閥控式密封鉛酸蓄電池在線監(jiān)測與健康評估技術(shù)綜述

摘 要：閥控式密封鉛酸蓄電池由于其價格低廉、穩(wěn)定性高、不易爆炸、再生技術(shù)成熟等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用，但同時也存在壽命短、缺陷較多或故障較為頻繁等缺點，因此鉛酸蓄電池在線監(jiān)測與健康評估對其穩(wěn)定運行具有重要作用。鑒于此，首先分析了鉛酸蓄電池的失效機理及其對蓄電池性能的影響，然后提出了鉛酸蓄電池的在線監(jiān)測指標及其計算方法，論述了變電站、通信機房和配電終端等鉛酸蓄電池直流電源在線監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建了蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的拓撲圖;從健康評估技術(shù)角度，歸納了基于單指標和多指標的健康評估方法;最后總結(jié)了目前存在的問題及其發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池;失效機理;在線監(jiān)測;健康評估;內(nèi)阻;核容

中圖分類號：TM912" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0001-11

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.001

0" " 引言

目前，我國的蓄電池類型按照正負極材料劃分主要有閥控式密封鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池和鋅錳蓄電池，其中閥控式密封鉛酸蓄電池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLAB）由于密封性好、維護簡單、價格低廉、穩(wěn)定性高、再生技術(shù)成熟等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于航天航空、通信、交通等領(lǐng)域。在電力領(lǐng)域，鉛酸蓄電池被廣泛應(yīng)用于變電站和通信機房的直流電源、配電終端后備電源等，為二次設(shè)備供電，是維持設(shè)備安全可靠運行的重要保障[1-3]。VRLAB的設(shè)計壽命為5～8年，但在實際運行中只能使用2～3年。蓄電池故障曾引發(fā)多起嚴重事故，如2016年某變電站鉛酸蓄電池組失效，導(dǎo)致供電保護裝置失電，4個110 kV變電站全站失壓[4]。因此，在線監(jiān)測蓄電池失效的關(guān)鍵特征參量，實時掌握蓄電池運行健康狀態(tài)，實現(xiàn)從事故后“被動運維”到事故前“主動運維”轉(zhuǎn)變，對其在壽命期內(nèi)正常運行和避免重大運行事故發(fā)生具有重要意義。

本文對VRLAB在線監(jiān)測和健康評估技術(shù)進行了分析和歸納。首先，分析了蓄電池失效原因，提出了蓄電池在線監(jiān)測指標，分析了蓄電池指標對其性能影響;然后，分析了變電站、通信機房和配電終端等鉛酸蓄電池后備電源在線監(jiān)測技術(shù)，歸納了健康評估方法研究現(xiàn)狀;最后總結(jié)了鉛酸蓄電池在線監(jiān)測和健康評估技術(shù)發(fā)展趨勢。

1" " 鉛酸蓄電池在線監(jiān)測指標分析

1.1" " 鉛酸蓄電池失效機理分析

鉛酸蓄電池由正極板、負極板、電解液、隔板、外殼、極柱、極耳、匯流排與安全閥等組成，如圖1所示。

VRLAB的正、負極板由板柵和活性物質(zhì)組成，板柵作用是支撐活性物質(zhì)和實現(xiàn)導(dǎo)電功能，活性物質(zhì)（Pb、PbO2、PbSO4）通過可逆化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與儲存。鉛酸蓄電池一般采用硫酸水溶液（H2SO4）作為電解液，其作用是參與正、負極板的電化學(xué)反應(yīng)以及傳導(dǎo)電流，使得離子可以在正極和負極活性物質(zhì)之間轉(zhuǎn)移。玻璃纖維隔板（Adsorptive Glass Mat，AGM）是鉛酸蓄電池正、負極之間的隔離材料，其作用是保證電池的正負極不會直接接觸，防止發(fā)生短路而燒壞電池。正、負極柱是電池的外電路輸出點。匯流排的作用是將各個極板組串聯(lián)在一起，相當(dāng)于蓄電池內(nèi)部導(dǎo)線。安全閥作用是當(dāng)電池內(nèi)的壓力大于一定預(yù)設(shè)值時，能及時釋放蓄電池內(nèi)部氣體。

鉛酸蓄電池在其正、負極板上分別進行著如下化學(xué)反應(yīng)過程：

放電：

PbO2+3H++HSO- 4+2e-→PbSO4+2H2O（1）

Pb+HSO- 4→PbSO4+H++2e-（2）

充電：

PbSO4+2H2O→PbO2+3H++HSO- 4+2e-（3）

PbSO4+H++2e-→Pb+HSO- 4（4）

2H++2e-→H2↑（5）

2H2O→4H++O2↑+4e-（6）

Pb+2H2O→PbO2+4H++4e-（7）

Pb+1/2O2+2H++SO4 2-→PbSO4+H2O（8）

O2+4H++4e-→H2O（9）

在放電期間，鉛酸蓄電池正極活性物質(zhì)二氧化鉛和負極鉛與電解液硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鉛，如式（1）（2）所示。由式（3）（4）可以看出，在充電期間，正極板上硫酸鉛氧化生成了二氧化鉛，而負極板上硫酸鉛還原成鉛。閥控式鉛酸蓄電池在充電時還會伴隨著析氫、析氧反應(yīng)，如式（5）（6）所示。

鉛酸蓄電池性能易受多種因素影響[5]，主要失效模式有電池漏液、正極板柵腐蝕、正極活性物質(zhì)軟化脫落、負極硫酸鹽化、匯流排腐蝕、微短路和熱失控等[6-8]。

電池漏液體現(xiàn)在極柱、槽蓋以及安全閥口漏液。極柱漏液指密封膠與極柱金屬鉛粘接失效，硫酸腐蝕極柱表面直到電池極柱連接端。槽蓋漏液指電池槽與電池蓋之間熱熔粘接失效，內(nèi)部硫酸泄漏到電池外部。安全閥口漏液指電池內(nèi)部的高壓酸蒸汽與氣體一起通過安全閥排出，形成酸液并殘留在閥口。當(dāng)發(fā)生電池漏液時，電池內(nèi)部電解液濃度降低，正負極柱和匯流排被腐蝕，引起異常溫升。

正極板柵腐蝕是指在充電的過程中電解液中的氧原子通過擴散達到板柵表面，如式（7）所示，與板柵鉛合金發(fā)生氧化反應(yīng)，造成板柵氧化腐蝕，同時正極發(fā)生的析氧反應(yīng)使H+的濃度變高，加快腐蝕速率。當(dāng)浮充電壓過高或溫度過高時，會加快式（6）（8）化學(xué)反應(yīng)。

正極活性物質(zhì)軟化是指活性物質(zhì)之間以及活性物質(zhì)與板柵之間失去結(jié)合力。正極活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元為PbO2顆粒，其由α-PbO2、β-PbO2的晶體和凝膠-水化PbO2-PbO（OH）2構(gòu)成，隨著充放電循環(huán)的進行，結(jié)晶度較高、結(jié)合力較差的β-PbO2晶體增多，同時，如式（3）所示，充電時形成的PbO2帶電膠粒互相排斥，晶粒間接觸減少，結(jié)合力下降，最終導(dǎo)致正極活性物質(zhì)的軟化脫落。

負極硫酸鹽化是指鉛酸蓄電池的活性物質(zhì)PbO2和Pb在放電過程中轉(zhuǎn)化為細小的PbSO4晶體，如式（1）（2）所示。當(dāng)電池處于欠充的狀態(tài)時，負極的硫酸鉛晶體無法被完全還原，剩余的晶體由于溶解-沉積造成顆粒粗大、難以溶解，并不再參與化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池活性物質(zhì)減少，并且在負極板表層富集，形成致密層，阻礙電解液進入，導(dǎo)致極板內(nèi)部活性物質(zhì)無法參與反應(yīng)，引起容量損失。

匯流排腐蝕是負極匯流排表面在長時間的浮充狀態(tài)下會形成粉末狀的硫酸鹽層，如式（8）所示，引起匯流排機械強度的降低，在應(yīng)力的作用下容易發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致匯流排出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，若制造過程焊接不均勻而導(dǎo)致虛焊，在極耳和匯流排交界處將形成縫隙，加快腐蝕速度。

微短路的形式分為兩種，一種是當(dāng)鉛酸蓄電池處于深度放電時，在極板上生成硫酸鉛顆粒，如式（1）（2）所示，沉積在隔板的縫隙中，充電時硫酸鉛轉(zhuǎn)化為枝狀金屬鉛晶體，如式（8）所示，導(dǎo)致穿刺短路;另一種是正極活性物質(zhì)PbO2老化而失去連接作用，會懸浮在電解液中，因電解液的對流，會沉積在電池底部，導(dǎo)致正負極間短路。

熱失控是指蓄電池在恒壓充電時，其電流和溫度發(fā)生一種積累性相互促進作用，并逐步損壞蓄電池的現(xiàn)象。為了減少電池失水，VRLAB采用負極氧復(fù)合設(shè)計，而氧復(fù)合反應(yīng)能夠放出大量熱量，如式（9）所示。同時，VRLAB散熱性較差，大量熱量積累在電池內(nèi)部，會引起電池內(nèi)部溫度升高，進而又使電池失水加劇以及隔膜飽和度下降，從而加劇電池氧復(fù)合反應(yīng)，造成浮充電流增大，氧復(fù)合反應(yīng)的加劇又產(chǎn)生大量的焦耳熱，反過來又促使蓄電池內(nèi)部溫度進一步升高，此過程不斷循環(huán)，最終將導(dǎo)致熱失控。

結(jié)合固定型閥控式鉛酸蓄電池檢測標準GB/T 19638.1—2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件》，對鉛酸蓄電池的失效模式、原因、特征和關(guān)聯(lián)指標進行歸納總結(jié)，如表1所示。

1.2" " 在線監(jiān)測指標選取和計算方法

如表1所示，鉛酸蓄電池失效通常由一種或多種因素作用導(dǎo)致，通過對表1中關(guān)聯(lián)指標的檢測可實現(xiàn)其健康狀態(tài)評估。關(guān)聯(lián)指標中，氣體析出量、防爆能力、防霜霧能力、耐接地短路能力、抗機械破損能力、再充電性能、浮充耐久性、單格間的連接性能、耐高電流能力等通常由實驗室離線檢測評估。因此，通常選取漏液、蓄電池端電壓、蓄電池單體端電壓均衡性、充放電電流、內(nèi)阻、溫度、剩余容量等指標作為在線監(jiān)測對象。如圖2所示，鉛酸蓄電池失效模式可由多個指標表征。

1.2.1" " 漏液

蓄電池漏液包括極柱漏液、槽蓋漏液以及閥口漏液三種形式，這三種漏液形式都會引起電池內(nèi)部硫酸含量減少，腐蝕正負極連接條，造成接觸不良，如果硫酸與鐵架接觸將會與電池內(nèi)部形成通路，造成電池短路，產(chǎn)生火花，引起燃燒。

現(xiàn)有的漏液監(jiān)測方法[9]有腐斷絲法和漏液傳感器法。腐斷絲法是指當(dāng)蓄電池漏液時，金屬腐斷絲受到酸液腐蝕后斷開，從而導(dǎo)致壓縮彈簧釋放彈力，使電子回路閉合導(dǎo)通，實現(xiàn)報警功能。漏液傳感器法指電池發(fā)生漏液時，電解液將沿單體電池外殼流到漏液傳感器表面，引起漏液傳感器電路阻抗發(fā)生變化，從而輸出報警。

1.2.2" " 蓄電池端電壓

蓄電池端電壓包括開路電壓、工作電壓和浮充電壓。其中，開路電壓為蓄電池正負極兩端不接負載時的電壓差，電解液中硫酸濃度越高，開路電壓越大。工作電壓指對負載進行放電時正負極兩端的電壓差，由于電池內(nèi)阻的存在，工作電壓低于開路電壓。浮充電壓是指略高于蓄電池端電壓，用于補償電池自放電損耗以及氧循環(huán)復(fù)合中PbSO4再充電轉(zhuǎn)變?yōu)镻b所需的電流，從而使電池保持滿充電狀態(tài)。根據(jù)DL/T 724—2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：蓄電池的電壓偏差范圍為額定電壓的90%～125%，當(dāng)蓄電池電壓偏高時會加快正極板柵腐蝕、電池失水，偏低時會造成電池負極硫酸鹽化。

目前，蓄電池端電壓的測量方法主要有共模測量法[10]、V/F轉(zhuǎn)換法[11]、直接采樣法[12]、運算放大器與MOSFET管相結(jié)合的方法[13]。共模測量法電路相對簡單，但測量誤差較大[10]。文獻[12]提出了一種基于線性運算放大器的直接采樣法，測量精度得到提高，但需要根據(jù)蓄電池的額定電壓選取適當(dāng)?shù)木€性電路電阻。V/F轉(zhuǎn)換法通過光電隔離器件和模擬開關(guān)對電壓進行采樣，但響應(yīng)速度較慢。文獻[13]提出一種運算放大器與MOSFET相結(jié)合的測量方法，相對于其他三種方法具有測量精度高的特點。

1.2.3" " 蓄電池組單體端電壓均衡性

蓄電池組在充放電時易造成單體端電壓不均衡，在充電時會出現(xiàn)部分電池過充的情況，導(dǎo)致蓄電池溫度升高、氣體析出，使得電池失水、正極板柵腐蝕;而長期的欠充狀態(tài)會使蓄電池在電池極板內(nèi)形成不可逆的硫酸鉛晶體，造成硫酸鹽化，使蓄電池的內(nèi)阻增大、容量降低，整體的充電效果下降。根據(jù)YD/T 799—2010《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》規(guī)定：標稱電壓為2 V的蓄電池，各電池間開路電壓偏差不大于20 mV;蓄電池組由小于24只2 V蓄電池組成時，各電池間的浮充電壓偏差不大于90 mV，蓄電池組由多于24只2 V蓄電池組成時，各電池間的浮充電壓偏差不大于200 mV;當(dāng)蓄電池放電時，各電池間放電電壓偏差不大于200 mV。

在浮充狀態(tài)下時，對蓄電池組進行浮充24 h后，分別測量各單體蓄電池浮充端電壓值，計算蓄電池組浮充端電壓最高值與最低值的差值ΔUf。當(dāng)蓄電池組斷開電源時，分別測量每只蓄電池開路端電壓值，計算蓄電池組開路端電壓最高值與最低值的差值ΔUk。在放電過程中，對蓄電池組進行10 h率放電試驗，每隔1 h對各單體蓄電池的端電壓進行測量，直到有蓄電池達到放電終止電壓，計算端電壓最高值與最低值的差值ΔUg。

1.2.4" " 充放電電流

DL/T 724—2000規(guī)定：恒流充電時，充電電流應(yīng)在0.1C～0.2C;恒流放電時，放電電流通常在0.05C～0.5C。蓄電池充電電流偏高會導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高、正極板軟化以及活性物質(zhì)脫落[14];放電電流超出規(guī)定范圍時將造成電池兩端電壓迅速下降、內(nèi)阻增大，此時電池容量也隨之降低。

蓄電池充放電電流在線測量的方法主要有霍爾電流傳感器測量法、精密電阻測量法[15]。霍爾電流傳感器測量法優(yōu)點是測量精度高、體積小，但成本較高，并且適用于電流大于25 A的場合，否則改用精密電阻測量法。

1.2.5" " 溫度

溫度測量主要是監(jiān)測蓄電池極柱溫度，DL/T 724—2000規(guī)定：極柱溫度的穩(wěn)定運行范圍為10～35 ℃，基準溫度為25 ℃，每偏差1 ℃，對應(yīng)的浮充電壓相應(yīng)增減3.5 mV。當(dāng)極柱溫度過高時，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)加快，會導(dǎo)致熱失控;當(dāng)溫度過低時，電池內(nèi)部離子擴散能力降低，內(nèi)阻增大，將導(dǎo)致蓄電池容量下降。

極柱溫度在線監(jiān)測主要采用熱敏電阻法[16]。熱敏電阻可按照溫度系數(shù)不同劃分為正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)熱敏電阻，由于負溫度系數(shù)的熱敏電阻線性度和溫度系數(shù)較高，在測量中引起的誤差更小，因此，在電池極柱溫度的測量當(dāng)中采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻，該方法具有靈敏度高、成本低的優(yōu)點。

1.2.6" " 內(nèi)阻

蓄電池內(nèi)阻由歐姆電阻、電化學(xué)極化內(nèi)阻構(gòu)成，如圖3所示，歐姆電阻由極柱、匯流排、板柵以及板柵和涂膏間的電阻組成，電化學(xué)極化內(nèi)阻由涂膏、電解液以及隔膜的電阻組成，并聯(lián)的極板及其之間的介電物質(zhì)構(gòu)成電容[17]。當(dāng)內(nèi)阻超過正常值的25%，則該蓄電池容量降低至其標稱容量的80%左右;若超過正常值的50%，則該蓄電池容量已降低到其標稱容量的80%以下[18]。

目前，鉛酸蓄電池內(nèi)阻的在線監(jiān)測方法主要有直流放電法[19]、交流阻抗法[20]。

1）直流放電法。

如圖4所示，虛線框內(nèi)為蓄電池組等效電路，蓄電池等效內(nèi)阻r由歐姆電阻rΩ、極化電阻rc、極化電容C構(gòu)成，L為蓄電池內(nèi)感，R1為蓄電池組的負載，R3為采樣電阻。

測試步驟一：開關(guān)K合上時，蓄電池通過R2、D1對電容C2充電至蓄電池組的開路電壓E，此時C2充電電流為I，根據(jù)KVL列出電壓回路方程如式（10）所示，UL為電感電壓，Ur為內(nèi)阻端電壓。

UL+Ur-E+U+U=0（10）

L+Ir-E+IR2+U=0（11）

LC+（r+R2）C+U=E（12）

U=E1-

1+te

（13）

測試步驟二：電容C2上的電壓為E時，控制IGBT導(dǎo)通，蓄電池通過R1、IGBT和L進行放電，放電電流為i，根據(jù)回路電流法列出主回路方程如下：

（sL+r+R1）×iL（s）+R1iR（s）=（14）

測試步驟三：蓄電池放電的同時，電容C2對采樣電阻R3放電，在R3兩端產(chǎn)生電壓U0，根據(jù)回路電流法列出測量回路方程如下：

R1+

+R3iR（s）+R1iL（s）=（15）

聯(lián)立式（14）（15）可得：

iL=E（sR1C2+sR3C2+1）/[s（2sR1C2+sR3C2+1）·

（R1+r+sL）]（16）

iR=EC2/（2sR1C2+sR3C2+1）（17）

測試步驟四：蓄電池放電后，其端電壓U下降，此時，電壓U0為蓄電池放電前后的端電壓差值，推導(dǎo)如下：

U0=U-U=E-U（18）

測試步驟五：蓄電池內(nèi)阻的電壓Ur由式（19）可得，內(nèi)阻r為電壓U0和UL的差值與電流iL的比值，如下所示：

Ur=E-U-UL=U0-UL（19）

r==（20）

因此，直流放電法的內(nèi)阻測試精度受電流iR、iL采樣時刻的影響，在線測試中電感無法計算獲得，并且沒有考慮到蓄電池內(nèi)部全響應(yīng)狀態(tài)過程。在蓄電池放電后，需等待iR、iL的指數(shù)項衰減結(jié)束后對其進行采樣。文獻[21]指出電感的存在導(dǎo)致蓄電池端電壓波形存在明顯的突起并趨于穩(wěn)定，選取蓄電池端電壓采樣時間為12.56 ms后電壓穩(wěn)定。

2）交流阻抗法。

圖5為交流阻抗法的測試原理圖，Rs為采樣電阻，is為交流正弦波信號，Us（t）為采樣電阻Rs電壓，U0（t）為注入交流信號前的蓄電池兩端電壓，Z為蓄電池阻抗。

測試步驟一：在蓄電池兩端注入交流正弦波信號，信號頻率f一般為1 kHz，電流大小為50 mA，如下所示：

is（t）=Isin（2πft+αs）=Isin（ωt+αs）（21）

測試步驟二：檢測采樣電阻Rs的電壓Us（t），從而獲取電流is的相位角αs，如下所示：

Us（t）=is（t）Rs （22）

測試步驟三：由于電壓表的內(nèi)阻很大，可以認為電壓測量回路流過的電流為0，檢測蓄電池兩端產(chǎn)生的電壓響應(yīng)U1（t），如下所示：

U1（t）=Usin（ωt+α0）（23）

測試步驟四：由于is、Us（t）同相位，U1（t）超前其α，由歐姆定律可得蓄電池阻抗大小，如下所示：

α=α0-αs（24）

Z==|Z|∠α（25）

Z=rΩ++jωL-

（26）

測試步驟五：如圖5所示，蓄電池等效阻抗Z由歐姆電阻rΩ、極化電阻rc、電感L、電容C構(gòu)成，蓄電池內(nèi)阻為等效阻抗中的純電阻r，如下所示：

r=|Z|cos α=rΩ+（27）

r=rΩ+rc-（28）

因此，交流阻抗法將交流阻抗的實部等效為蓄電池內(nèi)阻，但其測量精度受到頻率f和電容C的影響，如式（28）所示，其第三項為測量誤差，與ω呈正相關(guān)。當(dāng)頻率很高時電容相當(dāng)于短路，對測量結(jié)果影響較小;頻率趨于0時容抗很大，對測量的結(jié)果影響較大。如圖6所示，頻率在0.1～1 Hz范圍內(nèi)，內(nèi)阻隨頻率的變化較大，并且在測量過程中不利于消除極化阻抗的影響，在1～100 Hz范圍內(nèi)，微小的頻率偏移可引起測量值較大的擺動，當(dāng)頻率段處于100 Hz以上時，曲線比較平穩(wěn)[22]。

綜上，采用直流放電法測試蓄電池內(nèi)阻時，需要在2～3 s內(nèi)形成幾十到上百安培的放電電流，會導(dǎo)致電池內(nèi)部電極發(fā)生極化反應(yīng)，出現(xiàn)極化電阻，但測量精度可控制在0.1%以內(nèi)[23]。交流阻抗法測量時間在100 ms左右，頻率的選取和容抗大小會影響測量精度，但誤差可控制在1%～2%以內(nèi)[20]。

1.2.7" " 剩余容量

剩余容量是指在規(guī)定條件下使用后，電池最大可用容量[24]。標準ANSI/IEEE 1188—2005規(guī)定：當(dāng)剩余容量下降到額定容量的80%以下時，需要更換電池。蓄電池充放電核容系統(tǒng)如圖7所示。

測試步驟一：常閉接觸器K1、K2、K3、K4閉合，常開接觸器K5、K6斷開時，蓄電池經(jīng)充電模塊完全充電后，靜置1～24 h。

測試步驟二：當(dāng)蓄電池的表面溫度為（25±5）℃時，將常閉接觸器K3、K4斷開，常開接觸器K5、K6閉合，進行容量放電試驗，其瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)過程如下：

i=+C（29）

L+（R+rΩ）i+uc=E（30）

i=（31）

測試步驟三：用I=10 A的電流放電到單體蓄電池平均電壓為1.80 V時終止，記錄放電開始時蓄電池平均表面初始溫度t及放電持續(xù)時間T。

測試步驟四：放電期間每隔一定時間Δx測量并記錄單體蓄電池的端電壓及蓄電池表面溫度。在放電過程中，放電電流的波動不得超過規(guī)定值的±1%，實測容量Ct計算公式如下：

Ct=i（j）×T（j）（32）

式中：i（j）為每次記錄的放電電流;T（j）為每次記錄的放電持續(xù)時間。

測試步驟五：當(dāng)放電期間蓄電池平均表面溫度不是基準25 ℃時，應(yīng)換算成25 ℃時容量Ca。

Ca=（33）

式中：Ct為蓄電池表面溫度為t ℃時實測容量;λ為溫度系數(shù)，C10時λ=0.006;t為放電過程蓄電池平均表面溫度。

該核容方法存在的不足有：

1）對剩余容量初始值的依賴性，只能反映一段時間內(nèi)容量的變化，若初始值存在誤差，無法對其進行修正。

2）存在累計誤差，由于電流傳感器精度不足、采樣頻率低、信號會受到干擾，用于積分的電流與真實值相比存在一定的誤差，這一誤差將帶到下次測試中，使剩余容量的評估誤差增大。

3）不能應(yīng)對電池的自放電問題，自放電的等效電流很小，一般的電流傳感器無法準確測量，大部分自放電電流并不通過工作電流回路，設(shè)置在工作電流回路中的傳感器檢測不到。

基于此，為解決初始值誤差和自放電的問題，文獻[25]指出了蓄電池開路電壓隨著靜置時間的增加而趨于穩(wěn)定，通過查詢蓄電池靜置時間并結(jié)合開路電壓法確定其剩余容量。文獻[26]通過放電電流、溫度對蓄電池容量實時修正，采用卡爾曼濾波法對當(dāng)前時刻的容量進行預(yù)測和更新，解決了測試過程存在累計誤差的問題，實現(xiàn)了剩余容量的最優(yōu)估計。目前，一些新型智能算法也用于預(yù)估電池剩余容量，如：粒子濾波法[27]、支持向量機法[28]、滑模觀測器法[29]等。

2" " 鉛酸蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)

2.1" " 變電站與通信機房蓄電池在線監(jiān)測

變電站、通信機房等蓄電池在線監(jiān)測是指實現(xiàn)蓄電池運行狀態(tài)的遙測、遙信、遙控，記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，及時偵測故障，實現(xiàn)蓄電池的集中監(jiān)控管理，達到少人或無人值守。其中，遙測是指在線監(jiān)測蓄電池組總電壓、總電流、單體電壓、內(nèi)阻、剩余容量、電池極柱溫度等，遙信是指蓄電池監(jiān)測指標異常時向主站發(fā)送告警信息，遙控是指對蓄電池的充放電進行遠程控制。變電站、通信機房蓄電池參數(shù)如表2所示。

蓄電池在線監(jiān)測至少包括漏液、蓄電池剩余容量、蓄電池組總電壓、單體電池電壓、充放電電流、蓄電池極柱溫度、蓄電池內(nèi)阻等。通過對每節(jié)電池在線指標測試，計算整組電池均勻性差異，通過電池均勻性對整組電池中的落后電池進行查找定位，并對電池組性能進行定性判斷。

變電站、通信機房的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)通常采用逐級匯接結(jié)構(gòu)，如圖8所示。變電站與通信機房系統(tǒng)采用48/220 V開關(guān)電源，其與用電負載并聯(lián)，并為其供電，當(dāng)系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障時，由蓄電池組實現(xiàn)不間斷供電。每塊單體電池連接一個監(jiān)測模塊，實時監(jiān)測單節(jié)電池的漏液、端電壓、充放電電流、極柱溫度，指定周期內(nèi)對蓄電池內(nèi)阻進行測試，利用實際負載對電池組分別進行放電核容測試。由組端匯集模塊收集單體模塊的監(jiān)控和測試數(shù)據(jù)，啟動單體模塊的內(nèi)阻測試，通過RS485接口進行通信并上傳數(shù)據(jù)給主機，并接收主機的測試命令。

2.2" " 配電終端蓄電池在線監(jiān)測

配電終端的后備電源采用額定電壓為24/48 V的鉛酸蓄電池，能夠支持配電終端及通信模塊正常工作時間不低于8 h以及開關(guān)分合次數(shù)不低于3次。當(dāng)系統(tǒng)主供電源供電不足或消失時，電源模塊應(yīng)能無縫切換到后備電源供電并給出告警信號。

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娊K端后備電源電池組進行實時監(jiān)控和故障報警，并在主站上以曲線、圖表等多種形式顯示充放電過程的放電電流、電池組總電壓、各單體電壓、內(nèi)阻、電池容量的變化情況。系統(tǒng)在停電檢修和電池組欠壓情況下能夠升壓續(xù)航，提高電氣開關(guān)的合閘成功率。

配電終端蓄電池在線監(jiān)測裝置安裝在機柜中，如圖9所示。市電通過配電終端的航空插頭進入端子排，并通過整流器為蓄電池供電，使其能夠在市電中斷時為配電終端負載持續(xù)供電。通過采集模塊實時監(jiān)測單體電池的漏液、端電壓、充放電電流、內(nèi)阻和負極柱溫度。利用核容模塊對蓄電池進行充放電，當(dāng)蓄電池處于浮充狀態(tài)時，常閉接觸器K0閉合，常開接觸器Km斷開，由整流器直接給蓄電池浮充充電。當(dāng)蓄電池放電時，常閉接觸器K0斷開，常開接觸器Km閉合，蓄電池經(jīng)過高頻DC/DC電池組升壓模塊升壓給配電終端負載供電。當(dāng)放電結(jié)束后自動轉(zhuǎn)為穩(wěn)流充電，系統(tǒng)內(nèi)高頻DC/DC電池組穩(wěn)流充電電路模塊開始工作，直到充電電流等于浮充電流時，蓄電池轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。

3" " 鉛酸蓄電池在線健康評估方法

蓄電池的健康狀態(tài)（State of health，SOH）通常從容量或內(nèi)阻的角度進行定義[30]，如下所示：

SOHC=×100% （34）

SOHR=×100% （35）

式中：Ca為電池滿電狀態(tài)下的實際容量;Cn為電池額定容量;REOL為電池壽命結(jié)束時內(nèi)阻;RC為當(dāng)前內(nèi)阻;Rnew為電池出廠時內(nèi)阻。

蓄電池的剩余容量是評價蓄電池健康狀況的重要依據(jù)，文獻[31]從容量的角度描述蓄電池SOH，將健康狀態(tài)等級分為優(yōu)、良、中、差，當(dāng)蓄電池SOH大于0.85時狀態(tài)為優(yōu)，在0.7和0.85之間為良，在0.6和0.7之間為中，小于0.6時為差。

但僅僅通過單個指標來判定電池的健康狀態(tài)可能會存在較大的誤差，無法全面判定鉛酸蓄電池的健康狀態(tài)，因此文獻[32-37]結(jié)合多個指標進行電池健康評估。

文獻[32]分析了剩余容量、內(nèi)阻和蓄電池健康狀態(tài)三者之間的關(guān)系，當(dāng)剩余容量處于75%～80%時，內(nèi)阻會隨著蓄電池健康狀態(tài)的下降而增加，提出了內(nèi)阻R0與蓄電池SOH的變化二階RC等效模型曲線，利用傅里葉展開式進行擬合，得曲線公式：

SOH=0.904+0.002cos（0.912R0）-

0.098 2sin（0.912R0）" "（36）

文獻[33]分析了變電站蓄電池浮充與核容時兩種運行情況，浮充時單體電池內(nèi)阻均值在使用初期緩慢增加，在運行年限大于五年時呈指數(shù)型上升，核容時單體總數(shù)為108節(jié)的電池組在2～7 h內(nèi)的電壓下降率超出[-0.018，-0.012]范圍的單體個數(shù)大于10時，蓄電池健康程度表現(xiàn)為差，因此，融合浮充時內(nèi)阻均值和核容時單體電壓下降率來描述其健康狀態(tài)。

文獻[34]選取蓄電池的端電壓、充放電電流、溫度作為評估指標，當(dāng)三個指標都異常時劣化等級為3級，任意兩個指標異常時為2級，只有單個指標異常時為1級，三個指標都正常時為健康。

站用蓄電池主要運行在溫濕度平衡的監(jiān)控室，電壓下降與內(nèi)阻增大是其性能變化的主要外在特征，從而文獻[35]將電壓與內(nèi)阻作為蓄電池SOH主要的影響因素，提出了一種改進列文伯格-馬夸爾特最優(yōu)化方法的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)健康評估算法，將蓄電池健康狀態(tài)分為優(yōu)良、一般、較差、危險、更換五個等級，相鄰等級之間以0.05為一檔，0.95以上為優(yōu)良，0.8以下則需更換。

文獻[36]分析了鉛酸蓄電池在充放電過程中剩余容量Q的時間函數(shù)SOC（t）與開路電壓Voc存在線性關(guān)系，表示為兩者的線性斜率a1和SOC（t）之積加上蓄電池極化電容的滿充電壓Vcb，如下所示：

Voc（t）=a1SOC（t）+Vcb （37）

將Q-Voc的斜率作為蓄電池健康評估指標，通過選取三組不同Q-Voc斜率及其相應(yīng)的SOH值作為參數(shù)，構(gòu)建模糊邏輯系統(tǒng)，當(dāng)Q-Voc斜率降低時，蓄電池健康狀態(tài)也隨之下降。

文獻[37]將蓄電池電壓、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和激活時間作為特征向量，選取健康與不健康的蓄電池各80個，分別采集40個健康和40個不健康的電池數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，將剩余相等數(shù)量的蓄電池數(shù)據(jù)作為測試樣本，建立了支持向量機健康評估模型，將評估結(jié)果劃分為健康與非健康兩種情況，但在選擇懲罰因子以及核函數(shù)參數(shù)上依賴人工調(diào)試，無法高效選取。

綜上，從單個指標的角度定義鉛酸蓄電池的健康狀態(tài)，可以更直接地評判其運行情況，但部分指標的異常，在短時間內(nèi)并不會影響蓄電池對系統(tǒng)的供電，有可能會造成運維人員的誤判。因此，從多個指標及各指標之間的相關(guān)性綜合評估蓄電池健康狀態(tài)，能夠為運維人員提供更加準確的信息。

4" " 研究展望

鉛酸蓄電池的故障問題多發(fā)，長期運行中存在自然的衰減老化、偶發(fā)性故障，且受各種環(huán)境因素變化影響以及日常維護欠缺，都會造成電池組加速老化甚至提前失效。因此，利用蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)代替人工巡檢，及時掌握蓄電池健康狀態(tài)具有重要意義。本文首先分析了蓄電池失效機理及其對蓄電池性能的影響，在此基礎(chǔ)上得到了在線監(jiān)測指標，并構(gòu)建了基于變電站、通信機房、配電終端的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)拓撲，總結(jié)了蓄電池健康評估方法研究現(xiàn)狀。目前，鉛酸蓄電池的在線監(jiān)測與健康評估技術(shù)取得了較好的進展，但在指標的選取、特征的采樣、健康評估的方法、壽命評估（續(xù)航時間預(yù)估）、數(shù)字化方面還可做進一步完善，具體包括：

1）鉛酸蓄電池的失效受到多種因素影響，對在線監(jiān)測指標的選取應(yīng)盡可能全面，達到全面表征蓄電池失效特征的目的。

2）對于鉛酸蓄電池特征的采樣，可以引入新型傳感器，如超聲波檢測[38]，提高電池端電壓、充放電電流、溫度提取的精確度。在交流阻抗法測試內(nèi)阻的基礎(chǔ)上可以結(jié)合鎖相放大器對信號進行處理，來防止噪聲干擾，提高測量的精確度。對剩余容量的預(yù)估可以將不同算法進行融合，例如將安時積分法和卡爾曼濾波法相結(jié)合來縮短估算時間，并保證其精確度。

3）目前蓄電池的健康評估模型尚未完善，部分指標的異常并不影響蓄電池的正常供電，如果蓄電池運維能夠分為輕、重、緩、急四種情況，則可達到節(jié)省人力物力的效果。因此，可參考設(shè)備的評估方法，將鉛酸蓄電池的健康評估分為正常、異常、注意、嚴重四個狀態(tài)等級，從而更好地為運維提供支撐。

4）對鉛酸蓄電池進行核容試驗不足以發(fā)現(xiàn)其在壽命方面的缺陷，因此，可基于蓄電池本體參數(shù)和運維工況對壽命的影響等方面，結(jié)合壽命評估模型進行在線評估，為運維人員提供預(yù)防性維修的決策參考，降低故障發(fā)生概率，并減少維護成本。

5）數(shù)字孿生技術(shù)是一種通過建立物理虛擬模型來描述物體真實狀況的新技術(shù)，可結(jié)合鉛酸蓄電池的電化學(xué)機理以及電池等效電路模型，建立電池數(shù)字孿生模型，提升鉛酸蓄電池的狀態(tài)感知和仿真評估能力，實現(xiàn)自治、互動、同步、共生，為用戶更為直觀地展示蓄電池健康狀態(tài)。

[參考文獻]

[1] 賀鴻杰，張寧，杜爾順，等.電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能運行效率及壽命衰減建模方法綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2020，44（12）：193-207.

[2] 方治，宋紹劍，林予彰，等.含光伏電站和蓄電池儲能系統(tǒng)的主動配電系統(tǒng)狀態(tài)估計[J].電力系統(tǒng)自動化，2019，43（13）：71-79.

[3] 王荔妍，陳啟鑫，何冠楠，等.考慮電池儲能壽命模型的發(fā)電計劃優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化，2019，43（8）：93-100.

[4] YU R X，LIU G，XU L B，et al.Review of Degradation Mechanism and Health Estimation Method of VRLA Battery Used for Standby Power Supply in Power System[J].Coatings，2023，13（3）：485.

[5] 黃志高.儲能原理與技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2018.

[6] 孫冬，許爽，李超，等.鋰離子電池荷電狀態(tài)估計方法綜述[J].電池，2018，48（4）：284-287.

[7] 武龍星，龐輝，晉佳敏，等.基于電化學(xué)模型的鋰離子電池荷電狀態(tài)估計方法綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2022，37（7）：1703-1725.

[8] 范劉洋，汪可友，張寶群，等.考慮電池組不一致性的儲能系統(tǒng)建模及仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（3）：110-115.

[9] 程衛(wèi)星，馬學(xué)寶，石健.一種在線檢測蓄電池組中某一電池漏液的裝置：CN201620867455.8[P].2017-02-08.

[10] WANG P C，ZHU C Q.Summary of lead-acid battery management system[J].IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2020：022014.

[11] 竇宏博，吳建峰，徐靜，等.變電站直流系統(tǒng)鉛酸電池內(nèi)阻在線測量方法[J].電池，2020，50（2）：165-167.

[12] 李樹靖，林凌，李剛.串聯(lián)電池組電池電壓測量方法的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2003（S1）：212-213.

[13] 蔣新華，雷娟，馮毅，等.串聯(lián)電池組電壓測量的新方法[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28（4）：734-737.

[14] 王洪，林雄武，趙立成，等.直流電源閥控密閉鉛酸蓄電池組智能管理[J].電源技術(shù)，2017，41（5）：738-740.

[15] 申永鵬，劉迪，梁偉華，等.三相橋式逆變電路電流檢測方法綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2023，38（2）：465-484.

[16] 李武華，陳玉香，羅皓澤，等.大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理綜述及展望[J].中國電機工程學(xué)報，2016，36（13）：3546-3557.

[17] 黃海宏，王海欣，吳黎麗，等.二次放電在線檢測蓄電池內(nèi)阻[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（15）：89-93.

[18] 鄭先鋒，魏輝，齊山成，等.大型電池供電系統(tǒng)電池狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（12）：122-125.

[19] 張超，徐國順，肖翼洋.大容量鉛酸蓄電池組內(nèi)阻測量裝置設(shè)計與分析[J].電源技術(shù)，2011，35（9）：1095-1097.

[20] ZHANG H，LU R G，ZHU C B，et al.On-line measurement of internal resistance of lithium ion battery for EV and its application research[J].International Journal of u-and e-Service，Science and Technology，2014，7（4）：301-310.

[21] 邢劍，袁建生，王琦.艇用大容量鉛酸電池短路特性測試與分析[J].電池，2019，49（4）：325-328.

[22] 姜立國.可充電電池內(nèi)阻檢測儀[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[23] 朱志祥，尚麗平，屈薇薇.基于HPPC的鋰電池歐姆內(nèi)阻最優(yōu)測試條件研究[J].電源技術(shù)，2020，44（6）：841-843.

[24] 馬澤宇，姜久春，文鋒，等.用于儲能系統(tǒng)的梯次利用鋰電池組均衡策略設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38（3）：106-111.

[25] 張建寰，李姍文，張陳濤，等.基于多參數(shù)融合的鉛酸蓄電池SOC估算方法研究[J].電源技術(shù)，2018，42（11）：1704-1706.

[26] 王君瑞，單祥，賈思寧，等.基于擴展卡爾曼濾波的蓄電池組SOC估算[J].電源技術(shù)，2020，44（8）：1168-1172.

[27] 晉殿衛(wèi)，顧則宇，張志宏.鋰電池健康度和剩余壽命預(yù)測算法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2023，51（1）：122-130.

[28] 蔡濤，張釗誠，袁奧特，等.鋰離子電池儲能安全管理中的機器學(xué)習(xí)方法綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2022，50（24）：178-187.

[29] 周娟，孫嘯，劉凱，等.聯(lián)合擴展卡爾曼濾波的滑模觀測器SOC估算算法研究[J].中國電機工程學(xué)報，2021，41（2）：692-703.

[30] 戴俊彥，夏明超，陳奇芳.基于雙重注意力機制的電池SOH估計和RUL預(yù)測編解碼模型[J].電力系統(tǒng)自動化，2023，47（6）：168-177.

[31] 楊家全，凌萬水，王科龍，等.配電終端VRLA蓄電池健康狀態(tài)評價方法研究與實現(xiàn)[J].電子器件，2018，41（3）：672-678.

[32] 張利國，李宇劍，劉樂，等.基于參數(shù)分析的蓄電池模型健康狀態(tài)估計[J].自動化儀表，2022，43（2）：69-75.

[33] 鐘國彬，劉新天，何耀，等.變電站用鉛酸電池SOH估計[J].電源技術(shù)，2016，40（12）：2407-2410.

[34] 尹春杰，王亞男，宋彥螟，等.鉛酸蓄電池組分布式在線監(jiān)測與狀態(tài)診斷[J].自動化儀表，2020，41（6）：24-28.

[35] 王洪，盧志濤，王少博，等.基于人工智能的電網(wǎng)用蓄電池健康度評估[J].廣東電力，2019，32（4）：79-84.

[36] 樊欣欣，丁暉，陳秀國，等.基于模糊邏輯的變電站蓄電池在線健康狀態(tài)評估[J].電子器件，2021，44（1）：136-140.

[37] 曹宇.基于支持向量機的變電站蓄電池健康度評估[J].電氣傳動自動化，2021，43（1）：1-3.

[38] XIONG R，LI L L，TIAN J P.Towards a smarter battery management system：A critical review on battery state of health monitoring methods[J].Journal of Power Sources，2018，405：18-29.

收稿日期：2023-09-25

作者簡介：況成忠（1985—），男，安徽淮北人，高級工程師，主要從事配電新技術(shù)研究工作。

歐世鋒（1986—），男，廣西南寧人，高級工程師，主要從事配電自動化、智能配電新技術(shù)研究工作。