王聰聰，吳昊，裴春興，郭愛，戴朝華*

（1. 中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 064000；2. 西南交通大學唐山研究生院，河北 唐山 064000）

0 引言

我國鐵路營業(yè)里程高達 14.63 萬km，其中高鐵有 3.8 萬km，而且電氣化率達 72.8 %。為了保障動車組安全穩(wěn)定運行，需要蓄電池給動車組輔助裝置提供高效穩(wěn)定的起動和應(yīng)急電源。鎳鎘電池是各車型動車組最常用的蓄電池，在動車組起動至受電弓接入接觸網(wǎng)階段或故障工況時，為動車組的牽引控制、信號傳輸、照明等直流低壓電氣設(shè)備供電[1]。

在動車組運行過程中，鎳鎘電池大部分時間處于浮充電狀態(tài)。受工作溫度、充放電狀態(tài)等諸多因素制約，電池性能和壽命會逐漸衰減。為了保障可靠運行，需要準確地評估鎳鎘電池的健康狀態(tài)（SOH），以便預測電池的剩余壽命，指導檢修和運行維護。目前，SOH 評估方法主要有直接測量法、模型驅(qū)動法、數(shù)據(jù)驅(qū)動法、混合法等[2]。其中，直接測量法通過測量容量、內(nèi)阻和開路電壓等劣化表征來估算電池 SOH，包括阻抗譜法、開路電壓法和電荷積分法等[3-5]。模型驅(qū)動法通過搭建電池的等效模型，反映電池的內(nèi)部電化學反應(yīng)和動態(tài)特性，運用參數(shù)識別實現(xiàn)電池 SOH 估算。最常用的電池模型有電化學模型、二階 Thevenin 等效電路模型等[6-8]。但是，此方法的 SOH 估算精度要取決于電池模型。如果考慮的參數(shù)越多，相應(yīng)地 SOH 估算精度就越高。數(shù)據(jù)驅(qū)動法是通過特定學習算法，將內(nèi)阻、電壓和溫度等電池參數(shù)作為輸入量，利用大量數(shù)據(jù)對粗糙模型進行細化，主要包括擴展卡爾曼濾波[9]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機[10]等方法。此方法不考慮電池的失效機理，但需要大量的實驗數(shù)據(jù)。混合法主要通過多種方法聯(lián)合優(yōu)化算法和提高 SOH 預測精度，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和擴展卡爾曼濾波融合[11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能優(yōu)化算法融合[12]、支持向量機和智能優(yōu)化算法融合[13]等。

在動車組實際檢修過程中，只對鎳鎘電池進行性能測試，并沒有對鎳鎘電池健康狀態(tài)進行估算，不利于鎳鎘電池的可靠運行和檢修經(jīng)濟性的檢測。筆者基于動車組用鎳鎘電池的檢修規(guī)程，對 CRH380B 型用新電池、四級修電池和五級修電池進行容量測試和開路電壓測試，通過不同參數(shù)的健康狀態(tài)指標對不同修程鎳鎘電池的 SOH 進行估算，為鎳鎘電池的檢修規(guī)程提供依據(jù)。

1 動車組鎳鎘電池檢修規(guī)程及健康狀態(tài)指標

1.1 檢修規(guī)程

為保證動車組安全行駛，動車組蓄電池都會進行定期檢修。按照《和諧 3C/380B(L)/380BG/380CL 型動車組三級檢修規(guī)程》（TG/CL 151—2017）和《和諧 3C/380B(L)/380BG/380CL型動車組四級檢修規(guī)程》（TG/CL 150—2017），CRH380B 型動車組中鎳鎘電池的檢修被分為 5 個等級：一、二級修為運用檢修；三、四級修（運行里程滿足 240 萬km）和五級修（運行里程滿足 480 萬km）為高級修。

CRH380B 型動車組的蓄電池系統(tǒng)一般包括蓄電池箱體、電氣部分、蓄電池組等。檢修時需要將其拆卸、分解，然后再組裝。對 CRH380B 型動車組的鎳鎘電池進行檢修，除了需要清潔蓄電池及其箱體，查看緊固件外觀，檢查電解液液面，測量絕緣性電阻之外，還要檢測鎳鎘電池的開路電壓和容量。單體蓄電池的開路電壓應(yīng)大于等于 1.30 V，否則就得更換單體蓄電池。采用二放二充制度，在放電過程中對蓄電池組做容量測試。能保證以 32 A電流持續(xù)放電大于等于 4.5 h 的蓄電池合格，否則應(yīng)及時更換電池。

1.2 健康狀態(tài)指標

目前行業(yè)普遍使用電池的 SOH（State of Health）來表示電池的健康狀態(tài)或劣化程度。

1.2.1 從容量角度定義 SOH1

SOH1定義為在某一條件下電池的實際容量Qact和電池額定容量Q0的比值，即

在式（1）中，用ζ1表示電池的 SOH1。在標準 IEEE 1188—1996 中規(guī)定，當電池的實際容量下降到其額定容量的 80 %，即ζ1＜ 80 % 時，需要更換電池。

1.2.2 從內(nèi)阻角度定義 SOH2SOH2隨內(nèi)阻的增大而減小，SOH2可定義為

在式（2）中：用ζ2表示電池的 SOH2；REOL為電池壽命結(jié)束時歐姆內(nèi)阻；Rnew為原始電池歐姆內(nèi)阻；Rnow為當前電池歐姆內(nèi)阻。如果內(nèi)阻增加 25 %，電池可能會發(fā)生失效；增加 50 %，會發(fā)生嚴重故障；增加 100 % 或更多，則電池失效[14]。在本文中，假設(shè)REOL= 2Rnew。

1.2.3 從開路電壓角度估計 SOH3

鎳鎘電池開路電壓（OCV）表征了電池在某一荷電狀態(tài)（SOC）下所對應(yīng)的穩(wěn)定電動勢，可看成 SOC高階的非線性函數(shù)，并隨電池性能衰退而變化。通過長時間靜置測得不同 SOC 下的開路電壓，如公式

所示，采用高階多項式擬合實驗數(shù)據(jù)獲取 SOC–OCV 曲線。在式（3）中，Uoc代表電池開路電壓，ai是為特征參數(shù)，而ξ表示電池的 SOC。在文獻[15]中曾表述，SOC–OCV 曲線的部分特征參數(shù)ai的變化趨勢能間接反映電池的老化狀態(tài)，存在較強的相關(guān)性，因此可用多項式

擬合獲得ai–SOH3曲線，以估算電池的健康狀態(tài)SOH3[15]。在式（4）中：ζ3表示電池的 SOH3；x代表 SOC-OCV 曲線各多項式特征參數(shù)ai；βm表示ai–SOH3曲線各多項式特征參數(shù)。

2 實驗

2.1 實驗設(shè)計

實驗平臺（參見圖 1）由動力電池檢測系統(tǒng)、電池測量儀和上位機組成。動力電池檢測系統(tǒng)（型號為新威爾 CE-7000-60V/300A-2）可采用不同充放電模式對電池進行充放電，檢測電池充放電電壓、電流、容量以及時間等數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)輸出到上位機。電池測試儀（型號為新威爾 CA-4008-1U-VT-TX）采集單體電壓和溫度數(shù)據(jù)，具有設(shè)置溫度、過壓、過流保護功能。上位機具有設(shè)置充放電模式、充放電電流、電壓限值、電流限值等功能，采集鎳鎘電池的電性能參數(shù)的同時，能防止過充過放。實驗測試方案見圖 2，試驗工況條件設(shè)置參數(shù)如表 1 所示。由于一、二、三級修電池衰減很小，為了節(jié)省實驗時間和成本，僅僅對新電池和四、五級修電池進行測試。在實驗前對鎳鎘電池模具及其單體進行外觀檢測，均無損傷。

圖1 實驗測量平臺示意圖

圖2 實驗測試方案圖

表1 試驗工況條件設(shè)置

2.2 容量測試

容量是鎳鎘電池性能最直接的表征指標之一。在實際工況中，實時動態(tài)容量能夠及時反映蓄電池的老化狀態(tài)，但是在線估計動態(tài)容量具有較大挑戰(zhàn)性，因此常常采用對蓄電池定期進行靜態(tài)容量標定的方法。試驗步驟如下：

（1）對新電池進行喚醒與靜置操作，采用0.1C小電流恒流充電方式充電至 36.0 V，在環(huán)境溫度（20 ± 5）℃ 下靜置 1～4 h；

（2）以 0.25C（40 A）恒流放電至電壓為 21.0 V，測量新電池靜態(tài)容量；

（3）對四、五級修電池采用 0.25C恒流充電至電壓 36.0 V，靜置 1～4 h；

（4）再以 0.25C恒流放電至電壓為 21.0 V，測量電池靜態(tài)容量；

（5）重復步驟（3）（4）共 10 次。

對新電池進行了 3 次容量測試，取 3 次測試的均值為其容量。對四、五級修電池分別測量了10 次。由于前 3 次容量比較小，取前 3 次均值作為消除記憶效應(yīng)前的容量。后 7 次容量比較大，取最后 3 次均值作為消除記憶效應(yīng)后的容量。根據(jù)式（1）計算鎳鎘電池的 SOH1，并將結(jié)果列于表 2中。新電池最大容量滿足 160 Ah 鎳鎘電池的設(shè)計容量。四級修電池的后 7 次容量測試的最大值為138.17 Ah，其健康狀態(tài)為 86.36 %。五級修電池的后 7 次容量測試的最大值為 130.70 Ah，其健康狀態(tài)為 81.69 %。由此可知，四級修和五級修電池的容量明顯下降。

表2 容量測試結(jié)果

新電池與舊電池的放電電壓如圖 3 所示。在新電池剛開始放電的隨后幾秒內(nèi)電壓直線下降。這是由鎳鎘電池的歐姆電阻引起的[6]。然后，電壓下降速率逐漸減小直到進入電壓平臺階段。在電壓平臺階段內(nèi)電壓下降較為平緩甚至電壓保持不變。在電壓平臺期后，電池電壓下降速率不斷上升，直至放電結(jié)束。四級修和五級修電池并未出現(xiàn)電壓平臺，而是出現(xiàn)了放電電壓驟降，并且由于放電電壓低于放電截止電壓（21 V），放電結(jié)束，導致放電時間小于 4 h。記憶效應(yīng)對舊電池放電電壓影響如圖 3b和圖 3c 所示。由于鎳鎘電池長期處于浮充狀態(tài)，產(chǎn)生了記憶效應(yīng)，與消除記憶效應(yīng)前（前 3 次容量測試）相比，四級修和五級修的鎳鎘電池在消除記憶效應(yīng)后（后 7 次容量測試）的電池最大容量明顯提高，放電時間更長，放電電壓有所提高，但是不能恢復新電池的理想放電電壓平臺。

圖3 電池放電電壓曲線

根據(jù)容量測試步驟（4）能夠獲得四級修和五級修電池的初期放電曲線。鎳鎘電池由靜置狀態(tài)至0.25C（40 A）恒流放電時，會出現(xiàn)放電電壓驟降的情況。在放電前，電池為靜置狀態(tài)，由于電容的電壓無法突變，可近似地把電壓驟降看成是由電池的歐姆內(nèi)阻引起的，可由公式

表示。不同修程電池恒流放電時初期電壓波形如圖 4 所示，各類電池的驟降電壓、歐姆內(nèi)阻和健康狀態(tài) SOH2如表 3 所示。隨著電池劣化程度的加深，歐姆內(nèi)阻逐漸增大。由于忽略了極化內(nèi)阻的影響，所測得電壓 △U取均值，再采用歐姆內(nèi)阻的方法估計鎳鎘電池的 SOH2。SOH2比 SOH1要大，誤差約為 8.32 %。

圖4 電池初期放電電壓

表3 歐姆內(nèi)阻測試結(jié)果

2.3 開路電壓測試

鎳鎘電池的開路電壓（OCV）與其荷電狀態(tài)（SOC）存在單調(diào)映射關(guān)系。鎳鎘電池在某一荷電狀態(tài) SOC 下對應(yīng)著特定的開路電壓，但開路電壓會隨電池性能衰退而變化。通過研究 SOC-OCV 的規(guī)律可以提高老化狀態(tài)估計精度。在實驗開始前，對新電池采用 0.25C（40 A）恒流充電方式充電至36.0 V，然后靜置，測量單體新電池在充放電趨穩(wěn)（dU/dt＜ 0.01 V）所需的時間，時長為 2 h。試驗步驟如下：

（1）對不同修程的鎳鎘電池以 0.25C（40 A）恒流放電至電壓 21.0 V 以下，靜置 2 h。

（2）對新電池、四級修電池和五級修電池以0.25C進行恒流充電，至充入容量為 10 % 的最大可用容量?；趯嶋H容量測試的充電時間設(shè)置充電時間分別為 24、19、21 min，靜置 3 min 和2 h 后測量開路電壓，重復該步驟至測試電池完全充滿。

（3）對不同修程的鎳鎘電池以 0.25C恒流充電至 36.0 V，靜置 2 h。

（4）對新電池、四級修電池和五級修電池以0.25C進行恒流放電，至放出容量為 10 % 的最大可用容量。設(shè)置放電時間分別為 24、19、21 min，靜置 3 min 和 2 h 后測量開路電壓，重復該步驟至測試電池放電至 21.0 V 以下。

根據(jù)開路電壓測試步驟，得到各類電池開路電壓曲線如圖 5 所示。電池不可能放電到 SOC 為 0 的時候，因而充電階段不存在 SOC 為 0 的開路電壓，同理放電階段電池不存在 SOC 為 100 % 的開路電壓。鎳鎘電池在充電階段后靜置下的開路電壓普遍高于放電階段的開路電壓。電池開路電壓隨電池荷電狀態(tài)的增大而不斷提高。隨著靜置時間增長，由于極化電容的存在[6]，在充電階段開路電壓逐漸降低，而在放電階段電壓逐漸升高。

圖5 電池開路電壓曲線

采用公式（3）所示形式，進行曲線擬合，得到圖 6 所示曲線，同時發(fā)現(xiàn) SOH3與曲線常數(shù)項特征參數(shù)a0有很大關(guān)聯(lián)性，因此可用曲線特征參數(shù)a0來反映鎳鎘電池的衰退機理，進行 SOH 估計。由于充電態(tài)和放電態(tài) SOH 估算結(jié)果幾乎相同，在表 4 列出了充電態(tài)的相關(guān)參數(shù)的變化趨勢，得出誤差在 0.2 %左右。

圖6 開路電壓擬合曲線

表4 開路電壓估計 SOH3 結(jié)果

3 結(jié)論

在本文中，筆者通過對 CRH380B 型動車組用鎳鎘電池設(shè)計實驗測試方案，進行容量測試和開路電壓測試，以及估計健康指標，最后得到如下幾點結(jié)論：

（1）沒有消除記憶效應(yīng)前，四級修和五級修電池的健康指標分別為 77.09 %、76.67 %，而消除記憶效應(yīng)后分別達到 86.36 %、81.69 %，分別提高了 9.27 %、5.02 %，說明動車組實際使用鎳鎘電池存在記憶效應(yīng)，同時表明，現(xiàn)有動車組鎳鎘電池修程機制比較合理；

（2）由于極化內(nèi)阻影響，以歐姆內(nèi)阻估算的電池健康指標比容量估算的指標大 8.32 %；

（3）通過開路電壓測試獲取到不同修程鎳鎘電池的 SOC-OCV 擬合曲線，用擬合系數(shù)估計健康指標的誤差約 0.2 %。