工业碱性蓄电池智能化发展趋势

程 迪，宋二虎，苏正会

(中国化学与物理电源行业协会碱性蓄电池与新型化学电源分会，河南新乡 453000)

一、概述

工业碱性蓄电池最具代表性的是镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、氢镍蓄电池和锌银蓄电池等系列产品。其中，前三类蓄电池应用比较普遍，且其发展更能够体现出工业碱性蓄电池行业发展的特点和趋势。镉镍蓄电池自1900 年问世以来，系列品种逐渐增多，性能不断改善。镉镍蓄电池具有寿命长、耐过充过放电、高低温性能好、能以超高倍率(30C～40C)放电，维护方便等特点。20 世纪90年代发展的氢镍蓄电池主要特点是与镉镍蓄电池具有相同的电压体系，互换性非常高，无污染，属于环保型电池。

由于工业领域单机装备对系统能量有比较大的需求，所以，工业用碱性蓄电池主要是以大容量方形电池为主。目前，主要应用的容量多集中在120～1 200 Ah，其中镉镍蓄电池单体最大容量可达1 600 Ah(图1)。

图1 工业常用碱性镉镍/铁镍/氢镍蓄电池

碱性蓄电池在工业领域具有比较坚实的市场空间和发展潜力，广泛应用于轨道车辆、汽车、照明、通讯、电动工具、家用电器和医用备用电源等。其中，最具代表性的应用领域主要集中在轨道交通和储能应用。

1 轨道交通领域应用

轨道交通领域中，主要应用的是方形镉镍蓄电池和方形氢镍蓄电池。以机车启动电源、客车及高速动车组和地铁车辆的备用电源为主。鉴于行业的惯性和水系电池的本质安全性特点，在安全性要求非常高的轨道交通领域仍然占据了主导地位。其中：

机车启动电源：方形镉镍蓄电池和方形氢镍蓄电池在机车启动电源中发挥了重要作用。机车是轨道交通系统的核心组成部分，而启动电源是确保机车能够可靠启动和运行的关键要素。这些蓄电池提供了高功率输出，以满足机车的起动需求，并且能够在运行过程中提供稳定的电源。

客车及高速动车组备用电源：客车和高速动车组通常需要备用电源，以供应无电区域的照明、通信设备和紧急系统。方形镉镍蓄电池和方形氢镍蓄电池在这些应用中被广泛使用，因为它们能够提供可靠的备用电源，并且在紧急情况下保障乘客的安全。

地铁车辆备用电源：地铁系统是城市交通网络的主要组成部分，而地铁车辆必须始终保持高度的可靠性和安全性。碱性蓄电池在地铁车辆中用作备用电源，以应对电力供应中断或紧急情况。这有助于确保乘客在任何情况下都能够安全地离开列车(图2)。

图2 碱性蓄电池在轨道交通领域的应用

2 储能领域应用

储能领域中，碱性蓄电池主要应用的也是以方形镉镍蓄电池和方形铁镍蓄电池为主，主要应用于光伏储能、石油平台备用、大型医疗设备、水电站和高压电力系统配套。尽管阀控式密封铅酸蓄电池和锂离子蓄电池有替代趋势，但鉴于水系电池的本质安全性，仍然是石油平台等备用电源的主要选择方向之一。

光伏储能蓄电池系统：随着可再生能源的不断发展，光伏储能系统变得越来越普遍。碱性蓄电池，特别是方形镉镍蓄电池和方形铁镍蓄电池，被广泛用于储存太阳能发电系统产生的电能。这些电池能够在白天收集太阳能，并在晚上或阴天供应电力，提高了可再生能源的可用性和可靠性。

石油平台储能蓄电池系统：在石油平台和离岸设施中，稳定的备用电源至关重要。碱性蓄电池由于其高可靠性和本质安全性，常被选用用于提供紧急电力，确保设备运行和人员安全。

大型医疗设备：大型医疗设备，如核磁共振仪和电子断层扫描仪，通常需要稳定的电源，以确保准确的诊断和治疗。碱性蓄电池在这些设备中用作备用电源，以避免数据丢失或治疗中断。

水电站：水电站需要高效的能源储备系统，以管理电力需求的峰谷。碱性蓄电池在水电站中用于调节电力产生和需求之间的差异，确保电力网络的稳定性和可靠性。

高压电力系统配套：高压电力系统，如变电站和输电线路，需要备用电源以应对紧急情况。碱性蓄电池在这些系统中提供备用电源，以维持电力分配的连续性。

尽管阀控式密封铅酸蓄电池和锂离子蓄电池在储能领域也有替代趋势，但碱性蓄电池仍然受欢迎的原因之一是它们的本质安全性。这种安全性使得碱性蓄电池在需要高度可靠性和安全性的应用中成为首选。此外，这些电池的成本相对较低，也有助于它们在储能领域的广泛应用。随着技术的进一步发展，碱性蓄电池有望继续在各种储能应用中发挥关键作用，支持能源的可持续利用和电力系统的稳定性(图3)。

图3 碱性蓄电池在储能领域的应用

3 军工领域应用

碱性蓄电池在军工和重点工程配套领域仍处于稳定供货状态，特别是在歼击机、直升机、装甲车辆和特种装备等仍然处于继续备选应用中(图4)。

图4 碱性蓄电池在军事装备领域的应用

总之，随着轨道交通系统、电力系统、石油平台供电等系统的智能化、数字化管控升级，工业碱性蓄电池系统也迎来了全新的数字化和智能化管理需求。这一趋势促使碱性蓄电池从简单的串并联组合向更为系统集成化和数字化管控的方向发展。碱性蓄电池作为关键的能源储存和备用电源解决方案，将继续在支持可再生能源、确保轨道交通和电力系统的可靠性、以及维护石油平台供电等方面发挥关键作用。同时也是电力和能源领域不断创新进步的一部分，推动着未来更智能、更可持续的能源管理和供电系统的发展。

二、工业碱性蓄电池智能化/数字化发展趋势

随着锂离子蓄电池管理系统普及应用与自动化、数字化、智能化的发展，及工业用户自身的自动化、数字化和智能化发展需求，近年来，对碱性蓄电池系统的数字化、智能化要求越来越迫切。工业碱性蓄电池数字化、智能化发展的主要趋势如下。

1 智能电池/智能电池模组的发展趋势

智能电池也称作智能电池系统，它是现代电源技术分支和重要组成部分。智能电池是利用内部电子线路来测量、计算和存储电池数据，通过多尺度耦合设计、多维度内部传感与一体化集成、执行器主动闭环管理等，使得电源使用和管理更加可预测。

鉴于工业碱性蓄电池品种比较多、且碱性蓄电池多数是处于氢氧化钾或氢氧化钠气氛应用环境中，要实现单体电池的智能化管理其难度和成本会比较高，且难以感知内部多维信号、缺乏主动反馈控制器件等。因此，对于工业碱性蓄电池来讲，其智能电池的发展趋势更多是以电池模组的标准化和智能化为主要方向。

为满足低成本和数字化的共同需求，推广标准化智能电池模组是工业碱性蓄电池智能化发展的第一环节，即推行具有电池模组状态监控、信息采集与存储、安全预警功能，且可在多种使用状态下互换的标准化电池模组是工业智能电池的主要发展方向。

为降低智能电池模组的成本，并鉴于碱性蓄电池特性特点，其标准化智能电池模组内部可以采用2 只或多只单体电池为一个监控单元。

2 碱性蓄电池智能制造方向与趋势

智能制造通常指通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建，形成智能装备、智能工厂、智能服务、工业软件和大数据、工业互联网支撑的智能制造体系。其中，智能生产和数字化制造都是数字化和智能化的发展过程，即：智能化工厂是一种利用先进的信息技术手段，实现生产过程的智能化和自动化，它能够通过物联网、云计算、大数据、人工智能等，对生产过程进行监测、分析、优化和预测，从而提高生产效率、降低成本、提高产品质量；数字化工厂则是指将制造业的整个生产过程进行数字化、模拟、仿真和优化的工厂，通过数字化技术和先进制造技术相结合，将整个生产过程从设计、规划、生产到售后服务都进行数字化处理，为智能制造和数字化管理提供基础。

工业碱性蓄电池制造也有明显的向自动化、智能化的发展趋势。但是，鉴于该类型电池的品种非常多、且其单品种数量相对来讲比较受限。因此，工业碱性蓄电池智能制造更多是局部自动化或局部智能化与数字化相结合，即通过流程再造向多工序一体化智能制造发展。

目前阶段则更多应该是以推广ERP为基础和局部MES相结合为发展方向，即采用先进工艺与局部自动化相结合、产线大数据与工业互联网相结合、缺陷检测与生产闭环控制相结合，从而实现大数据与人工智能的协调发展和提升。

3 碱性蓄电池智能管理系统发展趋势

碱性蓄电池是非常传统的化学电源，鉴于该类电池具有非常高的安全性等特点，目前仍然被广泛应用在军工和铁路等领域。由于此类电池单体电压比较低和水性电解液体系之特点，该类电池从发明以来大多数是直接进行串并联使用或加以简单的电压、温度监控。但碱性蓄电池在实际使用过程中，也仍然存在诸如电解液补加不及时而烧坏电池组的现象、存在使用过程中电池短路而烧坏电池组系统的现象、存在电池组个别电池电压偏低而导致电池组无法正常使用的现象、存在个别电池漏液导致电池组绝缘电阻下降而影响安全的情况等。

随着锂离子蓄电池管理系统的普及应用与自动化、数字化、智能化的发展，近年来，对碱性蓄电池采用类似锂离子蓄电池管理系统进行管理的需求越来越迫切，并且以河南新太行电源股份有限公司为代表的企业，也纷纷响应用户之需要，开发出了多款适用于碱性蓄电池的电池管理系统，并在地铁车辆等领域开始了试用。

正在试用推广的碱性蓄电池管理系统可以通过对单体电池电压和总压的监控、对电池组温度及温度场的监控、对电池充放电电流的监控、对浮充电及浮充电曲线状态的监控、对电解液及液位的监控、对电池绝缘电阻的监控、对连接电阻的监控等，并可以通过采集变换电流与电压等模型实现对电池内阻的监控，不仅可以实现对电池组SOC(state of charge)的状态监控、还可以实现对电池组SOH(state of health)监控与预判，且也还可以通过联动补水系统实现对电池的自动补液等维护性操作。

碱性蓄电池管理系统可以通过对各参数及控制阈值的合理设定，建立起电池组系统数字化监控模型，搭建起电池组系统更加安全的应用平台，确保电池组系统的安全有效运行，即通过对蓄电池电压、电流、液位、温度、电阻、浮充电状态等信息有效组合设定，或通过对电池组半电压比对、对一段工作时间内的温度比对等，做出蓄电池状态分析，确保蓄电池工作在合适的监控状态。当电池组状态发生偏离，即电池管理系统检测到电压、电流、液位、温度、压差、温升速率等参数异常时，会通过CAN、MVB(multifunction vehicle bus)或者以太网通信上传至整车/机系统，或者通过T-BOX 上传至后台系统，提醒相关人员及时予以处置，提高电池应用的安全性。

碱性蓄电池管理系统的应用不仅能够减少电池使用过程中维护工作量，还可以为整机自动化、数字化、智能化操控提供参数和依据，也能够有效预判电池使用期限和最大限度的延长电池的使用寿命，具有良好的安全保障性和经济合理性，是传统碱性蓄电池应用的一个新发展方向。

需要特别注意的是，碱性蓄电池与锂离子蓄电池有非常大的充放电特性差异，特别是其充电效率与水的电解、比较大的自放电等。因此，在开发碱性蓄电池管理系统及模型时，不能简单地套用锂离子蓄电池的管理模型，需要重点对碱性蓄电池荷电状态(SOC)模型算法、健康状态(SOH)模型算法、多模型融合的温度场评估算法等进行研究开发，建立起更适合碱性蓄电池自身特点的算法模型。

碱性蓄电池荷电状态评估主要是通过安时积分法与不同温度下的OCV(open circuit voltage)曲线相结合的不断修正来计算荷电状态。将修正后的结果存储在电池管理系统的EEprom(electrically erasable programmable read-only memory)中，并上报给主机。图5所示是河南新太行电源股份有限公司建立的SOC算法模型拓扑图。

图5 碱性蓄电池SOC 算法模型示例

碱性蓄电池健康度(SOH)评估主要是通过电池使用过程中的历史数据积累，并依据使用期限及电池容量衰减趋势、电阻变化趋势，结合当期使用中检测到的电压、电流和温度等参数，与蓄电池自身结构特性数据相结合，采用不断修正模式，实时诊断蓄电池的健康度状况。

通过实时在线监控系统，碱性蓄电池智能管理系统可以将蓄电池组电压、SOC、充放电电流及环境温度、安全预警提示、维护提示等信息发送用户后台系统，方便维护人员及时定位维护，提高维护效率，降低人工成本。图6是河南新太行电源股份有限公司开发的SOC算法模型和管理系统在地铁领域的应用案例。

图6 河南新太行电源股份有限公司开发的碱性蓄电池管理系统应用实例

碱性蓄电池智能管理系统还包括绝缘电阻检测与管理提示、温度场监控与管理提示、气体析出监控与管理提示、电解液液位监控与管理提示等。

4 碱性蓄电池智能管理系统应用趋势

碱性蓄电池管理系统应用主要包括用户管理平台与蓄电池智能系统、运行数据与安全预警、蓄电池与充电机智能匹配、蓄电池组定期智能维护等，是碱性蓄电池应用的新趋势、新要求。

(1)状态监控与自动维护新需求

碱性蓄电池应用从最初的将几只单体蓄电池串联起来作为电源使用，再到具有完美的组合壳体及简单的电子配套，并发展到目前的蓄电池系统集成，即将单体电池、电池模组、电子与软件系统集成为一体，更好地满足轨道交通系统、电力系统、石油平台供电等系统智能化、数字化管控升级需求。

碱性蓄电池智能化监控除了对单体电池或标准化模组电压、电流、温度、绝缘电阻等参数监控以外，其网络化、数字化和远程移动平台应用需求已经显现。而对应该新需求，智能管理系统就需要结合新应用需求环境，通过先期的模型计算处理，开发适合远程终端应有的数据模式，优化SOC、SOH及安全预警新模式。

例如：目前蓄电池健康监测系统和蓄电池充放电维护还没有完全实现关联。而河南新太行电源股份有限公司正探索性研究的监测系统，能够沟通充电机等多方联动，通过采用在线监控方法，协调充电机系统实现车辆的在线对蓄电池自动维护，可以有效提高产品维护工作质量(图7)。

图7 碱性蓄电池智能监控平台拓扑图

(2)安全预警新趋势

尽管碱性蓄电池是水系电池，具有本质安全性，但是，该电池系统在使用过程中仍然会存在安全隐患，包括电压异常、系统热失控、氢爆、绝缘性降低等。因此，工业碱性蓄电池的管理系统需要具有安全预警模式，并且需要与管理平台或移动终端等实现信息共享，确保系统运行的安全性。例如：

电压异常预警：电压异常包括单体电池电压或最小检测单元的电压低于其它平均电压0.3 V 以上；或电池系统的半电压(电池组的一半)相差大于1 V时，应该向管理平台发出异常预警。

热失控预警：当检测到单点温度超过其它监控点温度5 ℃以上，或检测到温度超过设定的阈值，或温升(或出车与收车相比)明显出现异常时，应该向管理平台发出异常预警。

热失控是蓄电池出现极端事故的主要原因，当蓄电池长时间过充电，或者电解液减少引起了蓄电池温度升高，如果不能及时控制就会造成蓄电池的热失控。开发热失控预警系统则是通过检测电池极柱温度，当极柱温度高于某个阈值或出现热失控预兆，系统便预判该蓄电池有热失控风险，通过Internet/MVB 向TCMS(train control and management system)系统提前预警，系统可指派工作人员进行巡检，排查问题原因，有效预防热失控事件发生(图8)。

图8 碱性蓄电池温度监控与预警示意图

氢爆预警：氢爆是碱性蓄电池比较严重的安全问题，由于设计或通风等缘故，会在某些时点出现氢气聚集，从而可能引发氢爆发生。因此，碱性蓄电池智能管理系统需要具备氢气浓度检测和安全预警功能，确保电池系统使用的安全性。

绝缘性降低预警：碱性蓄电池在使用过程中会出现漏液现象，由于气体溢出所带碱性物质，有可能引发电池系统的绝缘性降低，从而引发安全事故。智能管理系统可通过持续测量电池组正极对箱体的绝缘值和电池组负极对箱体的绝缘值，如果系统绝缘值低于例如500 Ω/V，在线监控系统就会向管理平台发出异常预警(图9)。

图9 绝缘性能监控示意图

浮充电异常预警：众多事故调查表明，碱性蓄电池不少事故是由于充电与电池系统匹配性不恰当所引发。特别是随着电池使用及性能的衰减，充电模式却仍按在按照新电池状态执行，没有有效随电池性能改变而调整充电策略。碱性蓄电池智能管理系统应具有随着电池性能变化而与充电机进行有效协同功能，及时调整相关充电策略的发展需求。同时，智能管理系统也需要具有对充电模式，特别是浮充电模式下时间与电流关系的有效分析，一旦发现浮充电模式下却长时间电流无法降低到预设状态，应能向管理平台发出异常预警。

(3)自动补水维护新趋势

工业碱性蓄电池在使用过程中需要定期进行补液(水)，对电解液量控制有明确之要求。传统办法是定期的人工维护，但会导致停止使用，增加使用和维护成本等。目前，应用较多的补水系统是由补水车、补水气塞及补液管等组成。其中，补液气塞和补液管连接到蓄电池组上，作为蓄电池组一部分。当蓄电池组需要补水时，需将补水车与蓄电池组的补液管通过快换接头连接，即可实现电池组之补水作业。

自动化补水系统，则是通过蓄电池液位监控和管理系统之智能化操作，选择合适的时机对蓄电池进行定期的自动化补水作业，不要人工拆卸蓄电池或连接补水管路等，减少人工作业劳动强度且还能够确保电池长寿(图10)。

图10 自动补水系统示意图

(4)应用系统节能技术新趋势

工业碱性蓄电池使用主要是以备用兼动力电源为主，为了解决再生能源消耗以及环境污染问题，未来的研究需要不断创新节能技术。一个关键趋势是提升碱性蓄电池的快速充电能力，并将其与先进的管理系统协同工作，从而实现再生制动能量的回收和利用，显著提高能源回收的效率，最大程度地降低能源成本。

总之，工业碱性蓄电池的应用领域正在朝着更节能、更环保的方向发展。通过提高充电速度和优化能量管理，可更有效地利用碱性蓄电池作为备用电源，减少能源浪费，降低对传统能源的依赖，以及减少对环境的不利影响。工业碱性蓄电池技术将在未来的能源管理中发挥重要作用，为可持续能源未来的实现贡献力量。

三、结束语

工业碱性蓄电池从最初将几只单体蓄电池串联起来使用，发展到目前系统集成，即将单体蓄电池、组合箱体、电子、软件系统集成为一体，更好地满足了客户系统的智能化发展需求。

工业碱性蓄电池的智能发展是一项基于标准化智能电池模组的发展趋势，其核心特点是将自动化和局部智能化与数字化相结合，通过流程再造实现多工序一体化智能制造。这一发展取决于智能化管理系统的开发，具体来说，是通过碱性蓄电池管理系统来监控电池的各项参数，包括电压、温度、充放电电流、浮充电状态、电解液液位、绝缘电阻、氢气气氛等，并实施电池内阻监测、SOC和SOH状态模型的建立，以及联动补水等操作，以实现应用过程的自动化和数字化管理。这一过程旨在确保工业碱性蓄电池组系统在其整个寿命周期内以最低成本和最高效率进行安全有效的运行。

工业碱性蓄电池的智能发展趋势是符合时代发展的必然要求。它不仅有助于提高电池系统的性能和可靠性，还能够减少运营和维护的成本，并促进电池系统的可持续应用。为实现这一目标，需要全行业的紧密协作和配套发展，以确保工业碱性蓄电池智能化发展而共同努力，从而更好地满足不断增长的工业电池需求。