吳飛財(cái)

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

智能計(jì)量終端在電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)中起著“承上啟下”的作用，終端對下采集匯聚電能表數(shù)據(jù)，對上將處理后的電能量數(shù)據(jù)傳送至主站，是重要的信息采集設(shè)備[1-3].在外部停電狀態(tài)下，終端仍需具備電能表停電信息收集與上報(bào)、電能量數(shù)據(jù)采集與分析、故障記錄與交互等功能.因此需要電池組提供可靠的備用電源供應(yīng).目前電網(wǎng)公司使用的備用電池主要為鎳氫電池，存在著可靠性低、容量衰減快、監(jiān)測方法弱等缺點(diǎn).現(xiàn)有關(guān)于電池管理系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)大多關(guān)注汽車的電池管理或者新能源發(fā)電的電池控制方法，而適用于計(jì)量終端備用電池的控制和保護(hù)方法比較少見[4-7].本文首先分析影響備用電池使用壽命與可靠性供電的主要因素，然后提出一種新的備用電池控制方法，最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析.

1 問題分析

(1)電池容量測試

選擇10組已使用6～12 m的電池，先將電池電壓充電至5.8 V，再利用安時(shí)積分法以60 mA的放電電流測試每組電池的容量[8]，結(jié)果(見圖1).

根據(jù)技術(shù)規(guī)范的要求，備用電池的額定容量需≥600 mAh，而上述10組電池的容量僅為額定容量的13%～26%，明顯低于額定容量的要求[2-3].

(2)大電流放電測試

將待測的10組電池充電至5.8 V，再通過阻性負(fù)載以600 mA的電流放電，記錄電池電壓降到4.2 V時(shí)的持續(xù)時(shí)間，測試結(jié)果(見圖2).

圖1 電池容量測試結(jié)果

圖2 放電持續(xù)時(shí)間測試結(jié)果

從測試結(jié)果可知，10組電池組在大電流放電下的持續(xù)時(shí)間較短，難以滿足停電情況下通過4G模塊上報(bào)停電告警的要求[1].

(3)二組測試的比較

通過上述兩組試驗(yàn)，結(jié)合電池控制電路的分析，得出終端備用電池控制方法存在的主要問題：①電池控制電路簡單，缺乏對電池的有效保護(hù).大部分終端僅使用一個(gè)限流電阻作為保護(hù)，無法有效避免電池過充電、過放電.②缺乏電池維護(hù)電路，導(dǎo)致電池容量降低.由于無法定期對電池充放電，難以激活電池容量.③無法滿足大電流放電沖擊.停電初期，終端與主站通信需要消耗較大電流，而備用電池難以滿足大電流的需求.④電量檢測不準(zhǔn)確，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)容量不足的情況.由于采用電壓法檢測電量，存在電量虛高現(xiàn)象[9].

為了延長備用電池壽命，提高計(jì)量終端備用電源的穩(wěn)定性和可靠性，滿足終端掉電時(shí)的需求，本文設(shè)計(jì)了一種終端備用電池控制方法，以期解決上述問題.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式

本文提出的新的備用電池控制方法，具有充放電電流檢測、電池容量檢測、電池容量激活、短時(shí)大電流輸出、充放電管理等功能.該方法的原理(見圖3).圖中所示的備用電池模塊由一組鎳氫電池、一組超級(jí)電容、一個(gè)LED負(fù)載、兩個(gè)電流檢測元件以及三個(gè)電子開關(guān)組成.電子開關(guān)由驅(qū)動(dòng)電路控制，可工作于導(dǎo)通、截止以及PWM調(diào)制狀態(tài).其電池模塊的運(yùn)行模式包括充電模式、激活模式、放電模式、保護(hù)模式等.

圖3 備用電池模塊原理圖

2.1 充電模式

當(dāng)終端外部電源正常時(shí)，備用電池模塊處于充電模式，終端向模塊提供直流電源.此時(shí)開關(guān)S2閉合，S1斷開，電池模塊的充電電流由開關(guān)S3的占空比決定.當(dāng)電容C和電池BT的電壓較低時(shí)，減小S2占空比，優(yōu)先給超級(jí)電容充電.電池BT的充電采用恒流充電與涓流充電相結(jié)合的策略，充電電流為0.1C.當(dāng)BT電壓達(dá)到設(shè)定值后，通過控制S2，僅為BT提供抵消其自放電的涓流充電電流，避免鎳氫電池由于長期過充電而損壞.

2.2 激活模式

激活模式是對鎳氫電池定期充放電，避免電池由于長期浮充電而導(dǎo)致容量減少.該模式包含放電和充電兩種子模式.當(dāng)開關(guān)S2斷開，S1、S3閉合時(shí)，模塊工作于放電子模式.當(dāng)開關(guān)S1斷開，S2、S3閉合時(shí)，模塊工作于充電子模式.為了解決阻性負(fù)載發(fā)熱的問題，采用LED燈作為負(fù)載.該模式在鎳氫電池放電過程中，還可利用電流元件TA2檢測放電電流，從而實(shí)現(xiàn)電池容量檢測功能.若電池容量不足，且經(jīng)過多次激活充放電仍無法恢復(fù)電池容量，則終端將上報(bào)電池容量低告警，提醒及時(shí)更換電池.本電池模塊采用安時(shí)積分法檢測電池容量，當(dāng)電池充電至電壓上限值US后，開始利用LED負(fù)載放電，記錄放電電流IL、電池電壓U1和放電時(shí)間t，直至電池電壓下降至下限值UX.此時(shí)電池容量可由式(1)計(jì)算得到.

(1)

安時(shí)積分法檢測電池容量耗時(shí)長但結(jié)果準(zhǔn)確，電壓檢測法雖然誤差大但速度快，為此本文提出了一種基于放電數(shù)據(jù)的電壓檢測法.

由于放電過程中電流IL、電壓U1隨時(shí)間t單調(diào)遞減，因此根據(jù)記錄的電流、電壓、時(shí)間等數(shù)據(jù)，可建立電流和電壓il(u1)、持續(xù)時(shí)間和電壓T(u1)的對應(yīng)關(guān)系.從而由電池電壓U1估算出電池剩余電量QB，見式(2)所示.

(2)

每次激活放電之后，由放電電流、電池電壓、放電時(shí)間等數(shù)據(jù)更新式(2)，從而提高電壓法檢測電池容量的準(zhǔn)確性和快速性.

從電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，終端每年的停電時(shí)間較少(2014年南方電網(wǎng)公司用戶年平均停電時(shí)間<5 h)，備用電池長期處于浮充狀態(tài).因此每次放電之后，需記錄非放電時(shí)間T，當(dāng)T超過閾值Tf時(shí),則需要激活電池，恢復(fù)電池容量.Tf可根據(jù)電池特性設(shè)置，對于鎳氫電池一般為2～3個(gè)月.考慮到備用電池模塊的備用特性，在激活模式下，開關(guān)S2斷開，由超級(jí)電容C承擔(dān)應(yīng)急放電任務(wù).

2.3 放電模式

當(dāng)終端失去外部電源時(shí)，直流電壓U2低于設(shè)置值，備用電池模塊進(jìn)入放電模式.此時(shí)開關(guān)S1斷開、S2、S3閉合，超級(jí)電容C和電池BT并聯(lián)向終端提供備用電源.終端此時(shí)保存重要數(shù)據(jù)并向主站上報(bào)告警信息.由于終端與主站通信需要較大的電流，因此由超級(jí)電容提供短時(shí)大電流，后續(xù)的小電流則主要由電池提供.

為了避免電池由于過放電而損壞，當(dāng)檢測到電池電壓U1低于下限值Ux時(shí)，斷開開關(guān)S2.為了避免電池因放電電流過大而損壞，當(dāng)電流元件TA1檢測到的放電電流過大時(shí)，經(jīng)過延時(shí)時(shí)間Td后斷開開關(guān)S3.

2.4 保護(hù)模式

當(dāng)開關(guān)S1、S2、S3斷開時(shí)，備用電池模塊工作于保護(hù)模式，此時(shí)電池、超級(jí)電容與終端和放電負(fù)載電氣脫離.終端外部電源受到干擾(如雷擊影響、短時(shí)過電壓)而導(dǎo)致電壓U2過高，或者由于短路導(dǎo)致充放電電流TA1過大時(shí)，為了保護(hù)備用電池模塊不受損壞而進(jìn)入保護(hù)模式.待故障消失后，備用電池模塊退出保護(hù)模式.

3 電池控制方法研究

由于計(jì)量終端分散安裝的特性，計(jì)量終端的現(xiàn)場運(yùn)維成本較高，不適合經(jīng)常人工檢測和更換備用電池，為此需要提高終端備用電池模塊的自檢自維護(hù)能力[10-11].

3.1 電池及超級(jí)電容容量選擇

根據(jù)技術(shù)規(guī)范的要求，備用電池應(yīng)選擇鎳氫電池，且額定容量≥600 mAh[2-3].終端若不處于遠(yuǎn)程通信狀態(tài)，則消耗電流一般<100 mA，鎳氫電池可持續(xù)放電6 h以上.

超級(jí)電容的可用容量取鎳氫電池額定容量的1/60，電容的可用電壓降設(shè)為3.3 V，則由式(3)可計(jì)算得出其電容值.

(3)

因此超級(jí)電容值選取10F，可單獨(dú)放電6 min左右.

3.2 工作機(jī)制及流程

備用電池模塊的運(yùn)行模式包括充電、激活、放電、保護(hù)等四種模式.圖4給出了電池模塊在各種模式之間轉(zhuǎn)換的條件.

圖4 備用電池運(yùn)行模式原理圖

終端外部電源供電正常時(shí)，電池模塊處于充電模式.此時(shí)模塊優(yōu)先為超級(jí)電容充電，再為鎳氫電池充電.模塊監(jiān)測電池電壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流.當(dāng)電量充滿后，僅用涓流補(bǔ)足充電.若電池模塊連續(xù)處于充電模式的時(shí)間超過限值，則模塊定期進(jìn)入激活模式.在該模式下，鎳氫電池通過LED負(fù)載放電，再進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)鎳氫電池的激活維護(hù).在放電過程中，電池模塊同時(shí)進(jìn)行電池容量測試.根據(jù)測試結(jié)果更新電壓/容量關(guān)系曲線，提高電壓容量檢測法的準(zhǔn)確性.若經(jīng)過多次激活維護(hù)仍發(fā)現(xiàn)電池容量不足時(shí)，則發(fā)出告警信號(hào).

當(dāng)終端失去外部電源時(shí)，電池模塊處于放電模式.此時(shí)超級(jí)電容和鎳氫電池并聯(lián)為終端供電，若需要短時(shí)大電流，則主要由超級(jí)電容提供.電池模塊檢測放電電流和電池電壓，避免由于過放電而損壞電池.當(dāng)外部電源恢復(fù)正常時(shí)，退出放電模式.終端工作時(shí)易受電網(wǎng)影響，也可能出現(xiàn)電源故障.因此當(dāng)電池模塊檢測到過壓、過流、短路等故障時(shí)，迅速切斷電池模塊與終端的電連接，進(jìn)入保護(hù)模式.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證備用電池模塊控制方法的性能，設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)，一種是放電實(shí)驗(yàn)，另一種是充電實(shí)驗(yàn)[12].實(shí)驗(yàn)中選擇的鎳氫電池標(biāo)稱電壓為4.8 V，容量為600 mAh，超級(jí)電容為10 F，LED負(fù)載電流為10 mA.

4.1 放電實(shí)驗(yàn)

選擇5組已使用6～12 m的備用電池，編號(hào)1～5，其中第1～3組電池先經(jīng)歷3輪激活模式，第4～5組電池不經(jīng)歷激活模式.將5組備用電池置于充電模式，直至電壓達(dá)到5.8 V，再將其置于放電模式，放電電流為60 mA.記錄每組電池放電至4.2 V時(shí)所持續(xù)的時(shí)間.

表1為電池放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從中可發(fā)現(xiàn)第1～3組電池的容量明顯高于第4～5組電池，驗(yàn)證了激活模式對于恢復(fù)電池容量的作用.

表1 電池放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將5組備用電池置于充電模式，直至電壓達(dá)到5.8 V，再將其置于放電模式，放電電流為600 mA.記錄每組電池放電至4.2 V時(shí)所持續(xù)的時(shí)間.

表2為電池大電流放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從中可發(fā)現(xiàn)第1～3組電池的放電持續(xù)時(shí)間明顯大于第4～5組電池，驗(yàn)證了激活模式對于提高電池放電能力的作用.

表2 電池大電流放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 充電實(shí)驗(yàn)

選擇一組備用電池模塊，先將其置于放電模式，待電壓降至4.2 V，再將其接于最高電壓為5.8 V最大電流為60 mA的直流電源上.記錄外部電壓U2、鎳氫電池電壓U1、開關(guān)S2狀態(tài).

圖5給出了充電試驗(yàn)中外部電壓曲線，圖6給出了充電過程中開關(guān)S2的占空比變化曲線.從圖5、圖6分析可以得到，為了使超級(jí)電容快速完成充電，充電初期S2處于斷開狀態(tài)，外部電源僅對超級(jí)電容充電，在260s時(shí)超級(jí)電容電壓達(dá)到5.8 V.為了保證超級(jí)電容能夠及時(shí)提供備用電源，需將其電壓維持在5.8 V處，因此開關(guān)S2隨后處于占空比調(diào)制狀態(tài).隨著電池電壓的提升，S2的占空比也逐漸增大.

圖5 放電實(shí)驗(yàn)中外部電壓U2曲線

圖6 放電試驗(yàn)中的開關(guān)S2占空比曲線

5 結(jié) 語

本文結(jié)合計(jì)量終端長期處于浮充電的使用特點(diǎn)，提出了一種適用于終端備用電池的控制方法，可解決鎳氫電池可靠性低、容量衰減快、監(jiān)測方法弱等問題.提高了終端在停電情況下的工作可靠性，降低運(yùn)維成本.本文設(shè)計(jì)的備用電池組結(jié)合了電池和超級(jí)電容的優(yōu)勢，能夠滿足大電流放電的需求.通過LED負(fù)載和超級(jí)電容的有機(jī)組合，可實(shí)現(xiàn)電池模塊在線激活維護(hù)，有效延長電池的使用壽命.本文提出的方法對于其他設(shè)備備用電池模塊的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值.

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