蓄电池寿命评估技术研究

包 蕊

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

蓄电池寿命评估技术研究

包 蕊

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

综合考虑蓄电池实际应用情况及各项参数指标，采用模糊原理建立数学模型，并通过大量试验验证了该模型计算出的使用寿命与实际寿命误差小于10%，该技术能够对蓄电池寿命进行有效判断，提高了蓄电池的利用率，减少了投入成本。

蓄电池；寿命；模糊；评估技术

蓄电池寿命评估技术目前国内外还处于空白状态，因蓄电池运行寿命受运行环境、放电频率、放电深度、运行年限、维护技术、设计寿命、蓄电池生产商、生产工艺、型号等因素影响［1］，单一条件判断蓄电池运行寿命不现实。综合分析影响蓄电池实际运行寿命的因素，依据模糊理论建立蓄电池运行寿命模型是研究蓄电池寿命评估技术的核心。

1 影响蓄电池寿命的因素

1.1 放电深度

变电站站用交流电停电后，蓄电池组为二次负载提供直流电源［2］。当蓄电池被过度放电时，将导致蓄电池阴极硫酸盐化形成硫酸铅晶体。硫酸铅本身是一种绝缘体，阴极形成的硫酸铅越多，蓄电池的内阻［3］越大，充放电性能越差，容量下降越快，使用寿命越短。

1.2 运行条件

蓄电池在高温下长期使用，温度每升高10℃，寿命将降低50%。

1.3 放电频率

蓄电池频繁长时间放电，并经常在没有充满电的情况下进行深度放电，使蓄电池长时间处于亏电状态，内部极板硫化，导致蓄电池容量迅速下降，成为落后蓄电池。

1.4 荷电状态

蓄电池的荷电状态［4］SOC（State of charge）与蓄电池劣化程度、劣化模式、放电倍率、放电频率、温度等因素有关，因此，蓄电池荷电状态同样影响其使用寿命。

2 寿命评估技术研究

蓄电池因为设计、生产工艺不同，可能在使用中突然出现故障，这种使用寿命的提前终止情况，一般在故障出现时才能诊断出来，不能提前预测。

本文提供了一种根据蓄电池放电容量计算容量衰减比，得到当前蓄电池的老化系数，进而根据老化系数评估蓄电池的寿命的方案。蓄电池的寿命采用蓄电池的老化系数来表征，用蓄电池的当前容量与蓄电池的初始容量比值表示。

2.1 蓄电池老化系数研究

蓄电池测试发现，蓄电池老化模型类似于电压容量放电曲线，在放电曲线中，记录了N点的电压、容量、电流、温度。

设第1次电压容量放电曲线第i点电压为V1i、容量为C1i、电流为I1i、温度为T1i、老化系数β1i为1，第m次电压容量放电曲线第i点电压为Vmi、容量为Cmi、电流为Imi、温度为Tmi，如0.8＜Imi／I1i＜1.2，则第m次蓄电池容量计算公式为

第m次电压容量放电曲线第i点老化系数βmi计算公式为

第m次老化系数为

2.2 蓄电池寿命模型的建立

蓄电池使用寿命受设计工艺、使用条件、环境温度、充电模式等因素影响。综合考虑影响寿命的因素，利用模糊理论建立1个通用性较强的数学模型，从而对蓄电池的寿命进行研究，通过函数图发现，循环寿命的图像特性接近幂函数的图像特性，因此，确定隶属函数为幂函数，使其具有较高的隶属度，模糊系统架构如图1所示。

图1 模糊系统的架构

首先需确定1个集合：D＝｛y（xi，xj）｜i，j＝1，2，3，…，n｝，其中i≠j，xi，xj为模型的输入量，y为模型的输出量，自适应模糊推理系统包括3层。

第1层：

∂n＝S（xi）隶属函数xi应符合幂函数的数学关系

第二层：

第三层：

x为模型的输入量［5］，与SOC（实际容量）、温度T、放电截止电压、蓄电池老化系数有关，y为蓄电池循环寿命次数，a、b、c、d、p、q矫正系数需通过实际试验数据验证确定范围，主要受蓄电池放电深度、放电频率、放电电流、环境温度、生产工艺、厂品型号等因素影响。训练样本应尽可能覆盖模型的输入空间，蓄电池要在不同使用条件和环境下进行测试，以验证模型的自适应性。模型建立所需数据样本获取工作量较大，本文选择具有代表性的数据进行举例。

2.3 试验方案

a.分别以使用年限为3～6年，容量在80%以上，相同品牌按照使用年限分成2类，共4组分别用于寿命试验。

b.试验使用智能放电负载、高精度万用表、直流开关电源系统。

c.每组电池按放电率为C10（10 h放电），C5（5 h放电），C15（15 h放电）进行试验。

d.放电频率为1天，即每天均进行放电试验。

e.放电截止电压为1.8 V，放电温度控制在25℃，并记录放电测试数据。

f.当容量在额定容量80%以下时，停止放电，计算放电次数。

3 试验数据分析

3.1 实测数据

分别对2个生产厂家运行5年和6年的300 AH蓄电池进行寿命评估试验，试验结果如表1～表4所示。

表1 厂家1运行5年寿命评估表

表2 厂家1运行6年寿命评估表

表3 厂家2运行5年寿命评估表

表4 厂家2运行6年寿命评估表

3.2 实测数据与评估数据对比

以3个厂家为例预测蓄电池寿命如表5所示，同时将预估寿命与实际寿命对比，结果如图2所示。

表5 蓄电池寿命预测结果

图2 寿命预测值与实际值比较

由图2可以看出，预测值与实际值相差不大，误差低于10%，该评估技术可行。

4 结束语

本文提出的蓄电池寿命评估数学模型，当放电深度、放电频率、放电电流及温度等参数确定后，即可通过SOC剩余容量推算出蓄电池的剩余寿命，误差在10%以内。该模型可根据蓄电池的使用条件预估使用寿命。

［1］ 马 勇，王艳慧.电厂厂用蓄电池组的选型［J］.东北电力技术，2005，26（10）：45－47.

［2］ 陈 曦，张晓东，耿宇钵.蓄电池在线监测系统的设计［J］.东北电力技术，2005，26（7）：38－41.

［3］ 王秀霞.固定型阀控式铅酸蓄电池组充放电试验与运行状况分析［J］.东北电力技术，2009，30（1）：31－33.

［4］ 高安同，张 金，陈荣刚，等.锂离子电池荷电状态估算及剩余寿命预测［J］.电源技术，2014，28（6）：15－19.

［5］ 吕 超，刘珊珊，沈 杰，等.锂离子电池等效电路模型的比较研究［J］.电源技术应用，2013，12（11）：26－29.

Battery Life Assessment Technology Research

BAO Rui
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper，considering the actual application situation and the battery parameters，sets up the principle of fuzzy mathe⁃matics model.It verifies through massive experiments the service life and real life error less than 10%by the model calculation.The technology can effectively judge the life of battery，improve the utilization rate of battery and reduce the cost.

Battery；Lifetime；Fuzzy；Evaluate technology

TM912

A

1004－7913（2015）04－0022－03

包 蕊（1981—），女，硕士，高级工程师，从事二次设备研究。

2015－02－10）