单体蓄电池在线检测修复原理的研究及应用

张少博 王予舒

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司鄂尔多斯供电公司 2.鄂尔多斯职业学院）

1 蓄电池在线检测修复技术的研究背景

直流电源系统广泛应用在电力系统保护测控装置、通信设备、航天航空、金融、工矿企业、安防系统等对电力供应要求严格的场所。而蓄电池组是直流电源系统的心脏，在交流失电的情况下，蓄电池组可以继续保持对设备的电能供应。

我国蓄电池的使用量非常大，且普遍存在蓄电池维护水平不足、蓄电池寿命短、故障率高等问题。统计发现，蓄电池异常占直流电源系统故障总量的80%，常见的缺陷包括电池电压异常、内阻异常、容量不足、外壳或极柱爬碱等，一旦出现这些情况，要求维护人员短时间内处理[1]。

目前蓄电池检测主要包括内阻测量、电压监测、剩余容量预测三大方向，而蓄电池的修复技术研究主要集中在活化、补充电方面。上述关于蓄电池检测修复的研究应用均是在蓄电池离线情况下进行的。本文提出一种可以在蓄电池组不脱离直流母线的条件下，在线完成蓄电池检测与修复的新方案。

2 核心原理及实现方案

在线式检测修复方案面对的是运行中的蓄电池，其设计目标是在不影响直流电源系统正常运行的情况下，实现具备以下功能：①实现单体蓄电池在线补充电功能；②实现蓄电池内阻在线检测功能；③实现蓄电池剩余容量预测功能；④实现蓄电池在线活化功能。其整体架构如图1 所示。

图1 系统整体结构图

2.1 蓄电池在线补充电实现方案

蓄电池在线补充电模块，通过测试单体蓄电池的端电压和内阻，采集到端电压和内阻数据，进而获得蓄电池的工作状态，经过软件分析，确认该电池是否具备补充电的必要性，如果需要补充电量，则执行在线补充电程序。该功能结构如图2 所示。

图2 蓄电池补充电原理

该功能由主控芯片、继电器、接触器、可调直流电源模块及相关连接线实现，主控芯片已经选用STM32F103VET6 单片机，整流输出模块选择eTML303SP 可编程直流稳压电源。本方案基本原理是测量蓄电池电压，通过测得的电压值调整充电模块输出电压，保持装置输出电压略高于待补充电蓄电池电压，使待修复蓄电池可以被单独充电。

2.2 蓄电池内阻在线测量方案

为表征蓄电池工作时的实际内阻，本装置需要测量蓄电池的直流内阻。测量蓄电池直流内阻使用的是大电流放电原理，也就是在装置发出内阻测量指令后，内阻测量模块对待测蓄电池短时提供一个负载，该负载可以让蓄电池进入恒流放电状态，在蓄电池恒流放电状态下，检测蓄电池两端电压电流变化，根据欧姆定律R=U/I得到蓄电池内阻值。

此处选择HW-TR 模块作为内阻检测功能的核心模块，该模块采集端口设置了专用滤波器，可以有效去除测量回路上由整流模块产生的高频交流干扰量，确保在高噪声环境下也能得到准确结果。由于该模块使用短时恒流小电流放电法，每次测试所消耗的蓄电池容量仅相当于自放电量，对容量的影响很小。

利用直流放电原理测试蓄电池内阻时，虽然放电时间很短，但为了保证蓄电池运行的绝对安全，本装置在负极电缆上包裹了测温电偶，由于蓄电池负极温度接近其内部温度，所以该热电偶可以及时反映蓄电池内部温度，一旦测量过程中出现内部温度过高现象，及时发出告警信息。

HW-TR 模块使用Modbus 协议与主控芯片实现通信，主控芯片通过Modbus 协议获得蓄电池内阻数据，将该数据用于相关功能使用。

2.3 蓄电池在线活化实现方案

本方案使用正负脉冲和高频脉冲谐振两种方式对蓄电池进行活化。为了简化电路设计，本方案采用分别设计负脉冲发生电路和高频脉冲电路[2]，这两部分电路具备独立工作能力，通过继电器将两部分电路整合，达到正负脉冲和高频脉冲协同活化的效果。

负脉冲实质是一个短时放电过程，正脉冲是一个短时充电过程，基于这个过程，可以用电源、开关管和放电电阻实现可控的正负脉冲发生过程。当使用电源向蓄电池充电时，相当于发出正脉冲，当使用电阻对蓄电池放电时，相当于发出负脉冲，如图3 所示。

图3 正负脉冲发生电路

复合修复电路的另一部分是高频脉冲修复电路。高频脉冲需要用电容、电感元件产生谐振，目前蓄电池修复仪使用的高频脉冲修复电路有很多，其原理大致相同，使用的元件数量及成本也近似，本文选择图4 所示的高频脉冲发生电路。

图4 高频脉冲发生电路

图中DC 为可调整流输出模块，电容C、电感L1、L2、二极管D、开关管Q 构成高频谐振电路，Lf为滤波电感，最后是待修复的蓄电池。可修复容量为20～400Ah 的铅酸蓄电池。

2.4 蓄电池剩余容量预测方案

蓄电池容量预测技术的关键是大量初始数据，国内很多学者使用了BP 神经网络算法对原始数据进行训练，得到相对可靠、可用的模型，将实测数据输入模型，得到剩余容量的预测值，本方案也借鉴该方法。作者工作单位每年会对40 套直流电源系统进行预防性试验，预试项目涵盖了直流电源系统的各项指标，也包括蓄电池的内阻、放电曲线、放电时各单体电池的端电压、剩余容量。经过多年的积累，已经收集了大量的蓄电池放电曲线和内阻值，结合这些数据，可以建立各型蓄电池的容量—内阻关系，可以用拟合的方式计算出待测蓄电池的剩余容量。

在实验室的直流电源系统上，可以通过人为定量放电，获得待测数据。该直流电源所配蓄电池组使用2V、200Ah 蓄电池，将单个蓄电池从整组电池中取出，通过蓄电池放电仪定量放电至容量剩余80%、60%、40%、20%，再将其装回电池组中，调节室内温度至10℃、20℃、30℃，测量其内阻、电压、电流，获得容量预测所需原始数据，进而建立容量预测模型。

同时，蓄电池容量受温度影响很大，以25℃时的容量为100% 容量基准，温度每下降1℃，电池容量约下降1%，所以蓄电池剩余容量预测需要考虑温度的影响。装置通过容量—内阻曲线获取的剩余容量值，需要进行温度补偿，其补偿方法为：

式中，SOC 为经过温度补偿后的蓄电池剩余容量；SOC1为根据容量—内阻曲线获取的剩余容量值；T为蓄电池工作时的环境温度，℃。

测量蓄电池内阻时，由于直流放电法测量内阻依靠对蓄电池放电进行，所以蓄电池本身的放电电流对内阻测量结果是有影响的，而且蓄电池处于放电状态时，其容量本身也处于变化状态，在此状态下获取的剩余容量偏差很大。为了尽可能准确地获取数据，需要测量过程中蓄电池处于浮充状态或小电流放电状态[3]。

获得温度、内阻、放电电流数据后，与数据库中同型号同厂家蓄电池对应的容量—内阻曲线对比，得到剩余容量，其工作流程如图5 所示。

图5 剩余容量预测程序流程图

通过该方法，现场作业人员可以快速获得蓄电池剩余容量预测值，参考该预测值，结合其他因素，更加合理地做出决策。

2.5 软件流程设计

按照前述原理制作测试装置时，需要完成相应的软件开发。首先对软硬件进行初始化[4]。初始化后系统具备工作条件，可以根据操作人员的需求执行进一步的操作。图6 是软件总体流程图。

图6 软件总体流程图

3 测试验证

开发过程中，对各个功能模块进行测试。为了充分测试其在不同工作现场的性能表现，整个测试分两个阶段进行。第一阶段是实验室模拟测试。在实验室中对各类异常蓄电池进行检测，充分利用实验室便利条件，对各模块功能进行详细测试，包括利用不同厂家、不同型号的蓄电池，进行内阻测量模块的功能测试；利用不同容量蓄电池，完成在线补充电及剩余容量预测的功能测试；使用内阻超标的蓄电池，进行蓄电池在线活化功能测试。第二阶段是作业现场实际使用测试。由于这是在生产环境进行测试，必须在保证安全的前提下进行。该阶段选择了存在蓄电池缺陷的直流电源系统作为测试地点，且特意选择了使用不同型号蓄电池组的直流电源系统，以便尽可能地验证装置功能。

通过蓄电池在线检修修复装置的一系列测试，考验了该装置运行的安全性和可靠性。测试结果表明，该装置各项功能实用性强，测量值准确度合格，修复效果达到了预期，可以满足作业人员的要求；装置运行可靠，未引发相关的不安全事件。

4 结束语

本文开发了针对单体蓄电池的在线监测和修复方案，通过一系列的测量、反馈、输出控制，能够在蓄电池不停运的情况下，在线进行检测和修复操作，并取得了良好的效果。

开发的针对轻度“硫化”蓄电池的在线活化功能，选择了正负脉冲与高频脉冲协同工作的活化电路，经实际测试，该型活化电路修复效果很好，达到了预期目标。开发的蓄电池剩余容量预测功能，通过对各个型号蓄电池建立容量—内阻曲线，结合蓄电池工作状态、工作环境，实现了对蓄电池剩余容量的预测。

通过对装置进行的大量测试，表明该方案的测量值准确可靠，对故障蓄电池的修复效果也达到了期望目标。证实了本文提出的蓄电池在线检测和修复方案是可行的，达到了设计目标。