计量终端备用电池控制方法及应用

吴飞财

(福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000)

智能计量终端在电网公司用电信息采集系统中起着“承上启下”的作用，终端对下采集汇聚电能表数据，对上将处理后的电能量数据传送至主站，是重要的信息采集设备[1-3].在外部停电状态下，终端仍需具备电能表停电信息收集与上报、电能量数据采集与分析、故障记录与交互等功能.因此需要电池组提供可靠的备用电源供应.目前电网公司使用的备用电池主要为镍氢电池，存在着可靠性低、容量衰减快、监测方法弱等缺点.现有关于电池管理系统的研究文献大多关注汽车的电池管理或者新能源发电的电池控制方法，而适用于计量终端备用电池的控制和保护方法比较少见[4-7].本文首先分析影响备用电池使用寿命与可靠性供电的主要因素，然后提出一种新的备用电池控制方法，最后通过实验数据进行对比分析.

1 问题分析

(1)电池容量测试

选择10组已使用6～12 m的电池，先将电池电压充电至5.8 V，再利用安时积分法以60 mA的放电电流测试每组电池的容量[8]，结果(见图1).

根据技术规范的要求，备用电池的额定容量需≥600 mAh，而上述10组电池的容量仅为额定容量的13%～26%，明显低于额定容量的要求[2-3].

(2)大电流放电测试

将待测的10组电池充电至5.8 V，再通过阻性负载以600 mA的电流放电，记录电池电压降到4.2 V时的持续时间，测试结果(见图2).

图1 电池容量测试结果

图2 放电持续时间测试结果

从测试结果可知，10组电池组在大电流放电下的持续时间较短，难以满足停电情况下通过4G模块上报停电告警的要求[1].

(3)二组测试的比较

通过上述两组试验，结合电池控制电路的分析，得出终端备用电池控制方法存在的主要问题：①电池控制电路简单，缺乏对电池的有效保护.大部分终端仅使用一个限流电阻作为保护，无法有效避免电池过充电、过放电.②缺乏电池维护电路，导致电池容量降低.由于无法定期对电池充放电，难以激活电池容量.③无法满足大电流放电冲击.停电初期，终端与主站通信需要消耗较大电流，而备用电池难以满足大电流的需求.④电量检测不准确，无法及时发现容量不足的情况.由于采用电压法检测电量，存在电量虚高现象[9].

为了延长备用电池寿命，提高计量终端备用电源的稳定性和可靠性，满足终端掉电时的需求，本文设计了一种终端备用电池控制方法，以期解决上述问题.

2 系统结构及运行模式

本文提出的新的备用电池控制方法，具有充放电电流检测、电池容量检测、电池容量激活、短时大电流输出、充放电管理等功能.该方法的原理(见图3).图中所示的备用电池模块由一组镍氢电池、一组超级电容、一个LED负载、两个电流检测元件以及三个电子开关组成.电子开关由驱动电路控制，可工作于导通、截止以及PWM调制状态.其电池模块的运行模式包括充电模式、激活模式、放电模式、保护模式等.

图3 备用电池模块原理图

2.1 充电模式

当终端外部电源正常时，备用电池模块处于充电模式，终端向模块提供直流电源.此时开关S2闭合，S1断开，电池模块的充电电流由开关S3的占空比决定.当电容C和电池BT的电压较低时，减小S2占空比，优先给超级电容充电.电池BT的充电采用恒流充电与涓流充电相结合的策略，充电电流为0.1C.当BT电压达到设定值后，通过控制S2，仅为BT提供抵消其自放电的涓流充电电流，避免镍氢电池由于长期过充电而损坏.

2.2 激活模式

激活模式是对镍氢电池定期充放电，避免电池由于长期浮充电而导致容量减少.该模式包含放电和充电两种子模式.当开关S2断开，S1、S3闭合时，模块工作于放电子模式.当开关S1断开，S2、S3闭合时，模块工作于充电子模式.为了解决阻性负载发热的问题，采用LED灯作为负载.该模式在镍氢电池放电过程中，还可利用电流元件TA2检测放电电流，从而实现电池容量检测功能.若电池容量不足，且经过多次激活充放电仍无法恢复电池容量，则终端将上报电池容量低告警，提醒及时更换电池.本电池模块采用安时积分法检测电池容量，当电池充电至电压上限值US后，开始利用LED负载放电，记录放电电流IL、电池电压U1和放电时间t，直至电池电压下降至下限值UX.此时电池容量可由式(1)计算得到.

(1)

安时积分法检测电池容量耗时长但结果准确，电压检测法虽然误差大但速度快，为此本文提出了一种基于放电数据的电压检测法.

由于放电过程中电流IL、电压U1随时间t单调递减，因此根据记录的电流、电压、时间等数据，可建立电流和电压il(u1)、持续时间和电压T(u1)的对应关系.从而由电池电压U1估算出电池剩余电量QB，见式(2)所示.

(2)

每次激活放电之后，由放电电流、电池电压、放电时间等数据更新式(2)，从而提高电压法检测电池容量的准确性和快速性.

从电网运行经验可知，终端每年的停电时间较少(2014年南方电网公司用户年平均停电时间<5 h)，备用电池长期处于浮充状态.因此每次放电之后，需记录非放电时间T，当T超过阈值Tf时,则需要激活电池，恢复电池容量.Tf可根据电池特性设置，对于镍氢电池一般为2～3个月.考虑到备用电池模块的备用特性，在激活模式下，开关S2断开，由超级电容C承担应急放电任务.

2.3 放电模式

当终端失去外部电源时，直流电压U2低于设置值，备用电池模块进入放电模式.此时开关S1断开、S2、S3闭合，超级电容C和电池BT并联向终端提供备用电源.终端此时保存重要数据并向主站上报告警信息.由于终端与主站通信需要较大的电流，因此由超级电容提供短时大电流，后续的小电流则主要由电池提供.

为了避免电池由于过放电而损坏，当检测到电池电压U1低于下限值Ux时，断开开关S2.为了避免电池因放电电流过大而损坏，当电流元件TA1检测到的放电电流过大时，经过延时时间Td后断开开关S3.

2.4 保护模式

当开关S1、S2、S3断开时，备用电池模块工作于保护模式，此时电池、超级电容与终端和放电负载电气脱离.终端外部电源受到干扰(如雷击影响、短时过电压)而导致电压U2过高，或者由于短路导致充放电电流TA1过大时，为了保护备用电池模块不受损坏而进入保护模式.待故障消失后，备用电池模块退出保护模式.

3 电池控制方法研究

由于计量终端分散安装的特性，计量终端的现场运维成本较高，不适合经常人工检测和更换备用电池，为此需要提高终端备用电池模块的自检自维护能力[10-11].

3.1 电池及超级电容容量选择

根据技术规范的要求，备用电池应选择镍氢电池，且额定容量≥600 mAh[2-3].终端若不处于远程通信状态，则消耗电流一般<100 mA，镍氢电池可持续放电6 h以上.

超级电容的可用容量取镍氢电池额定容量的1/60，电容的可用电压降设为3.3 V，则由式(3)可计算得出其电容值.

(3)

因此超级电容值选取10F，可单独放电6 min左右.

3.2 工作机制及流程

备用电池模块的运行模式包括充电、激活、放电、保护等四种模式.图4给出了电池模块在各种模式之间转换的条件.

图4 备用电池运行模式原理图

终端外部电源供电正常时，电池模块处于充电模式.此时模块优先为超级电容充电，再为镍氢电池充电.模块监测电池电压，自动调节充电电流.当电量充满后，仅用涓流补足充电.若电池模块连续处于充电模式的时间超过限值，则模块定期进入激活模式.在该模式下，镍氢电池通过LED负载放电，再进行充电，实现镍氢电池的激活维护.在放电过程中，电池模块同时进行电池容量测试.根据测试结果更新电压/容量关系曲线，提高电压容量检测法的准确性.若经过多次激活维护仍发现电池容量不足时，则发出告警信号.

当终端失去外部电源时，电池模块处于放电模式.此时超级电容和镍氢电池并联为终端供电，若需要短时大电流，则主要由超级电容提供.电池模块检测放电电流和电池电压，避免由于过放电而损坏电池.当外部电源恢复正常时，退出放电模式.终端工作时易受电网影响，也可能出现电源故障.因此当电池模块检测到过压、过流、短路等故障时，迅速切断电池模块与终端的电连接，进入保护模式.

4 实验验证

为了验证备用电池模块控制方法的性能，设计了两种实验，一种是放电实验，另一种是充电实验[12].实验中选择的镍氢电池标称电压为4.8 V，容量为600 mAh，超级电容为10 F，LED负载电流为10 mA.

4.1 放电实验

选择5组已使用6～12 m的备用电池，编号1～5，其中第1～3组电池先经历3轮激活模式，第4～5组电池不经历激活模式.将5组备用电池置于充电模式，直至电压达到5.8 V，再将其置于放电模式，放电电流为60 mA.记录每组电池放电至4.2 V时所持续的时间.

表1为电池放电实验结果，从中可发现第1～3组电池的容量明显高于第4～5组电池，验证了激活模式对于恢复电池容量的作用.

表1 电池放电实验结果

将5组备用电池置于充电模式，直至电压达到5.8 V，再将其置于放电模式，放电电流为600 mA.记录每组电池放电至4.2 V时所持续的时间.

表2为电池大电流放电实验结果，从中可发现第1～3组电池的放电持续时间明显大于第4～5组电池，验证了激活模式对于提高电池放电能力的作用.

表2 电池大电流放电实验结果

4.2 充电实验

选择一组备用电池模块，先将其置于放电模式，待电压降至4.2 V，再将其接于最高电压为5.8 V最大电流为60 mA的直流电源上.记录外部电压U2、镍氢电池电压U1、开关S2状态.

图5给出了充电试验中外部电压曲线，图6给出了充电过程中开关S2的占空比变化曲线.从图5、图6分析可以得到，为了使超级电容快速完成充电，充电初期S2处于断开状态，外部电源仅对超级电容充电，在260s时超级电容电压达到5.8 V.为了保证超级电容能够及时提供备用电源，需将其电压维持在5.8 V处，因此开关S2随后处于占空比调制状态.随着电池电压的提升，S2的占空比也逐渐增大.

图5 放电实验中外部电压U2曲线

图6 放电试验中的开关S2占空比曲线

5 结 语

本文结合计量终端长期处于浮充电的使用特点，提出了一种适用于终端备用电池的控制方法，可解决镍氢电池可靠性低、容量衰减快、监测方法弱等问题.提高了终端在停电情况下的工作可靠性，降低运维成本.本文设计的备用电池组结合了电池和超级电容的优势，能够满足大电流放电的需求.通过LED负载和超级电容的有机组合，可实现电池模块在线激活维护，有效延长电池的使用寿命.本文提出的方法对于其他设备备用电池模块的设计具有一定的参考价值.

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