閥控式鉛酸蓄電池VRLA的維護(hù)與監(jiān)測(cè)

2．蓄電池的在線監(jiān)測(cè)
蓄電池在線監(jiān)測(cè)管理是針對(duì)測(cè)量電池的運(yùn)行條件和檢測(cè)電池本身的狀況而設(shè)計(jì)的，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：①整組電壓監(jiān)測(cè)、②單電池電壓監(jiān)測(cè)、③單電池內(nèi)阻巡檢

1） 整組電壓監(jiān)測(cè)
整組電池監(jiān)測(cè)功能一般設(shè)計(jì)在整流電源內(nèi)，測(cè)量電池組的電壓，電流和溫度，進(jìn)行充電和放電管理，尤其是根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)整電池的浮充電壓，在電池放電時(shí)電池組電壓低至某下限時(shí)報(bào)警，現(xiàn)在的UPS仍然采用該方法。

但是整組監(jiān)測(cè)存在較大的不足, 如在蓄電池組放電時(shí), 放電的截止電壓是N×1.8V/只(N為蓄電池?cái)?shù)量), 但是由于蓄電池組中蓄電池的一致性無(wú)法嚴(yán)格保證，因此在放電中當(dāng)個(gè)別電池已經(jīng)達(dá)到放電截止電壓，但電池組并沒(méi)有達(dá)到N×1.8V/只，這樣就會(huì)出現(xiàn)個(gè)別電池過(guò)放電。

2） 單電池電壓監(jiān)測(cè)
全電子式的監(jiān)測(cè)，對(duì)蓄電池的運(yùn)行情況可以作到較為全面的監(jiān)測(cè)與管理，如單電池電壓、電池組電壓、充放電電流、蓄電池的環(huán)境溫度等。通過(guò)蓄電池運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，可以保證蓄電池在正常條件下的運(yùn)行與工作。但當(dāng)蓄電池運(yùn)行條件無(wú)法保障的前提下，蓄電池運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)是無(wú)法反映其性能參數(shù)的。

3） 單電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)
電池總內(nèi)阻是電荷轉(zhuǎn)移電阻與各部件歐姆電阻的總和，實(shí)驗(yàn)表明：歐姆阻抗是電池早期失效的最大隱患。

以下是最通常的影響內(nèi)阻變化的因素：
腐蝕 隨柵板和匯流排的腐蝕，金屬導(dǎo)電回路變化，使內(nèi)阻增大。
柵板 腐蝕和長(zhǎng)年使用會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)從柵板上脫落，使內(nèi)阻增大。
硫化 隨一部分活性物質(zhì)硫化，涂膏的電阻亦增加。
電池干涸 由于VRLA電池?zé)o法加水，失水可能使電池報(bào)廢。
制造 制造缺限，如鑄鉛和涂膏，都能導(dǎo)致高的金屬電阻和容量問(wèn)題。
充電狀態(tài) 從浮充狀態(tài)到20%容量的放電，幾乎不影響內(nèi)阻。實(shí)驗(yàn)表明20%的放電對(duì)內(nèi)阻的影響小于3%。
溫度 39℃以內(nèi)的高溫對(duì)電池內(nèi)阻影響甚微，低溫有些影響，但需到18℃以下。

實(shí)驗(yàn)表明，內(nèi)阻比基準(zhǔn)值高出50%的電池，不能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的容量測(cè)試，VRLA電池是一個(gè)接一個(gè)地失效。使用3~4年的電池組，各個(gè)內(nèi)阻值分布高于基線值的0~100%也是常事。高放電速率下的使用時(shí)間似乎對(duì)這些因素更為敏感，一般電池內(nèi)阻增加20~25%時(shí)就到了壽命期限。在低放電速率下，電池內(nèi)阻一般增加20~35%后壽命才結(jié)束。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，個(gè)別電池的內(nèi)阻偏離平均值的25%時(shí)，就應(yīng)該做一次放電容量測(cè)試了。將溫度傳感器置于電池表面可以發(fā)現(xiàn)電池過(guò)熱，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池運(yùn)行過(guò)程的異常。

4）內(nèi)阻測(cè)試方法
電池監(jiān)測(cè)設(shè)備廠商近幾年陸續(xù)推出了對(duì)單電池進(jìn)行內(nèi)阻監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品，由此帶來(lái)電池監(jiān)測(cè)技術(shù)的質(zhì)變，即由被動(dòng)監(jiān)測(cè)電壓到主動(dòng)測(cè)試電池內(nèi)部狀態(tài)。內(nèi)阻巡檢一方面可以監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓、電流、溫度等運(yùn)行參數(shù)，另一方面可以通過(guò)內(nèi)阻的監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池的健康程度。

在線內(nèi)阻測(cè)試技術(shù)難度大，各廠家的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)各有特點(diǎn)，其內(nèi)阻準(zhǔn)確度和抗干擾能力差別也很大。內(nèi)阻實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的方法歸為兩類(lèi)：直流放電法、交流法。

直流放電法
直流法是以在瞬間大電流放電（70A）測(cè)量電池電壓降，由此得到蓄電池的內(nèi)阻，并通過(guò)蓄電池內(nèi)阻變化的情況分析蓄電池落后情況或失效趨勢(shì)，同時(shí)并輔以電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，是目前比較領(lǐng)先的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

直流法存在的不足之處：
a) 采用大電流的放電，對(duì)蓄電池性能會(huì)帶來(lái)一定的損害；如果測(cè)量頻度較大，則這種損害又會(huì)累積；
b) 直流法只能測(cè)量蓄電池內(nèi)阻中的歐姆阻抗，對(duì)極化阻抗則無(wú)法測(cè)量。判斷蓄電池的失效、落后是不充分的；
c) 同蓄電池的連線需10平方毫米以上，連線方式要求較高。放電器及連線的可靠性要求要高。

交流法
近幾年隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使有效地消除其他電磁信號(hào)干擾成為可能，突破性解決交流法在實(shí)際應(yīng)用中的難題，從而使該方法在實(shí)際工作得以應(yīng)用。
交流法就是向蓄電池注入一定頻率的交流信號(hào)，由于蓄電池內(nèi)部存在阻抗，然后測(cè)量其反饋的電流信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理，比較注入信號(hào)與反饋信號(hào)的差異，從而測(cè)得蓄電池內(nèi)阻。

交流法特點(diǎn)：
a）由于無(wú)需放電，避免了大電流放電對(duì)蓄電池性能的損害。
b）由于無(wú)需使蓄電池脫機(jī)或靜態(tài)，避免了系統(tǒng)安全性的隱患，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。
c）交流法同時(shí)測(cè)量蓄電池的歐姆阻抗和極化阻抗，使對(duì)蓄電池健康度的分析更加真實(shí)、可靠。
d）由于沒(méi)有負(fù)載，其成本大大減少。

三、蓄電池在線監(jiān)測(cè)解決方案
LEM公司針對(duì)以上因素，研發(fā)出一種行之有效的蓄電池在線監(jiān)測(cè)解決方案，以智能化與網(wǎng)絡(luò)化的形式，通過(guò)對(duì)蓄電池內(nèi)阻、電壓、溫度及充放電電流的監(jiān)測(cè)，真實(shí)有效地反映蓄電池的健康狀況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)落后蓄電池，提早預(yù)防蓄電池故障的發(fā)生，為蓄電池的安全運(yùn)行與維護(hù)提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)，解除用戶的后顧之憂。

1．核心元件Sentinel傳感器模塊
Sentinel 是蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心元件，可以同時(shí)測(cè)量所連接的單體電池的三個(gè)與電池性能相關(guān)的重要參數(shù)：電壓、溫度及阻抗，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)總線方式，與控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及命令的傳輸。

溫度測(cè)量，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1188中規(guī)定，溫度是固定型蓄電池定期維護(hù)中必要檢測(cè)的參數(shù)之一。

溫度是影響蓄電池壽命的環(huán)境因素，蓄電池一般是按標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度25℃設(shè)計(jì)的，其理想的工作范圍是21-27℃，當(dāng)工作于較低的溫度時(shí)，蓄電池放電容量達(dá)不到額定容量，備用放電時(shí)間減少；當(dāng)工作于較高的溫度時(shí)，蓄電池壽命將會(huì)縮短。

Sentinel內(nèi)置有溫度測(cè)量元件，直接粘附于蓄電池體上，隨時(shí)監(jiān)測(cè)電池的溫度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池過(guò)熱現(xiàn)象。
電壓測(cè)量，是蓄電池的主要運(yùn)行參數(shù)，蓄電池電壓監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)蓄電池浮充電壓是否正確，蓄電池是否被過(guò)充電、過(guò)放電。

Sentinel并接在單體蓄電池的正負(fù)極， 實(shí)時(shí)測(cè)量蓄電池不同狀態(tài)下的端電壓，測(cè)量范圍為0.90至16V DC。由于Sentinel由單體電池組直接供電，電流消耗非常低，無(wú)需外接工作電源。

內(nèi)阻測(cè)量，是針對(duì)蓄電池失效模式進(jìn)行檢測(cè)的最有效參數(shù)。蓄電池內(nèi)阻的變化趨勢(shì)可以反映蓄電池的容量是否下降和電池是否老化。

在實(shí)際應(yīng)用中，充電機(jī)的正確工作不能等同于每個(gè)單電池的工作狀態(tài)正常，并且蓄電池的端電壓并不能真實(shí)地反映蓄電池的容量特性，對(duì)于容量嚴(yán)重下降的蓄電池，其浮充電壓的區(qū)別不足以用來(lái)判斷蓄電池是否因容量降低而失效。實(shí)際上只有通過(guò)定期對(duì)電池組放電，才能了解蓄電池的容量狀態(tài)，但此時(shí)發(fā)現(xiàn)的落后蓄電池早已進(jìn)入壽命后期，只能給用戶提供一個(gè)滯后的信息，而蓄電池組已經(jīng)起不到備份作用了。

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，老化蓄電池的內(nèi)阻和放電能力之間存在著一定的關(guān)系，內(nèi)阻的劇升同電池容量的減少有關(guān)（圖2），尤其是在蓄電池壽命未到80%的時(shí)候更為明顯。用內(nèi)阻測(cè)試來(lái)考核蓄電池的狀況是一種相當(dāng)可靠的方法。

圖3：LEM 電阻測(cè)試法
通過(guò)與美國(guó)AACHEN大學(xué)試驗(yàn)室設(shè)備作比對(duì)測(cè)試，兩種測(cè)試設(shè)備得到了非常接近的測(cè)試數(shù)據(jù)（圖4），從測(cè)試數(shù)據(jù)看，LEM Sentinel蓄電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，可以真實(shí)地反映出蓄電池的健康狀況。