中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：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(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)使得其得到了廣泛的應(yīng)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(yù)見(jiàn)的未來(lái)一段時(shí)間，VRLA蓄電池仍然會(huì)在通訊，電力，軌道交通等領(lǐng)域作為后備電源和儲(chǔ)能設(shè)備的主力軍。
雖然VRLA蓄電池號(hào)稱(chēng)是“免維護(hù)”的，但現(xiàn)在市場(chǎng)上電池廠家眾多，魚(yú)龍混雜，質(zhì)量參差不齊，而且在實(shí)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(shí)際使用中，通常是多個(gè)蓄電池串聯(lián)使用，這就使得一個(gè)蓄電池的性能劣化會(huì)拖累整組電池的性能，從而讓電池組達(dá)不到設(shè)計(jì)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(duì)電池組的監(jiān)控和維護(hù)是必不可少的，從而避免電池故障給用電客戶(hù)帶來(lái)?yè)p失。本文就VRLA蓄電池的監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀做一個(gè)全面的介紹和分析。
1.傳統(tǒng)的電池監(jiān)控方式
長(zhǎng)期以來(lái)，蓄電池的維護(hù)單位都是以人工維護(hù)，最常見(jiàn)的是以下幾種方式：
1.1. 核對(duì)性放電
這種方法是最準(zhǔn)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(fù)載，然后以電池標(biāo)稱(chēng)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(dá)規(guī)定的終止電壓的時(shí)間以確定電池的實(shí)際容量。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確，但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：這種方法需人工操作，有一定的危險(xiǎn)性;需要脫離負(fù)載操作，所以放電過(guò)程中如果發(fā)生停電，系統(tǒng)就沒(méi)有后備電源的保障;這種方法其實(shí)測(cè)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(méi)有掌握的;另外對(duì)電池容量本身也有一定的損害，所以不能頻繁的對(duì)電池進(jìn)行核對(duì)性放電，一般的用電單位進(jìn)行這種測(cè)試的頻率是一年1-2次，而電池劣化的過(guò)程經(jīng)常是在幾周內(nèi)發(fā)生的，這樣在兩次測(cè)試間隔時(shí)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(cè)電池電壓
這是長(zhǎng)期以來(lái)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)最常用的方法。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(guò)放電測(cè)試可以看到容量異常的電池很快就會(huì)下降到截止電壓，從而說(shuō)明通過(guò)這種方法來(lái)判斷電池的容量是無(wú)效的。
1.3.人工測(cè)量電池內(nèi)阻
這種方法通常與方法2共同使用來(lái)判別電池好壞。即維護(hù)人員利用內(nèi)阻儀手工測(cè)試電池單體的內(nèi)阻。到目前為止，雖然大量的文獻(xiàn)指出蓄電池的內(nèi)阻和容量狀態(tài)并沒(méi)有一個(gè)明確的數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系，但業(yè)界里公認(rèn)內(nèi)阻的變化是和容量的變化相關(guān)的。在圖2里面黃色趨勢(shì)線顯示蓄電池的內(nèi)阻在10月到11月期間因?yàn)楦鞣N原因急劇上升，因此可以判斷出蓄電池的狀態(tài)已經(jīng)嚴(yán)重劣化，經(jīng)過(guò)對(duì)電池的放電證實(shí)的確是電池已經(jīng)失效。
但這種方法的缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài);花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，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(cè)試由于人員和儀器的不同數(shù)據(jù)會(huì)有較大的差異。這種測(cè)試方法也不再適應(yīng)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(nèi)阻監(jiān)控方式。下面我們就這種監(jiān)控方式作詳細(xì)的介紹。
2.在線電池內(nèi)阻監(jiān)控方式
從系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)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(nèi)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(tái)設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試。
集中式監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試電池內(nèi)阻大都采用交流注入法，即在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)一定頻率和幅度的交流(基本是正弦)信號(hào)注入到蓄電池兩端，然后通過(guò)探測(cè)并檢出蓄電池兩端同頻率的電壓波動(dòng)即可確定電池的內(nèi)阻。交流注入法也是大部分手持內(nèi)阻儀檢測(cè)內(nèi)阻的方法。交流注入法不需要從電池中取電，從而不會(huì)對(duì)電池本身的容量和壽命有影響。但交流注入法對(duì)電池注入的電流一般不能太大(1A以下)以避免對(duì)動(dòng)力環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，這么小的電流引起的電池電壓的波動(dòng)是非常難以精確測(cè)試的，很容易受到動(dòng)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(xiàng)工作。就目前的集中式設(shè)備測(cè)試內(nèi)阻的結(jié)果來(lái)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(shè)備由于要采集多個(gè)電池單體的參數(shù)，這樣就需要從設(shè)備引出大量的連接線，而且由于電池?cái)[放的位置不同，這些連接線的長(zhǎng)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(hù)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(duì)內(nèi)阻精度要求不高的場(chǎng)合還是有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。生產(chǎn)集中式設(shè)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(nèi)阻監(jiān)控系統(tǒng)
相對(duì)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(duì)應(yīng)，采集模塊通過(guò)導(dǎo)軌或者雙面膠固定于電池表面，由于每一個(gè)電池單體配置一個(gè)傳感器，因此連接線短，這樣使得現(xiàn)場(chǎng)施工布線非常簡(jiǎn)單。
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(guò)串行總線上報(bào)給現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)，再由現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)上報(bào)給中心服務(wù)器，用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端訪問(wèn)服務(wù)器即可查看電池運(yùn)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(nèi)部產(chǎn)生較大電流的信號(hào)，需從電池本身來(lái)取電，所以測(cè)試內(nèi)阻的方法一般采用直流或者交流放電法，即對(duì)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(guò)測(cè)試電池兩端的電壓波動(dòng)來(lái)確定電池的內(nèi)阻。由于脈沖信號(hào)里面包含的諧波分量較多，對(duì)于后期信號(hào)處理來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，從測(cè)試的內(nèi)阻結(jié)果精度來(lái)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(biāo)
衡量模塊內(nèi)阻測(cè)試的性能指標(biāo)包括測(cè)試的絕對(duì)精度，測(cè)試結(jié)果的重復(fù)度，模塊的靜態(tài)損耗以及模塊測(cè)試內(nèi)阻時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗以及模塊的安全性能。
3.1 絕對(duì)精度
內(nèi)阻測(cè)量的絕對(duì)精度是指?jìng)鞲衅鲀?nèi)阻測(cè)試的值與真實(shí)內(nèi)阻值之間的差異。測(cè)試的結(jié)果應(yīng)該越接近真實(shí)值越好，但長(zhǎng)期以來(lái)這個(gè)指標(biāo)都缺乏判斷的依據(jù)，因?yàn)殡姵氐膬?nèi)阻值并沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。甚至有些人提出這個(gè)指標(biāo)并不重要，但筆者看來(lái)這是衡量一個(gè)采集模塊性能的重要指標(biāo)，因?yàn)楹芏嚯姵丶友b監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)候已經(jīng)使用了一段時(shí)間了，如果測(cè)試不準(zhǔn)確，就很難與初始內(nèi)阻值(廠家提供)來(lái)比較，從而難以判定電池的容量狀態(tài)。解決這個(gè)難題其實(shí)也很簡(jiǎn)單，可以用標(biāo)準(zhǔn)的精密電阻來(lái)模擬電池內(nèi)阻，然后用采集模塊來(lái)測(cè)試電阻的阻值從而判斷采集模塊的絕對(duì)精度。
3.2 測(cè)試結(jié)果的重復(fù)度
內(nèi)阻測(cè)試的重復(fù)度是指對(duì)同一電池單體，在同一時(shí)間和同一條件下，用同一采集模塊反復(fù)測(cè)量?jī)?nèi)阻值，得到的結(jié)果的偏差范圍。需要指出的是衡量這個(gè)指標(biāo)的條件不僅是在電池脫機(jī)工作的時(shí)候，更要考慮電池在線工作時(shí)系統(tǒng)有大量諧波干擾的情況下采集模塊的測(cè)試結(jié)果的一致性。測(cè)試表明很多廠家的采集模塊在有干擾的情況下測(cè)試結(jié)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(cè)試的時(shí)候的靜態(tài)損耗和測(cè)試參數(shù)時(shí)候的動(dòng)態(tài)損耗。靜態(tài)損耗在電池脫機(jī)工作的情況下是個(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)榉植际降哪K都要從電池本身取電，如果靜態(tài)損耗太大，對(duì)電池本身的消耗也較大。動(dòng)態(tài)損耗主要是模塊在測(cè)試內(nèi)阻的時(shí)候從電池內(nèi)部拉電流的大小，電流越小對(duì)電池的沖擊也就越小，但電流太小所引起的電壓波動(dòng)也較小，對(duì)于信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求相應(yīng)提高，從而也會(huì)影響到最后測(cè)試結(jié)果的精確性。市場(chǎng)上現(xiàn)有的模塊拉電流的大小從幾百個(gè)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(nèi)部短路的時(shí)候能從物理上與電池隔離開(kāi)，另外在施工中很容易發(fā)生電池正負(fù)極接反的情況，這就要求模塊本身要有反接保護(hù)，以避免反接時(shí)模塊損壞。
4. 電池容量狀態(tài)的判斷
對(duì)于電池用戶(hù)來(lái)說(shuō)最關(guān)心的參數(shù)還是電池目前的容量狀態(tài)，經(jīng)常我們以電池的健康參數(shù)(SOH)來(lái)表示。前面我們有講過(guò)電池的內(nèi)阻與容量有一定的關(guān)系，但沒(méi)有明確的數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)公式，所以如何將測(cè)試得到的內(nèi)阻轉(zhuǎn)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(kāi)發(fā)出計(jì)算軟件，但從結(jié)果來(lái)看還沒(méi)有達(dá)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。
5. 結(jié)束語(yǔ)
作為動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控中的一環(huán)，蓄電池監(jiān)控逐漸被重視。蓄電池監(jiān)控近年來(lái)發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出各種新技術(shù)和新產(chǎn)品，其中測(cè)試電池的內(nèi)阻以監(jiān)測(cè)電池的容量狀態(tài)逐漸成為主流。隨著這些新的技術(shù)和產(chǎn)品的推廣使用，蓄電池的維護(hù)工作將從人工化，分散化向自動(dòng)化，集中化邁進(jìn)。
原標(biāo)題:蓄電池監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
