CAT蓄电池有源伴随修正系统的研究与应用

蓄电池在电气设备的生产运行中是至关重要的设备，关系着整个电气系统是否平稳、可靠运行的关键环节，因此蓄电池的运行状况是至关重要的。蓄电池在长时间使用过程中，不可避免的会出现过充或过放现象，导致电池单体呈现不均一性，严重时存在若干单体性能急剧下降，影响整个电池组的性能。因此，通过专业设备提高蓄电池组的供电可靠性对电气设备稳定运行极为重要。

2 研究背景及目标

根据连续几年的蓄电池检修情况分析，蓄电池组在每年的检修过程中均会发现部分单体蓄电池组容量偏低。任何一个单体性能偏差都会对整个电池组造成直接影响，加剧整体电池组老化，影响蓄电池组的正常运行，以往新旧不同、规格不同、批次不同的蓄电池不宜同组串联混用，简单的整合办法也使退役蓄电池难以充分利用，一般直接报废处理，造成了电池的浪费。以24V电源组为例，1组24V电池组（12节2V单体电池串联）中单体电池损坏，整组更换电池，换下来各项参数正常的蓄电池无法与其他新电池匹配工作，这样就导致浪费了相当一部分电池的经济价值，使蓄电池维护成本大大提高。

因此研究一种可以实现管控并修正所辖具有缺陷单体蓄电池的电气性能和参数，使其对外表现形式上等效于完好的蓄电池，有效地避免短板电池的雪崩效应，保证蓄电池使用性能，延长使用寿命，提高系统安全性。并且可以针对性的监测、评估、调控所辖蓄电池工作状态与性能，实现所辖电池单体和整组电池组的可控、可靠、完全自由的远近端运维。

3  原理及应用

    针对蓄电池组在使用中存在的痛点，研究一种在线式的实时监测和管护蓄电池组及其单体的管控系统：“伴随式蓄电池在线监测和效能保障系统”，能够解决蓄电池组应用痛点问题。其原理如下：为每节电池单体配置一个能够自动监测并调控能量的伴随模块，以确保蓄电池单体的差异化被伴随模块修正，从而避免短板蓄电池单体的产生和影响，切断蓄电池短板的恶性循环。

3.1 原理

系统原理：不论电池单体的性能是否存在差异，伴随系统主动控制并钳定了每个蓄电池单体的电压，确保了电池组每只蓄电池单体的充放电的工作电压的一致性。避免了短板电池的产生、打断了短板电池的雪崩效应，从根本上解决了蓄电池单体不均衡的影响。

3.2伴随式蓄电池监测与效能保障系统主要功能：

3.2.1监测系统中单体蓄电池的电压、温度、内阻等性能参数，实时掌控蓄电池工作状态。

3.2.2主动均衡蓄电池单体电压，解决由于电池单体参数的离散性问题，使每个单体能够达到最佳的充放电状态，最大限度的延长了每个单体电池的寿命，避免出现短板电池造成的雪崩效应。

3.2.3蓄电池组内核容搬运，实现短板电池的实时能量补充，利用蓄电池现有能量，最大限度的延长系统备电时间。

3.2.4蓄电池单体断路或缺失的状态下，伴随系统保障供电系统对外输出不受影响。大幅提升了蓄电池组的可靠性，避免了串联电池组一损俱损的先天不足，为蓄电池组在极端情况下的供电提供了关键保障。

通过监测单体电池的运行时的工作电压、温度、内阻，按照蓄电池标准的充放电模型，实时调整自身工作参数，不论目标电池的优劣程度如何，只要不是短路，均能使蓄电池和伴随模块并联组成的联合体的输出特性与性能完好的蓄电池相同。

3.3蓄电池伴随式性能修正系统由伴随式蓄电池性能修正模块、中心控制模块和监控平台组成（简称伴随系统）。其组成结构如下：

3.4  应用

   在近年检修的蓄电池测试中发现某处蓄电池容量过低，蓄电池容量为2000AH，报告中放电容量4小时*110A=440AH，放电容量为蓄电池容量的22%，远低于标准要求放电80%容量，判断为此蓄电池组性能不合格。因此选取此处蓄电池为测试点。

目前现有2组共24节2V/1000AH蓄电池，每只蓄电池需安装一个伴随模块，由伴随系统控制主机管控，系统具体配置如下：

3.4.1验证测试项目及指标

3.4.1.1电压检测

启动伴随系统，通过伴随系统的监控观测蓄电池组中单体电池的电压值，在任意电池上使用高精度电压测量仪器测量单体电压值并记录，同时通过本地监控读取对应电池电压值进行比较，比较伴随系统的测试精度。

测试内容：安装伴随系统后，各单体电池电压检测值应当与高精度电压测量仪器基本一致。

结论：蓄电池单体电压监测，其中个别单体电池监测电压最大差值 4mV，因此，伴随设备电池电压检测精度≤0.17%。安装伴随系统后，各单体电池电压检测值与高精度电压测量仪器基本一致。

3.4.1.2蓄电池组效能提升功能

蓄电池组中，单体电池电压一致性较差时，伴随系统启动进行电池电压主动管控，可有效平衡电池组中单体电池电压。当蓄电池组中单体电池一致性较好时，系统处于静默节能状态，可有效的降低系统损耗，保障负载设备续航时间。

蓄电池组中，单体电池电压极差值（最大值与最小值之间的差值）大于20mV时，伴随系统启动进行电池电压主动管控。当不满足管控条件时，系统具备低功耗休眠模式。（休眠时间18min，工作时间2min，周期为20min）

测试指标：蓄电池组中，单体电池电压极差值（最大值与最小值之间的差值）大于20mV时，伴随系统启动进行电池电压主动管控。

结论：蓄电池组中出现单节或多节短板电池时，受短板电池影响，整组蓄电池放电时间大大缩短，同等工况的前提下，加入伴随系统，放电时间由 55 分 37 秒，提升至 1 小时 57 分 17 秒，放电时间是原先的 2.13 倍，有效地说明了伴随式蓄电池监测与效能保障系统对蓄电池效能提升的作用。

3.4.1.3蓄电池组备电时间估算功能

使用蓄电池放电测试仪对蓄电池进行放电测试，得出备电时间的测试结果。将伴随系统对蓄电池组的备电时间和蓄电池放电测试仪测量蓄电池的备电时间进行比较。

测试指标：经过多次蓄电池组充放，对蓄电池现有状态通过神经网络算法进行蓄电池备电时间测算。将伴随系统对蓄电池组的备电时间和蓄电池放电测试仪测量蓄电池的备电时间进行比较，伴随系统可实现对蓄电池组的实时备电时间估算的功能。 

使用蓄电池放电测试仪对蓄电池进行放电测试，放电结束，累计时长为1小时57分15s，伴随系统放电开始备电时间估算为3小时38分钟，当放电截至时备电时间估算值差为1小时50分钟，而放电测试仪真实的放电时间为1小时57分钟，两者误差为7分钟。

结论： 对蓄电池现有状态，伴随系统通过神经网络算法进行蓄电池备电时间测算。

将伴随系统对蓄电池组的备电时间和蓄电池放电测试仪测量蓄电池的备电时间进行比较，两者相差7分钟，因此，伴随系统可实现对蓄电池组的实时备电时间进行估算。

3.4.1.4  验证蓄电池单体均衡功能

伴随系统不工作，模拟蓄电池组中单体电池不均衡，检测电池组中单节电池电压并做记录。启动伴随系统，同等模拟工况，检测电池组中单节电池电压并做记录。比较两种工作模式下，蓄电池组中单体电压的变化趋势。观测伴随系统不工作，蓄电池组单体压差均一性差；而启动伴随系统后，蓄电池各单体的电压趋近一致。

结论: 蓄电池 1#，5#，9#，11#分别接入单体放电负载，负载电流均为分别为 25A左右，加大不均衡程度，伴随系统介入后，分别主要对 1#，5#，9#，11#号电池进行了 30A、26A、18A、23.7A 的补偿电流，其他电池受平均电压降低影响，给母线放电降低单体电池电压，使得电池组钟单体电压值均衡，伴随介入前，电池单体极差值为 113mV，伴随介入后，电池单体极差值为 16mV。电池单体一致性较好。

3.4.1.5  验证蓄电池可靠性保障功能  

在伴随模块正常工作中，模拟蓄电池单体意外损坏的极端情况，将其中多节电池单体切出电池组，观测系统对外输出电压及电流值是否发生变化。

接入伴随系统后，分时或同时切出多只电池单体，系统的输出电压和电流应能够维持不变。说明伴随系统能够克服电池单体损坏造成的影响，避免了串联电池组一损俱损的先天不足，为蓄电池组在极端情况下的供电提供了关键可靠性兜底保障。

结论：伴随系统加入后，即使在蓄电池组中多个单体发生断路的极端状况下，仍然能够使蓄电池组的输出性能维持不变。可见，伴随系统杜绝了因蓄电池单体故障引发的断电或降效问题，保证了蓄电池组在极端情况下也不会突然断电，实现了蓄电池组工作可靠性的兜底。

4  总结

传统放电模式下，整组电池放电过程中，因个别短板电池限制了蓄电池组能量的输出，严重的影响了系统备电时间。伴随系统能够根据蓄电池各单体的性能情况，对每个蓄电池单体实施差异化充放电管理， 采用核容搬运技术向落后电池转移能量，确保放电期间每节单体电池容量的一致性，在不损伤电池的基础上，最优化延长系统放电时间。极端情况下，即使蓄电池严重劣化，仍可保证并最大限度地维持系统原有输出电压、电流不变，实现备电的可靠性兜底，为维修维护挣得充分的时间。

通过本次对伴随式蓄电池监测与效能保障系统的验证，伴随系统解决了目前站点蓄电池使用中的以下关键问题：

4.1 解决了蓄电池组中个别蓄电池劣化造成的整体蓄电池组性能的降低，大幅提高了原蓄电池的续航时长。

4.2 解决了蓄电池组因任意单体的损坏，造成供电停止的问题，实现了供电可靠性兜底。

4.3 实现了放电时电池单体的均衡，减缓了蓄电池老化衰减速度，并且有效的活化了单体电池，提升了电池的充放电性能。

4.4实现了对铅酸蓄电池组及其单体的实时监控，通过远程监控平台对站点蓄电池各单体的数据采集处理，提高了运维能力，减轻了运维压力。

4.5 在对蓄电池组维保时，伴随系统能够更加彻底的放出每节单体可放出的最佳的电量，提高了老旧蓄电池组的充放电循环的质量，激活并改善电池极板的化学状态，提升蓄电池维保的效果。