摘要 铅酸蓄电池自1859年诞生至今已有150年的历史,是世界上使用最广泛的化学电源。随着新技术、新材料、新结构的进步和发展,铅酸蓄电池具备了良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富及价格低廉等优点。目前,铅酸蓄电池作为重要的储能设备和不间断供电的后备电源已广泛应用于各行各业。文中介绍了蓄电池的检测和监控技术。

　　蓄电池是确保负载设备正常运行的最后一道防线,具有特殊的作用和意义。广泛应用的VRLA蓄电池虽然声称免维护,但只是指平时无需加酸液和水,无需调整电解液的密度。由于蓄电池平时处于浮充状态,时间一长,就会出现活性物质脱落、电解液干涸、极板变形、极板腐蚀及硫化等现象,从而导致容量降低甚至失效,一旦市电中断,有可能酿成重大事故。

　　1 防患于未然的蓄电池组检测

　　在现实社会中,无论是发展中国家还是发达国家,停电事件是不可避免的,但是对用户来讲,停电事件就是意外事故,它带来的后果可能是重大的经济损失或者承担重大的法律责任,而一些因蓄电池故障造成的停电事故让人触目惊心。2008年,某省计费中心的UPS供电系统由于市区停电。本来UPS后备时间为30min,但UPS供电不到5min即断电,导致计费系统瘫痪,待重设及恢复系统正常工作已经过去6h,损失近千万。由于系统装有电压监控装置,且有半年前的放电记录,均没有发现问题,待用电导技术测试后,发现UPS系统中两组2V×192节600Ah蓄电池组中均有个别单体电导为零,解剖电池后确定为电池内部连接条在大电流冲击下熔断。

　　2004年7月,某石油公司三催主控室蓄电池在线诊断系统连续发出蓄电池内阻异常报警,经维护人员检测,该组蓄电池内阻都有所提高,整个蓄电池组失效,必须更换新电池组。当电池更换两周后,厂区发生外电突然断电的意外情况,蓄电池正常工作,负载设备运行没有受到影响,使得这次停电没有造成损失,因而杜绝了一起因为蓄电池故障带来的严重事故。

　　实际的案例表明,有效的检测和维护可以及时发现蓄电池组隐患,杜绝事故的发生,在保障用户供电系统正常运行时起到关键作用。因此,对于供电保障系统的所有部门都应定期对蓄电池的性能进行检测和排查。

　　2 蓄电池的检测与维护是行之有效的保障措施

　　目前不乏这样的情况,蓄电池在采购安装时,电池厂商声称电池使用寿命为8～10年,但在实际使用不到三年,蓄电池就开始劣化,导致电池组不到五年就需要更换。这主要有两方面原因:一是在使用中没有合理有效地对蓄电池进行管理和维护,造成蓄电池在早期就出现劣化,并且因为没有及时发现落后电池,致使蓄电池劣化积累、加剧,导致蓄电池组的过早报废;其二,个别蓄电池质量存在问题或厂家夸大蓄电池的使用寿命。

　　蓄电池的测试与维护是一项防患于未然的工作。提高后备蓄电池的保障能力,目前可以采用两种方法:一是进行人工检测;二是采用蓄电池在线自动监测系统。

　　2.1 人工检测

　　人工检查除了放电测试外,还要测量电池组的整组电压、单体电池电压、温度和单体电池内阻,如图1所示。

　　测量电池组电压可以判断蓄电池组的当前状况。单体电池电压监测可以发现单体电池浮充电压是否正确,单体电池是否被过充电、过放电等情况。温度测量可以发现电池的工作环境是否通风不良、温度是否过高。

　　然而,人工测量存在许多不足之处:

　　(1)人工测量的准确度会受到诸多因素的影响;

　　(2)由于人工测试大都定期进行,无法及时发现落后或失效电池;

　　(3)放电测试对蓄电池会造成无法恢复的伤害隐患;

　　(4)大量的人工测量费时费力,安全性差,周期长。

　　2.2 蓄电池在线监测管理

　　采用完善的电池在线实时监控系统,能完整地测试并记录蓄电池的单体电压、蓄电池组电压及温度状况,数据准确并且省时省力,如图2所示。

　　蓄电池在线监测管理是针对测量电池的运行条件和检测电池本身的状况而设计,其发展大致经历了三个阶段:整组电压监测、单体电池电压监测、单体电池内阻巡检。

　　(1)整组电压监测

　　整组电池监测功能一般设计在整流电源内,测量电池组的电压、电流和温度,进行充电和放电管理,尤其是根据环境温度变化调整电池的浮充电压,在电池放电时电池组电压低至某下限值时报警。目前,UPS蓄电池检测仍然采用该方法。

　　(2)单体电池电压监测

　　采用全电子式的监测,对蓄电池的运行情况可以实现较为全面的监测与管理,如单体电池电压、电池组电压、充放电电流、蓄电池的环境温度等。通过蓄电池运行参数的监测,可以保证蓄电池在正常条件下的运行与工作。

　　(3)单体电池内阻监测

　　实验表明:欧姆阻抗是电池早期失效的最大隐患。监测电池的电导值或者内阻值,可以在一定程度上确定电池的性能。多年的研究和运用表明,内阻检测是目前最为可靠的测试方式之一。

　　由此可知,人工检测维护周期一般都比较长,定期维护的困难很大。而蓄电池自动监控能完整地进行测试并记录蓄电池的单体电压、电池组电压及温度情况。可以大大降低故障的发生率。

　　3 当前主要的蓄电池检测技术

　　在维护人员减少,维护工作量不断增加的现状下,采用快速准确的测试仪表成为必然趋势。很多用户为此购买了蓄电池容量测试仪,希望借助该类仪表通过“在线短时间放电”来查找整组蓄电池中的落后单体电池。客观地讲,蓄电池容量测试仪确实能提高蓄电池组巡检的进度,也能够帮助发现一些落后单体电池,但是该类仪表需要通过在线放电来实现,因此,这种蓄电池测试技术也存在一定的风险,因为蓄电池组在线放电到一定深度,若这时遇到市电中断,就不能保证蓄电池组有足够的储能供电,对于有问题的蓄电池组这种风险更大;此外,容量测试仪最大的缺点在于复杂的连线和操作,以及仪器的体积和重量较大,面对成百上千的蓄电池,单纯依靠容量测试仪,广大维护工作者依然感到力不从心。

　　而在各种各样的蓄电池维护工具中,选择性价比最高,同时又能真正发挥作用的维护工具一直是各个通信运营商的维护工作者面临的一大难题。以下介绍几种蓄电池的测试方法。

　　3.1 核对放电法

　　核对放电法即100%C的深度放电,它具有容量测试准确可靠的优点,因此,仍然是目前检测电池性能比较可靠的方法。

　　传统的核对放电设备普遍采用电阻丝进行核对放电,并且是人工操作,程序繁琐,存在一定的人身危险,这种传统的核对放电试验方式正在逐步被淘汰。目前,国内外普遍采用了新型等效的电子负载,以保证电池组恒流放电。经过数小时后,可以找出最落后的几块电池,以落后电池到达终止电压时的放电时间与放电电流来估算其容量,并以此容量作为整组电池的容量。不过它的缺点也很突出,主要表现为:

　　(1)放电时间长,风险大,电池组必须脱离系统,既浪费电能又费时费力,效率低。

　　(2)目前,核对放电只能测试整组电池容量,不能测试每一节单体电池的容量。

　　(3)有损蓄电池的容量。由于蓄电池的内部化学反应不是完全可逆的。全深度循环放电的次数是有限的,所以不宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。由于间隔时间过长,两次核对之间蓄电池的状态是不确定的。

　　3.2 不完全放电法

　　对于电池组采用1%～5%C 的浅度放电;在放电状态下,对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检,找出端电压下降最快的一只,将其确认为落后电池,再利用核对放电仪器,对该节电池进行核对放电,检测其容量,即代表该组电池的容量。目前,此法可以较快地判定出电池组中部分或者个别落后或劣化电池,但还不足以准确测定电池的好坏程度,包括电池的容量等指标,仅可作为一个定性测试的参考。

　　这种方法的优点是操作简单,风险系数小,并可以快速查找落后电池。不过最大的缺点还是测试精度低,只能作为电池落后状态判定依据,不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时测试要求较高,测试情况不是很理想。

　　3. 3 安时(Ah)容量法

　　对于动力蓄电池,蓄电池需要频繁的充电、放电,往往采用Ah容量法。使用Ah容量法记录的电量,需要知道蓄电池的初始状态SOC和终点SOC。但是初始状态SOC和终点SOC受到多种因素的影响,在一般情况下并不是一个常数。所以安时容量法仅能记录已经使用或通过计量的电量,而不能较为准确地预测终点SOC。

　　3.4 电导(内阻)测量法

　　它是目前蓄电池组主要的日常维护方法。从测试技术分为交流法和直流法,使用中95%以上的电导(内阻)测量仪属于交流法。

　　交流法电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号,测量出与电压同相位的交流电流值,其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数,不同的测试频率下得出不同的电导值,电池的容量越小,电池电阻越大,电导值越小。电导法能准确查出完全失效的电池,根据大量的实验分析及研究结果证明,电池的容量只有降低到50%时,内阻或者电导会有所变化,降低到40%以后,数值会有明显变化。所以,采用电导法测试电池的内阻或电导是判定蓄电池好坏的一种有价值的参考思路。

　　4 蓄电池检测技术的难点分析

　　针对目前的实际情况,对于蓄电池制造厂家、蓄电池检测技术研究机构,以及广大蓄电池维护人员而言,都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全的蓄电池检测技术。特别是广大现场维护工程师,这种需求更显迫切。遗憾的是,蓄电池是实现化学能与电能之间转换的一种非常复杂的装置。从电化学的角度来说,使用者想掌握电池更多的内部信息比较困难。

　　蓄电池的测量方法分为两种,即离线式测量和在线式测量。这两种方法各有千秋,离线式测量方法对蓄电池进行测量可以得到更加准确的数据,而在线式测量方法可以在不影响蓄电池系统正常工作的前提下对蓄电池进行测量。为了能够兼顾测量数据的准确性和蓄电池系统的可用性,人们正在寻找能够使测量数据更加精确的在线监测方案,并取得了一定的成果。从对蓄电池各参数的测量角度来说,目前对蓄电池的电压及工作温度进行测量的研究已经比较成熟,各厂家的测量结果基本一致,而对蓄电池内阻值的测量以及蓄电池剩余容量的测量的研究仍然分歧比较大,各厂家测量结果不尽相同,数据差别比较大,目前仍没有比较权威的测量方案。

　　因为测量铅酸蓄电池的端电压等运行参数并不能反映电池的容量特性。容量严重下降的电池,在整组浮充电的电池中,其浮充电压的区别不足以用来判断电池是否因容量降低而失效,一旦电池组进行放电,这些电池因为充电量少,端电压会很快跌落,并妨碍电池组的放电性能。这时可以从电池的端电压上很容易地发现它们,但在实际应用中已为时太晚,电池组在系统需要备份电源时已经起不到备份作用了。

　　蓄电池的内部状况与容量性能是通过其内阻变化反映出来的,其状态的重要标志之一就是内阻。无论是蓄电池即将失效、容量不足或是充放电不当,都能从内阻变化中体现出来。因此可以通过测量蓄电池的内阻,对其工作状态进行评估。温度对蓄电池内阻也颇有影响,低温状态(如0℃以下),温度每下降10℃,内阻约增大15%,其中因硫酸溶液粘度变大,而增加了比电阻是重要的原因之一。在较高温度时(如10℃以上),硫酸根离子的扩散速率提高了,浓度极化作用将明显减小,极化电阻下降。

　　蓄电池的内阻与放电电流的大小有关,由于瞬间的大电流放电,极板空隙内的硫酸溶液迅速稀释,而极板孔外90%以上溶液中硫酸分子来不及扩散到极板空隙中去。这样,极板孔中溶液比电阻增加,端电压明显下降。但停止放电后,随着浓度高的硫酸分子向极板空隙中扩散,极板孔中溶液比电阻下降,端电压回升。

　　另外,薄极板的电池其内阻明显小于厚极板,因为同容量电池的极板数量,薄的要多于厚极板电池的极板数量,因此相同电流放电时,薄极板电池的电流密度小,其各极极化也要小得多。由此可见,蓄电池内阻是由诸多因素构成的动态电阻,因此对蓄电池内阻进行快速准确的测试是蓄电池检测技术的难点。

　　5 蓄电池电导测试技术的优势

　　与放电检测进行比较,电导测试有如下几个优势:

　　(1)快速:电导测试与放电检测相比最明显的特征是速度。电导测试在大约数秒后生成测量值,而放电检测以及后续数据收集和报告制定需要数小时时间。利用一些设备,检测结果(包括打印报告和数据文件)仅在数秒后便可用,而不是在蓄电池放电数小时后。电导技术还实现了全天候、联机且自动化的蓄电池监控,可轻松地通过触摸按钮来远程访问当前蓄电池状况或健康状态,从而显著降低了维护成本。

　　(2)联机测试:传统蓄电池负载或放电检测经常需要电源系统和技术人员工作几小时。此外在某些情况下,所支持的设备在脱机时可能不可用。最新的电导技术联机监控或检测蓄电池电源系统,而不会使任何系统中断或停止,并且这些检测是被动的,不会因改变或运转蓄电池而引起过早老化。

　　(3)准确:电导测试经证明已达到很高的准确度,很多用户都已停用放电检测,除非对具有低电导值的可疑蓄电池进行全面分析。

　　(4)安全问题:最新电导技术的被动性使其实质上比放电检测更安全。完全放电检测会产生热量,还可能会危及维护人员的人身安全。相比之下,利用电导技术的检测仪和监控仪不会产生明显的能量交换,从而消除了负载检测过程中由热量、产生的氢气和电弧带来的潜在危险情况。

　　(5)可重复:被动电导测试的好处之一是测量完全可重复,从而可以验证可疑结果。可以随时对电池进行检测,而不必等待充电,并且不会对系统造成任何安全风险。也可以执行电导测试来满足现场检查或位置验证要求,包括检测电池之间的连接电阻值。

　　(6)简单:除了速度快,欧姆检测还非常简单。最新研发的电导测试仪是菜单驱动的,只需精确连接到两个蓄电池极柱或固定片,并提供绝对测量值,无需进一步进行数学计算。

　　(7)灵敏:电导测试技术与电阻及阻抗技术同属于欧姆测试法,都是被国际上认可的单体电池测试方法。当测试较小容量电池时这几种测试方法无太大差异,但当测试较大容量电池时,电导测试法会较内阻法有较大优势,可以快速准确地测试并发现失效电池而触发报警。因为大容量电池的内阻值本身就很小,当电池容量衰减时其内阻的变化率极小,采集器很难探测出这种变化,但其电导值是千姆欧(欧姆的倒数)或西门子,当容量衰减时其电导值的变化较大,很容易被探测到。因此,电导测试技术更加灵敏。

　　目前,欧美国家以及国内部分单位检测蓄电池组的主要设备是蓄电池电导测试仪。其不仅能够很好地反映出电池的健康状况,而且体积小巧,携带方便,测试快速,这就非常有利于维护人员对大量电池的日常性检查,而且可以用于蓄电池组的工程验收,尤其适用于各行业用户的电池组选型工作。因此,可以说对于大量蓄电池组的巡检工作,蓄电池电导测试仪无疑是最轻便、快速、实用的维护工具。

　　6 注入信号频率的选择对蓄电池内阻检测精度的影响

　　交流法就是向蓄电池注入一个低频率的交流信号,由于蓄电池内部存在的阻抗,注入信号后测量其反馈的电流信号,进行信号处理,比较注入信号与反馈信号的差异,从而测得蓄电池内阻。

　　交流注入法不需要放电,采用数字信号处理技术实现微弱信号的测量,无需把电池从回路中断开,不受充电机和用电负载的影响,在线测量电池的电导或内阻,数据有效分辨率达到0.001mΩ。

　　交流法测量蓄电池阻抗依赖于高速的数字信号处理技术,但是在系统中的高频模块组成的充电机与外界噪音对信号的干扰无法彻底消除。图3所示是一个单体的容量由正负极板形成的, 是传导通路的两个平行部分。通过交流信号或做阻抗测试时, 通路中任何部分的电阻增加都会由电容器掩盖。同时,不同频率的信号所测得的值也不同,对注入信号要求很高,如频率的稳定度和正弦波纯度都直接影响着测试结果。

　　其原理可以用以下公式表示

　　由于蓄电池的内阻是毫欧级的数值,特别是大容量的蓄电池其内阻将是微欧级,对于信号处理精度要求非常严格。因为交流注入法在测量时会对电池施加一个交流的测试信号,然后再测出相应的电压和电流,而阻抗的读数U /I会随频率而变化。

　　交流法的电流幅值非常小,一般1A(为了避免对系统的影响,不能太大),这么小的电流要在微欧级的电阻上测量其差异变化,所以对于信号处理精度要求非常苛刻和严格,非常容易受到充电机与外界噪音对信号的干扰,导致测试结果的离散性。

　　因此,业界专家指出“要最大程度地获取电路中各个参数的信息,所施加的交流电信号的频率非常关键”。“要在电路中获取最多信息,即最大程度地反映蓄电池的物理化学属性,电信号的理想频率应在10～50Hz之间”。目前,国内大多数阻抗测试仪所使用的测试信号的频率高达几百甚至几千赫兹,只有极少数测试仪表所使用的测试信号频率在最佳频率范围内。

　　因此,要能有效、准确监测到蓄电池内阻和电池间连接状态以及蓄电池内阻在运行中的变化趋势,只有选择分辩率高、精度高、测试稳定、一致性强的测试仪器。

　　7 蓄电池监控系统的发展与行业应用

　　目前,蓄电池组往往采用传统的有线连接进行检测,对于大量的蓄电池组,由于有线网络线路复杂,容易发生故障,维护扩展难度较大,也容易产生安全隐患。因此,方便快捷、容量预估的蓄电池无线测试监控技术也应运而生。

　　随着计算机技术、微电子技术、自动化控制、无线通信、嵌入式传感器技术的迅猛发展,无线技术将通信、计算机、传感器以及嵌入式技术融合在一起,将网络中的各个节点数据信息进行实时的采集和传输,这种技术可以很好地应用在工业环境领域,特别是近距离的蓄电池监控系统。相比有线监控系统,无线监控系统在工程、安装和保障方面,节约了大量的测量成本,以及对现场数据采集的频率和可靠性的改善,相比之下优势比较明显。目前,无线蓄电池容量测试仪在蓄电池生产、通信运营商、电力、广电、铁路建设等方面都有应用。

　　目前,国内外有许多蓄电池监控产品及解决方案的厂家,通过自己的研究,对蓄电池内阻及剩余容量的测量方法有了自己的监控产品和方案,也获得了自己的专利技术。

　　在这些厂商中,美国密特(Midtronics)电子有限公司无疑是蓄电池检测及监控行业中的佼佼者,公司创立于1984年,是一家致力于蓄电池管理技术的研究、开发、生产与销售的企业,被公认为是世界蓄电池测试维护技术的领导者之一。密特公司的电导专利技术已经成为国际IEEE标准中电池维护内容的一个部分,广泛使用在通信、数据中心UPS、电力、铁路、交通、牵引动力电源以及军队等各个行业,世界上绝大多数主要的电信运营商及蓄电池用户都使用密特的设备作为他们备用电池系统管理决策的首选或必备工具。

　　7.1 美国密特CellGuard系统

　　CellGuard无线蓄电池监控系统具有现在其他监控系统所有的主要功能,并且还具备独有的一些优势和特点:

　　(1)方便快捷的无线监控

　　现有监控系统大多为有线系统,由控制模块引线到电池单体,此电线长度可达10m以上。由于过于密集的布线,线缆之间很容易产生电磁互感的干扰。对于大型数据中心来说,电池组的规模是巨大的。如果通过有线连接,过于复杂的布线系统相互感应,容易产生系统性的“假告警”。这对于维护人员来说是一个灾难。

　　而CellGuard无线测试监控系统的内部通信体系结构为无线设计,遵循标准为802.15.4兼容的射频传输在2.4GHz无线电频段。接收器会和每一个测试单元之间设定一个特定的频道,保证测试单元之间互不干扰。这种无线通信是当今主流的设计理念。

　　(2)宽泛的温度测量范围

　　在测量单体电压、电导、连接条内阻、电池组电压、电池组电流及电池组环境温度等参数外,CellGuard还测量每个单体电池负极柱温度。可在蓄电池浮充和放电状态下监视和测量每只蓄电池的温度值,测量范围为-10℃～65℃,精度为±2℃。

　　(3)精确的测量精度

　　可测量蓄电池之间连接条的电阻值, 测量的最小值达到1mΩ,可在蓄电池浮充和放电状态下测量蓄电池组的整组电流值,浮充状态下为300mA～10A;放电状态下为300mA～3000A。

　　(4)记录和分析放电数据

　　在系统测试到电流反向(停电或放电),系统开始以极小间隔记录电压降,时间可达数小时,数据即为放电数据。在蓄电池发生放电情况时可按时间采样频率捕获放电电压值,并生成数字及图表分析报告。

　　(5)多项安全保障

　　密特的C e l l G u a r d系统通过了美国UL、FCC,以及欧洲CE认证,最大程度地保障用户设备安全,系统采用很多安全措施,可实时监测电池间连接条的阻抗值,避免因电池连接时力矩不一致或者极柱腐蚀导致连接条松动,当大电流放电时易引起短路导致火灾。在进行蓄电池高温和电流检测时,传感器测试负载和功率电缆均装有熔断保护装置。

　　7.2 密特电子CellTraq 蓄电池管理系统

　　CellTraq蓄电池管理系统是美国密特公司为实现蓄电池预维护理念而推出的新一代网络化蓄电池集中管理系统平台,它以分级分权的模式对网内电池组和单体电池进行综合的管理,如图4所示。通过对电池电导历史数据的积累和分析,可以帮助蓄电池管理者准确判断电池的性能变化趋势和生命周期，并据此采取相应的预防性维护措施和采购决策，为电池的更换处理提供合理的评估依据，提高资产利用率，从而大大降低数据中心为保障电池运行性能而采取的维护工作量和成本投入，使蓄电池维护工作进入全新阶段。此数据库软件平台系统用户的电池管理水平在行业中处于领先地位。

　　8 结束语

　　随着数据中心和通信网络的不断发展,作为后备电源的蓄电池组得到广泛应用,可以预期蓄电池组维护的压力将不断增大,相信基于电导测试技术的蓄电池监控系统以其独有的科学性和方便性,必将成为蓄电池检测与监控技术的主流趋势。【红尘有你】