基于交流注入法后備VRLA電池在線(xiàn)監測方案

一、后備電池監測必要性

隨著(zhù)蓄電池的廣泛應用，特別是備用電源中的應用，由于VRLA蓄電池的運行要求比較嚴格，電池在偏離了正確的使用條件下運行會(huì )影響電池使用壽命，甚至造成嚴重的后果，因此，2009年6月1日開(kāi)始執行新的《電子信息系統機房設計規范》GB50174—2008，對蓄電池的管理提出了明確的要求，特別是對A級機房的蓄電池要求監測到每一塊電池，這對于提高機房應對供電災難的水平意義重大。

二、電池內阻在線(xiàn)監測技術(shù)

連續監測蓄電池的運行參數（單電池電壓、充放電電流、溫度）以及內阻的變化，對于蓄電池進(jìn)行全監測，通過(guò)蓄電池失效早期的特征，及時(shí)發(fā)現單體電池的不均衡性、以及失效、落后電池等情況，并進(jìn)行及時(shí)有效的處理，就可以防止蓄電池劣化加劇，延長(cháng)蓄電池的使用壽命。

1 人工檢查

除了放電測試外，人工測量主要測量電池組電壓、單電池電壓、溫度和單電池內阻。

2 在線(xiàn)監測

通常內阻的測量方式有以下兩種：

1）直流方法

由于內阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準確測量帶來(lái)困難，由于放電過(guò)程電壓的變化，需要選擇穩定區域計算電壓變化幅值。實(shí)際測量中，直流方法所得數據的重復性較差、準確度很難達到10%以上。

目前很多采用直流測試法的內阻測試設備都采用大電流放電，這樣，需用使用大的放電器和大截面的導線(xiàn)同蓄電池連接，這在實(shí)際使用中會(huì )帶來(lái)一定的安全隱患。同時(shí)由于需要對蓄電池進(jìn)行動(dòng)作（放電），在測量過(guò)程中，對于在線(xiàn)測量以及兩次測量的時(shí)間間隔有一定的限制。

2）交流方法

相對直流法，通過(guò)交流法測量蓄電池內阻就要簡(jiǎn)單一些。

當使用受控電流時(shí)，ΔI = Imax Sin(2πft),產(chǎn)生的電壓響應為：

ΔV = Vmax Sin(2πft + φ)

若使用受控電壓激勵，ΔV = Vmax Sin(2πft),產(chǎn)生的電流響應為：

ΔI = Vmax Sin(2πft - φ)　

兩種情況的阻抗均為：

即阻抗是與頻率有關(guān)的復阻抗，其模 |Z|= Vmax/Imax, 相角為φ。

一般情況下激勵引起的電壓幅值變化小于10mV，這樣能保證阻抗測量的線(xiàn)性。使用方波在技術(shù)實(shí)現上更為簡(jiǎn)單，通過(guò)改變方波的頻率可以測試電池的阻抗譜。

從理論上講，向電池饋入一個(gè)交流電流信號，測量由此信號產(chǎn)生的電壓變化即可測得電池的內阻。

R = Vav / Iav

式中　Vav----為檢測到交流信號的平均值；

Iav ---- 為饋入交流信號的平均值

在實(shí)際使用中，由于饋入信號的幅值有限，電池的內阻在微歐或毫歐級，因此，產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微歐級，信號容易受到干擾。尤其是在線(xiàn)測量時(shí)，會(huì )受到充電機或用電負載的影響。工頻和射頻干擾也影響讀數。

而采用數字信號處理技術(shù)就可以有效克服外界干擾，獲得比較穩定的內阻數據，同時(shí)該方法不需要增加蓄電池的任何動(dòng)作，因而在在線(xiàn)測量、網(wǎng)絡(luò )化方面具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。目前該測量技術(shù)正被學(xué)術(shù)界、以及市場(chǎng)廣泛接受。

三、基于交流注入法電池內阻監測解決方案

阻抗與容量是反映蓄電池性能的參數。阻抗這一參數，通過(guò)交流法在線(xiàn)蓄電池的內阻，其測量原理就是將一個(gè)低頻的交流信號注入到蓄電池中，由于蓄電池中存在歐姆阻抗以及極化阻抗，測量蓄電池的反饋信號，得到蓄電池的阻抗，從而實(shí)現阻抗的在線(xiàn)測量。

（1）WB7880QA-08B蓄電池內阻在線(xiàn)監測模塊

WB7880QA-08B蓄電池內阻在線(xiàn)監測模塊采用小電流注入法測量蓄電池內阻，完成電池內阻、溫度、端電壓的參數監測，通過(guò)RS-485接口按MODBUS—RTU協(xié)議實(shí)現組網(wǎng)，方便用戶(hù)對鉛酸蓄電池進(jìn)行綜合判斷。

（2）電池內阻監測技術(shù)指標

電池的容量：2V或12V容量為50AH以下的電池

監測電池數：8節

內阻 量程1mΩ～100mΩ，分辨率50μΩ，誤差 2%

電壓 量程1.5V-15V 誤差0.2% 分辨率3mV

溫度 量程－20℃～＋70℃ 誤差±1℃ 分辨率0.1℃

響應時(shí)間 單節電池測量時(shí)間≤0.5s

通信方式 RS485,波特率:9600bps,校驗方式：無(wú)校驗1個(gè)停止位

產(chǎn)品尺寸 216*94*36(mm)

工作溫度 0℃～＋70℃

（3）監測系統構成

監測中心軟件采用基于B/S結構的模式，B/S（Browser/Server）結構即瀏覽器/服務(wù)器結構，它是隨著(zhù) Internet技術(shù)的興起，對C/S結構（客戶(hù)/服務(wù)器結構）的一種改進(jìn)的結構。在這種結構下，用戶(hù)工作界面是通過(guò)WWW瀏覽器來(lái)實(shí)現，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實(shí)現，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現，形成所謂三層3-tier結構。這樣就大大簡(jiǎn)化了客戶(hù)端電腦載荷，減輕了系統維護與升級的成本和工作量，降低了用戶(hù)的總體成本。

監測中心采用B/S結構模式后，系統管理員可以給各相關(guān)人員分配用戶(hù)名、密碼與訪(fǎng)問(wèn)權限，這些相關(guān)人員作為IE用戶(hù)，在規定的權限內通過(guò) Internet/Intranet瀏覽蓄電池的數據與報表，隨時(shí)可了解蓄電池組的情況。

監測中心采用數據庫管理，采用SQL-SERVER商用數據庫，方便對各蓄電池組的數據進(jìn)行管理、查詢(xún)與調用。

四　應用效果

通過(guò)在通信領(lǐng)域、電力系統以及大型生產(chǎn)企業(yè)的UPS等行業(yè)的應用，有力地證明該方案可以很好解決目前后備電源中蓄電池監測與管理的諸多問(wèn)題，通過(guò)智能化與網(wǎng)絡(luò )化的實(shí)現，對于提高蓄電池的使用性能，及時(shí)發(fā)現蓄電池故障，提前判斷蓄電池劣化，延長(cháng)蓄電池的使用壽命，具有非常重要的意義。