張少博 王予舒

（1.內蒙古電力（集團）有限責任公司鄂爾多斯供電公司 2.鄂爾多斯職業(yè)學院）

1 蓄電池在線檢測修復技術的研究背景

直流電源系統(tǒng)廣泛應用在電力系統(tǒng)保護測控裝置、通信設備、航天航空、金融、工礦企業(yè)、安防系統(tǒng)等對電力供應要求嚴格的場所。而蓄電池組是直流電源系統(tǒng)的心臟，在交流失電的情況下，蓄電池組可以繼續(xù)保持對設備的電能供應。

我國蓄電池的使用量非常大，且普遍存在蓄電池維護水平不足、蓄電池壽命短、故障率高等問題。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，蓄電池異常占直流電源系統(tǒng)故障總量的80%，常見的缺陷包括電池電壓異常、內阻異常、容量不足、外殼或極柱爬堿等，一旦出現(xiàn)這些情況，要求維護人員短時間內處理[1]。

目前蓄電池檢測主要包括內阻測量、電壓監(jiān)測、剩余容量預測三大方向，而蓄電池的修復技術研究主要集中在活化、補充電方面。上述關于蓄電池檢測修復的研究應用均是在蓄電池離線情況下進行的。本文提出一種可以在蓄電池組不脫離直流母線的條件下，在線完成蓄電池檢測與修復的新方案。

2 核心原理及實現(xiàn)方案

在線式檢測修復方案面對的是運行中的蓄電池，其設計目標是在不影響直流電源系統(tǒng)正常運行的情況下，實現(xiàn)具備以下功能：①實現(xiàn)單體蓄電池在線補充電功能；②實現(xiàn)蓄電池內阻在線檢測功能；③實現(xiàn)蓄電池剩余容量預測功能；④實現(xiàn)蓄電池在線活化功能。其整體架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

2.1 蓄電池在線補充電實現(xiàn)方案

蓄電池在線補充電模塊，通過測試單體蓄電池的端電壓和內阻，采集到端電壓和內阻數(shù)據(jù)，進而獲得蓄電池的工作狀態(tài)，經(jīng)過軟件分析，確認該電池是否具備補充電的必要性，如果需要補充電量，則執(zhí)行在線補充電程序。該功能結構如圖2 所示。

圖2 蓄電池補充電原理

該功能由主控芯片、繼電器、接觸器、可調直流電源模塊及相關連接線實現(xiàn)，主控芯片已經(jīng)選用STM32F103VET6 單片機，整流輸出模塊選擇eTML303SP 可編程直流穩(wěn)壓電源。本方案基本原理是測量蓄電池電壓，通過測得的電壓值調整充電模塊輸出電壓，保持裝置輸出電壓略高于待補充電蓄電池電壓，使待修復蓄電池可以被單獨充電。

2.2 蓄電池內阻在線測量方案

為表征蓄電池工作時的實際內阻，本裝置需要測量蓄電池的直流內阻。測量蓄電池直流內阻使用的是大電流放電原理，也就是在裝置發(fā)出內阻測量指令后，內阻測量模塊對待測蓄電池短時提供一個負載，該負載可以讓蓄電池進入恒流放電狀態(tài)，在蓄電池恒流放電狀態(tài)下，檢測蓄電池兩端電壓電流變化，根據(jù)歐姆定律R=U/I得到蓄電池內阻值。

此處選擇HW-TR 模塊作為內阻檢測功能的核心模塊，該模塊采集端口設置了專用濾波器，可以有效去除測量回路上由整流模塊產生的高頻交流干擾量，確保在高噪聲環(huán)境下也能得到準確結果。由于該模塊使用短時恒流小電流放電法，每次測試所消耗的蓄電池容量僅相當于自放電量，對容量的影響很小。

利用直流放電原理測試蓄電池內阻時，雖然放電時間很短，但為了保證蓄電池運行的絕對安全，本裝置在負極電纜上包裹了測溫電偶，由于蓄電池負極溫度接近其內部溫度，所以該熱電偶可以及時反映蓄電池內部溫度，一旦測量過程中出現(xiàn)內部溫度過高現(xiàn)象，及時發(fā)出告警信息。

HW-TR 模塊使用Modbus 協(xié)議與主控芯片實現(xiàn)通信，主控芯片通過Modbus 協(xié)議獲得蓄電池內阻數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)用于相關功能使用。

2.3 蓄電池在線活化實現(xiàn)方案

本方案使用正負脈沖和高頻脈沖諧振兩種方式對蓄電池進行活化。為了簡化電路設計，本方案采用分別設計負脈沖發(fā)生電路和高頻脈沖電路[2]，這兩部分電路具備獨立工作能力，通過繼電器將兩部分電路整合，達到正負脈沖和高頻脈沖協(xié)同活化的效果。

負脈沖實質是一個短時放電過程，正脈沖是一個短時充電過程，基于這個過程，可以用電源、開關管和放電電阻實現(xiàn)可控的正負脈沖發(fā)生過程。當使用電源向蓄電池充電時，相當于發(fā)出正脈沖，當使用電阻對蓄電池放電時，相當于發(fā)出負脈沖，如圖3 所示。

圖3 正負脈沖發(fā)生電路

復合修復電路的另一部分是高頻脈沖修復電路。高頻脈沖需要用電容、電感元件產生諧振，目前蓄電池修復儀使用的高頻脈沖修復電路有很多，其原理大致相同，使用的元件數(shù)量及成本也近似，本文選擇圖4 所示的高頻脈沖發(fā)生電路。

圖4 高頻脈沖發(fā)生電路

圖中DC 為可調整流輸出模塊，電容C、電感L1、L2、二極管D、開關管Q 構成高頻諧振電路，Lf為濾波電感，最后是待修復的蓄電池。可修復容量為20～400Ah 的鉛酸蓄電池。

2.4 蓄電池剩余容量預測方案

蓄電池容量預測技術的關鍵是大量初始數(shù)據(jù)，國內很多學者使用了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡算法對原始數(shù)據(jù)進行訓練，得到相對可靠、可用的模型，將實測數(shù)據(jù)輸入模型，得到剩余容量的預測值，本方案也借鑒該方法。作者工作單位每年會對40 套直流電源系統(tǒng)進行預防性試驗，預試項目涵蓋了直流電源系統(tǒng)的各項指標，也包括蓄電池的內阻、放電曲線、放電時各單體電池的端電壓、剩余容量。經(jīng)過多年的積累，已經(jīng)收集了大量的蓄電池放電曲線和內阻值，結合這些數(shù)據(jù)，可以建立各型蓄電池的容量—內阻關系，可以用擬合的方式計算出待測蓄電池的剩余容量。

在實驗室的直流電源系統(tǒng)上，可以通過人為定量放電，獲得待測數(shù)據(jù)。該直流電源所配蓄電池組使用2V、200Ah 蓄電池，將單個蓄電池從整組電池中取出，通過蓄電池放電儀定量放電至容量剩余80%、60%、40%、20%，再將其裝回電池組中，調節(jié)室內溫度至10℃、20℃、30℃，測量其內阻、電壓、電流，獲得容量預測所需原始數(shù)據(jù)，進而建立容量預測模型。

同時，蓄電池容量受溫度影響很大，以25℃時的容量為100% 容量基準，溫度每下降1℃，電池容量約下降1%，所以蓄電池剩余容量預測需要考慮溫度的影響。裝置通過容量—內阻曲線獲取的剩余容量值，需要進行溫度補償，其補償方法為：

式中，SOC 為經(jīng)過溫度補償后的蓄電池剩余容量；SOC1為根據(jù)容量—內阻曲線獲取的剩余容量值；T為蓄電池工作時的環(huán)境溫度，℃。

測量蓄電池內阻時，由于直流放電法測量內阻依靠對蓄電池放電進行，所以蓄電池本身的放電電流對內阻測量結果是有影響的，而且蓄電池處于放電狀態(tài)時，其容量本身也處于變化狀態(tài)，在此狀態(tài)下獲取的剩余容量偏差很大。為了盡可能準確地獲取數(shù)據(jù)，需要測量過程中蓄電池處于浮充狀態(tài)或小電流放電狀態(tài)[3]。

獲得溫度、內阻、放電電流數(shù)據(jù)后，與數(shù)據(jù)庫中同型號同廠家蓄電池對應的容量—內阻曲線對比，得到剩余容量，其工作流程如圖5 所示。

圖5 剩余容量預測程序流程圖

通過該方法，現(xiàn)場作業(yè)人員可以快速獲得蓄電池剩余容量預測值，參考該預測值，結合其他因素，更加合理地做出決策。

2.5 軟件流程設計

按照前述原理制作測試裝置時，需要完成相應的軟件開發(fā)。首先對軟硬件進行初始化[4]。初始化后系統(tǒng)具備工作條件，可以根據(jù)操作人員的需求執(zhí)行進一步的操作。圖6 是軟件總體流程圖。

圖6 軟件總體流程圖

3 測試驗證

開發(fā)過程中，對各個功能模塊進行測試。為了充分測試其在不同工作現(xiàn)場的性能表現(xiàn)，整個測試分兩個階段進行。第一階段是實驗室模擬測試。在實驗室中對各類異常蓄電池進行檢測，充分利用實驗室便利條件，對各模塊功能進行詳細測試，包括利用不同廠家、不同型號的蓄電池，進行內阻測量模塊的功能測試；利用不同容量蓄電池，完成在線補充電及剩余容量預測的功能測試；使用內阻超標的蓄電池，進行蓄電池在線活化功能測試。第二階段是作業(yè)現(xiàn)場實際使用測試。由于這是在生產環(huán)境進行測試，必須在保證安全的前提下進行。該階段選擇了存在蓄電池缺陷的直流電源系統(tǒng)作為測試地點，且特意選擇了使用不同型號蓄電池組的直流電源系統(tǒng)，以便盡可能地驗證裝置功能。

通過蓄電池在線檢修修復裝置的一系列測試，考驗了該裝置運行的安全性和可靠性。測試結果表明，該裝置各項功能實用性強，測量值準確度合格，修復效果達到了預期，可以滿足作業(yè)人員的要求；裝置運行可靠，未引發(fā)相關的不安全事件。

4 結束語

本文開發(fā)了針對單體蓄電池的在線監(jiān)測和修復方案，通過一系列的測量、反饋、輸出控制，能夠在蓄電池不停運的情況下，在線進行檢測和修復操作，并取得了良好的效果。

開發(fā)的針對輕度“硫化”蓄電池的在線活化功能，選擇了正負脈沖與高頻脈沖協(xié)同工作的活化電路，經(jīng)實際測試，該型活化電路修復效果很好，達到了預期目標。開發(fā)的蓄電池剩余容量預測功能，通過對各個型號蓄電池建立容量—內阻曲線，結合蓄電池工作狀態(tài)、工作環(huán)境，實現(xiàn)了對蓄電池剩余容量的預測。

通過對裝置進行的大量測試，表明該方案的測量值準確可靠，對故障蓄電池的修復效果也達到了期望目標。證實了本文提出的蓄電池在線檢測和修復方案是可行的，達到了設計目標。