吳海洋 繆巍巍 施 健 呂順利

（1.江蘇省電力公司 南京 210024）（2.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司） 南京 210003）

1 引言

閥控式鉛酸蓄電池（Valve Regulated Lead Ac?id，VRLA）自誕生以來憑借其性價(jià)比高、適用范圍廣、維護(hù)工作量小、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為變電站各類設(shè)備直流后備電源供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)為電力系統(tǒng)的二次系統(tǒng)負(fù)載提供電力保障，是電力重要設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最后一道防線［1～2］。自20世紀(jì)90年初期以來，VRLA蓄電池在國內(nèi)變電站得到全面推廣，已成為變電站用蓄電池的主流產(chǎn)品。在變電站中VRLA蓄電池通常串聯(lián)成組使用，由于受到“短板效應(yīng)”的影響，單體電池的失效會導(dǎo)致整組VRLA蓄電池實(shí)際容量的下降，進(jìn)而會加速其他單體電池的老化程度，最終造成整個(gè)VRLA蓄電池組可靠性的降低。在實(shí)際工作環(huán)境中，變電站用VRLA蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，其壽命整體呈現(xiàn)出正態(tài)分布的趨勢，VRLA蓄電池標(biāo)定的12年設(shè)計(jì)使用壽命卻常常只有約5～6年的平均使用壽命。這其中除了受不同廠家制造工藝水平的高低、實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的惡劣程度等客觀因素影響外，也與日常VRLA蓄電池的養(yǎng)護(hù)水平有很大關(guān)系［3～5］。

由于變電站點(diǎn)多面廣，又大多分布于偏僻的郊區(qū)，常規(guī)的變電站用VRLA蓄電池組養(yǎng)護(hù)通常只能兩年進(jìn)行一次全容量核對性的充放電檢測，其檢測的電池電壓、放電電流、溫度、內(nèi)阻等參數(shù)不足以讓運(yùn)維人員準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地掌握VRLA蓄電池組的健康狀態(tài)和壽命信息［6～7］。因此，科學(xué)判定蓄電池在線剩余電量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常問題的電池單體，可以有效避免由于單點(diǎn)故障導(dǎo)致整個(gè)VRLA蓄電池組使用壽命的縮短，從根本上優(yōu)化蓄電池組的整體效能，從而達(dá)到延長VRLA蓄電池組的使用壽命、保障二次設(shè)備安全穩(wěn)定的目標(biāo)。

本文在分析VRLA蓄電池技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)的安時(shí)放電積分法，通過對蓄電池的充放電電流、端電壓、內(nèi)阻、溫度等特性參數(shù)的數(shù)據(jù)采樣，提出了一種改進(jìn)的通信蓄電池剩余電量預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對蓄電池實(shí)際容量的自動(dòng)校正，減小了由于環(huán)境、老化、充放電方法以及不一致性等因素造成的誤差漂移，從根本上解決了傳統(tǒng)安時(shí)積分法的誤差問題。實(shí)驗(yàn)表明該方法估算精度很高，特別是電池老化后精度仍然較好，適用于變電站的實(shí)際環(huán)境應(yīng)用。

2 VRLA蓄電池技術(shù)指標(biāo)

2.1 蓄電池基本概念

蓄電池相關(guān)的概念有很多，如蓄電池容量、電壓、內(nèi)阻、剩余電量、荷電狀態(tài)等［8～10］。

1）蓄電池容量

蓄電池容量通?？煞譃槔碚撊萘?、額定容量和實(shí)際容量。理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得到的最高理論值。實(shí)際容量則指蓄電池在一定條件下所能輸出的最大電量。它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，其值一般會小于理論容量。額定容量也稱為標(biāo)稱容量，是根據(jù)國家或有關(guān)部門頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，在保證蓄電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度容量。在實(shí)際衡量蓄電池的指標(biāo)中，蓄電池的額定容量和實(shí)際容量是兩個(gè)最常用的容量技術(shù)指標(biāo)。

2）蓄電池電壓

蓄電池電壓按不同的應(yīng)用場合，分為開路電壓、放電電壓、充電電壓、浮充電壓、終止電壓等。蓄電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓，其等于蓄電池在斷路時(shí)（即無電流通過兩極時(shí)）蓄電池正負(fù)極的電位之差。放電電壓（工作電壓或負(fù)荷電壓）是指蓄電池接通負(fù)荷后在放電過程中顯示的蓄電池兩端電壓。浮充電壓為充電器對蓄電池進(jìn)行浮充電時(shí)設(shè)定的電壓值。終止電壓是指蓄電池放電時(shí)電壓下降到不宜再繼續(xù)放電時(shí)的最低工作電壓。

2）蓄電池內(nèi)阻

蓄電池內(nèi)阻是指電流通過蓄電池內(nèi)部收到的阻力，包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由板柵、活性物質(zhì)、隔膜和電解液等蓄電池構(gòu)件產(chǎn)生，雖然遵循了歐姆定律，但其隨著蓄電池荷電狀態(tài)而改變；極化內(nèi)阻則會隨著電流密度的增加而增大，但不是線性關(guān)系。蓄電池的內(nèi)阻不是常數(shù)，它在充放電過程中隨時(shí)間而不斷地改變，即隨活性物質(zhì)的組成狀態(tài)、電解液濃度和溫度的不斷地改變而改變著。

2.2 安時(shí)放電積分法原理

蓄電池剩余電量（Remian Charge Quantity）是指蓄電池當(dāng)前所具有的電荷量。傳統(tǒng)的安時(shí)放電積分法是根據(jù)當(dāng)前蓄電池實(shí)際容量減去實(shí)時(shí)記錄的放電電量的方式定量計(jì)算出蓄電池剩余電量［11～15］。其可表示為

其中，Cr為蓄電池的剩余容量，Ca為當(dāng)前蓄電池的實(shí)際容量，Cu為蓄電池已經(jīng)使用的容量（即已放出的電量）。

傳統(tǒng)的安時(shí)放電積分法不需考慮蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而適用于各類蓄電池，且此方法實(shí)現(xiàn)簡單，不受電池單體限制，便于對蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。然而在實(shí)際環(huán)境下，蓄電池作為一種復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，蓄電池的實(shí)際容量會受到蓄電池的自放電現(xiàn)象、老化程度、環(huán)境溫度變化、電流波動(dòng)眾多因素影響，導(dǎo)致蓄電池當(dāng)前實(shí)際容量每次都會發(fā)生變化，從而造成剩余容量預(yù)測值產(chǎn)生精度漂移。因此，需要對各種影響因素進(jìn)行綜合考慮，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池剩余容量的預(yù)測補(bǔ)償。

3 改進(jìn)的剩余電量預(yù)測模型

3.1 剩余電量預(yù)測補(bǔ)償模型

本文基于開路電壓法得到蓄電池的理論容量，結(jié)合滿充校驗(yàn)計(jì)算出蓄電池的當(dāng)前實(shí)際容量，在綜合環(huán)境溫度補(bǔ)償，以及基于充電后靜置內(nèi)阻變大和放電后電壓回升率變大等因素對蓄電池健康度容量進(jìn)行矯正，從而通過改進(jìn)的安時(shí)積分法準(zhǔn)確檢測蓄電池的剩余電量。其剩余電量預(yù)測補(bǔ)償模型如式（2）所示：

其中，β為蓄電池修正系數(shù)，μT環(huán)境溫度影響因子為第N組循環(huán)充放電健康因子（設(shè)定每10次循環(huán)充放電為一組），Cn為蓄電池的標(biāo)稱額定容量，?C為蓄電池標(biāo)稱額定容量校正值A(chǔ)dt為t0到t1期間放出的電量。

1）β蓄電池修正系數(shù)的計(jì)算

β值根據(jù)蓄電池的不同類型來確定，通常在0.8～1.2之間，其計(jì)算公式如下：

為首次循環(huán)充放電健康綜合因子，為首次循環(huán)充放電內(nèi)阻健康綜合因子，為首次循環(huán)充放電電壓健康因子。

2）μT環(huán)境溫度影響因子的計(jì)算

VRLA蓄電池的容量受環(huán)境溫度影響比較顯著，當(dāng)在正常工作條件下，環(huán)境溫度升高時(shí)，蓄電池內(nèi)部的電解液黏度會減小、電解質(zhì)離子的活性增大，離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，參與電化學(xué)反應(yīng)越充分，最終使得活性物質(zhì)利用率提高，外在表現(xiàn)為蓄電池實(shí)際可用電量增大。反之，環(huán)境溫度降低時(shí)，活性物質(zhì)利用率降低，外在表現(xiàn)為蓄電池實(shí)際可用電量減少。然而這種環(huán)境溫度是指蓄電池內(nèi)部的溫度，但在實(shí)際監(jiān)測中常使用變電站內(nèi)的環(huán)境溫度來代替。

通過蓄電池容量與環(huán)境溫度之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出其公式為

根據(jù)最小二乘法法計(jì)算得到K=0.004。

3）循環(huán)充放電健康因子的計(jì)算

在工程實(shí)踐中，VRLA蓄電池的健康狀態(tài)通常與內(nèi)阻和電壓相關(guān)，

其中，為第i組循環(huán)充放電內(nèi)阻健康綜合因子，為第i組循環(huán)充放電電壓健康因子。

蓄電池循環(huán)使用次數(shù)越多，會導(dǎo)致蓄電池的內(nèi)阻越大，放電后的電壓回升速度越快。因此，在每次蓄電池循環(huán)充放電后，其實(shí)際容量都會發(fā)生變化，如果仍以電池的標(biāo)準(zhǔn)額定容量作為電池剩余電量估算的基數(shù)時(shí)，將不可避免地會造成誤差漂移。

Rk為蓄電池不同階段的平均內(nèi)阻，其值可通過以下方式測量得到。在蓄電池每次滿電并靜置一段時(shí)間后（每次靜置時(shí)間的相同，時(shí)間長短由電池特性和運(yùn)行狀況決定），從蓄電池兩端采用交流法或直流法測量蓄電池內(nèi)阻（測量方式每次必須相同），每測量N次（N>10and N=常值）進(jìn)行一次均值濾波處理，從而計(jì)算得到一個(gè)內(nèi)阻均值Rk，k=1，2，3，…。

Vk為蓄電池不同階段的電壓平均回升速率，其值可通過以下方式測量得到。在蓄電池每次放電至某截止開路電壓V0并靜置一段時(shí)間后（每次靜置時(shí)間的相同，時(shí)間長短與Rk測量相同），對開路電壓值進(jìn)行采樣，在電壓穩(wěn)定后取開路電壓值Vk和開路電壓回升時(shí)間t，計(jì)算出電壓回升速率，每測量N次（N取值與電阻測量相同）進(jìn)行一次均值濾波處理，從而計(jì)算得到一個(gè)電壓回升速率均值Vk，k=1，2，3，…。

3.2 蓄電池修正系數(shù)確定

蓄電池修正系數(shù)β可通過測量首次循環(huán)充放電電阻和電壓的健康綜合因子可得。本文中對蓄電池首次循環(huán)充放電電阻的測量是在環(huán)境溫度為25℃，滿電條件下，靜置20min后采用交流法進(jìn)行測量，前10次循環(huán)充放電測量得到的電阻值經(jīng)濾波處理后取其平均值。蓄電池首次循環(huán)充放電電壓的測量方法與電阻測量相似，設(shè)定電壓回升時(shí)間為20min，根據(jù)放電結(jié)束后測量得到的電壓回升率，計(jì)算電壓回升速率均值。其測量得到的首次循環(huán)充放電特征參數(shù)見表1。

表1 首次循環(huán)充放電測量數(shù)據(jù)

從表1中可知，蓄電池修正系數(shù)β=1.003865。將環(huán)境溫度影響因子μT和和循環(huán)充放電健康因子代入式（3）中，則可得到改進(jìn)的蓄電池剩余電量預(yù)測模型。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文蓄電池剩余電量預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，依據(jù)《GBT 19638.2.2005固定型閥控密封式鉛酸蓄電池》國標(biāo)要求，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對VRLA蓄電池進(jìn)行剩余電量測量，循環(huán)充放電次數(shù)為320次，其測量取得的參數(shù)值見表2。

表2 循環(huán)充放電測量數(shù)據(jù)

通過對測量實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測，首輪10次循環(huán)充放電后，計(jì)算得到了蓄電池修正系數(shù)β，同時(shí)循環(huán)充放電健康因子也開始逐步發(fā)揮作用，能夠較好地在線跟蹤蓄電池的實(shí)際剩余電量。其剩余電量估算值與實(shí)際值之間的誤差值如圖1所示。

圖1 剩余電量估算值與實(shí)際值的誤差散點(diǎn)圖

從圖1可以看出，本文提出改進(jìn)的蓄電池剩余電量預(yù)測模型能夠較好地匹配蓄電池實(shí)際剩余電量，估算值基本上比實(shí)際真值略小，在保證了剩余電量估算的準(zhǔn)確性外還留有一定的安全閾值，在320次循環(huán)充放電過程中，模型估算值誤差不大于2.5%，具有很好的剩余電量估算精度。

5 結(jié)語

本文在研究VRLA蓄電池技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過分析并結(jié)合蓄電池在變電站實(shí)際工程中的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)安時(shí)放電積分法的通信蓄電池剩余電量預(yù)測模型，通過對VRLA蓄電池充放電電流、端電壓、內(nèi)阻、溫度等技術(shù)指標(biāo)實(shí)時(shí)在線的檢測，確定模型中相關(guān)的修正系數(shù)和健康綜合因子，實(shí)現(xiàn)了通信蓄電池剩余電量的準(zhǔn)確估算，從根本上解決了傳統(tǒng)安時(shí)放電積分法存在的誤差漂移難題。在仿真實(shí)際環(huán)境中對蓄電池間歇性充放電過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明此模型對通信蓄電池剩余電量的估算具有較好的準(zhǔn)確性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。然而在實(shí)際變電站應(yīng)用條件下，工況變化較大，且工作環(huán)境較實(shí)驗(yàn)環(huán)境惡劣得多，在后續(xù)的研究中，本模型的準(zhǔn)確性還需要通過更多的實(shí)驗(yàn)研究，以確保在溫度、充放電方式差異較大的情況下模型具有更好的適應(yīng)性。