12V65AH OTE不間斷電源蓄電池

　　

　　

閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)由于具有電壓平穩(wěn)，成本低，使用和維護方便等優(yōu)點使得其得到了廣泛的應用，雖然現(xiàn)在各種新型的電池材料不斷出現(xiàn)，但目前甚至是可預見的未來一段時間，VRLA蓄電池仍然會在通訊，電力，軌道交通等領域作為后備電源和儲能設備的主力軍。

　　雖然VRLA蓄電池號稱是“免維護”的，但現(xiàn)在市場上電池廠家眾多，魚龍混雜，質量參差不齊，而且在實際使用中，由于蓄電池本身的劣化，蓄電池的容量也是在不斷下降的，特別是在實際使用中，通常是多個蓄電池串聯(lián)使用，這就使得一個蓄電池的性能劣化會拖累整組電池的性能，從而讓電池組達不到設計容量，一旦停電，事故發(fā)生的可能性就大大增加，所以日常對電池組的監(jiān)控和維護是必不可少的，從而避免電池故障給用電客戶帶來損失。本文就VRLA蓄電池的監(jiān)控技術的發(fā)展和現(xiàn)狀做一個全面的介紹和分析。

　　1.傳統(tǒng)的電池監(jiān)控方式

　　長期以來，蓄電池的維護單位都是以人工維護，最常見的是以下幾種方式：

　　1.1. 核對性放電

　　這種方法是最準確知道蓄電池容量的方法。具體的操作是將浮充狀態(tài)的電池組脫離負載，然后以電池標稱容量的0.1C的速度放電(即100Ah的電池以10A的放電速度放電)，并記錄電池到達規(guī)定的終止電壓的時間以確定電池的實際容量。這種方法最大的優(yōu)點是準確，但缺點也顯而易見：這種方法需人工操作，有一定的危險性;需要脫離負載操作，所以放電過程中如果發(fā)生停電，系統(tǒng)就沒有后備電源的保障;這種方法其實測試的電池組里面最差電池單體的容量，其他電池單體的容量仍然沒有掌握的;另外對電池容量本身也有一定的損害，所以不能頻繁的對電池進行核對性放電，一般的用電單位進行這種測試的頻率是一年1-2次，而電池劣化的過程經常是在幾周內發(fā)生的，這樣在兩次測試間隔時期電池的狀態(tài)仍然是未知的，事故隱患仍然存在。

　　1.2.在線或者人工監(jiān)測電池電壓

　　這是長期以來監(jiān)測電池狀態(tài)最常用的方法。但從下圖可以看出，在浮充狀態(tài)下，容量不同的電池的浮充電壓幾乎是一致的，通過放電測試可以看到容量異常的電池很快就會下降到截止電壓，從而說明通過這種方法來判斷電池的容量是無效的。

圖1：容量異常的電池在浮充狀態(tài)下電池與正常的電池幾乎一致

　　1.3.人工測量電池內阻

　　這種方法通常與方法2共同使用來判別電池好壞。即維護人員利用內阻儀手工測試電池單體的內阻。到目前為止，雖然大量的文獻指出蓄電池的內阻和容量狀態(tài)并沒有一個明確的數(shù)學對應關系，但業(yè)界里公認內阻的變化是和容量的變化相關的。在圖2里面黃色趨勢線顯示蓄電池的內阻在10月到11月期間因為各種原因急劇上升，因此可以判斷出蓄電池的狀態(tài)已經嚴重劣化，經過對電池的放電證實的確是電池已經失效。

圖2. 電池劣化過程中內阻變化曲線

　　但這種方法的缺點也顯而易見：不能實時在線監(jiān)測電池的狀態(tài);花費的時間長，人力成本高;有些電池組由于空間的限制，并不便于人工操作;每次測試由于人員和儀器的不同數(shù)據(jù)會有較大的差異。這種測試方法也不再適應現(xiàn)在的電池監(jiān)控系統(tǒng)的需求，取而代之的是在線式的內阻監(jiān)控方式。下面我們就這種監(jiān)控方式作詳細的介紹。

　　2.在線電池內阻監(jiān)控方式

　　從系統(tǒng)架構來看這種監(jiān)控方式分為集中式和分布式。

　　2.1 集中式在線電池內阻監(jiān)控系統(tǒng)

　　集中式監(jiān)控系統(tǒng)是指將一組甚至多組電池連接到同一臺設備上進行測試，圖3是集中式監(jiān)控系統(tǒng)的一個例子。

圖3.集中式電池監(jiān)控系統(tǒng)

　　集中式監(jiān)控系統(tǒng)測試電池內阻大都采用交流注入法，即在設備內部產生一個一定頻率和幅度的交流(基本是正弦)信號注入到蓄電池兩端，然后通過探測并檢出蓄電池兩端同頻率的電壓波動即可確定電池的內阻。交流注入法也是大部分手持內阻儀檢測內阻的方法。交流注入法不需要從電池中取電，從而不會對電池本身的容量和壽命有影響。但交流注入法對電池注入的電流一般不能太大(1A以下)以避免對動力環(huán)境系統(tǒng)產生干擾，這么小的電流引起的電池電壓的波動是非常難以精確測試的，很容易受到動力環(huán)境系統(tǒng)中的噪聲的干擾，特別是在UPS系統(tǒng)里電池兩端存在大量的諧波干擾，如何濾除這些干擾是非常有挑戰(zhàn)性的一項工作。就目前的集中式設備測試內阻的結果來看精度大都不太理想，距離分布式的采集模塊還是有差距的。集中式設備由于要采集多個電池單體的參數(shù)，這樣就需要從設備引出大量的連接線，而且由于電池擺放的位置不同，這些連接線的長度和走線都不一致，從而使得集中式監(jiān)控系統(tǒng)的施工和維護都較為麻煩。

　　雖然集中式的監(jiān)控方式有種種弊端，但由于其成本較低，所以在一些對內阻精度要求不高的場合還是有相當?shù)氖袌觥Ｉa集中式設備的廠家包括艾默生，杭州高特以及一些較小的廠商。

　　2.2 分布式在線電池內阻監(jiān)控系統(tǒng)

　　相對集中式監(jiān)控方式，分布式系統(tǒng)的電池參數(shù)采集模塊和蓄電池一一對應，采集模塊通過導軌或者雙面膠固定于電池表面，由于每一個電池單體配置一個傳感器，因此連接線短，這樣使得現(xiàn)場施工布線非常簡單。圖4是分布式監(jiān)控系統(tǒng)的一個例子。

圖4，分布式電池監(jiān)控系統(tǒng)

　　在分布式監(jiān)控系統(tǒng)中，電池參數(shù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過串行總線上報給現(xiàn)場主機，再由現(xiàn)場主機上報給中心服務器，用戶通過客戶端訪問服務器即可查看電池運行的狀態(tài)參數(shù)。

　　分布式系統(tǒng)的電池參數(shù)采集模塊由于體積較小，不能自身內部產生較大電流的信號，需從電池本身來取電，所以測試內阻的方法一般采用直流或者交流放電法，即對電池拉取特定頻率和幅度的直流(脈沖)或者交流(正弦)電流，然后通過測試電池兩端的電壓波動來確定電池的內阻。由于脈沖信號里面包含的諧波分量較多，對于后期信號處理來說比較復雜，從測試的內阻結果精度來看也是交流放電法較好一些。采用直流放電法的有萊姆，華塑等公司，海偉辰電子等公司采用的是交流放電法。

　　3.電池參數(shù)采集模塊的性能指標

　　衡量模塊內阻測試的性能指標包括測試的絕對精度，測試結果的重復度，模塊的靜態(tài)損耗以及模塊測試內阻時的動態(tài)損耗以及模塊的安全性能。

　　3.1 絕對精度

　　內阻測量的絕對精度是指傳感器內阻測試的值與真實內阻值之間的差異。測試的結果應該越接近真實值越好，但長期以來這個指標都缺乏判斷的依據(jù)，因為電池的內阻值并沒有一個標準值。甚至有些人提出這個指標并不重要，但筆者看來這是衡量一個采集模塊性能的重要指標，因為很多電池加裝監(jiān)控系統(tǒng)的時候已經使用了一段時間了，如果測試不準確，就很難與初始內阻值(廠家提供)來比較，從而難以判定電池的容量狀態(tài)。解決這個難題其實也很簡單，可以用標準的精密電阻來模擬電池內阻，然后用采集模塊來測試電阻的阻值從而判斷采集模塊的絕對精度。

　　3.2 測試結果的重復度

　　內阻測試的重復度是指對同一電池單體，在同一時間和同一條件下，用同一采集模塊反復測量內阻值，得到的結果的偏差范圍。需要指出的是衡量這個指標的條件不僅是在電池脫機工作的時候，更要考慮電池在線工作時系統(tǒng)有大量諧波干擾的情況下采集模塊的測試結果的一致性。測試表明很多廠家的采集模塊在有干擾的情況下測試結果離散性非常大，有些模塊甚至在有干擾的情況下不能正常工作。

　　3.3 模塊的損耗

　　損耗包括模塊不測試的時候的靜態(tài)損耗和測試參數(shù)時候的動態(tài)損耗。靜態(tài)損耗在電池脫機工作的情況下是個重要的參數(shù)，因為分布式的模塊都要從電池本身取電，如果靜態(tài)損耗太大，對電池本身的消耗也較大。動態(tài)損耗主要是模塊在測試內阻的時候從電池內部拉電流的大小，電流越小對電池的沖擊也就越小，但電流太小所引起的電壓波動也較小，對于信號檢測電路的設計要求相應提高，從而也會影響到最后測試結果的精確性。市場上現(xiàn)有的模塊拉電流的大小從幾百個毫安到幾安培不等。

　　3.4 模塊的安全性能

　　模塊的安全性能是指模塊在發(fā)生故障的情況下能否不影響系統(tǒng)的安全。這要求模塊在內部短路的時候能從物理上與電池隔離開，另外在施工中很容易發(fā)生電池正負極接反的情況，這就要求模塊本身要有反接保護，以避免反接時模塊損壞。

　　4. 電池容量狀態(tài)的判斷

　　對于電池用戶來說關心的參數(shù)還是電池目前的容量狀態(tài)，經常我們以電池的健康參數(shù)(SOH)來表示。前面我們有講過電池的內阻與容量有一定的關系，但沒有明確的數(shù)學對應公式，所以如何將測試得到的內阻轉換成電池的健康參數(shù)是有很大的挑戰(zhàn)性的工作。現(xiàn)在有些公司在這方面做了一些研究，也開發(fā)出計算軟件，但從結果來看還沒有達到很精確的程度，只能起到一些參考作用。這方面的工作還有待各方面繼續(xù)研究。