平均容量評估誤差分別為7.2 mah、3.8 mah和0.2 mah。將評估方法應(yīng)用到蓄電池的維修與選擇工作中，得出應(yīng)用不同評估方法前后，對應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境運行穩(wěn)定系數(shù)的測試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法應(yīng)用性能測試結(jié)果

從圖6中可以看出，通過蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法的應(yīng)用能夠有效提升對應(yīng)電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性，與兩種傳統(tǒng)評估方法相比，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評估方法對應(yīng)電網(wǎng)的運行系數(shù)更高，由此證明優(yōu)化設(shè)計評估方法具有更高的應(yīng)用價值。

3 結(jié)束語

蓄電池作為主要的動力源，是電網(wǎng)環(huán)境中的關(guān)鍵部件，為了更加高效的、科學(xué)的、合理的、安全的使用蓄電池，需要對蓄電池的健康狀態(tài)可靠性進行評估。在此次研究中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對實時蓄電池工作數(shù)據(jù)的精準采集，從而提高健康狀態(tài)可靠性的評估精準度和參考價值。