一种智慧蓄电池

黄世回，王汝钢，白海江，杨忠亮

（1.深圳普禄科智能检测设备有限公司，广东 深圳 518067；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

一种智慧蓄电池

黄世回1，王汝钢1，白海江1，杨忠亮2

（1.深圳普禄科智能检测设备有限公司，广东 深圳 518067；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

蓄电池的人工方式测试过程存在操作危险性，接线错误可能造成蓄电池短路伤及人员，损毁电池。本文介绍了一种“智慧电池”，为蓄电池嵌入“大脑”，并且采用一种基于嵌入式技术，结合物联网技术、电力线载波通信技术的蓄电池测试新方法，使用者就可以随时随地掌握电池的状态。“智慧电池”提升了蓄电池管理智能化水平，进一步解决因人工安装，复杂接线带来的安全事故问题。

智慧电池；电池管理系统；物联网；电力载波通信；嵌入式；荷电状态；健康状态

0　引言

在电力、通讯、交通等领域，各类大型的蓄电池广泛作为储能、直流供电电源、不间断电源系统（UPS）、应急电源系统（EPS）等使用［1］。蓄电池的检测按照测试操作方法可分为人工测试和在线测试两类。人工检测多数用手持式检测仪表。在线监测时，检测设备独立于蓄电池之外，工程上需要专业人员处理复杂繁冗的接线，若接线失误则可能造成蓄电池突发事故，存在一定的安全隐患。本文提出一种“智慧电池”的概念，在传统的蓄电池结构里中，嵌入有智慧的“大脑”，让电池自己能提供出相关状态参数：电压、等效内阻、电极温度、实际容量、荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）等，从而不需要额外复杂的接线，而是通过电力线载波技术来实现蓄电池组内所有单体电池状态的数据传输。

1　传统蓄电池与其检测

蓄电池是一种电化学储能装置，能够实现化学能跟电能可逆转变的二次电池。人们看到的蓄电池是密封好的外壳，只露出电极而已。显然，对于使用者来说，面对的就是一块“黑箱”，纯粹就是提供电能和储存电能。人们为了更好认知这个“黑箱”，便于方便安全的应用，建立了其等效电路的模型，模型中的等效元件都是模拟蓄电池内部电化学反应的电气特性。最常见是 Thevenin 等效电路模型（图1），其中：E 代表理想蓄电池电动势；R1代表电极与电解质之间的非线性电阻，也称为欧姆电阻；R2为反应蓄电池内部极化效应的极化电阻；C2代表极化电容。人们建立蓄电池等效电路模型后，就可以有的放矢地研究其检测技术了。

图1　蓄电池 Thevenin 模型

估计蓄电池状态参数，特别像是sOC和SOH，不是一件简单的事［2］。SOC和sOH 跟蓄电池电压、充放电电流、内阻、环境温度等有着复杂的关系，大多数手持仪表很难准确估计。对于大型的蓄电池组，安装在线的电池监测系统需要敷设大量的测试线、通信线、电源线等，施工复杂，维护工作量大，成本高。首先，接线容易出错，造成蓄电池短路，损毁电池，烧毁设备，甚至击伤安装人员；其次，这些检测线接法不同（有的直接用端子固定在电极，有的用电夹夹在电极上），对检测的结果有很大影响，特别像内阻的测试，很是敏感；再者，电线本身还带来外加阻抗和压降，在现场环境，也极易受到其它高频电力设备的干扰。现有的蓄电池管理系统（BMS）是集监测与管理一体的，由于不同厂家的BMS 系统软件没有兼容性，检测的方法不一样，所以很难做到管理策略统一，没有确定的标准可循，不易于产品的推广。

2　智慧电池

鉴于工程上电池检测诸多不便，本文提出一种“智慧”电池的构想，即给传统电池装上“大脑”。所谓的“大脑”就是专门的控制检测模块。目前，市场上已经出现电池配有专门电源芯片的例子，某些消费类电子锂电池里面就有专门电源芯片，国外甚至开发出带有液晶片通过电压判断显示电量的锂电池，整个封装用户是看不到里面的电源芯片模块的；但是这些电源芯片一般只起到充放电保护电池的功能，还不具备更多的检测功能。“智慧”电池理念把传统电池管理系统的检测功能分离出来，做成单独的模块，嵌入到电池的整体结构中。这个模块存贮有电池的ID 信息，包括序列号、生产日期、额定容量、额定电压；同时还有电池的状态信息，包括电极温度、电压、欧姆电阻、极化电阻、极化电容以及估算出的sOH和sOC的性能参数。特别是对于蓄电池温度测试，温度传感器直接设在结构内部，准确地掌握电池内部温度参数。这就好比蓄电池被嵌入了一块“大脑”，能够提供自身的状态信息。在成组使用中，跟传统蓄电池的安装方法一样，智慧电池利用电池间的连接电力母线，也就是通过电力线载波通信技术（PLC）传输这些数据到每组电池或者多组电池总数据接受转接模块中，跟上位机终端（电池检测服务器）进行数据通讯，通讯模式包括以太网、RS485、GPRS 等。

从图2和图3 可以看到，对于自身带有检测模块的蓄电池，直接按照普通蓄电池那样进行连接，通过电力线载波通信技术，直接传送电池的状态数据，无需大量而又繁冗的外部测试线接入，保证了安装的简易性和安全性，整个安装现场整洁有序，同时相比大量外接测试线，大幅减少了环境噪声源干扰。每节单体智慧电池都有自己的“身份状态”信息，不需要人工再去接线检测。一旦电池出现不良，电池监测服务器会根据上传的数据进行判断并报警。

图2　智慧电池的结构示意图

图3　智慧电池的工程拓扑图

3　智慧电池应用的关键检测技术

3.1多频点测试技术

基于图1的Thevenin 等效电路模型，把模型中的各个参数辨识出来，是个很关键的任务。辨识电池的模型参数，一方面是为了更好地刻画电池的特性，另一方面是为了根据这些参数，特别是内阻信息，建立电池的sOC、SOH 数学模型，来估计SOC、SOH。为了准确地辨识出电池模型参数，智慧电池应用了多频点交流法内阻测试技术［3］。

电池是一个极为复杂的系统，放电及充电反应是复杂的化学及电化学反应过程，真正决定蓄电池容量的是电池的化学和电化学状态。根据如图1所示的蓄电池物理模型，我们可以写出其交流复阻抗公式（1）［3-4］：

其中，F为测试信号频率。由公式（1）可以看出，只要在不同的频率下进行测试，通过解联立方程，可以分别计算出蓄电池欧姆电阻、极化电阻、电容参数值，就能辨识出蓄电池模型。经过控制电路，产生两个不同频率F1、f2的正弦电流交流信号，同时在蓄电池两极柱捕获响应的同频交流电压信号，再经过系列数据信号处理最终得到蓄电池的模型参数。

3.2SOH 判断和基于kalmanfilter的sOC 最优估计

SOH 反映的是蓄电池的健康状态。其定义为，在规定的充放电协议下，蓄电池满充的最大容量与其额定容量的之比［5］，如公式（2）所示。其中：xSOH表示sOH的大小；Ca是蓄电池当前实际满充容量；Cn是蓄电池出厂额定容量。

目前，专门针对sOH 研究还比较少，最常见的方法就是核容放电，即对单体电池满充后，按照0.1C电流放电到规定截止电压，得到完全放出电量来计算sOH的值。考虑到用电安全，这种方法不适合 EPS 或者 UPS 等领域。通过大量测试实验，根据电池老化一定伴随着满充电压也有明显下降和内阻变大等现象，选取电压、内阻、极化电容作为变量，建立与sOH 之间的函数关系式：

SOC 反应的是蓄电池的荷电状态，即蓄电池在工作中实时剩余电量，放电过程sOC 至关重要，所以国内外对sOC 研究也非常之多。在公式（4）中：xSOC表示sOC的大小；Ca是蓄电池当前实际满充容量；Ca′是蓄电池实时容量。

采用KalmanFilter 算法，经过短时间的迭代，使得最优估计逼近回归到真实荷电量上来，解决了安时计量法由于初始电量不准确造成的误差累积，同时比单独用电压或者内阻法估计sOC 有更加良好的线性特性。通过工程实验得出，只要建立合理准确的蓄电池状态空间方程，由 Kalman 滤波算法得到的sOC 最优估计值误差就可控制在5％以内。如下式（5）和式（6）就是一组空间状态方程［1］。

状态方程：

观测方程：

式（5）中：xSOC为SOC 状态量；Ua为实时电压；△t为抽样时间间隔；η为放电效率；C2为极化电容；R2极化电阻；I为放电电流；w1、w2为噪声状态。式（6）中：Uo为开路电压；α、β为与xSOC的关系系数；v为观测噪声。

3.3物联网技术与电力线载波通信技术

物联网就是物物相连的互联网。其目的是实现物与物、物与人、所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制［6-7］。根据应用范围不同，它具有不同的复杂度和多样的形式。如图3所示的智慧电池工程拓扑图俨然是一个典型的三层结构模式的物联网结构，即有感控层—智慧电池、电流传感器、温度传感器等，网络层—数据接收转发、蓄电池监控服务器、数据库、以太网、本地终端等，应用层—客户智能终端、蓄电池监控管理等。

低压电力线载波（PLC）通信是利用输电线路为载波信号的传输媒介的特殊通信方式，其最大特点是不需要重新架设数据缆线网络，利用现有电力线，进行数据传递［8］。其本意是利用电网中输电线路，进行数据传输，但是在电网中，受到变压器、电力线固定脉冲干扰，相线中信号的损失衰减等限制大范围长距离应用空间。随着物联网技术的出现，特别随着智能家居系统、安保系统等局部范围系统应用的出现，电力载波通信又得到很大的发展应用空间。

相比之下，UPS 或者储能电站大型蓄电池应用环境是一个完整的线路系统，直流母线不存在如电网交流线路存在的固定干扰，在有限的传输范围内，电力载波不失为最佳的解决方案。智慧电池“大脑”中，应用TI 公司提供的专业载波芯片，支持FSK、BPSK、OFDM-PRIME、OFDM-G3电力载波（PLC）通信标准，即智慧电池可以采用PLC 通信标准与电池监测数据接收设备进行相互通信，但并不限于此，也可以采用其他标准的或用户自定义的PLC 通信协议，与电池监测数据接收设备进行相互通信。如图4所示，智慧电池连接中，电力线载波信号传输示意。电力线载波信号采用高频信号。智慧电池、智慧电池间的连接线、正负直流母线和电池监测数据接收设备构成了一个环路。电池监测数据接收设备发送的电力线载波信号，所有智慧电池都可以接收到；每个智慧电池发送的电力线载波信号，电池监测接收设备也可以接收到（单双工）。电池监测接收设备及所有智慧电池的监测模块都设有不同的地址，且电力线载波信号发送设备发送的信号含有目标地址及源地址，只有与目标地址符合的设备才返回应答信号（该设备返回的应答信号中同样含有目标地址及源地址）。

图4　智慧电池工程拓扑图

4　结束语

每一智慧电池通过其他智慧电池、智慧电池间的连接线、正直流母线和负直流母线，将检测到的电池本体的性能参数以及该智慧电池的ID 信息以电力线载波通信方式发送给电池监测数据接收设备，实现了电池状态信息互联。电池使用者及管理者可以随时掌握每一只电池当前的状态数据，提高了供电系统的安全性和可靠性。采用智慧电池及其监测系统和监测方法时，不必增加任何测试线，完全不用改变电池传统的连接方式及使用方式。它可应用于电力、通讯、交通等领域的各类蓄电池的全生命周期的监控管理，极大地提升了蓄电池管理的智能化自动化水平。

［1］何小霞，詹勤辉，代尚林，等.基于卡尔曼滤波器的蓄电池荷电状态估算［J］.广东电力，2013，26（2）：40-43.

［2］Van Huan Duong，Ngoc Tham Tran，Woojin Choi，et al.state estimation techniqueForVRLA batteriesFor automotive applications［J］.Journal oFPower Electronics，2016，16（1）：238-248.

［3］杨忠亮，王汝钢 ，黄世回.一种新的基于模型的蓄电池检测技术［J］.蓄电池，2014（2）：93-96.

［4］刘险峰，倪洪权，张旭，等.蓄电池容量在线检测研究［J］.通信电源技术，2009，26（3）：51-54.

［5］Taesic Kim，Wei Qiao，Liayn Qu.OnlinesOC andsOH estimationFor multicell lithium-ion batteries based on an adaptive hybrid battery model andsliding-mode observer［C］.Denver，CO：2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，2013：292-298.DOI：10.1109/ ECCE.2013.6646714.

［6］朱洪波，杨龙祥，朱琦.物联网技术进展与应用［J］.南京邮电大学学报（自然科学版），2011，36（1）：1-8.

［7］钱志鸿，王义君.物联网技术与应用研究［J］.电子学报，2012，40（5）：1023-1028.

［8］陈凤，郑文刚，申长军.低压电力线载波通信技术及应用［J］.电力系统保护与控制，2009，37（22）：188-194.

A kind oFintelligent battery

HUANG shihui1，WANG Rugang1，BAI Haijiang1，YANG Zhongliang2
（1.shenzhen Pluke Intelligent Test Equipment Co.，Ltd.，shenzhen Guangdong 518067；2.shenzhen Powersupply Co.，Ltd.，shenzhen Guangdong 518000，China）

There is an operational risk in the process oFmanual testing，because wiringFault may causeshort circuit resulting in an injury to operators and the damage to batteries.In this paper，a kind oF‘intelligent battery’ is introduced，which is embedded in the battery as a ‘brain’.A new battery test method is adopted，which is based on embedded technology，and combined with the Internet oFThings technology and power line carrier communication technology，so the users can control the batterystates at anytime and anywhere.The ‘intelligent battery’ enhances the level oFintelligent management oFbatteries，andFurthersolve thesafety accidents caused by manual installation and complex wiring.

intelligent battery；battery managementsystem；Internet oFThings；power line carrier communication；embedded；state oFcharge；state oFhealth

TM 912.9

A

1006-0847（2016）05-233-4

2016-08-18