閥控式鉛酸蓄電池VRLA的維護與監測

2．蓄電池的在線(xiàn)監測
蓄電池在線(xiàn)監測管理是針對測量電池的運行條件和檢測電池本身的狀況而設計的，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：①整組電壓監測、②單電池電壓監測、③單電池內阻巡檢

1） 整組電壓監測
整組電池監測功能一般設計在整流電源內，測量電池組的電壓，電流和溫度，進(jìn)行充電和放電管理，尤其是根據環(huán)境溫度變化調整電池的浮充電壓，在電池放電時(shí)電池組電壓低至某下限時(shí)報警，現在的UPS仍然采用該方法。

但是整組監測存在較大的不足, 如在蓄電池組放電時(shí), 放電的截止電壓是N×1.8V/只(N為蓄電池數量), 但是由于蓄電池組中蓄電池的一致性無(wú)法嚴格保證，因此在放電中當個(gè)別電池已經(jīng)達到放電截止電壓，但電池組并沒(méi)有達到N×1.8V/只，這樣就會(huì )出現個(gè)別電池過(guò)放電。

2） 單電池電壓監測
全電子式的監測，對蓄電池的運行情況可以作到較為全面的監測與管理，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)蓄電池運行參數的監測，可以保證蓄電池在正常條件下的運行與工作。但當蓄電池運行條件無(wú)法保障的前提下，蓄電池運行參數的監測是無(wú)法反映其性能參數的。

3） 單電池內阻監測
電池總內阻是電荷轉移電阻與各部件歐姆電阻的總和，實(shí)驗表明：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阻變化的因素：
腐蝕 隨柵板和匯流排的腐蝕，金屬導電回路變化，使內阻增大。
柵板 腐蝕和長(cháng)年使用會(huì )導致活性物質(zhì)從柵板上脫落，使內阻增大。
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電池無(wú)法加水，失水可能使電池報廢。
制造 制造缺限，如鑄鉛和涂膏，都能導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，幾乎不影響內阻。實(shí)驗表明20%的放電對內阻的影響小于3%。
溫度 39℃以?xún)鹊母邷貙﹄姵貎茸栌绊懮跷?，低溫有些影響，但需?8℃以下。

實(shí)驗表明，內阻比基準值高出50%的電池，不能通過(guò)標準的容量測試，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)內阻值分布高于基線(xiàn)值的0~100%也是常事。高放電速率下的使用時(shí)間似乎對這些因素更為敏感，一般電池內阻增加20~25%時(shí)就到了壽命期限。在低放電速率下，電池內阻一般增加20~35%后壽命才結束。

現場(chǎng)測試的數據表明，個(gè)別電池的內阻偏離平均值的25%時(shí)，就應該做一次放電容量測試了。將溫度傳感器置于電池表面可以發(fā)現電池過(guò)熱，從而及時(shí)發(fā)現電池運行過(guò)程的異常。

4）內阻測試方法
電池監測設備廠(chǎng)商近幾年陸續推出了對單電池進(jìn)行內阻監測的產(chǎn)品，由此帶來(lái)電池監測技術(shù)的質(zhì)變，即由被動(dòng)監測電壓到主動(dòng)測試電池內部狀態(tài)。內阻巡檢一方面可以監測蓄電池的電壓、電流、溫度等運行參數，另一方面可以通過(guò)內阻的監測及時(shí)發(fā)現蓄電池的健康程度。

在線(xiàn)內阻測試技術(shù)難度大，各廠(chǎng)家的具體實(shí)現技術(shù)各有特點(diǎn)，其內阻準確度和抗干擾能力差別也很大。內阻實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測的方法歸為兩類(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）測量電池電壓降，由此得到蓄電池的內阻，并通過(guò)蓄電池內阻變化的情況分析蓄電池落后情況或失效趨勢，同時(shí)并輔以電壓、電流等運行參數的監測，是目前比較領(lǐng)先的監測技術(shù)。

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

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

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

三、蓄電池在線(xiàn)監測解決方案
LEM公司針對以上因素，研發(fā)出一種行之有效的蓄電池在線(xiàn)監測解決方案，以智能化與網(wǎng)絡(luò )化的形式，通過(guò)對蓄電池內阻、電壓、溫度及充放電電流的監測，真實(shí)有效地反映蓄電池的健康狀況，從而及時(shí)發(fā)現落后蓄電池，提早預防蓄電池故障的發(fā)生，為蓄電池的安全運行與維護提供科學(xué)、準確的依據，解除用戶(hù)的后顧之憂(yōu)。

1．核心元件Sentinel傳感器模塊
Sentinel 是蓄電池在線(xiàn)監測系統中的核心元件，可以同時(shí)測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：電壓、溫度及阻抗，并轉換為數字量，通過(guò)總線(xiàn)方式，與控制器進(jìn)行通信，實(shí)現數據及命令的傳輸。

溫度測量，國際標準IEEE 1188中規定，溫度是固定型蓄電池定期維護中必要檢測的參數之一。

溫度是影響蓄電池壽命的環(huán)境因素，蓄電池一般是按標準環(huán)境溫度25℃設計的，其理想的工作范圍是21-27℃，當工作于較低的溫度時(shí)，蓄電池放電容量達不到額定容量，備用放電時(shí)間減少；當工作于較高的溫度時(shí)，蓄電池壽命將會(huì )縮短。

Sentinel內置有溫度測量元件，直接粘附于蓄電池體上，隨時(shí)監測電池的溫度，及時(shí)發(fā)現電池過(guò)熱現象。
電壓測量，是蓄電池的主要運行參數，蓄電池電壓監測可以發(fā)現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極， 實(shí)時(shí)測量蓄電池不同狀態(tài)下的端電壓，測量范圍為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。

內阻測量，是針對蓄電池失效模式進(jìn)行檢測的最有效參數。蓄電池內阻的變化趨勢可以反映蓄電池的容量是否下降和電池是否老化。

在實(shí)際應用中，充電機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，對于容量嚴重下降的蓄電池，其浮充電壓的區別不足以用來(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)現的落后蓄電池早已進(jìn)入壽命后期，只能給用戶(hù)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)驗數據表明，老化蓄電池的內阻和放電能力之間存在著(zhù)一定的關(guān)系，內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。用內阻測試來(lái)考核蓄電池的狀況是一種相當可靠的方法。

圖3：LEM 電阻測試法
通過(guò)與美國AACHEN大學(xué)試驗室設備作比對測試，兩種測試設備得到了非常接近的測試數據（圖4），從測試數據看，LEM Sentinel蓄電池內阻測量結果準確、可靠，可以真實(shí)地反映出蓄電池的健康狀況。