李用駿，陀新輝，元鵬

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息通信分公司，?？?570203；2.南京南瑞信息通信科技有限公司，南京 210006； 3.南京華蘇科技有限公司，南京 210006）

引言

蓄電池是一種可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，它是一種按照可再充電進(jìn)行設(shè)計(jì)的電池，利用可逆的化學(xué)反應(yīng)來(lái)進(jìn)行再充電[1]。蓄電池具有體積小、電壓穩(wěn)定、無(wú)污染、維護(hù)量少、放電性能好等特點(diǎn)，經(jīng)常被作為各種領(lǐng)域的供電設(shè)備的備用電源，以保證系統(tǒng)負(fù)載的穩(wěn)定、可靠性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生正常停電時(shí)，可以及時(shí)地對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，從而避免了一級(jí)負(fù)載停電事故造成的一系列不良后果。蓄電池的健康狀態(tài)可靠性直接決定了蓄電池的工作穩(wěn)定性，同時(shí)也影響了蓄電池對(duì)應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境的供電效果，為此提出蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法。

健康狀態(tài)可靠性評(píng)估就是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成預(yù)定功能能力的量化評(píng)估過(guò)程。現(xiàn)階段發(fā)展較為成熟的電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法包括：基于模糊邏輯的電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法、基于多特征融合的電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法和基于RLS和CKF算法的電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法，然而上述傳統(tǒng)評(píng)估方法在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在評(píng)估效果不佳的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在評(píng)估偏差大、評(píng)估結(jié)果應(yīng)用價(jià)值低等方面，其主要原因是蓄電池實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)采集難度較大，為解決上述傳統(tǒng)評(píng)估方法存在的問(wèn)題，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過(guò)信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法進(jìn)行優(yōu)化，以期能夠提升對(duì)蓄電池健康狀態(tài)可靠性的評(píng)估性能，間接的為電網(wǎng)工作中蓄電池的選擇以及蓄電池維修工作提供有效參考。

1 蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法基本運(yùn)行原理為：將蓄電池評(píng)估目標(biāo)接入到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取蓄電池的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)的采集結(jié)果為數(shù)據(jù)支持，在考慮健康狀態(tài)可靠性影響因素的情況下，計(jì)算可靠性評(píng)估指標(biāo)的具體取值，結(jié)合評(píng)估指標(biāo)權(quán)重值，得出蓄電池健康狀態(tài)可靠性的精準(zhǔn)評(píng)估結(jié)果。

1.1 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集蓄電池工作數(shù)據(jù)

蓄電池的內(nèi)部由正極板、負(fù)極板、隔板、電解質(zhì)、正負(fù)極接頭、安全閥、外殼等構(gòu)成，正極板和負(fù)極板都是用鉛-銻-鈣合金制成的，不過(guò)正極板中含有氧化鉛，負(fù)極中含有海綿狀的纖維，所以蓄電池的容量可以保持很長(zhǎng)一段時(shí)間，同時(shí)也可以降低電池的自放電率。分隔器通常由具有絕緣性的微細(xì)玻璃棉制成，可確保正、負(fù)極之間不發(fā)生短路。蓄電池中使用了硫酸作為電解質(zhì)，以確保電池中的電子能夠在正負(fù)電極之間進(jìn)行交換。安全閥是用高耐酸、耐老化的合成橡膠制成，以確保電池內(nèi)壓力正常，防止氧的進(jìn)入[2]。蓄電池的外殼通常采用PVC、丙烯酸等材質(zhì)，外形更是千奇百怪，但功能卻大同小異，起到支撐電極、儲(chǔ)存電解質(zhì)的作用。同時(shí)還可以對(duì)鉛酸電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，防止其破壞，確保電池的長(zhǎng)期續(xù)航。蓄電池的工作可以分為充電和放電兩個(gè)過(guò)程，充電、放電的過(guò)程均是通過(guò)蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)完成，該過(guò)程是依靠正極板活性物質(zhì)和負(fù)極板活性物質(zhì)在電解液的作用下進(jìn)行。蓄電池在放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)原理為：

式中：

ypositiveelectrode、ynegative electrode和ydischarge—蓄電池中正極、負(fù)極以及總反應(yīng)方程，公式（1）的逆過(guò)程即為蓄電池在充電過(guò)程中的工作原理[3]。

在考慮上述蓄電池工作原理的情況下，在蓄電池內(nèi)部安裝物聯(lián)網(wǎng)元件，實(shí)現(xiàn)蓄電池在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的接入。蓄電池所處物聯(lián)網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蓄電池物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境層次結(jié)構(gòu)圖

利用蓄電池接口連接工作數(shù)據(jù)采集電路，具體的工作采集數(shù)據(jù)包括電壓、電流、液壓、溫度等。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，得出蓄電池在任意時(shí)刻的工作電壓為：

式中：

Uport(t)—t時(shí)刻蓄電池的端口電壓；

R1和R2—蓄電池電壓采集物聯(lián)網(wǎng)元件中的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻；

κInternetofThings—物聯(lián)網(wǎng)傳輸系數(shù)[4]。

同理可以得出物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中蓄電池在任意時(shí)刻的電壓工作數(shù)據(jù)采集結(jié)果，按照上述方式可以獲得電流、液壓等其他工作數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集結(jié)果。

1.2 確定蓄電池健康狀態(tài)可靠性影響因素

在蓄電池不斷的循環(huán)使用過(guò)程中，其內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)也會(huì)不斷的進(jìn)行，這會(huì)導(dǎo)致電池的電解液及電池的正負(fù)極材料的消耗而降低，再加上其所產(chǎn)生的不良副作用，會(huì)導(dǎo)致蓄電池的健康狀態(tài)可靠性不斷下降[5]。影響電池健康狀態(tài)可靠性的因素如圖2所示。

圖2 蓄電池健康狀態(tài)可靠性影響因素示意圖

在電池充放電過(guò)程中，電解質(zhì)和正負(fù)極板之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)。其中有一小部分反應(yīng)是不可逆的，生成的氧化物沉積在極板上，不再參與到蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)際能繼續(xù)進(jìn)行充放電的那部分物質(zhì)減少，導(dǎo)致鋰離子電池容量降低[6]。從化學(xué)的角度來(lái)看，溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行有著極大的影響，溫度與反應(yīng)速度之間的關(guān)系可以量化表示為：

式中：

υattenuation—蓄電池正/負(fù)電極的衰減速率；

E、R、T—蓄電池化學(xué)反應(yīng)活化能、總電阻和工作環(huán)境溫度值；

f—頻率因子。

從公式（3）中可以看出，蓄電池工作環(huán)境溫度越高，對(duì)應(yīng)蓄電池電極的反應(yīng)速度越快，即工作環(huán)境溫度與蓄電池反應(yīng)速度之間存在正相關(guān)關(guān)系。同理可以得出圖3中其他影響因素的作用原理與屬性。

圖3 5v100ah蓄電池工作數(shù)據(jù)樣本

1.3 選擇并計(jì)算蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)

在考慮蓄電池健康狀態(tài)可靠性影響因素的情況下，從影響因素、健康狀態(tài)直觀表現(xiàn)鏈各個(gè)方面，選擇蓄電池健康狀態(tài)的可靠性評(píng)估指標(biāo)，部分可靠性評(píng)估指標(biāo)的設(shè)置情況如表1所示。

表1 蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)設(shè)置表

表1表示的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)中電動(dòng)勢(shì)指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

式中：

D0—標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)；

αFaraday—法拉第常數(shù)；

、—硫酸和水的相對(duì)密度值[7]。

開(kāi)路電壓和端電壓指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中：

Uwork、UΩ、Upolarization—蓄電池的工作電壓、歐姆阻抗電壓和極化阻抗電壓；

W+和W-對(duì)應(yīng)的是正極和負(fù)極電位[8]。

另外蓄電池容量指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程可以量化表示為：

式中：

I—蓄電池的放電電流；

tdischarge—蓄電池放電到對(duì)應(yīng)終止電壓所用的時(shí)間。

按照上述方式可以確定表1中所有選擇蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算方式，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的工作數(shù)據(jù)代入到上述計(jì)算公式中，確定各個(gè)可靠性評(píng)估指標(biāo)的具體取值。

1.4 計(jì)算蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

采用層次分析法計(jì)算蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重值，AHP的基本思路是把構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的多因子綜合權(quán)重的評(píng)判轉(zhuǎn)化為對(duì)各個(gè)因子綜合權(quán)重的“兩兩比較”，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對(duì)各個(gè)因子綜合權(quán)重的評(píng)判，并最終確定各個(gè)因子的權(quán)重[9]。任意蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重的計(jì)算公式為：

式中：

z(i)—指標(biāo)權(quán)值；

nindex—設(shè)置的任意蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)數(shù)量。

將各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)值數(shù)據(jù)代入到公式（7）中，即可得出所有評(píng)估指標(biāo)權(quán)重值的計(jì)算結(jié)果。

1.5 實(shí)現(xiàn)蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估

蓄電池的荷電能力是蓄電池健康狀態(tài)可靠性的直觀參數(shù)，蓄電池荷電能力的評(píng)估結(jié)果為：Q

式中：

Qrated—蓄電池的額定容量。

融合蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估指標(biāo)和權(quán)重值的計(jì)算結(jié)果，得出可靠性的量化評(píng)估結(jié)果為：

將相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果代入到公式（9）中，即可完成蓄電池健康狀態(tài)可靠性的量化評(píng)估[10]。將蓄電池的健康狀態(tài)可靠性劃分成四個(gè)等級(jí)，四個(gè)等級(jí)的閾值設(shè)置情況如下：

式中：

K1、K2、K3、K4—蓄電池健康狀態(tài)可靠性的四個(gè)等級(jí)。

將公式（9）的計(jì)算結(jié)果代入到公式（10）中，即可確定當(dāng)前蓄電池健康狀態(tài)的可靠性等級(jí)。最終將可靠性綜合取值和等級(jí)的評(píng)估結(jié)果以可視化的形式輸出。

2 實(shí)證分析

為了測(cè)試優(yōu)化設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法的評(píng)估效果，設(shè)計(jì)實(shí)證分析實(shí)驗(yàn)，此次實(shí)驗(yàn)的基本思路是：選擇蓄電池評(píng)估對(duì)象，并設(shè)置蓄電池的健康狀態(tài)可靠性的實(shí)際值，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下獲取蓄電池的工作數(shù)據(jù)，將其代入到優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)估方法中，得出蓄電池健康狀態(tài)可靠性的評(píng)估結(jié)果。由于優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)估方法主要用來(lái)判斷蓄電池是否需要執(zhí)行維修操作，從而為電網(wǎng)中蓄電池設(shè)備的選擇提供輔助參考，因此將優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性評(píng)估方法應(yīng)用到實(shí)際的電力設(shè)備維修與選擇工作中，判斷評(píng)估方法應(yīng)用前后電網(wǎng)環(huán)境的運(yùn)行性能變化情況，從而體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)估方法的應(yīng)用性能。

2.1 準(zhǔn)備蓄電池可靠性評(píng)估對(duì)象

此次實(shí)驗(yàn)選擇多個(gè)不同電壓等級(jí)的蓄電池作為評(píng)估對(duì)象，選擇蓄電池的具體型號(hào)包括5v100ah理士蓄電池、12v100ah理士蓄電池、30v100ah理士蓄電池、36v100ah理士蓄電池和60v100ah理士蓄電池，所有蓄電池對(duì)象的電流范圍為（0～12）A，測(cè)試精度與穩(wěn)定度均為±0.05 %，最小脈沖寬度為 500 ms，單脈沖工步可以實(shí)現(xiàn)從充電到放電的連續(xù)切換。蓄電池對(duì)象的放電截止電壓和充電截止電壓分別為2.8 V和4.6 V最大放電倍率為5 C。

2.2 生成蓄電池工作數(shù)據(jù)樣本

將準(zhǔn)備的蓄電池評(píng)估對(duì)象調(diào)整至不同的健康狀態(tài)，確定對(duì)應(yīng)狀態(tài)下可靠性評(píng)估指標(biāo)的具體取值。在不同的健康狀態(tài)下獲取蓄電池的工作樣本數(shù)據(jù)，其中5v100ah理士蓄電池的電壓和電流數(shù)據(jù)樣本的生成結(jié)果，如圖3所示。

按照上述方式可以得出所有蓄電池樣本所有工作數(shù)據(jù)的生成結(jié)果。

2.3 布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境

優(yōu)化設(shè)計(jì)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為技術(shù)支持，因此需要在蓄電池的運(yùn)行環(huán)境中布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。實(shí)證分析實(shí)驗(yàn)中布設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)由物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備、通信端口、云平臺(tái)和應(yīng)用程序組成，物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備主要包括智能電壓表、智能電流表、溫度傳感器等，物聯(lián)網(wǎng)采用專網(wǎng)傳輸方式，接入網(wǎng)關(guān)，并由防火墻統(tǒng)一分配接入物聯(lián)內(nèi)網(wǎng)IP。在一系列物聯(lián)硬件設(shè)備的支持下，得出蓄電池環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行平臺(tái)。實(shí)證分析實(shí)驗(yàn)中布設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中包含1臺(tái)物理防火墻、1臺(tái)三層交換機(jī)和5臺(tái)資源服務(wù)器，用來(lái)支持物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸工作。

2.4 描述實(shí)證分析過(guò)程

優(yōu)化設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法的開(kāi)發(fā)選擇 Coremi7-7700HQ CPU@29GHz，內(nèi)存l6 G，NVIDIA的GTX1050Ti4G作為硬件支持。蓄電池在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的接線情況，如圖4所示。

圖4 蓄電池接線實(shí)景圖

軟件使用的是Windows10和 Pycharm社區(qū)版2020的編譯環(huán)境，完成評(píng)估方法軟件程序的開(kāi)發(fā)，將蓄電池樣本及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果輸入到評(píng)估方法的運(yùn)行程序中，得出蓄電池健康狀態(tài)可靠性的輸出結(jié)果。圖5為5v100ah蓄電池的健康狀態(tài)可靠性的評(píng)估結(jié)果。

圖5 5v100ah蓄電池的健康狀態(tài)可靠性評(píng)估結(jié)果

按照上述方式可以得出所有蓄電池樣本的健康狀態(tài)可靠性評(píng)估結(jié)果。為體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在評(píng)估效果方面的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置傳統(tǒng)的基于模糊邏輯的電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法和基于多特征融合的電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比方法，按照上述流程完成對(duì)比方法的開(kāi)發(fā)并得出相應(yīng)的評(píng)估輸出結(jié)果。

2.5 設(shè)置評(píng)估效果測(cè)試指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置評(píng)估效果的測(cè)試指標(biāo)為蓄電池健康狀態(tài)可靠性相關(guān)參數(shù)的評(píng)估誤差和應(yīng)用評(píng)估方法后蓄電池所處電網(wǎng)環(huán)境的運(yùn)行穩(wěn)定系數(shù)，其中健康狀態(tài)可靠性參數(shù)評(píng)估誤差的數(shù)值結(jié)果如下：

式中：

Uopencircuit、Uopencircuit-set—開(kāi)路電壓的評(píng)估值和設(shè)置值；

Q、Qset—蓄電池容量的評(píng)估值和設(shè)置值。

計(jì)算得出參數(shù)評(píng)估誤差越大，證明對(duì)應(yīng)方法的評(píng)估效果越優(yōu)。另外電網(wǎng)環(huán)境運(yùn)行穩(wěn)定系數(shù)的測(cè)試結(jié)果為：

式中：

U(t )和U(t-1)—t和t-1時(shí)刻的電網(wǎng)電壓；

Uavg—平均電壓值；

ttest—測(cè)試時(shí)間。

計(jì)算得出電網(wǎng)環(huán)境運(yùn)行穩(wěn)定系數(shù)越高，證明對(duì)應(yīng)評(píng)估方法的應(yīng)用性能越優(yōu)。

2.6 實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出反映蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估誤差指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 反映蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估誤差測(cè)試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到公式11中，得出三種評(píng)估方法的平均開(kāi)路電壓評(píng)估誤差分別為0.40 V、0.22 V和0.06 V，平均容量評(píng)估誤差分別為7.2 mah、3.8 mah和0.2 mah。將評(píng)估方法應(yīng)用到蓄電池的維修與選擇工作中，得出應(yīng)用不同評(píng)估方法前后，對(duì)應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境運(yùn)行穩(wěn)定系數(shù)的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法應(yīng)用性能測(cè)試結(jié)果

從圖6中可以看出，通過(guò)蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法的應(yīng)用能夠有效提升對(duì)應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，與兩種傳統(tǒng)評(píng)估方法相比，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓄電池健康狀態(tài)可靠性評(píng)估方法對(duì)應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行系數(shù)更高，由此證明優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)估方法具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

蓄電池作為主要的動(dòng)力源，是電網(wǎng)環(huán)境中的關(guān)鍵部件，為了更加高效的、科學(xué)的、合理的、安全的使用蓄電池，需要對(duì)蓄電池的健康狀態(tài)可靠性進(jìn)行評(píng)估。在此次研究中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)蓄電池工作數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，從而提高健康狀態(tài)可靠性的評(píng)估精準(zhǔn)度和參考價(jià)值。