電力鉛酸電池智能養護運維關鍵技術研究

國網甘肅省電力公司 李方軍 宋 曦

國網甘肅省電力信息通信公司 張 磊

1.引言

鉛酸電池廣泛應用于各種電力電子系統中，傳統運維方式使得鉛酸電池實際使用壽命往往和設計使用壽命相差較大，如設計使用壽命 10-12 年，而實際往往只能使用 5-6年甚至不到一半，這不僅對供電系統的穩定性造成嚴重影響，同時產生極大的資源浪費，不符合當前節能減排、綠色環保的國網發展戰略。本文通過對鉛酸電池的免硫化、能量載入等養護技術及遠程檢測、遠程充放電等自動化運維關鍵技術進行研究，實現鉛酸電池使用壽命有效延長、供電時間增加，運維高效便捷。

2.影響鉛酸電池壽命主要因素

目前影響鉛酸電池壽命的主要因素有以下方面：一是在從單體電池方面，主包括過充電、過放電、環境溫度、長期浮充電等；二是從電池組方面，主要為串聯鉛酸電池組單體電池不均衡性等。

2.1 過充電

研究表明過充電是影響鉛酸電池壽命重要因素。當充電電流超過氧循環允許的最大電流時，會造成過充電，鉛酸電池正極出現析氧，使得鉛酸電池殼壓力增大，極板深處生成的氧在析出過程中可能形成氣泡，沖擊正極板的活性物質二氧化鉛（PbO2），造成其與板柵間的結合力變小，甚至出現脫落，影響活極板活性物質的使用壽命，使得鉛酸電池容量下降，影響鉛酸電池使用壽命。

2.2 過放電

過放電是影響鉛酸電池壽命的重要因素，鉛酸電池要避免過放電尤其是深度放電，過放電時鉛酸電池的極板表面會生成大顆粒的硫酸鉛（Pb SO4）結晶，其難以恢復，長期過放電會造成極板硫酸鹽化，縮短鉛酸電池使用壽命。

2.3 環境溫度

環境溫度是影響鉛酸電池壽命的又一因素。鉛酸電池出廠時一般都會明確鉛酸電池的適用溫度范圍，在該溫度范圍內使用，能發揮鉛酸電池最佳性能。由于鉛酸電池內部結構特殊性，其電解液濃度較大，低溫時，大電流放電使得負極板容易形成致密硫酸鉛（PbSO4）結晶層，減慢電極的化學反應速度，影響放電；高溫時，會加快正極析氧的速度，消耗更多的水，產生更多的 H+離子，加速正極腐蝕速度，減少鉛酸電池使用壽命。

2.4 長期浮充電

用作備用電源鉛酸電池大多長期處于浮充電狀態，作為對自放電損失的補償。長期浮充電會造成鉛酸電池陽極鈍化，使得內阻急劇增加，容量大幅下降，導致實際容量遠低于額定容量，縮短壽命并給備用電源系統帶來安全隱患。

2.5 電池組中電池間的不均衡

在實際應用中，目前鉛酸電池多以串聯形式使用，電池組充電主要通過對串聯鉛酸電池組的端電壓進行，由于制造工藝的差異性，無法確保鉛酸電池正負極板、電解液等制造材料性能完全一致，進而導致單體電池充放電性能出現不一致，造成電池組在充放電時單體電池出現不均衡，這種不均衡會進一步加速電池老化。

同時，在傳統鉛酸電池運維中，多是以人工運維為主，運維效率低下，運維操作風險大。

3.解決方案

本文采用鉛酸電池在線養護+智能運維技術架構，一方面通過免硫化技術消除已有電池硫化，恢復單體電池性能，并通過均衡充電、補充欠充單體電池能量，提高電池間均勻性，確保整組電池始終處于最佳運行狀態，從而有效提升電池使用壽命。另一方面，實現鉛酸電池在線監控、在線養護以及遠程自動容量測試等操作，并可快速發現劣化鉛酸電池，準確甄別電池劣化程度、及時預警電池故障隱患并給出合理的維護指導建議，將事故被動告警變為主動預警，提高運行設備供電安全，建立鉛酸電池在線養護模式。

3.1 架構設計

通過對鉛酸電池充放電特性和影響鉛酸電池壽命主要因素的分析，系統整體設計架構如下圖所示，系統主要分為以下幾個模塊：

系統架構圖

3.1.1 鉛酸電池組：可以將多個單體鉛酸電池以串聯或者先串聯后并聯的形式使用并組成的鉛酸電池組。

3.1.2 電壓、電流、溫度檢測模塊：為防止鉛酸電池出現過充電、過放電、超溫等現象，該模塊需要完成環境溫度、串聯鉛酸電池組充放電電流、每個單體電池的端電壓和溫度的檢測。為對充放電進行有效控制需要較為準確的檢測結果。

3.1.3 放電控制模塊：該模塊實現對鉛酸電池組放電的控制，包括：防止出現過放電，放電截止電壓，對放電進行控制，防止單體電池出現過放電；電池組自動放電維護，為避免電池長期只充電不放電，定期對其進行放電維護。

3.1.4 充電控制模塊：充電控制模塊需要實現對充電電壓的控制，包括：充電電壓溫度補償，根據環境溫度對充電電壓進行補償，防止電池組因環境溫度升高出現過充電；充電均衡控制，對串聯鉛酸電池組充電進行均衡控制，防止出現單體電池過充電。

3.1.5 通信模塊：通信模塊實現單個充放電監測控制模塊和主控制板間的雙向通信功能，其能接收主控制板的控制信息并能將監測到的數據發送給主控制板。

3.1.6 主控制板：主控制板負責充放電監測控制模塊和計算機間的通信，主控制板將多個充放電監測控制模塊監測到的數據匯總并發送給計算機，并將計算機的控制命令轉發給單個監測控制模塊，進而實現對整個系統充放電的監測控制。

3.2 關鍵技術

技術一：消除鉛酸電池劣化問題

鉛酸電池極板上活性物質被硫酸鉛結晶包裹面積越大，則被包裹的活性物質就無法參與電化學反應，極板上被包裹結構容量就等同于消失，電池表現為容量下降，逐漸老化。 本文通過自主研發的鉛酸電池“免硫化”、“能量載入”等技術，解決了長期以來困擾鉛酸電池使用壽命的“硫化”問題，通過消除或抑制硫化，就可有效延長電池使用壽命，讓鉛酸電池長期處于最佳。

技術二：“動態均衡”差異化補充單體電池電能

鉛酸電池組是由多節單體電池串聯組成，單節電池如同木桶的不同板塊，電池組的真實容量是由最小容量的單節電池決定。整組電池中的單體電池通過外部電源統一充電。由于電池一致性的內在差異，會造成每節電池充電不均勻。智能養護運維系統采用動態均衡充電技術，可根據電池組中每個單體電池的狀態，進行差異化補充電能，有效調節整組電池均勻性，讓每節單體電池性能到達最優，提升電池組的整體性能。

技術三：動態自適應均衡提升電池組均勻性

智能養護運維系統可將在線養護和均衡充電技術運用于每節電池上，一方面可消除電池已有劣化，改善電池均勻性，另一方面使每節電池結構容量及充入容量有動態增加，同時系統可連續跟蹤記錄這種變化，并通過大數據準確鎖定電池組中的落后電池。產品采用的鉛酸電池組“能量再入”技術，可讓鉛酸電池組中每節單體電池達到最大儲能狀態，并讓整組電池達到最佳狀態。同時采用鉛酸電池組“劣化甄別”技術，可發現鉛酸電池組中隱性單體劣化電池，從而只需要對單體落后電池進行替換，解決了傳統維護方式中電池劣化即需整組更換問題。

技術四：新技術實現鉛酸電池自動化運維

利用“互聯網+”新技術實現了在線鉛酸電池組的在線狀態監控、在線養護提升電池性能、在線甄別隱性劣化電池、遠程全自動放電核容等維護業務的智能化；利用大數據分析技術，對鉛酸電池運行數據進行實時數據分析，通過機器學習，不斷積累鉛酸電池運行狀態及解決措施，形成“鉛酸電池維護知識庫”，并利用“最優匹配算法”，可將當前最佳解決方案及時推送終端用戶。

4.效益分析

4.1 管理效益

通過鉛酸電池在線養護系統將分散、手動、間隔式被動的鉛酸電池測試變成在線集中式主動養護，實現智能化、自動化管理，節省大量人力物力，實現鉛酸電池供電安全；利用鉛酸電池智能養護運維技術可精準預測電池組性能變化趨勢，實時掌控電池供電能力，將“事后”搶修變為“事前”主動維護，將故障隱患消滅在萌芽狀態，可有效規避因鉛酸電池造成的重大安全生產隱患，大幅減輕一線運維人員的維護壓力及工作量，同時也提升了用戶方的鉛酸電池安全管理水平。

4.2 經濟效益

通過鉛酸電池在線養護系統簡化了員工對鉛酸電池的測試、巡檢和安全放電過程。鉛酸電池組“劣化甄別”技術，可發現鉛酸電池組中隱性單體劣化電池，并可對該單體電池進行替換，解決了傳統維護方式中必須整組更換的問題，從而創造出更多的經濟效益，具體體現在以下方面： 1）延長電池壽命節省更新投資；2）準確鎖定電池組中落后單體，整組更換變為單節更換節省的投資；3）節省站點日常巡檢維護費用；4）節省的電池核容測試費用。

4.3 社會效益

減緩鉛酸電池淘汰和更新速率產生的效益，鉛酸電池作為儲能設備，減少鉛酸電池更替數量，是直接的節能；在節能的同時，也減少上游鉛酸電池生產廠家在生產過程中產生的各項排放，減少電池報廢量，減少廢水廢氣、鉛、硫酸等物質的排放，是直接的減排。

5.結束語

隨著鉛酸電池智能養護運維技術的突破，一套結構合理、功能齊全、運行可靠的鉛酸電池智能養護運維平臺及養護設備，可發現鉛酸電池現有缺陷，延長使用壽命，增加供電時長，減少電池采購成本。采用遠程化、自動化操作手段，解決目前鉛酸電池運維中工作量大、檢修操作風險高等一系列問題，在提高工作效率、降低操作風險的同時，極大降低用戶運維成本。