變電站用鉛酸電池SOH估計(jì)

變電站用鉛酸電池SOH估計(jì)鐘國彬;劉新天;何耀;楊亞飛;蘇偉【摘要】變電站用鉛酸蓄電池組在核容時(shí)的單體電壓下降率與浮充時(shí)的內(nèi)阻均值與鉛酸電池組的健康狀態(tài)(SOH)有明顯關(guān)系.通過分析核容和浮充狀態(tài)對(duì)SOH的影響權(quán)重大小，分別建立了浮充時(shí)內(nèi)阻均值及核容時(shí)單體電壓下降率與SOH的關(guān)系模型從而提出了一種基于融合模型的變電站用鉛酸電池SOH估計(jì)算法.該算法針對(duì)變電站用鉛酸電池組實(shí)際工況設(shè)計(jì)，針對(duì)性強(qiáng)，并采用電池電壓下降率表征核容過程對(duì)SOH的影響，采用內(nèi)阻變化表征浮充過程對(duì)SOH的影響，適用于變電站用鉛酸電池的全生命周期.最后通過加速壽命實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的算法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠很好地表征變電站用鉛酸電池的衰減狀態(tài),估計(jì)精度高.【期刊名稱】《電源技術(shù)》【年(卷)，期】2016(040)012【總頁數(shù)】4頁(P2407-2410)【關(guān)鍵詞】變電站;鉛酸蓄電池;內(nèi)阻均值;單體電壓下降率;SOH估計(jì)【作者】鐘國彬;劉新天;何耀;楊亞飛;蘇偉【作者單位】廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院廣東廣州510080;合肥工業(yè)大學(xué)新能源汽車工程研究院，安徽合肥230009;合肥工業(yè)大學(xué)新能源汽車工程研究院，安徽合肥230009;合肥工業(yè)大學(xué)新能源汽車工程研究院，安徽合肥230009;廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州|510080【正文語種】中文【中圖分類】TM912閥控鉛酸蓄電池(VRLA)作為后備電源已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通、通信和不間斷電源系統(tǒng)［1］。電力直流系統(tǒng)(如變電站)是使用該類蓄電池較多的場(chǎng)合之一。為了確保變電站直流系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，必須保證其備用電池始終處于良好的健康狀態(tài)(SOH)［2］。然而電池的健康狀態(tài)難以直接測(cè)量，需要通過建立電池的容量衰減模型，進(jìn)行精確的SOH估算來發(fā)現(xiàn)電池存在的健康問題［3］。SOH的定義一般為最大容量與標(biāo)稱容量之比，反應(yīng)了電池保有容量的能力［4］，但最大容量測(cè)量費(fèi)時(shí)且難以在線測(cè)量，故一般利用電壓、電流、內(nèi)阻等可測(cè)參數(shù)對(duì)SOH進(jìn)行估計(jì)。目前存在的SOH估計(jì)算法多為通用算法，常針對(duì)鉛酸電池的循環(huán)壽命，難以應(yīng)用于變電站用鉛酸電池在浮充工況下的SOH估算。A.Delaille等人指出電池在滿電狀態(tài)下放電會(huì)出現(xiàn)"coupedefouet”現(xiàn)象［5］，檢測(cè)該現(xiàn)象中的電壓變化率來預(yù)測(cè)電池的SOH。該方法估算精度較高，但電池的滿電狀態(tài)難以確定，且實(shí)驗(yàn)時(shí)電池需要擱置一段時(shí)間，不利于在線測(cè)量。H.J.Bergveld等人［6］提出了一種二次脈沖法估計(jì)SOH，這種方法同樣不能在線測(cè)量，且對(duì)電壓測(cè)量設(shè)備要求精度高。MchrnooshShahriari［7］提出，在不同SOH狀態(tài)下，開路電壓變化曲線的斜率有較明顯差異，利用這種差異可以識(shí)別不同的SOH狀態(tài)，但是這種差異對(duì)于包含大量單體、處于工況下的電池組來說并不明顯。為了尋找適合變電站備用電池的SOH估計(jì)算法，對(duì)若干個(gè)變電站的鉛酸電池組歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，研究浮充時(shí)電池內(nèi)阻及均值、核容時(shí)電壓下降率等參數(shù)與電池組SOH的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)浮充時(shí)鉛酸電池內(nèi)阻均值以及核容時(shí)單體電池電壓下降率與電池SOH表現(xiàn)出極大的相關(guān)性，因此分別分析這兩個(gè)參數(shù)對(duì)SOH的影響權(quán)重大小，建立浮充時(shí)內(nèi)阻均值與SOH的關(guān)系模型以及核容時(shí)單體電壓下降率與SOH的關(guān)系模型。最后在借鑒其它SOH估計(jì)算法的基礎(chǔ)上，融合浮充時(shí)內(nèi)阻均值變化與核容時(shí)單體電壓下降率的變化，得到了變電站用鉛酸電池SOH的估計(jì)算法。變電站用鉛酸電池主要工作在浮充和核容兩種工況下。在電站正常運(yùn)行時(shí)，鉛酸電池處于浮充狀態(tài)，此時(shí)會(huì)對(duì)鉛酸電池組監(jiān)控其內(nèi)阻，電壓等數(shù)據(jù)；電站維護(hù)人員定期會(huì)對(duì)其進(jìn)行核對(duì)性放電，即為核容狀態(tài)；此時(shí)的數(shù)據(jù)包括電池單體電壓變化、充放電時(shí)間等數(shù)據(jù)，電站停電時(shí)，鉛酸電池的工作狀態(tài)與此類似，可歸于核容狀態(tài)［8］。本文對(duì)若干變電站用鉛酸電池組的浮充與核容狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對(duì)浮充歷史數(shù)據(jù)分析表明，內(nèi)阻均值（一個(gè)電池組內(nèi)所有單體電池內(nèi)阻的平均值）隨著使用時(shí)間按照一定斜率上升，并明顯地分為兩段，如圖1所示。第二段內(nèi)阻增加速度明顯快于第一段。圖1中分別為使用初期、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、壽命終結(jié)時(shí)的電池組內(nèi)阻均值。對(duì)核容電壓歷史數(shù)據(jù)的分析表明，整組電壓下降率、電壓標(biāo)準(zhǔn)差以及單體電壓下降率與SOH并無明顯關(guān)系，而電池組中核容2~7h時(shí)間段內(nèi)電壓下降率超出［m,n］（m、n為常數(shù)，表示電壓下降率的上下限值）范圍的單體個(gè)數(shù)（下面稱為隱患指數(shù)）與電池的健康狀態(tài)存在著一定的關(guān)系，如圖2（以單體總數(shù)為108的電池組為例），可以作為判斷電池健康問題的一個(gè)依據(jù)。隱患指數(shù)的存在可能反映了電池組單體一致性的下降［9］。SOH融合模型的建立由于變電站對(duì)電池的監(jiān)控管理手段包括核容時(shí)的電壓測(cè)量和非核容狀態(tài)下的內(nèi)阻、浮充電壓測(cè)量。為了充分利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、提高蓄電池SOH的估計(jì)精度，結(jié)合對(duì)電網(wǎng)浮充歷史數(shù)據(jù)和核容歷史數(shù)據(jù)的分析挖掘，將電池的SOH估計(jì)分為兩部分，最后加權(quán)疊加。第一部分主要體現(xiàn)電壓與壽命的關(guān)系，使用電壓和隱患指數(shù)表征，即表征核容狀態(tài)對(duì)鉛酸電池壽命的影響；第二部分主要體現(xiàn)內(nèi)阻與電池壽命的關(guān)系，使用電池內(nèi)阻均值來表征，即表征浮充狀態(tài)對(duì)鉛酸電池壽命的影響。基于融合算法的SOH表達(dá)式為：其中主要基于核容狀態(tài)下單體電壓下降率，表征核容狀態(tài)對(duì)SOH的影響；主要基于浮充時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電池內(nèi)阻，表征浮充對(duì)SOH的影響；a表示的權(quán)重，與的權(quán)重加起來為1。核容時(shí)更新，不核容時(shí)采用上次更新的，在測(cè)量內(nèi)阻時(shí)更新，當(dāng)內(nèi)阻實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)，也實(shí)時(shí)更新。SOH1的計(jì)算方法在對(duì)電池組進(jìn)行核容時(shí)更新，設(shè)第次核容時(shí)的為，則在該次核容之前的保持值為(x-1)，即上次核容時(shí)計(jì)算得到的。核容時(shí)鉛酸電池單體電壓的變化如圖3所示，當(dāng)電池SOC在20%~80%范圍內(nèi)，電壓近似呈線性變化，設(shè)變化率為，其超出一定范圍的單體個(gè)數(shù)與電池健康狀態(tài)有關(guān)，基于該特性可以對(duì)SOH1進(jìn)行估計(jì)。核容時(shí)的公式分為兩部分，第一部分反映了最大容量的影響，第二部分反應(yīng)了隱患指數(shù)的影響。第一部分的公式推導(dǎo)如下：電池荷電狀態(tài)(SOC)可以表示為：式中：為核容時(shí)電流，為當(dāng)前最大容量。由SOH定義和式(2)可推出第一部分的公式：式中：，t為時(shí)間；為電池組標(biāo)稱容量；為一個(gè)與電池類型有關(guān)的系數(shù)，對(duì)新電池進(jìn)行核容實(shí)驗(yàn)，將電流、電壓斜率值、SOH初始值帶入公式，可求得。由于放電平臺(tái)期(即圖3的中間段)電壓比較平穩(wěn)，式(3)使用該階段的數(shù)據(jù)。其中的計(jì)算公式為：式(4)為單體電壓對(duì)時(shí)間下降率的均值計(jì)算公式，其中為第節(jié)單體核容時(shí)中間段的斜率，的求法為：在核容時(shí)2~7h之間，每隔30min計(jì)算電壓平均值，根據(jù)這些值擬合求斜率，得到分別是單體斜率最大和最小的三個(gè)點(diǎn)，去掉它們是為了減少個(gè)別異常點(diǎn)對(duì)斜率均值計(jì)算的影響°num(cell)為本電池組單體總數(shù)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來看，按式(3)得到的SOH與實(shí)際值仍有較大的誤差，如會(huì)出現(xiàn)某電池組第7年SOH比第3、第4年時(shí)的SOH還高的情況。這種現(xiàn)象可能與電壓測(cè)量精度、擬合誤差、截?cái)嗾`差等有關(guān)，因此有必要加入隱患指數(shù)反映的電池健康狀態(tài)。SOH1核容時(shí)公式的第二部分可表示為該部分反映了隱患指數(shù)的影響，其中為不屬于［m，n］區(qū)間內(nèi)的單節(jié)電池的斜率，為超出的單體個(gè)數(shù)，［m，n］是設(shè)置的斜率范圍，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，為［-0.018,-0.012］。為區(qū)分兩種電池的分界線，即超過的電池組為較差的、有問題的電池，直接取一個(gè)較小的值；反之認(rèn)為是健康尚可的電池。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，取值與電池組單體個(gè)數(shù)有關(guān)，對(duì)108節(jié)單體的電池組可取=10。將兩部分結(jié)合起來，就得到了SOH1的估計(jì)公式：式中：a、b分別表示兩部分的權(quán)重。考慮電壓下降率均值和單體隱患指數(shù)的可信程度與重要程度，使用歷史數(shù)據(jù)反復(fù)驗(yàn)證、優(yōu)化，使疊加第二部分后的SOH1在好壞電池之間有明顯差別，可得到相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為a=0.84,b=0.16,C0=0.4。SOH2的計(jì)算方法SOH2的計(jì)算基于鉛酸電池的浮充內(nèi)阻，表征浮充電對(duì)鉛酸電池壽命的影響。浮充時(shí)電池的內(nèi)阻特點(diǎn)是，內(nèi)阻均值逐年上升，前期上升慢，后期上升快，如圖1所示。蓄電池使用時(shí)間和SOH近似成正比，故根據(jù)圖1可得到內(nèi)阻和SOH的關(guān)系曲線，如圖4所示。其中分別為使用初期、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、壽命終結(jié)時(shí)(一般為SOH=80%)的電池組內(nèi)阻均值。M%為轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的SOH值。根據(jù)圖4可見SOH2的計(jì)算公式：式(7)的本質(zhì)就是利用R與SOH的兩段線性關(guān)系計(jì)算SOH。3.1實(shí)驗(yàn)條件為驗(yàn)證SOH估計(jì)算法的優(yōu)越性，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GBT19638.2-2005固定型閥控密封式鉛酸蓄電池》對(duì)鉛酸電池組進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn)。采用108S、300Ah的電池組，將其充滿電之后在60OC環(huán)境中以108x2.25V對(duì)電池組連續(xù)浮充一個(gè)月，期間每天進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試并記錄，求其均值。在每月第一天將電池組冷卻至25C，以0.1C進(jìn)行放電，記錄0~7h期間的單體電壓，此過程模擬核容過程。繼續(xù)放電至截止電壓，記錄放電時(shí)間，可得最大可用容量。然后進(jìn)行下一次循環(huán)。測(cè)量數(shù)據(jù)包括每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的核容時(shí)單體電壓、浮充內(nèi)阻以及最大容量，圖5、圖6分別給出了最大容量和浮充內(nèi)阻均值的變化。以最大容量與標(biāo)稱最大容量之比作為SOH真實(shí)值，作為判斷SOH估計(jì)方法好壞的依據(jù)。比較真實(shí)值與估計(jì)值，得出估計(jì)誤差。SOH估計(jì)分為兩部分，即SOH1和SOH2估計(jì)。SOH1的參數(shù)選取采用最小二乘法擬合每個(gè)單體在核容時(shí)放電2~7h期間的電壓下降率，即，根據(jù)式(4)計(jì)算得Ave()如表1所示。把電池組第一次核容數(shù)據(jù)代入式(3)中(SOH取100%)可得，r=-0.0005303。按歷史數(shù)據(jù)辨識(shí)結(jié)果取權(quán)值a=0.84,b=0.16,=0.4。根據(jù)式(2)分別計(jì)算三年的SOH1，對(duì)計(jì)算結(jié)果超出100%的點(diǎn)取SOH=100%，結(jié)果如圖7所示。SOH2的參數(shù)選取加速壽命實(shí)驗(yàn)中電池組內(nèi)阻值如表2所示，其中內(nèi)阻值其實(shí)是每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的單體內(nèi)阻均值。每個(gè)月進(jìn)行一次完整的加速浮充循環(huán)，作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在每月月末測(cè)量一次電池組所有單體內(nèi)阻。根據(jù)表2所示測(cè)量點(diǎn)的內(nèi)阻值，可得到。按照式(3)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)SOH2，其結(jié)果如圖8所示。SOH估計(jì)算法的驗(yàn)證在計(jì)算SOH1時(shí)，對(duì)每個(gè)單體進(jìn)行了擬合，又進(jìn)行了求均值，誤差有一定累積，而計(jì)算SOH2時(shí)僅進(jìn)行了求均值的計(jì)算，故SOH1的可信度略低于SOH2的可信度，可使略低于。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，對(duì)權(quán)值選取優(yōu)化，取權(quán)值=0.4。把SOH1和SOH2按式(1)融合起來計(jì)算SOH，圖9(a)所示為通過融合SOH算法得到的SOH估計(jì)值和SOH真實(shí)值，圖9(b)給出了對(duì)應(yīng)的各測(cè)量點(diǎn)誤差，可見最大誤差不超過5%，符合SOH估計(jì)準(zhǔn)確性的要求。本文提出了基于融合模型的變電站用鉛酸電池SOH估計(jì)算法，通過對(duì)變電站用鉛酸電池的浮充歷史數(shù)據(jù)與核容歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探尋更優(yōu)的SOH估計(jì)算法，研究了電池浮充內(nèi)阻及均值與核容時(shí)電壓下降率等參數(shù)與電池組SOH的關(guān)系，分析這些參數(shù)對(duì)SOH的影響權(quán)重大小，建立了浮充時(shí)內(nèi)阻均值與SOH的關(guān)系模型及核容時(shí)電壓下降率與SOH的關(guān)系模型。最終融合浮充時(shí)內(nèi)阻均值隨時(shí)間變化與核容時(shí)單體電壓下降率的變化，得到了變電站用鉛酸電池SOH的估計(jì)算法。該算法針對(duì)變電站鉛酸電池組的實(shí)際使用情況設(shè)計(jì)，針對(duì)性強(qiáng)，并涵蓋了鉛酸電池的全生命周期，最后通過加速壽命實(shí)驗(yàn)對(duì)該算法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該算法具有較高的準(zhǔn)確性，可實(shí)時(shí)估計(jì)變電站用鉛酸電池的健康狀態(tài)，可以滿足變電站用鉛酸電池SOH估計(jì)的使用需求?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】崔瓊，舒杰，吳志鋒，等.應(yīng)用牛頓插值法估算鉛酸蓄電池SOC[J].電力電子技術(shù)，2013，47⑺：46-48.夏承成，王順利，李占鋒，等.一種基于SOH的機(jī)載蓄電池地面維護(hù)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2014，31(2):58-60.劉希聞.電動(dòng)汽車鋰離子電池模型仿真與SOH研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.薛輝.動(dòng)力鋰離子電池組SOH估計(jì)方法研究[D].長春：吉林大學(xué)，2013.DELAILLEA，PERRINM.Studyofthe“coupdefouet'ofleadacidcellsasafunctionoftheirstate-of-chargeandstate-of-health[J].JournalofPowerSources，2006，158:1019-1028.KAISERR.Optimizedbattery-managementsystemtoimprovestoragelifetimeinrenewableenergysystems[J].JournalofPowerSources,2007,168(1):58-65.WONGYS,HURLEYWG,WOLFLEWH.Chargeregimesforvalve-regulatedlead-acidbatteries:performanceoverviewinclusiveoftemperaturecompensation[J].JPowerSources,2008,183(2):783-791.KOMIYAMAR,FUJIIY.Assessmentofmassiveintegrationofphotovoltaicsystem