一种配网终端电池智能检测存储装置的探索与研究

1研制背景

随着配网智能化与数字化建设如火如茶地开展,配网自动化终端的投运数量剧增。根据抽样调查,当配网自动化终端运行年限超过3年,作为终端后备电源的电池组就会开始出现不同程度的老化、容量下降甚至故障等问题。

电池组在投入使用之后,其运行环境需要保持在适当的温湿度,即温度为(20±5)℃,湿度不大于75%。此外,每节电池需定期进行电流/电压测量和核容计算,以判断电池性能的好坏,并以此作为是否需要进行深度充放电活化维护的依据。当电池深度放电时,通过多次测量其输出电压和输出电流,算出电池内阻,将多次计算出的内阻数据导入数据库中,得出电池的内阻变化曲线。待电池放电完成,将放电期间多次测量出的时间、电池容量等数据也导入数据库中,可得出电池容量变化曲线。结合内阻变化曲线和容量变化曲线,生成可判断电池性能好坏的依据曲线图,如图1所示,若电池存在容量明显下降或内阻值突增的情况,可以判断其性能已经大幅降低甚至电池已经发生损坏。通过掌握电池性能曲线的变化,对电池性能的健康状态进行预判,可及时将不合格的电池进行淘汰、更换,对容量值在可维护容量范围内的电池进行活化维护,有效实现预防性维护的效果。

由于制造工艺、设备运行方式和储存环境不同等原因,即使是同一厂家、同一生产批次、同款规格型号的电池,在容量、内阻等方面仍会存在一定差异,这就导致在充电过程中,电池组里的单节电池容易出现满电更满而缺电更缺这种两极分化现象,也称为"充电不均衡现象"。当电池组老化后,各节电池的容量各不相同,若其中一节电池出现故障,则会造成整组电池性能再次急剧下降,严重影响电池的使用年限。另外,充电不均衡现象不仅影响到电池组的充放电效率,还会造成设备运行存在重大安全隐患。为了避免上述问题,需实时监测充电过程中各节电池情况并及时对其进行相应管理。

2设计原理与思路

配网终端电池智能检测存储装置适用于不同型号规格的锂电池或蓄电池存放,按照设计思路分为触摸屏(人)和可编程控制器、检测电路、继电器、充电器(物),实现了人机交互的功能,如图2所示。

通过触摸屏与可编程控制器的连接,可一键式自动调节充电电压,实现自动检测电压/电流、计算电池容量、电池活化及电池损坏自动告警功能,并生成监测报告,无须人工监控电池充放电过程。

可编程控制器接收到信号后,通过若干个10A继电器与相关模块之间的连通或断开,有序对电流/电压监测电路与充放电回路进行开断。当继电器#2连通时,电池进行充电或浮充,充电器通过将充电电压控制在一定范围内,以设置恒定值的方式对电池充电。当继电器#3连通时,电池进行放电,装置对电流/电压进行实时检测和电池容量计算,最后根据电池容量情况判断电池可用性,对仍具有可用性的电池直接进行活化,对可用性不高的电池判断为电池损坏并建议更换。

3功能介绍

该装置主要具有电池充电养护管理、电池容量核查测试、电池放电活化维护三种应用模式。其中,充电养护管理可根据用户在触摸屏输入的设定内容对电池进行恒压充电,满足电池恒充补充电量与浮充维持电量的日常储存需求:电池容量核查测试是指通过采集电池充电或放电时的数据进行容量计算,根据电池容量的多少判断是否需要进行电池活化维护工作:电池放电活化维护是指将电池放电至截止电压后再充电,有利于维持电池容量与延长电池寿命,满足电池修复维护的需求。配网终端电池智能检测存储装置的具体结构图如图3所示。

为了更好地实现上述三种应用模式的运行,配网终端电池智能检测存储装置可以实现以下四种功能:自动充电切换功能、电流/电压监测功能、电池活化检测功能和温湿度恒定功能。每种应用模式均包含多个功能,如表1所示。

3.1自动充电切换功能

电池的充电过程存在一定局限性,如果不限制其充电电流或电压,在充电过程中电池很可能会发热甚至爆炸,严重威胁到人身、设备安全。如果电池过度充电,则会加速缩短电池的寿命。因此,控制电池恒压充电可有效避免电池过热和过充现象。该装置设置了10个蓄电池充电工位和10个锂电池充电工位,当蓄电池或锂电池被放置在相应充电工位上时,充电器可实现自动切换充电电压对其进行充电(充电电压如表2所示)。若检测到充电工位上的电池电压低于某电压值,例如蓄电池可设置为11V,锂电池可设置为22V,充电器将自动对其进行浮充,保持电池电压不低于截止电压。该装置可同时满足电池日常浮充养护和电池活化维护(放电后补充充电)功能,满足电池充电养护管理的使用需求。

3.2电流/电压监测功能

(1)实时监测电池状态。该装置的优点为全程无须人工监控运行过程,但为防止电池在充放电过程中出现异常情况,增设实时监测电池状态的功能,通过触摸屏将功能状态与相关数据一并显示,便于使用者快速了解装置的运行情况。

(2)测量电池剩余容量。标志电池运行状态的一个重要参数就是它的可用电量(剩余容量)或荷电状态(StateOfCharge,SOC),传统的电池容量试验(batterycapacitytest)就是对电池进行核容放电,即在适宜的环境温度下,以恒定电流将电池放电至某一终止电压所放出的容量,按以下公式进行容量计算:

式中:C为电池容量(Ah):If为恒定放电电流(A):1为放电时间(h)。

因测量电池剩余容量的放电时间较长,需投入大量的人力、物力。为解决此问题,该装置在实时监测电池电流/电压的同时,将放电至终止电压那一刻的恒定电流与放电时间数据导入式(1)中,得出准确的电池剩余容量并显示结果于屏幕。装置以电池剩余容量为参考,自行判断电池可用性及是否需要进行活化维护。

3.3电池活化检测功能

Mengx等人通过对在不同外界应力作用下的LiMn2O4石墨电池系统进行加速寿命试验,利用在不同循环次数下的电池容量保持率进行试验采样与数据分析,发现电池的循环容量常常会随着循环次数的增加而呈现线性或指数性的下降趋势。

为了提高电池内部电化学反应的稳定性,保证电池特性在使用标准范围内,则需要定期对电池进行活化,令电池的内部离子活性受到激发,使电池特性恢复到正常使用的标准范围。电池活化的基本原理为:对电池进行标准充放电,使负氧化还原反应发生在电池的正负极上,从而消除电极表面因长期使用而产生的氧化保护膜,最终促使电池内部电化学反应稳定性得到大幅提升,在增加电池容量的同时降低电池内阻,使电池达到最佳状态,满足相应的循环性能标准。

针对电池老化需活化维护的情况,该装置设置了活化检测功能,当检测到电池的剩余容量偏低但还没完全损坏时,装置开始对该电池进行放电,在放至截止电压后自动转为充电状态,直至电池满电。由图4可以看出,当电池放电完全后开始充电时,容量逐渐升高,达到了电池容量维护的效果。

由于不同类型的电池充放电电压各不相同,为拓宽装置的适用性,在默认充电电压值的基础上增加了可调节区间,如表2所示。

3.4温湿度恒定功能

在充电特性上,锂电池对环境温度的变化很敏感,尤其是在低温环境下,电化学反应速率下降,参与反应的锂离子数量锐减,使电池充电内阻增大,充电容量降低,甚至会产生锂枝晶,导致电池内部短路。

铅酸蓄电池容量变化也与环境温度密切相关,其标准的工作温度为25℃。若电池长期超标运行,则温度每升高10℃,电池的寿命就会减半:温度每下降10℃,电池的放电容量就会降低1%。温度对电池自放电也有着一定的影响,当温度升高时,电池的自放电率与温度变化为正反馈。因此,铅酸蓄电池应配备必要的保温保湿措施及良好的通风设备。

为改善上述问题,该装置的内部增设了温湿度恒定功能,通过连接温湿度传感器,智能调节温度在(20士5)℃范围内,且湿度不大于75%。

4结语

本文研究的配网终端电池智能检测存储装置可同时适用于铅酸蓄电池、锂电池两种类型的电池,将活化功能、整组浮充功能集成于一体,能单独对每节电池进行智能检测和活化维护,并具备自动记录、告警提示及自动切换充电模式的功能,对配网自动化终端电池的日常维护管理有着重大的实际意义。