一種配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置的探索與研究

1研制背景

隨著配網(wǎng)智能化與數(shù)字化建設(shè)如火如茶地開展,配網(wǎng)自動(dòng)化終端的投運(yùn)數(shù)量劇增。根據(jù)抽樣調(diào)查,當(dāng)配網(wǎng)自動(dòng)化終端運(yùn)行年限超過3年,作為終端后備電源的電池組就會(huì)開始出現(xiàn)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(yùn)行環(huán)境需要保持在適當(dāng)?shù)臏貪穸?即溫度為(20±5)℃,濕度不大于75%。此外,每節(jié)電池需定期進(jìn)行電流/電壓測(cè)量和核容計(jì)算,以判斷電池性能的好壞,并以此作為是否需要進(jìn)行深度充放電活化維護(hù)的依據(jù)。當(dāng)電池深度放電時(shí),通過多次測(cè)量其輸出電壓和輸出電流,算出電池內(nèi)阻,將多次計(jì)算出的內(nèi)阻數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中,得出電池的內(nèi)阻變化曲線。待電池放電完成,將放電期間多次測(cè)量出的時(shí)間、電池容量等數(shù)據(jù)也導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中,可得出電池容量變化曲線。結(jié)合內(nèi)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(jù)曲線圖,如圖1所示,若電池存在容量明顯下降或內(nèi)阻值突增的情況,可以判斷其性能已經(jīng)大幅降低甚至電池已經(jīng)發(fā)生損壞。通過掌握電池性能曲線的變化,對(duì)電池性能的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判,可及時(shí)將不合格的電池進(jìn)行淘汰、更換,對(duì)容量值在可維護(hù)容量范圍內(nèi)的電池進(jìn)行活化維護(hù),有效實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)的效果。

由于制造工藝、設(shè)備運(yùn)行方式和儲(chǔ)存環(huán)境不同等原因,即使是同一廠家、同一生產(chǎn)批次、同款規(guī)格型號(hào)的電池,在容量、內(nèi)阻等方面仍會(huì)存在一定差異,這就導(dǎo)致在充電過程中,電池組里的單節(jié)電池容易出現(xiàn)滿電更滿而缺電更缺這種兩極分化現(xiàn)象,也稱為"充電不均衡現(xiàn)象"。當(dāng)電池組老化后,各節(jié)電池的容量各不相同,若其中一節(jié)電池出現(xiàn)故障,則會(huì)造成整組電池性能再次急劇下降,嚴(yán)重影響電池的使用年限。另外,充電不均衡現(xiàn)象不僅影響到電池組的充放電效率,還會(huì)造成設(shè)備運(yùn)行存在重大安全隱患。為了避免上述問題,需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電過程中各節(jié)電池情況并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)管理。

2設(shè)計(jì)原理與思路

配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置適用于不同型號(hào)規(guī)格的鋰電池或蓄電池存放,按照設(shè)計(jì)思路分為觸摸屏(人)和可編程控制器、檢測(cè)電路、繼電器、充電器(物),實(shí)現(xiàn)了人機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)充電電壓,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)電壓/電流、計(jì)算電池容量、電池活化及電池?fù)p壞自動(dòng)告警功能,并生成監(jiān)測(cè)報(bào)告,無須人工監(jiān)控電池充放電過程。

可編程控制器接收到信號(hào)后,通過若干個(gè)10A繼電器與相關(guān)模塊之間的連通或斷開,有序?qū)﹄娏?電壓監(jiān)測(cè)電路與充放電回路進(jìn)行開斷。當(dāng)繼電器#2連通時(shí),電池進(jìn)行充電或浮充,充電器通過將充電電壓控制在一定范圍內(nèi),以設(shè)置恒定值的方式對(duì)電池充電。當(dāng)繼電器#3連通時(shí),電池進(jìn)行放電,裝置對(duì)電流/電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和電池容量計(jì)算,最后根據(jù)電池容量情況判斷電池可用性,對(duì)仍具有可用性的電池直接進(jìn)行活化,對(duì)可用性不高的電池判斷為電池?fù)p壞并建議更換。

3功能介紹

該裝置主要具有電池充電養(yǎng)護(hù)管理、電池容量核查測(cè)試、電池放電活化維護(hù)三種應(yīng)用模式。其中,充電養(yǎng)護(hù)管理可根據(jù)用戶在觸摸屏輸入的設(shè)定內(nèi)容對(duì)電池進(jìn)行恒壓充電,滿足電池恒充補(bǔ)充電量與浮充維持電量的日常儲(chǔ)存需求:電池容量核查測(cè)試是指通過采集電池充電或放電時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行容量計(jì)算,根據(jù)電池容量的多少判斷是否需要進(jìn)行電池活化維護(hù)工作:電池放電活化維護(hù)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(zhǎng)電池壽命,滿足電池修復(fù)維護(hù)的需求。配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置的具體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

為了更好地實(shí)現(xiàn)上述三種應(yīng)用模式的運(yùn)行,配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置可以實(shí)現(xiàn)以下四種功能:自動(dòng)充電切換功能、電流/電壓監(jiān)測(cè)功能、電池活化檢測(cè)功能和溫濕度恒定功能。每種應(yīng)用模式均包含多個(gè)功能,如表1所示。

3.1自動(dòng)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(huì)發(fā)熱甚至爆炸,嚴(yán)重威脅到人身、設(shè)備安全。如果電池過度充電,則會(huì)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(xiàn)象。該裝置設(shè)置了10個(gè)蓄電池充電工位和10個(gè)鋰電池充電工位,當(dāng)蓄電池或鋰電池被放置在相應(yīng)充電工位上時(shí),充電器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換充電電壓對(duì)其進(jìn)行充電(充電電壓如表2所示)。若檢測(cè)到充電工位上的電池電壓低于某電壓值,例如蓄電池可設(shè)置為11V,鋰電池可設(shè)置為22V,充電器將自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行浮充,保持電池電壓不低于截止電壓。該裝置可同時(shí)滿足電池日常浮充養(yǎng)護(hù)和電池活化維護(hù)(放電后補(bǔ)充充電)功能,滿足電池充電養(yǎng)護(hù)管理的使用需求。

3.2電流/電壓監(jiān)測(cè)功能

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)。該裝置的優(yōu)點(diǎn)為全程無須人工監(jiān)控運(yùn)行過程,但為防止電池在充放電過程中出現(xiàn)異常情況,增設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)的功能,通過觸摸屏將功能狀態(tài)與相關(guān)數(shù)據(jù)一并顯示,便于使用者快速了解裝置的運(yùn)行情況。

(2)測(cè)量電池剩余容量。標(biāo)志電池運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)就是它的可用電量(剩余容量)或荷電狀態(tài)(StateOfCharge,SOC),傳統(tǒng)的電池容量試驗(yàn)(batterycapacitytest)就是對(duì)電池進(jìn)行核容放電,即在適宜的環(huán)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(jìn)行容量計(jì)算:

式中:C為電池容量(Ah):If為恒定放電電流(A):1為放電時(shí)間(h)。

因測(cè)量電池剩余容量的放電時(shí)間較長(zhǎng),需投入大量的人力、物力。為解決此問題,該裝置在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電流/電壓的同時(shí),將放電至終止電壓那一刻的恒定電流與放電時(shí)間數(shù)據(jù)導(dǎo)入式(1)中,得出準(zhǔn)確的電池剩余容量并顯示結(jié)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(jìn)行活化維護(hù)。

3.3電池活化檢測(cè)功能

Mengx等人通過對(duì)在不同外界應(yīng)力作用下的LiMn2O4石墨電池系統(tǒng)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn),利用在不同循環(huán)次數(shù)下的電池容量保持率進(jìn)行試驗(yàn)采樣與數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)電池的循環(huán)容量常常會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)線性或指數(shù)性的下降趨勢(shì)。

為了提高電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性,保證電池特性在使用標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),則需要定期對(duì)電池進(jìn)行活化,令電池的內(nèi)部離子活性受到激發(fā),使電池特性恢復(fù)到正常使用的標(biāo)準(zhǔn)范圍。電池活化的基本原理為:對(duì)電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充放電,使負(fù)氧化還原反應(yīng)發(fā)生在電池的正負(fù)極上,從而消除電極表面因長(zhǎng)期使用而產(chǎn)生的氧化保護(hù)膜,最終促使電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定性得到大幅提升,在增加電池容量的同時(shí)降低電池內(nèi)阻,使電池達(dá)到最佳狀態(tài),滿足相應(yīng)的循環(huán)性能標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)電池老化需活化維護(hù)的情況,該裝置設(shè)置了活化檢測(cè)功能,當(dāng)檢測(cè)到電池的剩余容量偏低但還沒完全損壞時(shí),裝置開始對(duì)該電池進(jìn)行放電,在放至截止電壓后自動(dòng)轉(zhuǎn)為充電狀態(tài),直至電池滿電。由圖4可以看出,當(dāng)電池放電完全后開始充電時(shí),容量逐漸升高,達(dá)到了電池容量維護(hù)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(rèn)充電電壓值的基礎(chǔ)上增加了可調(diào)節(jié)區(qū)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(duì)環(huán)境溫度的變化很敏感,尤其是在低溫環(huán)境下,電化學(xué)反應(yīng)速率下降,參與反應(yīng)的鋰離子數(shù)量銳減,使電池充電內(nèi)阻增大,充電容量降低,甚至?xí)a(chǎn)生鋰枝晶,導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。

鉛酸蓄電池容量變化也與環(huán)境溫度密切相關(guān),其標(biāo)準(zhǔn)的工作溫度為25℃。若電池長(zhǎng)期超標(biāo)運(yùn)行,則溫度每升高10℃,電池的壽命就會(huì)減半:溫度每下降10℃,電池的放電容量就會(huì)降低1%。溫度對(duì)電池自放電也有著一定的影響,當(dāng)溫度升高時(shí),電池的自放電率與溫度變化為正反饋。因此,鉛酸蓄電池應(yīng)配備必要的保溫保濕措施及良好的通風(fēng)設(shè)備。

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

4結(jié)語

本文研究的配網(wǎng)終端電池智能檢測(cè)存儲(chǔ)裝置可同時(shí)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(dú)對(duì)每節(jié)電池進(jìn)行智能檢測(cè)和活化維護(hù),并具備自動(dòng)記錄、告警提示及自動(dòng)切換充電模式的功能,對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化終端電池的日常維護(hù)管理有著重大的實(shí)際意義。