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計量終端備用電池控制方法及應用

文檔作者：吳飛財文檔來源：福建水利電力職業技術學院		點擊數：	更新時間： 2025年08月29日
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第29 卷 第6 期
2017 年12 月
浙江水利水電學院學報
J.Zhejiang Univ of Wat.Res ＆ Electric Pow. VoDl.e2c92. 01N7o.6 DOI： 10.3969／j.issn.2095 －7092.2017.06.012
計量終端備用電池控制方法及應用
吳飛財
（福建水利電力職業技術學院，福建永安 366000）
摘 要：計量終端的備用電池在長期使用中容易出現容量衰減快、無法提供大電流等問題.基于此， 提出了一種適
用于備用電池模塊的控制方法，具有電池充放電、容量檢測以及電池激活等功能，解決電池過充過放、容量大幅下
降、保護等問題；介紹了備用電池模塊的各種運行模式工作機制，放電實驗和充電實驗證明，通過LED 負載和超級
電容的有機組合，可實現電池模塊在線激活維護，提高終端備用電源的可靠性.
關鍵詞：計量終端；備用電池；電池管理
中圖分類號：TM 932 文獻標志碼：A 文章編號：1008 －536X（2017）06－0055－05
Appl ication of Backup Battery Control for Ele ctricEn ergy Terminals
WU Fei－cai
（Fujian College of Water Conservancy and Electric Power ， Yong’an 366000， China）
Abstract：The backup batteries in electric energy terminals tend to reduce capacity and be unable to produce sufficient cur －
rent in long term use.This paper proposes a novel management method suitable for backup battery ， which is able to
charge， discharge， activate battery and test the capacity.These functions are useful to protect battery and prolong its life .
The operation models and working mechanism are described in details .Two experiments have been conducted to show the
performance of the method which could improve the reliability of backup battery .
Ke y words：electric energy terminal； backup battery； battery management
收稿日期：2017－06－24
作者簡介：吳飛財（1979 － ），男，福建永安人，碩士，講師，研究
方向為電能計量、電氣自動化.
智能計量終端在電網公司用電信息采集系統
中起著“承上啟下”的作用，終端對下采集匯聚電能
表數據，對上將處理后的電能量數據傳送至主站，
是重要的信息采集設備［ 1 －3］ .在外部停電狀態下，終
端仍需具備電能表停電信息收集與上報、電能量數
據采集與分析、故障記錄與交互等功能.因此需要
電池組提供可靠的備用電源供應.目前電網公司使
用的備用電池主要為鎳氫電池，存在著可靠性低、
容量衰減快、監測方法弱等缺點.現有關于電池管
理系統的研究文獻大多關注汽車的電池管理或者
新能源發電的電池控制方法，而適用于計量終端備
用電池的控制和保護方法比較少見［4 －7］ .本文首先
分析影響備用電池使用壽命與可靠性供電的主要
因素，然后提出一種新的備用電池控制方法，最后
通過實驗數據進行對比分析.
1 問題分析
（1）電池容量測試
選擇10 組已使用6 ～12 m 的電池， 先將電池電
壓充電至5.8 V，再利用安時積分法以60 mA 的放
電電流測試每組電池的容量［8］ ，結果（見圖1）.
根據技術規范的要求，備用電池的額定容量需
≥600 mAh，而上述10 組電池的容量僅為額定容量
的13％ ～26％，明顯低于額定容量的要求［2 －3］ .
（2）大電流放電測試
將待測的10 組電池充電至5.8 V，再通過阻性
負載以600 mA的電流放電，記錄電池電壓降到
4.2 V時的持續時間，測試結果（見圖2）.
萬方數據
圖1 電池容量測試結果
圖2 放電持續時間測試結果
從測試結果可知，10 組電池組在大電流放電下
的持續時間較短，難以滿足停電情況下通過4G 模
塊上報停電告警的要求［1］ .
（3）二組測試的比較
通過上述兩組試驗，結合電池控制電路的分析，
得出終端備用電池控制方法存在的主要問題：① 電
池控制電路簡單，缺乏對電池的有效保護.大部分終
端僅使用一個限流電阻作為保護，無法有效避免電
池過充電、過放電.②缺乏電池維護電路，導致電池
容量降低.由于無法定期對電池充放電，難以激活電
池容量.③無法滿足大電流放電沖擊.停電初期，終
端與主站通信需要消耗較大電流，而備用電池難以
滿足大電流的需求.④電量檢測不準確，無法及時發
現容量不足的情況.由于采用電壓法檢測電量，存在
電量虛高現象［9］ .
為了延長備用電池壽命，提高計量終端備用電
源的穩定性和可靠性，滿足終端掉電時的需求，本文
設計了一種終端備用電池控制方法，以期解決上述
問題.
2 系統結構及運行模式
本文提出的新的備用電池控制方法，具有充放
電電流檢測、電池容量檢測、電池容量激活、短時大
電流輸出、充放電管理等功能.該方法的原理（見圖
3）.圖中所示的備用電池模塊由一組鎳氫電池、一
組超級電容、一個LED 負載、兩個電流檢測元件以
及三個電子開關組成.電子開關由驅動電路控制，可
工作于導通、截止以及PWM 調制狀態.其電池模塊
的運行模式包括充電模式、激活模式、放電模式、保
護模式等.
圖3 備用電池模塊原理圖
2.1 充電模式
當終端外部電源正常時，備用電池模塊處于充
電模式，終端向模塊提供直流電源.此時開關S2 閉
合，S1 斷開，電池模塊的充電電流由開關S3 的占空
比決定.當電容C 和電池BT 的電壓較低時，減小S2
占空比，優先給超級電容充電.電池BT 的充電采用
恒流充電與涓流充電相結合的策略，充電電流為
0.1C.當BT 電壓達到設定值后，通過控制S2 ，僅為
BT 提供抵消其自放電的涓流充電電流，避免鎳氫電
池由于長期過充電而損壞.
2.2 激活模式
激活模式是對鎳氫電池定期充放電，避免電池
由于長期浮充電而導致容量減少.該模式包含放電
和充電兩種子模式.當開關S2 斷開，S1 、S3 閉合時，
模塊工作于放電子模式.當開關S1 斷開，S2 、S 3 閉合
時， 模塊工作于充電子模式.為了解決阻性負載發熱
的問題，采用LED 燈作為負載.該模式在鎳氫電池
放電過程中，還可利用電流元件TA2 檢測放電電流，
從而實現電池容量檢測功能.若電池容量不足，且經
過多次激活充放電仍無法恢復電池容量，則終端將上
報電池容量低告警，提醒及時更換電池.本電池模塊
采用安時積分法檢測電池容量，當電池充電至電壓上
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萬方數據
限值US 后，開始利用LED 負載放電，記錄放電電流
IL 、電池電壓U1 和放電時間t，直至電池電壓下降至
下限值UX.此時電池容量可由式（1）計算得到.
CB =乙t
0
IL （τ）dτ （1）
安時積分法檢測電池容量耗時長但結果準確，
電壓檢測法雖然誤差大但速度快，為此本文提出了
一種基于放電數據的電壓檢測法.
由于放電過程中電流 I、L 電壓 U1 隨時間 t 單調
遞減，因此根據記錄的電流、電壓、時間等數據，可建
立電流和電壓il （u1 ）、持續時間和電壓T（u1 ） 的對
應關系.從而由電池電壓U1 估算出電池剩余電量
QB ，見式（2） 所示.
QB =乙U1
Ux
iL （τ）dT（τ） （2）
每次激活放電之后，由放電電流、電池電壓、放
電時間等數據更新式（2），從而提高電壓法檢測電
池容量的準確性和快速性.
從電網運行經驗可知，終端每年的停電時間較少
（2014 年南方電網公司用戶年平均停電時間<5 h），
備用電池長期處于浮充狀態.因此每次放電之后，需
記錄非放電時間T，當T 超過閾值Tf 時，則需要激活
電池，恢復電池容量.Tf 可根據電池特性設置，對于
鎳氫電池一般為2 ～3 個月.考慮到備用電池模塊
的備用特性，在激活模式下，開關S2 斷開，由超級電
容C 承擔應急放電任務.
2.3 放電模式
當終端失去外部電源時，直流電壓U2 低于設置
值，備用電池模塊進入放電模式.此時開關S1 斷開、
S2 、S3 閉合，超級電容C 和電池BT 并聯向終端提供
備用電源.終端此時保存重要數據并向主站上報告
警信息.由于終端與主站通信需要較大的電流，因此
由超級電容提供短時大電流，后續的小電流則主要
由電池提供.
為了避免電池由于過放電而損壞，當檢測到電
池電壓U1 低于下限值Ux 時，斷開開關S2.為了避免
電池因放電電流過大而損壞，當電流元件TA1 檢測到
的放電電流過大時，經過延時時間Td 后斷開開關S3.
2.4 保護模式
當開關S1 、S2 、S3 斷開時，備用電池模塊工作于
保護模式，此時電池、超級電容與終端和放電負載電
氣脫離.終端外部電源受到干擾（如雷擊影響、短時
過電壓） 而導致電壓U2 過高，或者由于短路導致充
放電電流TA1 過大時，為了保護備用電池模塊不受
損壞而進入保護模式.待故障消失后，備用電池模塊
退出保護模式.
3 電池控制方法研究
由于計量終端分散安裝的特性，計量終端的現
場運維成本較高，不適合經常人工檢測和更換備用
電池，為此需要提高終端備用電池模塊的自檢自維
護能力［10 －11］ .
3.1 電池及超級電容容量選擇
根據技術規范的要求，備用電池應選擇鎳氫電
池，且額定容量≥600 mAh［2 －3］ .終端若不處于遠程
通信狀態，則消耗電流一般<100 mA，鎳氫電池可
持續放電6 h 以上.
超級電容的可用容量取鎳氫電池額定容量的
1／60，電容的可用電壓降設為3.3 V，則由式（3） 可
計算得出其電容值.
C =I ×t
U =10 mAh 3.3 V =10.9F （3）
因此超級電容值選取10 F，可單獨放電6 min
左右.
3.2 工作機制及流程
備用電池模塊的運行模式包括充電、激活、放
電、保護等四種模式.圖4 給出了電池模塊在各種模
式之間轉換的條件.
圖4 備用電池運行模式原理圖
終端外部電源供電正常時，電池模塊處于充電
模式.此時模塊優先為超級電容充電，再為鎳氫電池
充電.模塊監測電池電壓，自動調節充電電流.當電
量充滿后，僅用涓流補足充電.若電池模塊連續處于
充電模式的時間超過限值，則模塊定期進入激活模
式.在該模式下，鎳氫電池通過LED 負載放電，再進
行充電，實現鎳氫電池的激活維護.在放電過程中，
電池模塊同時進行電池容量測試.根據測試結果更
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萬方數據
新電壓／容量關系曲線，提高電壓容量檢測法的準確
性.若經過多次激活維護仍發現電池容量不足時，則
發出告警信號.
當終端失去外部電源時，電池模塊處于放電模
式.此時超級電容和鎳氫電池并聯為終端供電，若需
要短時大電流，則主要由超級電容提供.電池模塊檢
測放電電流和電池電壓，避免由于過放電而損壞電
池.當外部電源恢復正常時，退出放電模式.終端工
作時易受電網影響，也可能出現電源故障.因此當電
池模塊檢測到過壓、過流、短路等故障時，迅速切斷
電池模塊與終端的電連接，進入保護模式.
4 實驗驗證
為了驗證備用電池模塊控制方法的性能，設計
了兩種實驗，一種是放電實驗，另一種是充電實
驗［12］ .實驗中選擇的鎳氫電池標稱電壓為4.8 V，容
量為600 mAh，超級電容為10 F，LED 負載電流為
10 mA.
4.1 放電實驗
選擇5 組已使用6 ～12 m 的備用電池，編號1
～5，其中第1 ～3 組電池先經歷3 輪激活模式，第4
～5 組電池不經歷激活模式.將5 組備用電池置于
充電模式，直至電壓達到5.8 V，再將其置于放電模
式，放電電流為60 mA.記錄每組電池放電至4.2 V
時所持續的時間.
表1 為電池放電實驗結果，從中可發現第1 ～3
組電池的容量明顯高于第4 ～5 組電池，驗證了激活
模式對于恢復電池容量的作用.
表1 電池放電實驗結果
序號 1 2 3 4 5 放電時間／h 8.6 9.1 9.3 1.8 2.1 將5 組備用電池置于充電模式，直至電壓達到
5.8 V，再將其置于放電模式，放電電流為600 mA.
記錄每組電池放電至4.2 V 時所持續的時間.
表2 為電池大電流放電實驗結果，從中可發現
第1 ～3 組電池的放電持續時間明顯大于第4 ～5 組
電池，驗證了激活模式對于提高電池放電能力的
作用.
表2 電池大電流放電實驗結果
序號 1 2 3 4 5 放電時間／min 16 20 19 1.7 1.9 4.2 充電實驗
選擇一組備用電池模塊，先將其置于放電模式，
待電壓降至4.2 V，再將其接于最高電壓為5.8 V 最
大電流為60 mA 的直流電源上.記錄外部電壓U2 、
鎳氫電池電壓U1 、開關S2 狀態.
圖5 給出了充電試驗中外部電壓曲線，圖6給
出了充電過程中開關S2 的占空比變化曲線.從圖5、
圖6 分析可以得到，為了使超級電容快速完成充電，
充電初期S2 處于斷開狀態，外部電源僅對超級電容
充電，在260 s時超級電容電壓達到5.8 V.為了保證
超級電容能夠及時提供備用電源，需將其電壓維持
在5.8 V處，因此開關S2 隨后處于占空比調制狀態.
隨著電池電壓的提升，S2 的占空比也逐漸增大.
圖5 放電實驗中外部電壓U2 曲線
圖6 放電試驗中的開關S2 占空比曲線
5 結 語
本文結合計量終端長期處于浮充電的使用特
點，提出了一種適用于終端備用電池的控制方法，可
解決鎳氫電池可靠性低、容量衰減快、監測方法弱等
問題.提高了終端在停電情況下的工作可靠性，降低
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萬方數據
運維成本.本文設計的備用電池組結合了電池和超
級電容的優勢，能夠滿足大電流放電的需求.通過
LED 負載和超級電容的有機組合，可實現電池模塊
在線激活維護，有效延長電池的使用壽命.本文提出
的方法對于其他設備備用電池模塊的設計具有一定
的參考價值.
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信息啟示
諸暨企業博士后推介交流會在我校順利舉行
12 月20 日下午，在教學科研綜合樓A407 會議室，來自諸暨13 家科創企業與我校舉行校企合作博士后推介交流會.本次
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士科研創新平臺，提高諸暨企業的創新能力.
諸暨市人社局鐘明科長介紹了來校諸暨企業的基本概況，介紹了諸暨傳統優勢工業產業正面臨經濟新常態的升級轉型
局面.
13 家諸暨企業與在場的博士、專業課教師進行有關企業博士后項目及橫向課題的雙向交流，部分博士已與相關企業初步
達成培養意向.
徐金壽副校長指出，開展企業博士后項目有助于我校教師獲取工程化的實踐經驗，有助于學校找準“產學研”結合的結合
點，有助于學校應用技術型特色專業的壯大發展.他希望學校有關部門共同拓寬渠道，完善對青年博士、專業課教師的科研服
務，努力實現我校科研的“走出去”和“引進來”.
摘自浙江水利水電學院網
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