电力铅酸电池智能养护运维关键技术研究

国网甘肃省电力公司 李方军 宋 曦

国网甘肃省电力信息通信公司 张 磊

1.引言

铅酸电池广泛应用于各种电力电子系统中，传统运维方式使得铅酸电池实际使用寿命往往和设计使用寿命相差较大，如设计使用寿命 10-12 年，而实际往往只能使用 5-6年甚至不到一半，这不仅对供电系统的稳定性造成严重影响，同时产生极大的资源浪费，不符合当前节能减排、绿色环保的国网发展战略。本文通过对铅酸电池的免硫化、能量载入等养护技术及远程检测、远程充放电等自动化运维关键技术进行研究，实现铅酸电池使用寿命有效延长、供电时间增加，运维高效便捷。

2.影响铅酸电池寿命主要因素

目前影响铅酸电池寿命的主要因素有以下方面：一是在从单体电池方面，主包括过充电、过放电、环境温度、长期浮充电等；二是从电池组方面，主要为串联铅酸电池组单体电池不均衡性等。

2.1 过充电

研究表明过充电是影响铅酸电池寿命重要因素。当充电电流超过氧循环允许的最大电流时，会造成过充电，铅酸电池正极出现析氧，使得铅酸电池壳压力增大，极板深处生成的氧在析出过程中可能形成气泡，冲击正极板的活性物质二氧化铅（PbO2），造成其与板栅间的结合力变小，甚至出现脱落，影响活极板活性物质的使用寿命，使得铅酸电池容量下降，影响铅酸电池使用寿命。

2.2 过放电

过放电是影响铅酸电池寿命的重要因素，铅酸电池要避免过放电尤其是深度放电，过放电时铅酸电池的极板表面会生成大颗粒的硫酸铅（Pb SO4）结晶，其难以恢复，长期过放电会造成极板硫酸盐化，缩短铅酸电池使用寿命。

2.3 环境温度

环境温度是影响铅酸电池寿命的又一因素。铅酸电池出厂时一般都会明确铅酸电池的适用温度范围，在该温度范围内使用，能发挥铅酸电池最佳性能。由于铅酸电池内部结构特殊性，其电解液浓度较大，低温时，大电流放电使得负极板容易形成致密硫酸铅（PbSO4）结晶层，减慢电极的化学反应速度，影响放电；高温时，会加快正极析氧的速度，消耗更多的水，产生更多的 H+离子，加速正极腐蚀速度，减少铅酸电池使用寿命。

2.4 长期浮充电

用作备用电源铅酸电池大多长期处于浮充电状态，作为对自放电损失的补偿。长期浮充电会造成铅酸电池阳极钝化，使得内阻急剧增加，容量大幅下降，导致实际容量远低于额定容量，缩短寿命并给备用电源系统带来安全隐患。

2.5 电池组中电池间的不均衡

在实际应用中，目前铅酸电池多以串联形式使用，电池组充电主要通过对串联铅酸电池组的端电压进行，由于制造工艺的差异性，无法确保铅酸电池正负极板、电解液等制造材料性能完全一致，进而导致单体电池充放电性能出现不一致，造成电池组在充放电时单体电池出现不均衡，这种不均衡会进一步加速电池老化。

同时，在传统铅酸电池运维中，多是以人工运维为主，运维效率低下，运维操作风险大。

3.解决方案

本文采用铅酸电池在线养护+智能运维技术架构，一方面通过免硫化技术消除已有电池硫化，恢复单体电池性能，并通过均衡充电、补充欠充单体电池能量，提高电池间均匀性，确保整组电池始终处于最佳运行状态，从而有效提升电池使用寿命。另一方面，实现铅酸电池在线监控、在线养护以及远程自动容量测试等操作，并可快速发现劣化铅酸电池，准确甄别电池劣化程度、及时预警电池故障隐患并给出合理的维护指导建议，将事故被动告警变为主动预警，提高运行设备供电安全，建立铅酸电池在线养护模式。

3.1 架构设计

通过对铅酸电池充放电特性和影响铅酸电池寿命主要因素的分析，系统整体设计架构如下图所示，系统主要分为以下几个模块：

系统架构图

3.1.1 铅酸电池组：可以将多个单体铅酸电池以串联或者先串联后并联的形式使用并组成的铅酸电池组。

3.1.2 电压、电流、温度检测模块：为防止铅酸电池出现过充电、过放电、超温等现象，该模块需要完成环境温度、串联铅酸电池组充放电电流、每个单体电池的端电压和温度的检测。为对充放电进行有效控制需要较为准确的检测结果。

3.1.3 放电控制模块：该模块实现对铅酸电池组放电的控制，包括：防止出现过放电，放电截止电压，对放电进行控制，防止单体电池出现过放电；电池组自动放电维护，为避免电池长期只充电不放电，定期对其进行放电维护。

3.1.4 充电控制模块：充电控制模块需要实现对充电电压的控制，包括：充电电压温度补偿，根据环境温度对充电电压进行补偿，防止电池组因环境温度升高出现过充电；充电均衡控制，对串联铅酸电池组充电进行均衡控制，防止出现单体电池过充电。

3.1.5 通信模块：通信模块实现单个充放电监测控制模块和主控制板间的双向通信功能，其能接收主控制板的控制信息并能将监测到的数据发送给主控制板。

3.1.6 主控制板：主控制板负责充放电监测控制模块和计算机间的通信，主控制板将多个充放电监测控制模块监测到的数据汇总并发送给计算机，并将计算机的控制命令转发给单个监测控制模块，进而实现对整个系统充放电的监测控制。

3.2 关键技术

技术一：消除铅酸电池劣化问题

铅酸电池极板上活性物质被硫酸铅结晶包裹面积越大，则被包裹的活性物质就无法参与电化学反应，极板上被包裹结构容量就等同于消失，电池表现为容量下降，逐渐老化。 本文通过自主研发的铅酸电池“免硫化”、“能量载入”等技术，解决了长期以来困扰铅酸电池使用寿命的“硫化”问题，通过消除或抑制硫化，就可有效延长电池使用寿命，让铅酸电池长期处于最佳。

技术二：“动态均衡”差异化补充单体电池电能

铅酸电池组是由多节单体电池串联组成，单节电池如同木桶的不同板块，电池组的真实容量是由最小容量的单节电池决定。整组电池中的单体电池通过外部电源统一充电。由于电池一致性的内在差异，会造成每节电池充电不均匀。智能养护运维系统采用动态均衡充电技术，可根据电池组中每个单体电池的状态，进行差异化补充电能，有效调节整组电池均匀性，让每节单体电池性能到达最优，提升电池组的整体性能。

技术三：动态自适应均衡提升电池组均匀性

智能养护运维系统可将在线养护和均衡充电技术运用于每节电池上，一方面可消除电池已有劣化，改善电池均匀性，另一方面使每节电池结构容量及充入容量有动态增加，同时系统可连续跟踪记录这种变化，并通过大数据准确锁定电池组中的落后电池。产品采用的铅酸电池组“能量再入”技术，可让铅酸电池组中每节单体电池达到最大储能状态，并让整组电池达到最佳状态。同时采用铅酸电池组“劣化甄别”技术，可发现铅酸电池组中隐性单体劣化电池，从而只需要对单体落后电池进行替换，解决了传统维护方式中电池劣化即需整组更换问题。

技术四：新技术实现铅酸电池自动化运维

利用“互联网+”新技术实现了在线铅酸电池组的在线状态监控、在线养护提升电池性能、在线甄别隐性劣化电池、远程全自动放电核容等维护业务的智能化；利用大数据分析技术，对铅酸电池运行数据进行实时数据分析，通过机器学习，不断积累铅酸电池运行状态及解决措施，形成“铅酸电池维护知识库”，并利用“最优匹配算法”，可将当前最佳解决方案及时推送终端用户。

4.效益分析

4.1 管理效益

通过铅酸电池在线养护系统将分散、手动、间隔式被动的铅酸电池测试变成在线集中式主动养护，实现智能化、自动化管理，节省大量人力物力，实现铅酸电池供电安全；利用铅酸电池智能养护运维技术可精准预测电池组性能变化趋势，实时掌控电池供电能力，将“事后”抢修变为“事前”主动维护，将故障隐患消灭在萌芽状态，可有效规避因铅酸电池造成的重大安全生产隐患，大幅减轻一线运维人员的维护压力及工作量，同时也提升了用户方的铅酸电池安全管理水平。

4.2 经济效益

通过铅酸电池在线养护系统简化了员工对铅酸电池的测试、巡检和安全放电过程。铅酸电池组“劣化甄别”技术，可发现铅酸电池组中隐性单体劣化电池，并可对该单体电池进行替换，解决了传统维护方式中必须整组更换的问题，从而创造出更多的经济效益，具体体现在以下方面： 1）延长电池寿命节省更新投资；2）准确锁定电池组中落后单体，整组更换变为单节更换节省的投资；3）节省站点日常巡检维护费用；4）节省的电池核容测试费用。

4.3 社会效益

减缓铅酸电池淘汰和更新速率产生的效益，铅酸电池作为储能设备，减少铅酸电池更替数量，是直接的节能；在节能的同时，也减少上游铅酸电池生产厂家在生产过程中产生的各项排放，减少电池报废量，减少废水废气、铅、硫酸等物质的排放，是直接的减排。

5.结束语

随着铅酸电池智能养护运维技术的突破，一套结构合理、功能齐全、运行可靠的铅酸电池智能养护运维平台及养护设备，可发现铅酸电池现有缺陷，延长使用寿命，增加供电时长，减少电池采购成本。采用远程化、自动化操作手段，解决目前铅酸电池运维中工作量大、检修操作风险高等一系列问题，在提高工作效率、降低操作风险的同时，极大降低用户运维成本。