8. UPS系统中VRLA蓄电池智能管理和在线测试

由于信息技术的发展，为提高系统的可靠性要对UPS系统蓄电池相关参量进行监控很有必要也很容易实现。对蓄电池主要监控电池组合电压、单体电压、电池温度、充放电电电量、阻抗、过压、欠压、过放、爆炸气体H2的告警等。

1) 利用UPS软件系统

APC公司UPS系统中的集中监控软件（Enterprise Manager）此软件可结合告警信息和用户的预先设置，究竟采用哪个型号的软件和接口，要由UPS系供应公司在软硬件方面予以支持。应具备监控参量的输入接口，充电设备的功能，电量计阻抗测量仪器的功能接口，蓄电池电路中传感部件、采样电阻、氢气传感器等硬件。

Exid，埃克赛公司UPS系统中ABM（Advenced Battery Management）先进蓄电池管理系统为了改进蓄电池管理和监控的质量水平，埃克赛、力博特和梅兰日兰公司在UPS系统中配置如下的ABM型先进电池管理系统。这是一种由微处理器监控的智能化ABM型电池管理设计 方案；短时的快速恒流、均充电池→恒压浮充充电→长期涓流充放电的电池管理+实时 的电池性能老化检测的综合型电流充放电管理系统，同传统的连续浮充电方式相比，可延长 电池寿命50%以上。

Expert system  专家诊断系统

这是一个具有大量专门知识的程序系统，它应由人工智能（Artificial intellience 简称 AI）根据一个或多个技术专家提供的相关领域和知识进行推理，模拟人类专家工作决定的过 程来解决那些需要专家才能解决的复杂问题。电池组故障诊断模糊专家系统是电池管理系统 的一部分。它将电池专家和有关蓄电池使用和维护现场总结出来的经验和规则存入管理的数 据库中，从电池的历史档案，运行状况和上一次的诊断结果为依据，采用模糊逻辑（Fuzz Logic）综合评价方法对电池故障进行诊断，同时给出电池健康状况的维护信息。

电池可能出现的故障是比较多的，如短路、断路、漏液、硫酸化、发热、干涸、单体失效等 等。但在电池的外部特性上，最容易进行跟踪、比较的就是单体电池电压。专家诊断系统主 要是依据单体电池电压的变化情况及充放电状态，依据电池特性和经验对故障进行归纳总结 ，给出最终的诊断结果，这里我们就是依据在不同情况下单体电池电压变化的特性给出不同 的判断结果，来描述电池可能出现的问题。我们可设计如下的模糊判断准则及依据。

每一个蓄电池组件实际上是由许多单体电池（Cell）组成，在实际运行过程中，有可能出现某一个单体电池失效和短路的情况。在这种情况下，所测的单体电池电压就有一个突然的较  大幅度的下跃。这个突变电压可以很容易被电池管理系统捕获。在数据处理的过程中，一旦 发现这个较大电压降，就可以将它和单体电池电压做比较，如果相等或相差不多，则表明一 个单体电池出现故障。电池管理系统可以直接给出故障信号及故障原因。

电池在连接过程中或者在电池单元内部有可能出列开路，体现在电压测量上就是电池组电 压有一个突然上升，这种现象同样可以由电池管理系统方便地测得。如果测得一个电压突升,则该突变大于一定的阈值认为是电池开路，在处理过程中给出错误原因或诊断号。

电池健康状况是根据已检测的数据最后排序结果。作为电池性能的评估的参考，可以根据排 序结果给出参考序号供检查和备用。

电池内阻可以作为电池的一个重要参数和参考指标，在运行过程中，即充放电过程中，电池 电压可能随电流变化而变化。因为有△U=R×△I，并且电池组串联充放电，电流变化情况也一致。所以电压变化的相对大小也反映了电池内阻的相对大小情况。在电池管理系统中，可 以对采样数据进行分析给出电池内阻的情况，间接给出电池容量大小。

如果蓄电池组及单体电压和电流原先在充放电时变化不大，但后来变化较大，说明电池容量已经下降，专家系统经过比较判断可以提示电池性能下降情况。可根据蓄电池健康状况设置报警阈。  综上利用UPS系统中软件资源的整合，可以设计和开发出更加简捷和人性化、智能化的蓄电  池管理和监控系统。

2)专用管理软硬件系统

监控系统中，最最重要的是充电电压和电流监控。由于系统组成不管什么信息都必须通过传 感器变为电压信号，所以电压测量的精度就至关重要了。

据了解有的监控系统电压测量装置中，输入的A/D转换器是集成块，由于集成电路缩微效应， 集成块输入端子接线相对集成芯片内的导线增长了数万倍。等于A/D转换器加了一个无限长的天线，所以集成块抗干扰能力差，若加滤波电容增加了电路惰性，产生测量误差。根据 A/D集成块的分解度，将产生1%~2%的误差。比如浮充电压2.25V。若指示偏高2%，此时实际 浮充电压2.20V，这是蓄电池不允许的。此时长期使蓄电池处于欠充状态，有早期失效的危 险。所以监控装置的准确度一定由计量检定部门鉴定合格，用以确定和剔除测量误差，避免损伤电池。

下面重点介绍一下LEM Sentinel电池在线监测系统。LEM Sentinel电池在线监测系统框图如图5所示。

（1） 核心元件Sentinel传感器模块

Sentinel 是电池在线监测系统中的核心元件，可以同时测量所连接的单体电池的三个与电池性能相关的重要参数：电压、温度及阻抗，并转换为数字量，通过总线方式，与控制器进行通信，实现数据及命令的传输。

图5  LEM Sentinel电池在线监测系统框图

（2）测量法

温度测量：国际标准IEEE 1188中规定，温度是固定型蓄电池定期维护中必要检测的参数之一。

众所周知，温度是影响蓄电池寿命的环境因素，蓄电池一般是按标准环境温度25℃设计的，其理想的工作范围是21~27℃，当工作于较低的温度时，蓄电池放电容量达不到其额定容量，备用放电时间减少；当工作于较高的温度时，蓄电池寿命将会缩短，有数据表明，温度每升高5℃，蓄电池的使用寿命降低10%，且容易发生热失控。

Sentinel内置有温度测量元件，直接粘附于蓄电池体上，随时监测电池的温度，及时发现电池过热现象。

电压测量：是蓄电池的主要运行参数，蓄电池电压监测可以发现蓄电池浮充电压是否正确，蓄电池是否被过充电、过放电等情况。

Sentinel并接在单体蓄电池的正负极，实时测量蓄电池不同状态下的端电压，测量范围为0.90至16V DC。由于Sentinel由单体电池组直接供电，电流消耗非常低，无需外接工作电源。 
内阻测量：是针对蓄电池失效模式进行检测的最有效参数。蓄电池内阻的变化趋势可以反映蓄电池的容量是否下降和电池是否老化。

在实际应用中，由于蓄电池是串联运行，整组电池的电压由充电机的输出来决定，充电机的正确工作不能等同于每个单电池的工作状态正常，并且蓄电池的端电压并不能真实地反映蓄电池的容量特性，对于容量严重下降的蓄电池，在整组浮充电的蓄电池中，其浮充电压的区别不足以用来判断蓄电池是否因容量降低而失效。实际上只有通过定期对电池组放电，才能了解蓄电池的容量状态，这样虽然可以发现落后蓄电池，但此时的蓄电池早已进入寿命后期，只能给用户提供一个滞后的信息，而蓄电池组在需要备份电源的时候已经起不到备份作用了。因此电压检测只能作为蓄电池运行参数的监测，而对于用户十分关心的蓄电池健康度问题不是电压检测所能够解决的。

大量的实验数据表明，老化蓄电池的内阻和放电能力之间存在着一定的关系，内阻的剧升同电池容量的减少有关（图6），尤其是在蓄电池寿命未到80%的时候更为明显。用内阻测试来考核蓄电池的状况是一种相当可靠的方法。

图6  蓄电池容量、内阻与寿命的关系

Sentinel采用四线法测量，对蓄电池进行小脉冲电流放电（图7），电流最大12A，保证蓄电池电压的响应来源于蓄电池本身的能量层，通过LEM特有的算法，得到可靠的内阻测量，以检测蓄电池的老化和潜在的失效问题。

测量范围：0.05~250mΩ。

 图7：LEM 电阻测试法

通过与美国AACHEN大学试验室设备作比对测试，两种测试设备得到了非常接近的测试数据（图8），从测试数据看，LEM Sentinel蓄电池内阻测量结果准确、可靠，可以真实地反映出蓄电池的健康状况。

图8：LEM Sentinel 与AACHEN实验设备测试数据

（3）LEM Sentinel 蓄电池在线监测系统的功能

由于无人值守站点的增多，网络化、智能化的发展，传统蓄电池检测方法的劣势逐渐显露，蓄电池监测的实时化，网络化已成趋势。LEM Sentinel 蓄电池在线监测系统通过对蓄电池参数的在线测量，用RS232或网络（IP）实现PC与测量模块的通信，由监测软件对采集数据进行计算、分析，以图型和状态表的形式展现蓄电池的运行状态，实现蓄电池运行、维护中的在线监测。

测量功能：连续监测蓄电池的充、放电全过程中的电流、电压、温度运行参数，定时监测蓄电池的内阻，并转换为数字量。

通讯功能：通过串行总线实现Sentinel 和控制器之间的通讯。每个控制器最多可接254个Sentinel, 每个Sentinel拥有唯一的地址（ID），通讯方式灵活，控制器可以直接与PC连接，也可以通过以太网或局域网通讯，Webserver功能，可以让用户随时随地了解蓄电池的状态。

分析功能：监测软件对采集的蓄电池参数记录、分析，以不同的工作模式（正常、放电、充电），用图形与状态表的形式反应不同的蓄电池健康状况（图9、图10、图11）。

报警功能：对蓄电池的电压、温度、过充、过放等不正常的状态，在监测软件中有报警显示的同时，控制器上会有相应的报警节点输出，方便用户接入报警系统，以用户习惯的方式发出提醒。

图9：柱状图显示网络中各个电池的电压、温度、内阻

图10：连续记录电池的电压、温度、内阻、电流

（4） LEM Sentinel蓄电池在线监测系统的优势

1) 蓄电池的管理方式不再被动，特别是无人值守的地方，实现对蓄电池运行过程中运行参数的实时、在线监测，对于可能发生的问题，作到提前判断，及早预防，及时处理。

2）测量数据重复性好，避免了人工测试数据的偶然性, 实现蓄电池参数的连续测量，形成历史数据记录曲线，用户根据运行参数的变化趋势可以发现和预防蓄电池的缺陷。

3）一次性安装，降低电池寿命周期内的计划性维护成本，减少传统蓄电池监测方法中人工与设备的大量重复投入，去除人工测量中对测量人员的人身以及电源系统安全的不利因素，特别是减少蓄电池放电测试中需要中断外电的情况。

4）配套软件自动分析所监测的蓄电池各项参数，减少蓄电池维护对人员专业素质的苛刻要求。

5) 适应目前电力、通讯等领域信息化、设备管理网络化的需求

图11： Webserver功能

（御风）