vrla蓄電池容量和壽命預(yù)測(cè)

vrla蓄電池容量和壽命預(yù)測(cè)

1免維護(hù)蓄電池的發(fā)展歷程及問題自20世紀(jì)30年代獲得第一個(gè)免費(fèi)使用開放鉛酸儲(chǔ)存電池（以前被稱為軍閥控制鉛酸儲(chǔ)存電池）原型專利申請(qǐng)以來，許多美國(guó)和其他國(guó)家的汽車公司開始研究和測(cè)試免費(fèi)蓄水。1970年,美國(guó)狄爾柯(Delco)公司在美國(guó)首先采用鉛鈣合金制成免維護(hù)蓄電池,并申請(qǐng)了制造專利。接著,美國(guó)、日本、西德等國(guó)的主要鉛酸蓄電池廠先后對(duì)此投入大量的人力、物力進(jìn)行研制,或引進(jìn)技術(shù),制造具有自己風(fēng)格的免維護(hù)蓄電池。1975年狄爾柯公司對(duì)原有免維護(hù)蓄電池上作了進(jìn)一步改進(jìn),制成了汽車免維護(hù)蓄電池,在美國(guó)通用汽車公司的汽車上正式使用(這種電池不是采用內(nèi)部氧循環(huán)原理設(shè)計(jì)的,是一種具有特殊結(jié)構(gòu)特征的,用于汽車且使用壽命較長(zhǎng),不需要加水的富液式鉛酸蓄電池?！幷咦?從此以后,國(guó)際上興起了免維護(hù)蓄電池的熱潮。當(dāng)今,美、日、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都有自己免維護(hù)蓄電池的系列產(chǎn)品,并占有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。中國(guó)對(duì)于免維護(hù)蓄電池的研制是在1975年的全國(guó)蓄電池行業(yè)會(huì)議上提出來的,但因受到合金材料的限制,直到80年代中期才有少數(shù)廠家開始研制免維護(hù)蓄電池,到80年代末期,已能投入批量生產(chǎn)。目前,國(guó)內(nèi)規(guī)模較大的鉛酸蓄電池生產(chǎn)廠均已不同程度地掌握了免維護(hù)蓄電池的制造技術(shù),并形成了規(guī)模生產(chǎn)的能力。免維護(hù)蓄電池在蓄電池市場(chǎng)上的占有量將越來越大。免維護(hù)蓄電池由于其容量大、價(jià)格低、基本免維護(hù)等優(yōu)越性已廣泛應(yīng)用于社會(huì)的方方面面:電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、通訊電源、UPS系統(tǒng)、PV系統(tǒng)、電力直流屏、軍事系統(tǒng)等。據(jù)預(yù)測(cè)在未來十年,鉛酸電池主流將還是VRLA。但鉛酸蓄電池的容量檢測(cè)由于受到諸多因素(溫度、電壓、充放電電流及次數(shù)、放電深度、內(nèi)阻、溶液的密度、使用時(shí)間、自放電等)的影響,難以準(zhǔn)確進(jìn)行在線測(cè)量[2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,20,21,24,26,27,28,29,30,35],從而給應(yīng)用帶來諸多不便:電動(dòng)車無法準(zhǔn)確指示電量,造成無法預(yù)測(cè)的拋錨。輕的造成司機(jī)的尷尬(遠(yuǎn)離充電站,還不能像燃油汽車一樣,通過向別的司機(jī)借用燃料),重的造成事故(停在鐵道口、十字路口、高速公路非停車處等);UPS帶不動(dòng)負(fù)載,起不到保護(hù)效果;電力直流屏無法正常工作等不利或事故。而對(duì)這些應(yīng)用中的許多問題,電池是在電力電源斷電后的最后一道保護(hù)屏障,可見其重要性。這些問題有些可以通過對(duì)電池進(jìn)行提前充電解決;而有些看似滿容量但并不能輸出這么多,對(duì)于這些電池只有更換。如何準(zhǔn)確快捷地檢測(cè)出電池的可輸出容量是擺在世界各國(guó)電池應(yīng)用工程師面前的一大難題。2般蓄電池建模方法由于VRLA蓄電池容量受到影響的因素比較多,這些因素中主要的有這些:電池電解液濃度、極板材料(形狀、組成、孔化等)、電壓、充放電電流、溫度、放電深度(DOD)、內(nèi)阻、壽命等。因而,在進(jìn)行容量測(cè)試(預(yù)測(cè))時(shí),方法也各種各樣,使用的電池模型也不盡相同。一般蓄電池的建模方法可分為兩大類,即物理建模和系統(tǒng)的辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)建模。從資料來看,兩種建模方法都被采用。2.1放電放電測(cè)試一種大家公認(rèn)的容量測(cè)試方法——負(fù)載放電測(cè)試(這也是蓄電池廠家推薦的)。這種方法雖然可靠,但有它的缺點(diǎn):測(cè)試麻煩、時(shí)間周期長(zhǎng)、費(fèi)用貴,同時(shí)還有其局限性:運(yùn)行的電動(dòng)車用電池不可能用此方法來測(cè)量;對(duì)于靜態(tài)備份蓄電池來說,可以采用,但對(duì)于重要場(chǎng)合,用此方法要冒一定的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)樵诜烹娖陂g系統(tǒng)在無電池備份下運(yùn)行,一旦主電源出現(xiàn)問題,系統(tǒng)將癱瘓,后果不堪設(shè)想。也就是說這種方法最主要的缺點(diǎn)是無法在線測(cè)試(預(yù)測(cè))。在線測(cè)試的方法很多:1.檢測(cè)電壓來判別;2.利用檢測(cè)放電電流(安時(shí)法);3.測(cè)量蓄電池內(nèi)阻來預(yù)測(cè),以及它們之間的組合。2.1.1蓄電池容量預(yù)測(cè)對(duì)VRLA蓄電池,電導(dǎo)值可以用于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè),它是電池保持充電能力的指示器。文獻(xiàn)指出可以利用測(cè)量阻抗來評(píng)估和預(yù)測(cè)蓄電池的性能,因?yàn)樾铍姵貎?nèi)部阻抗與蓄電池的容量及完好性有著密切的關(guān)系,這種方法越來越受人們重視。顯然,這對(duì)免維護(hù)鉛酸蓄電池尤其重要。根據(jù)有關(guān)資料介紹,極板和電解液的歐姆電阻占鉛酸蓄電池總歐姆內(nèi)阻的80%以上。在蓄電池的老化進(jìn)程中,極板的硫酸鹽化、活性物質(zhì)的脫落、電解液的干涸等隨時(shí)間推移而加劇,這些變化會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量的減少,同時(shí)使蓄電池歐姆電阻呈逐漸增加的趨勢(shì)。由此可見,蓄電池歐姆內(nèi)阻可作為表示其容量和完好性的有效指標(biāo)。在蓄電池的老化過程中,其內(nèi)阻的上升明顯早于充電時(shí)端電壓的提高,直到內(nèi)阻上升了60%以上時(shí),端電壓才有明顯的增大,而端電壓的增大正是電解液干涸的表現(xiàn),因此,內(nèi)阻具有很好的預(yù)測(cè)性。蓄電池內(nèi)部溫度對(duì)其性能有很大的影響,即溫度上升時(shí),電解液的運(yùn)動(dòng)速度增大,獲得動(dòng)能增加,因此滲透力加強(qiáng),電解液電阻減小,電化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng),這些都使蓄電池容量增大。有文獻(xiàn)指出,當(dāng)電解液的溫度在10～35℃的范圍內(nèi)變化時(shí),每變化1℃,則其容量變化約0.8%。所以,在判斷蓄電池的性能時(shí),要考慮溫度的影響,故溫度測(cè)量不可少。對(duì)免維護(hù)鉛酸蓄電池而言,更是如此,因?yàn)樵诔潆娺^程中存在“氧循環(huán)”,而產(chǎn)生的額外熱量會(huì)使溫度上升,因而影響更大。蓄電池阻抗檢測(cè)有3種方法:(1)交流阻抗法,即給蓄電池通入交流電流,其端電壓中的交分量與電流的比值為交流阻抗;(2)動(dòng)態(tài)電阻法,即讓蓄電池輸出一定頻率和幅值的負(fù)載電流(實(shí)際為一脈動(dòng)直流),其端電壓中的交流分量與負(fù)載電流的比值就是動(dòng)態(tài)電阻;(3)直流電阻法,即蓄電池端電壓降與輸出直流電流之比。這三種方法的參數(shù)采用瞬時(shí)值、有效值、平均值都可以。這種方法一般都包括以下兩個(gè)過程:(1)溫度補(bǔ)償電阻的溫度補(bǔ)償,是將不同溫度下測(cè)得的動(dòng)態(tài)電阻換算為25℃時(shí)的值,便于分析動(dòng)態(tài)電阻變化趨勢(shì),從而預(yù)測(cè)蓄電池在此后一段時(shí)間內(nèi)的容量大小及其老化狀態(tài)。換算公式如下:r25℃=r[1+0.015×(T-25)]其中,r為實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)電阻,r25℃為25℃時(shí)的換算值,T為實(shí)測(cè)溫度的算術(shù)平均值。(2)預(yù)測(cè)開始使用時(shí)以新蓄電池測(cè)得的動(dòng)態(tài)電阻rJ(25℃時(shí))作為基準(zhǔn),若此后所測(cè)值不超過基準(zhǔn)值的25%,則認(rèn)為蓄電池容量和完好性可接受,并估算r25℃達(dá)到rJ的125%所需時(shí)間t1。以此作為確定下次檢測(cè)時(shí)間的依據(jù),根據(jù)以往各次檢測(cè)的動(dòng)態(tài)電阻值所作出的逼近曲線估算,并求出曲線上該檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)處的切線斜率Kr,則有:t1=(1.25rJ-r25℃)/Kr否則應(yīng)作負(fù)載測(cè)試,通過深度放電來確定蓄電池的真實(shí)容量。如果容量低于額定值的80%,則此蓄電池不宜繼續(xù)使用,如果容量超過額定值的80%,則按如下公式估計(jì)剩余時(shí)間:t2=(C-0.8CJ)/KcKc=(1.2CJ-C)/t其中CJ為蓄電池的額定容量,C為當(dāng)前測(cè)量值,t為蓄電池已使用時(shí)間,Kc為蓄電池容量隨時(shí)間下降的平均速度,t2為蓄電池容量從C下降到CJ的80%所需時(shí)間的估算值。此時(shí)蓄電池容量均是指25℃時(shí)的值,否則應(yīng)按如下公式換算:C=C′/[1+0.008×(T-25)]其中T為蓄電池實(shí)際溫度,C′為T時(shí)的實(shí)測(cè)容量。文獻(xiàn)還建立了蓄電池的阻抗模型。然而,也有文獻(xiàn)提出測(cè)量電阻的方法不能對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。2.1.2不同放電倍率的放電容量當(dāng)電池處于放電工作時(shí),對(duì)于很多場(chǎng)合都需要知道電池的剩余容量及供電時(shí)間,根據(jù)電池的額定容量和放電電流的監(jiān)測(cè),不難實(shí)時(shí)計(jì)算出剩余容量,假定負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定,則換算出供電時(shí)間。一般情況下,電池制造廠都給出在不同放電倍率下的電池容量。用最小二乘法根據(jù)電池廠家提供的在不同倍率下的放電容量,可以簡(jiǎn)化地用二次曲線來表示電流和容量之間的關(guān)系,分別求得a、b、c:式中Q0——額定容量Q——當(dāng)前剩余容量電池管理系統(tǒng)在對(duì)剩余容量進(jìn)行計(jì)算時(shí),自動(dòng)觸發(fā)深度放電事件,記錄本次放電的最大電流、平均電流、放電時(shí)間。文獻(xiàn)提出:把不同蓄電池組的容量換算時(shí)間特性曲線和曲線的數(shù)學(xué)模型公式儲(chǔ)存在單片機(jī)里,通過監(jiān)視蓄電池組的充、放電電流和溫度,計(jì)算出蓄電池組的殘留放電時(shí)間,以便監(jiān)視其運(yùn)行狀態(tài)。2.1.3未來蓄電池年發(fā)電這種方法主要用在簡(jiǎn)單測(cè)量,它是通過測(cè)量開路電壓和負(fù)載電壓的大小,開路電壓以及負(fù)載電壓的減少,都表明容量的不足。開路電壓與蓄電池容量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但開路電壓的測(cè)量必須在蓄電池不被使用時(shí),并且要持續(xù)穩(wěn)定2h以上。不少文獻(xiàn)通過短時(shí)測(cè)量預(yù)測(cè)其穩(wěn)定電壓來求得。文獻(xiàn)采用降壓法,實(shí)際是把整流器的輸出電壓降低到蓄電池浮充電壓之下,但在負(fù)載的允許的范圍內(nèi),通過測(cè)量在線蓄電池電壓、溫度以及放電電流來計(jì)算其容量。2.1.4電池剩余容量測(cè)量系統(tǒng)這種方法是采用得最多的。文獻(xiàn)采用變電流組合測(cè)量的方法來確定電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻,同時(shí)用安時(shí)法來求得蓄電池的剩余電量,最后建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來確定蓄電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻與剩余電量之間的非線性關(guān)系,最后由電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻對(duì)應(yīng)確定剩余電量,避免了傳統(tǒng)的安時(shí)法在不知道初始狀態(tài)就無法工作的問題。文獻(xiàn)通過對(duì)電池參數(shù)包括各節(jié)電池的端電壓、電池溫度、電池充電量、電池放電量、電池電流、輔助電池充電量的測(cè)量,同時(shí)系統(tǒng)還具有檢測(cè)如電機(jī)參數(shù)以及車速、車輛起動(dòng)次數(shù)、制動(dòng)次數(shù)和空調(diào)工作次數(shù)等開關(guān)量的功能。采用了SPM3專用測(cè)量芯片,電壓通過電阻分壓獲得,電流通過分流器獲得,SPM3計(jì)算兩者的乘積,輸出脈沖信號(hào),CPU只需要測(cè)量脈沖就可以獲得電量值。這樣就為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極大的方便,檢測(cè)用的CPU采用了89C51單片機(jī)。文獻(xiàn)采用以安時(shí)法—Peukert公式——開路電壓法為基本算法,進(jìn)行電池管理系統(tǒng)的開發(fā),同時(shí)考慮溫度、自放電、使用循環(huán)壽命等因素對(duì)鉛酸電池剩余容量預(yù)測(cè)的影響。CrI=CtI(1+0.008(T-T0-30))-Cs-Cg-∫t0kI(τ)dτ+∫ηIR(τ)dτ文獻(xiàn)利用ABC—150電池測(cè)試器以間隔10秒記錄下電池組的電流、電壓、Ah、kWh以及溫度,構(gòu)造出Peukert曲線(放電率對(duì)數(shù)與放電時(shí)間對(duì)數(shù)的圖),然后可以用來得到在某種放電率下電池的容量。文獻(xiàn)提出了一種基于開路電壓法和安時(shí)法測(cè)量電池剩余電量的新方法。在此基礎(chǔ)上根據(jù)電池溫度、使用情況以及自放電因素,采用參數(shù)自調(diào)整、偏差自校正的基于人工智能原理的技術(shù)來得到電池的容量。文獻(xiàn)將潛艇蓄電池放電過程的仿真歸結(jié)為其放電電壓和電流變化過程的仿真,結(jié)合潛艇蓄電池的實(shí)際使用,利用“使用模型”概念建立了仿真數(shù)學(xué)模型。采用插值方法可得到任意電流下的放電曲線,同樣可得到任意電流下的最低電壓值。2.1.5其他方法(1)器有效性測(cè)試將鉑電阻溫度傳感器深埋于負(fù)極引出柱的根部,以保證溫度傳感器的有效性,在定流放電、限壓定流充電或浮充狀態(tài),測(cè)得溫度最高的電池容量最小。也有文獻(xiàn)提出“在電池工作溫度與失效之間似乎沒有清楚的相互關(guān)系,但更暖和的模塊有更長(zhǎng)的壽命”。(2)學(xué)極柱的使用壽命此法限于對(duì)美國(guó)C&D生產(chǎn)的水平VRLA蓄電池的質(zhì)量判定,它采用專利懸空技術(shù),從極柱的增長(zhǎng)狀態(tài)直觀地判斷該電池的使用壽命。當(dāng)電池全新使用時(shí),極柱接線板離槽蓋距離最小;當(dāng)電池使用接近終了時(shí),該部位距離會(huì)增大。2.2基于系統(tǒng)識(shí)別和參數(shù)估計(jì)的建模方法它是通過對(duì)蓄電池的一些參數(shù)進(jìn)行采集,同時(shí)根據(jù)以往數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn),利用智能算法來對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行估計(jì)。2.2.1電池性能參數(shù)預(yù)測(cè)采集蓄電池的放電電流、端電壓以及溫度作為神經(jīng)網(wǎng)格模型的輸入,通過網(wǎng)絡(luò)計(jì)算即可輸出對(duì)電池性能參數(shù)的預(yù)測(cè)。這里神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算(也就是網(wǎng)絡(luò)的中間層或隱含層的處理)的一些權(quán)值是通過以前的學(xué)習(xí)(已知的輸入,已知的輸出)得來的。這種學(xué)習(xí)越多建模就越精確。2.2.2反模糊化法利用檢測(cè)的參數(shù)(這里主要是電壓、電流以及溫度)進(jìn)行模糊化處理,根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)確立模糊規(guī)則,得到模糊輸出,再進(jìn)行反模糊化處理,得到蓄電池的容量預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)描述了這種方法,并在閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)采用了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來調(diào)節(jié)“SOC”的預(yù)測(cè)值。2.2.3建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型文獻(xiàn)采用變電流組合測(cè)量的方法來確定電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻,同時(shí)用安時(shí)法來求得蓄電池的剩余電量,最后建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來確定蓄電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻與剩余電量之間的非線性關(guān)系,最后由電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻對(duì)應(yīng)確定剩余電量,避免了傳統(tǒng)的安時(shí)法在不知道初始狀態(tài)就無法工作的問題。還有其它復(fù)雜的模型,如TNO模型(Hoxie模型的改進(jìn))、Shepard模型、Martin模型以及四動(dòng)力模型。3vrla蓄電池容量預(yù)測(cè)的建議由于鉛酸蓄電池仍是當(dāng)今的能量