蓄电池

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老化蓄电池的内阻和放电能力之间存在着一定的关系

蓄电池在后备电源运行中存在问题
    1)蓄电池寿命无法达到设计要求
    在实际中,蓄电池在三年时就会出现严重劣化,使用超过5年的蓄电池很少。原因是在使用中对蓄电池没有有效、合理地进行管理以及维护,造成蓄电池在早期出现劣化,并且没有及时发现落后电池,致使劣化积累、加剧,导致蓄电池过早报废。
2)对蓄电池的运行情况、性能状况不明
    蓄电池组中如果有落后的蓄电池,可以通过一定深度的放电、充电循环,在一定程度上减少落后的差别。但由于没有良好的管理手段,对于蓄电池内部性能参数,如蓄电池的内阻、当前的剩余容量,无法十分清楚地了解,所以相应的措施就无法实施。
3)对于单体电池而言,充电机制可靠性需要完善
    由于目前国内直流系统的充电机制不是非常的完善,在实际中存在电压漂移的情况,蓄电池长期处于浮冲状态,如果浮冲电压偏离正常的范围,就会造成蓄电池的过充或欠充,长期的过充或欠充对于蓄电池的性能影响非常大。
4)单体电池之间不均衡
    目前蓄电池组由数量很多的单体电池组成,实际运行中存在单体电池之间充电电压、内阻等差异较大的情况,特别是在浮充下,这种不均衡现象显得非常严重。个别落后电池充电不完全,如果没有及时发现并处理,这种落后就会加剧。如此反复,这种不均衡就加重,致使落后电池失效,从而引起整组蓄电池的容量过早丧失。
5)无人值守站点的维护工作缺乏良好的管理监测手段
    对于许多无人值守的站点,由于没有网络管理监测的手段,对于蓄电池的维护更加薄弱,特别是对于蓄电池的运行情况以及性能状况,不能清楚的了解。大量的维护与管理工作由人工进行,同时数据的整理与分析需要维护人员有较强的专业知识。
6)蓄电池终止寿命无法提前判断以及蓄电池的更换缺乏科学的依据
    我们对于蓄电池的寿命终止,希望能够提前作出判断,为蓄电池的更换赢得时间。但目前对于蓄电池寿命的终止,没有一个可靠的手段,仅仅根据多年的经验来进行。所以在实际中,往往是蓄电池放电的容量低于最低要求后,才在放电中发现蓄电池的寿命终止。
二、蓄电池人工检测与在线监测的技术比较
    1.人工检测
    目前大部分都采用人工检查的方法,来实现蓄电池的维护。该方法除了放电测试外,人工测量主要是测量电池组电压、单电池电压、温度和单电池内阻。
    电池组电压测量可以发现充电机的参数设置是否正确。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。
    单电池电压监测可以发现单电池浮充电压不正确,单电池是否被过充电、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、温度过高。
    电池内阻能够反映电池的容量下降和电池老化。不同厂家的内阻测试仪的准确度和抗干扰能力差别很大;由于采用的工作频率不同,其读数值也会有差别;尤其是测量夹具很难与电池端子直接接触,测量值往往包括连接电阻。
人工测量存在众多不足:
    a、人工测量的准确度会受到诸多因素的影响;
    b、由于人工测试大都为定期进行,无法及时发现落后、失效蓄电池;
    c、放电测试对蓄电池会造成无法恢复的伤害隐患;
    d、大量的人工测量费时费力,安全性差,周期长。
2.蓄电池的在线监测
    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的,其发展大致经历了三个阶段:①整组电压监测、②单电池电压监测、③单电池内阻巡检
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时报警,现在的UPS仍然采用该方法。
    但是整组监测存在较大的不足, 如在蓄电池组放电时, 放电的截止电压是N×1.8V/只(N为蓄电池数量), 但是由于蓄电池组中蓄电池的一致性无法严格保证,因此在放电中当个别电池已经达到放电截止电压,但电池组并没有达到N×1.8V/只,这样就会出现个别电池过放电。
2) 单电池电压监测
    全电子式的监测,对蓄电池的运行情况可以作到较为全面的监测与管理,如单电池电压、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。但当蓄电池运行条件无法保障的前提下,蓄电池运行参数的监测是无法反映其性能参数的。
3) 单电池内阻监测
    电池总内阻是电荷转移电阻与各部件欧姆电阻的总和,实验表明:欧姆阻抗是电池早期失效的最大隐患。
以下是最通常的影响内阻变化的因素:
    腐蚀 随栅板和汇流排的腐蚀,金属导电回路变化,使内阻增大。
    栅板 腐蚀和长年使用会导致活性物质从栅板上脱落,使内阻增大。
    硫化 随一部分活性物质硫化,涂膏的电阻亦增加。
    电池干涸 由于VRLA电池无法加水,失水可能使电池报废。
    制造 制造缺限,如铸铅和涂膏,都能导致高的金属电阻和容量问题。
    充电状态 从浮充状态到20%容量的放电,几乎不影响内阻。实验表明20%的放电对内阻的影响小于3%。
    温度 39℃以内的高温对电池内阻影响甚微,低温有些影响,但需到18℃以下。
实验表明,内阻比基准值高出50%的电池,不能通过标准的容量测试,VRLA电池是一个接一个地失效。使用3~4年的电池组,各个内阻值分布高于基线值的0~100%也是常事。高放电速率下的使用时间似乎对这些因素更为敏感,一般电池内阻增加20~25%时就到了寿命期限。在低放电速率下,电池内阻一般增加20~35%后寿命才结束。
现场测试的数据表明,个别电池的内阻偏离平均值的25%时,就应该做一次放电容量测试了。将温度传感器置于电池表面可以发现电池过热,从而及时发现电池运行过程的异常。
4)内阻测试方法
    电池监测设备厂商近几年陆续推出了对单电池进行内阻监测的产品,由此带来电池监测技术的质变,即由被动监测电压到主动测试电池内部状态。内阻巡检一方面可以监测蓄电池的电压、电流、温度等运行参数,另一方面可以通过内阻的监测及时发现蓄电池的健康程度。
在线内阻测试技术难度大,各厂家的具体实现技术各有特点,其内阻准确度和抗干扰能力差别也很大。内阻实时在线监测的方法归为两类:直流放电法、交流法。
直流放电法
    直流法是以在瞬间大电流放电(70A)测量电池电压降,由此得到蓄电池的内阻,并通过蓄电池内阻变化的情况分析蓄电池落后情况或失效趋势,同时并辅以电压、电流等运行参数的监测,是目前比较领先的监测技术。
直流法存在的不足之处:
    a) 采用大电流的放电,对蓄电池性能会带来一定的损害;如果测量频度较大,则这种损害又会累积;
    b) 直流法只能测量蓄电池内阻中的欧姆阻抗,对极化阻抗则无法测量。判断蓄电池的失效、落后是不充分的;
    c) 同蓄电池的连线需10平方毫米以上,连线方式要求较高。放电器及连线的可靠性要求要高。
交流法
    近几年随着数字信号处理技术的发展,使有效地消除其他电磁信号干扰成为可能,突破性解决交流法在实际应用中的难题,从而使该方法在实际工作得以应用。
    交流法就是向蓄电池注入一定频率的交流信号,由于蓄电池内部存在阻抗,然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。
交流法特点:
    a)由于无需放电,避免了大电流放电对蓄电池性能的损害。
    b)由于无需使蓄电池脱机或静态,避免了系统安全性的隐患,真正实现实时在线测量。
    c)交流法同时测量蓄电池的欧姆阻抗和极化阻抗,使对蓄电池健康度的分析更加真实、可靠。
    d)由于没有负载,其成本大大减少。
三、蓄电池在线监测解决方案
    LEM公司针对以上因素,研发出一种行之有效的蓄电池在线监测解决方案,以智能化与网络化的形式,通过对蓄电池内阻、电压、温度及充放电电流的监测,真实有效地反映蓄电池的健康状况,从而及时发现落后蓄电池,提早预防蓄电池故障的发生,为蓄电池的安全运行与维护提供科学、准确的依据,解除用户的后顾之忧。
1.核心元件Sentinel传感器模块
    Sentinel 是蓄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。
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。  
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。
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。
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,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,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,但此时发现的落后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,而蓄电池组已经起不到备份作用了。
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2),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。
 




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