鉛酸蓄電池在線監(jiān)測增強供電系統(tǒng)可用性

時間：2018-11-29作者：北京凱力威科技有限公司瀏覽：118

鉛酸蓄電池在線監(jiān)測增強供電系統(tǒng)可用性

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電源(通信電源、UPS)的可靠性和安全性已經(jīng)大大提高,但作為供電系統(tǒng)中最后一道屏障的備用儲能單元(鉛酸蓄電池),由于其特性(化學(xué)反應(yīng))可靠性一直沒有多大提升,因此科學(xué)有效的維護是**蓄電池系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。
　　目前對于蓄電池的維護工作普遍存在維護工作不到位;流程復(fù)雜、針對性差;維護手段匱乏等問題。蓄電池系統(tǒng)已經(jīng)成為電源系統(tǒng)中較不可靠的部分。在重大的電源事故中,由于電源自身故障引發(fā)的事故占10%、開關(guān)切換故障引發(fā)事故占20%,而其余70%的事故都是與蓄電池故障相關(guān)的(見圖1)。有效地監(jiān)控和科學(xué)地維護對于提高蓄電池組穩(wěn)定性至關(guān)重要。發(fā)現(xiàn)和解決蓄電池系統(tǒng)中的隱患、提高蓄電池組的安全性是目前蓄電池維護工作的重點。也是提高數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可用性的有效手段之一。
　　1閥控鉛酸蓄電池維護測試方法
　　(1)傳統(tǒng)的蓄電池維護方法
　　**電工學(xué)會鉛酸蓄電池檢測和維護規(guī)范IEEE1188-1996中對于蓄電池維護規(guī)定,對于鉛酸蓄電池的維護應(yīng)做到以下4點:
　?、賹崟r、準(zhǔn)確的單體蓄電池電壓、電池組電流和環(huán)境溫度的監(jiān)控;
　　②每月1～2次的單體蓄電池內(nèi)阻測試并跟蹤蓄電池內(nèi)阻變化趨勢;
　?、勖磕?次的核對性放電;
　?、軐ΜF(xiàn)場使用時間**過2年的蓄電池,應(yīng)做到每3個月進行一次核對性放電。
　　該標(biāo)準(zhǔn)在提高了蓄電池系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性的同時,也大大提高了對于蓄電池日常維護的要求,很難在我們的日常維護中得到充分的執(zhí)行。結(jié)合我們自身的實際情況,大部分運行維護工作采用了相對簡化的維護流程:
　　①現(xiàn)網(wǎng)電池浮充電壓、浮充電流的日常巡檢(每月1次);
　?、跇屑~機房蓄電池組核對性放電試驗,放出容量的30%～40%(每年1次);
　?、刍倦姵厝萘糠烹娫囼?每年1次);
　?、馨l(fā)電機啟動電池(半年1次)。
　　簡化了的維護流程在降低了蓄電池維護工作量,也提高了蓄電池組的安全隱患。即便是按照簡化后的流程執(zhí)行,蓄電池的日常巡檢和定期放電仍需要大量的人力、物力才能完成。一年一次的全容量放電的測試密度仍然不能做到及時發(fā)現(xiàn)電池性能的劣化狀況;進一步加大放電試驗密度將使蓄電池維護所牽扯的人力、物力投入過大,缺乏可操作性;對于現(xiàn)網(wǎng)的數(shù)量龐大的蓄電池,缺乏系統(tǒng)性的運行性能統(tǒng)計、趨勢分析、預(yù)警和質(zhì)量管理的支撐平臺,維護管理手段落后。維護工作缺乏主動性、預(yù)防性[3]。
　　(2)蓄電池運行參數(shù)監(jiān)控
　　蓄電池運行參數(shù)包括蓄電池的單體電壓、電池組電壓、電流和環(huán)境溫度等參數(shù)。目前,對于這些參數(shù)的測量主要依靠人工定期巡檢和在線式電壓檢測儀來完成。電壓、電流和環(huán)境溫度是蓄電池的運行參數(shù)指標(biāo),也是蓄電池穩(wěn)定運行的較基本的**。惡劣的運行環(huán)境將大大縮短蓄電池的使用壽命,加大蓄電池的安全隱患。環(huán)境溫度過高,會加速蓄電池失水,造成蓄電池失效加速。在35℃時運行蓄電池的劣化將加速一倍;在55℃時,對于蓄電池浮充一個月所造成的劣化相當(dāng)于在25℃時浮充一年的等級。同樣,過高的充電電壓也將大大加速蓄電池的劣化速度。當(dāng)充電電壓或環(huán)境溫度過低時,蓄電池的容量飽和度很難達到**,也直接體現(xiàn)為蓄電池放電容量不足。過放電對于蓄電池的損害是非常大的。對于串聯(lián)使用的蓄電池組,由于蓄電池個體之間的差異,放電過程中不同蓄電池達到終止電壓的時間差異很大。電池組中的某些劣化蓄電池達到放電終止電壓的時間往往大大提前于其他蓄電池。以電池組電壓為單位計算放電終止電壓,易造成蓄電池組中部分劣化蓄電池過放電甚至是深度過放電,加速蓄電池組中故障蓄電池的出現(xiàn)。放電過程中,當(dāng)電池組中出現(xiàn)達到終止電壓的單體蓄電池時應(yīng)停止放電,而不是以電池組電壓為參考標(biāo)準(zhǔn)。
　　但是,僅僅對于蓄電池的電壓、電流和環(huán)境溫度進行監(jiān)測還無法達到有效維護蓄電池的目的。蓄電池運行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的意義更多體現(xiàn)在對于蓄電池運行環(huán)境的合理性檢測,而不是蓄電池故障的排查。性能很差的蓄電池在浮充狀態(tài)時,端電壓的變化并不明顯,甚至有“浮充電壓正常但放電時出現(xiàn)嚴(yán)重故障”的情況[1]。而等到蓄電池放電時發(fā)現(xiàn)異常,往往為時已晚。
　　(3)蓄電池阻抗/電導(dǎo)在線監(jiān)測
　　蓄電池的阻抗/電導(dǎo)測試技術(shù)是目前**公認(rèn)的蓄電池故障快速檢測方法,也是蓄電池在線監(jiān)測管理的發(fā)展方向。該技術(shù)在民用中已經(jīng)得到了較好的普及,對于手機電池和汽車電瓶的故障快速檢測都是基于蓄電池的阻抗/電導(dǎo)進行判斷的。
　　在工業(yè)電源蓄電池檢測領(lǐng)域中,除**電工學(xué)會IEEE1188將蓄電池阻抗測試列為日常檢測內(nèi)容外,美國的TIA-92(數(shù)據(jù)中心通用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)范2005年版)和我國的GB50174-2008(電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范)也將蓄電池阻抗在線監(jiān)測列為數(shù)據(jù)中心蓄電池的重要監(jiān)測指標(biāo)。
　　目前采用的電池內(nèi)阻測試設(shè)備主要分為在線式與離線式兩種。在線式測試系統(tǒng),能自動化的、持續(xù)的監(jiān)測各單體蓄電池參數(shù),實現(xiàn)對于蓄電池的生命周期全過程管理。離線式測試系統(tǒng)(如手持式儀表),偏重于電池篩選過程,可確保電池使用前的一致性。從實現(xiàn)手段看,分為直流放電法和交流注入法。
　　直流放電法(**U.S.PatentNo:5,744,962)通過對蓄電池瞬時大電流放電,并測試蓄電池端電壓跌落獲得蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)。如圖2所示。
　　直流放電法有以下幾個主要的缺點:需要對電池進行大電流放電;不能測量蓄電池的較化內(nèi)阻即電化學(xué)內(nèi)阻;與蓄電池連續(xù)放電容量相關(guān)性差。
　　但是,直流放電法由于采用了瞬時大電流放電的方式,對于在實際使用中需要使用電池瞬時大電流放電的場合(如發(fā)電機啟動電池),這種方式還是具有一定使用意義的。
　　交流注入法采用向蓄電池注入一定頻率的交流信號實現(xiàn)阻抗的測試。交流法測試原理圖如圖3所示,將一定幅度的交流電流信號注入到蓄電池中,同時捕捉蓄電池的電壓反饋。
　　交流法測試的蓄電池內(nèi)阻,能在很大程度上體現(xiàn)出蓄電池的電化學(xué)特性,其測試方式的科學(xué)性較強。同時,由于采用交流注入的方式,會對電池系統(tǒng)中的紋波造成一定影響。對于直流系統(tǒng)特別是對于紋波要求較高的場合,直接采用交流法會對電源質(zhì)量造成一定的影響。
　　脈動直流法,是介于交流法和直流法之間的一種方式。該方法是目前**上對于鉛酸蓄電池內(nèi)阻的主流測試方式。脈動直流法采用的電流激勵信號為直流脈動信號,這樣既克服了交流激勵中的紋波問題,同時也*使用像直流法那樣的大電流進行放電。采用脈動直流對蓄電池進行放電后,通過交流監(jiān)測回路對蓄電池端電壓的反饋進行測量。此時,測量的是蓄電池端電壓對于脈動激勵信號的交流反饋?；蛘哒f,對于蓄電池端電壓中負荷激勵頻率的反饋信號進行提取,從而獲得蓄電池的交流阻抗。脈動直流法,在技術(shù)實現(xiàn)上相對于前兩種方式難度較大。脈動直流法測試工作原理如圖4所示。
　　關(guān)于蓄電池的阻抗和電導(dǎo)的區(qū)別一直以來有一定的爭論。**電工學(xué)會對于蓄電池的阻抗和電導(dǎo)的測試方法進行了如下的定義:將已知頻率的恒定電流注入到蓄電池,通過對蓄電池端電壓反饋進行測試,獲得的數(shù)據(jù)為蓄電池的阻抗;將已知頻率和振幅的交流電壓加到蓄電池的兩端,測量所產(chǎn)生的電流,獲得的數(shù)據(jù)為蓄電池的電導(dǎo)。即通過施加恒流信號,測試蓄電池電壓反饋的方法為阻抗測試法;通過施加恒壓信號,測試蓄電池電流反饋的方法為電導(dǎo)測試法。經(jīng)過對于目前世界市場主流的蓄電池測試設(shè)備分析和比較,以MIDTRONIC、BTECH、GRANDPOWER等為代表的主流蓄電池監(jiān)控設(shè)備生產(chǎn)廠家均采用恒流方式進行蓄電池的阻抗測試。也就是說,市場上主流的蓄電池阻抗測試設(shè)備,不管顯示的是蓄電池的阻抗或是電導(dǎo),實際上都是基于**電工學(xué)會定義的蓄電池阻抗測試方法實現(xiàn)的。因此,目前對于阻抗/電導(dǎo)的提法,主要針對于采用直流大電流放電法測量蓄電池內(nèi)阻而提出的。蓄電池的阻抗/電導(dǎo)測試的實質(zhì)是針對于蓄電池在一定頻率下復(fù)頻阻抗的測量,除了應(yīng)體現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻的歐姆內(nèi)阻之外,還要綜合考慮蓄電池的較化內(nèi)阻等復(fù)頻阻抗。在很多研究方法中[3],采用圖5作為電池阻抗分析的等效電路。從等效電路,能夠看出對于蓄電池進行復(fù)頻阻抗綜合分析而不是單純的內(nèi)阻分析的必要性。
　　阻抗測試技術(shù)雖然被大多數(shù)人認(rèn)可,但是在產(chǎn)品化的過程中也存在一些不足。通過對于目前市場中的蓄電池阻抗的監(jiān)測設(shè)備的綜合分析。我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題:
　　①各廠家設(shè)備測量出的參數(shù)不相同。由于各廠家采用的信號頻率存在差異,采用不同廠家的設(shè)備測量相同狀態(tài)下的蓄電池時,顯示的內(nèi)阻值不相同,甚至存在較大的差異;
　?、谧杩箶?shù)據(jù)非常抽象,需要使用者具有一定的專業(yè)知識才能進行判斷。很少有廠家能夠提供嚴(yán)謹(jǐn)、完整的判斷標(biāo)準(zhǔn);
　　③部分廠家的測試結(jié)果與蓄電池實際容量劣化狀態(tài)的相關(guān)性差。由于缺乏有效的界定標(biāo)準(zhǔn),很難判斷某些設(shè)備阻抗數(shù)據(jù)的真實性。
　　針對以上問題,將在線阻抗測試與蓄電池運行數(shù)據(jù)結(jié)合在一起就可以有效地實現(xiàn)供電系統(tǒng)中備用儲能單元的故障預(yù)測,從而實現(xiàn)提高供電系統(tǒng)可用性。
　?、賹⒕€阻抗測試與蓄電池運行數(shù)據(jù)結(jié)合作為故障蓄電池的快速檢測方法,有效的測試設(shè)備應(yīng)該能夠準(zhǔn)確檢知蓄電池組中的嚴(yán)重劣化蓄電池;
　　②當(dāng)蓄電池處于早期劣化狀態(tài)時,其阻抗的變化率將大大提高。通過連續(xù)、有效地監(jiān)控能夠發(fā)現(xiàn)蓄電池組中的早期劣化蓄電池;
　?、坌铍姵氐淖杩购腿萘康年P(guān)系是離散相關(guān)的。有效的阻抗測試設(shè)備提供的阻抗數(shù)據(jù),對于早期劣化蓄電池識別的準(zhǔn)確性應(yīng)該能達到80%以上;
　　對于嚴(yán)重劣化蓄電池或故障蓄電池應(yīng)達到95%以上;
　　④線阻抗測試與蓄電池運行數(shù)據(jù)結(jié)合能提出一套完整的蓄電池劣化判斷標(biāo)準(zhǔn),而不是簡單提供阻抗數(shù)值。
　　2蓄電池在線阻抗測試技術(shù)的**
　　電池單體阻抗/電壓在線測試系統(tǒng)的經(jīng)濟性,是除安全性之外運維工作的*二項主要要求。通過有效的蓄電池阻抗監(jiān)測的引入,能夠大大降低蓄電池維護的工作量與成本,也是提高供電系統(tǒng)可用性的有效手段之一。
　　(1)電池單體內(nèi)阻監(jiān)測對運維成本的節(jié)省在部分基站的測試中,初步測算,對蓄電池組采用在線內(nèi)阻/電壓檢測系統(tǒng)后,可減少維護人工、物料成本60%[4]。
　　浙江移動的研究[3]表明,電池電導(dǎo)在線監(jiān)測系統(tǒng),能夠幫助維護人員快速發(fā)現(xiàn)故障電池,全面、及時掌控電池組的實際運行狀況,從而徹底改變傳統(tǒng)的電池維護測試模式,有效提高維護管理效率60%以上。
　　(2)電池單體內(nèi)阻監(jiān)測對電池更換的成本節(jié)省在傳統(tǒng)的電池運維方法中,定期按規(guī)范對電池組進行放電以核對容量。當(dāng)放電容量小于設(shè)計容量的80%時候,通常采取電池組整組更換的方法。而電池組放電容量下降主要的罪魁禍?zhǔn)资巧贁?shù)的弱化、落后電池,而整組電池的報廢與更換,無疑浪費了“好”電池,增加了用戶的成本投入,導(dǎo)致全社會的浪費,也與當(dāng)前節(jié)能減排工作背道而馳。有運營商對電池電導(dǎo)檢測[3],可實現(xiàn)相對準(zhǔn)確地掌控電池組中每個單體的容量范圍,避免電池的盲目報廢,預(yù)計可使電池報廢數(shù)量降低30%以上,節(jié)能減排效益明顯。
　　(3)電池單體內(nèi)阻監(jiān)測系統(tǒng)的**ROI
　　管理者通常關(guān)注的是資本回報或**ROI(Returnofinvest)。
　　早期的電池單體內(nèi)阻監(jiān)測系統(tǒng)昂貴,今天仍有不少國外品牌價格高昂,他們通常一套電池單體內(nèi)阻監(jiān)控系統(tǒng),其價格遠比被監(jiān)測的電池組貴,所以**ROI通常為5～8年(按簡單回本期計算)[4],其經(jīng)濟性是比較差的。
　　較新的電池單體內(nèi)阻監(jiān)測系統(tǒng)成本大幅下降,當(dāng)然不同廠家的不同系統(tǒng)的**有一定差異,但是不少性能優(yōu)異的廠家,其ROI已經(jīng)降到1.5～3年(按簡單回本期計算),部分系統(tǒng)已經(jīng)降低到1.5～2年回報,已完全具備大規(guī)模應(yīng)用的條件。
　　3結(jié)束語
　　在運行的通訊基站和數(shù)據(jù)中心等重要場所,電池單體內(nèi)阻監(jiān)測已經(jīng)成為供電系統(tǒng)安全**的一部分,在時刻**供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。隨著新型鋰電池、燃料電池的逐步發(fā)展與應(yīng)用,電池單體內(nèi)阻監(jiān)測將應(yīng)用到較加廣泛的空間。
　　參考文獻
　　[1]劉希禹《閥控鉛酸蓄電池的監(jiān)控和故障預(yù)測》
　　[2]朱松然《鉛蓄電池技術(shù)》
　　[3]浙江移動《電池容量與電導(dǎo)(內(nèi)阻)咬合度研究報告》
　　[4]美國的TIA-942(數(shù)據(jù)中心通用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)范2005年版)
　　[5]GB50174-2008(電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范)
　　作者簡介
　　侯曙光,北京天云動力科技有限公司技術(shù)總監(jiān),專注數(shù)據(jù)中心供配電及智能配電系統(tǒng)、連續(xù)供電支撐系統(tǒng)及數(shù)據(jù)中心設(shè)施運行管理系統(tǒng)。


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