電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
摘要：分解VRLA蓄電池運行中影響其性能的諸多因素，并就蓄電池人工測試與在線監測的技術加以比較，提出蓄電池維護中以內阻在線監測為主的處理方案。
前言：隨著我國通訊、電力、UpS等行業的迅猛發展，免維護蓄電池的用量也在快速增加，其性能狀況的優劣對于保證后備直流電源的正常運行尤為緊要，但同時各種問題也逐漸顯現：
?使用壽命比預計的要短；?個別電池失效導致整組電池失效；?突發性的電池故障很難保證及時發現；?電池放電探測的風險很高；?由于現場條件限制，很難進行手工測試，探測數據分解需要運維人員具有很高的專業水準；?無人職守站（所）的日常檢查費用很高；?缺乏科學、有效的監測管理手段，對蓄電池的合理使用不能及時作出準確的判斷；?具有“電池管理功能”的電源設備，沒有真正起到電池管理者的作用。
有關資料聲明，蓄電池使用3--4年后，大部分很難通過容量測試，惟有少數能超過6年。而實際使用中，惟有很少用戶定期檢查蓄電池并對蓄電池作定期容量探測，很多情況是在停電后才發現蓄電池放電容量達不到設計要求，甚至有的電池包的容量達不到額定容量的50%還在持續“工作”。
這就說明，蓄電池用戶急切需要能夠實時在線監測蓄電池性能狀況，蓄電池在線監測設備對蓄電池的管理有緊要的意義。
一、影響蓄電池性能的因素1.影響蓄電池質量的技術問題1）電池構成VRLA電池由正極板、負極板、AGM隔膜、正負匯流條、電解液、安全閥、蓋和殼組成。其中正極板柵厚度、合金成份、AGM隔膜厚度平均性、匯流條合金、電解液量、安全閥開閉壓力、殼蓋材料、電池加工工藝等對電池壽命和容量平均性具有緊要影響。
2）板柵合金VRLA電池負板柵合金一般為pb-Ca系列合金，正板柵合金有pb－Ca系列、pb-Sb（低）系列和純pb等，其中pb-Ca、pb-Sb（低）合金正板柵電池浮充壽命相似，但循環壽命相差較大，對于常常停電地區選用低銻合金電池可靠性好。
3）板柵厚度極板的正板柵厚度決定電池的設計壽命。
4）安全閥安全閥是電池的一個關鍵部件，具有濾酸、防爆和單向開放功能，YD／T7991996規定安全開閉壓力范圍為1－49kpa，但是，對于長壽命電池，非得考慮單向密封，戒備空氣進人電池內部，同時戒備內部水蒸氣在較高溫度下跑掉。
5）AGM隔膜隔膜孔隙率和厚度平均性，筆直影響隔膜吸酸飽和度和裝配壓縮比，從而影響電池壽命和容量平均性。
6）殼蓋材料VRLA電池殼蓋材料有pp、ABS和pVC，pp材料相對較好。
7）酸量和化成工藝分為電池化成和槽化成兩種，電池化成可以定量注酸并記錄每個電池單體化成全過程數據，能準確判斷每個出廠電池綜合加工質量狀況，但化成時間較長。槽化成是對極板化成，化成時間短，極板化成較充足，但對電池包裝質量不能通過化成過程數據記錄判斷。
8）涂板工藝涂板工藝要保證極板厚度和每片極板活性物質的平均性。
9）密封技術VRLA電池密封技術包括極柱密封、殼蓋材料透水性、殼蓋密封和安全閥密封。
10）氧復合效率AGM電池具有良好的氧復合效率，貧液狀態下按有關標準探測氧復合效率一般大于98％，因此具有良好的免維護性能。
2．影響蓄電池壽命的環境因素1）環境溫度蓄電池正常運行的溫度是20～40℃，最佳運行溫度是25℃。當溫度每升高5℃，蓄電池的使用壽命降低10%，且容易發生熱失控。
2）環境濕度蓄電池的運行濕度應當在5～95%（不結露）之間，環境濕度過高，會在蓄電池表面結露，容易出現短路；環境濕度過低，容易萌生靜電。
3）灰塵灰塵過多，容易使蓄電池短路，安全閥堵塞失效。
3．蓄電池失效模式1）電池失水閥控式鉛酸電池不逸出氣體是有條件的，即：電池在存放期間內應無氣體逸出；充電電壓在2.35V／單體（25℃）以下應無氣體逸出；放電期間內應無氣體逸出。但當充電電壓超過2.35V／單體時就有可能使氣體逸出,此時電池體內短時間萌生了大量氣體來不及被負極吸收，壓力超過某個值時，便開始通過單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經過濾酸墊濾掉了酸霧，但畢竟使電池損失了氣體（也就是失水），所以閥控式密封鉛酸電池充電不能過充電。
2）負極板硫酸化當閥控式密封鉛酸電池的荷電不足時，在電池的正負極柵板上就有pbSO4這一現象稱為活性物質的硫酸化，硫酸化使電池的活性物質減少，降低電池的有效容量，也影響電池的氣體吸收能力，久之就會使電池失效。
3）正極板腐蝕由于電池失水，造成電解液比重增高，過強的電解液酸性加劇正極板腐蝕。
4）熱失控熱失控是指蓄電池在恒壓充電時，充電電流和電池溫度發生一種累積性的加強作用，并逐步損壞蓄電池。從目前蓄電池使用的狀況調查來看，熱失控是蓄電池失效的主要原由之一。熱失控的筆直后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，嚴重的還會引起極板形變，最后失效。浮充電壓是蓄電池長期使用的充電電壓，是影響電池壽命至關緊要的因素。一般情況下，浮充電壓定為2.23~2.25V/單體（25℃）比較適宜。
4.蓄電池在后備電源運行中存在問題1）蓄電池壽命無法達到設計要求在實際中，蓄電池在三年時就會出現嚴重劣化，使用超過5年的蓄電池很少。原由是在使用中對蓄電池沒有有效、合理地進行管理以及維護，造成蓄電池在早期出現劣化，并且沒有及時發現落后電池，致使劣化積累、加劇，導致蓄電池過早報廢。
2）對蓄電池的運行情況、性能狀況不明蓄電池包中如果有落后的蓄電池，可以通過一定深度的放電、充電循環，在一定程度上減少落后的差別。但由于沒有良好的管理手段，對于蓄電池內部性能參數，如蓄電池的內阻、當前的剩余容量，無法十分清楚地知道，所以相應的措施就無法實行。
3）對于單體電池而言，充電機制可靠性需要完善由于目前國內直流系統的充電機制不是非常的完善，在實際中存在電壓漂移的情況，蓄電池長期處于浮沖狀態，如果浮沖電壓偏離正常的范圍，就會造成蓄電池的過充或欠充，長期的過充或欠充對于蓄電池的性能影響非常大。
4）單體電池之間不均衡目前蓄電池包由數量很多的單體電池包成，實際運行中存在單體電池之間充電電壓、內阻等差異較大的情況，特別是在浮充下，這種不均衡現象顯得非常嚴重。個別落后電池充電不完全，如果沒有及時發現并解決，這種落后就會加劇。如此反復，這種不均衡就加重，致使落后電池失效，從而引起整組蓄電池的容量過早喪失。
5）無人值守站點的維護工作缺乏良好的管理監測手段對于許多無人值守的站點，由于沒有網絡管理監測的手段，對于蓄電池的維護更加薄弱，特別是對于蓄電池的運行情況以及性能狀況，不能清楚的知道。大量的維護與管理工作由人工進行，同時數據的整理與分解需要維護人員有較強的專業知識。
6）蓄電池終止壽命無法提前判斷以及蓄電池的更換缺乏科學的根據我們對于蓄電池的壽命終止，希望能夠提前作出判斷，為蓄電池的更換贏得時間。但目前對于蓄電池壽命的終止，沒有一個可靠的手段，僅僅依據多年的經驗來進行。所以在實際中，往往是蓄電池放電的容量低于最低要求后，才在放電中發現蓄電池的壽命終止。
二、蓄電池人工測試與在線監測的技術比較1．人工測試目前大部分都采用人工檢查的辦法，來實現蓄電池的維護。該辦法除了放電探測外，人工測量主要是測量電池包電壓、單電池電壓、溫度和單電池內阻。電池包電壓測量可以發現充電機的參數設置是不是正確。由于蓄電池是串聯運行，整組電池的電壓由充電機的輸出來決定。單電池電壓監測可以發現單電池浮充電壓不正確，單電池是不是被過充電、過放電等情況。溫度測量可以發現電池的工作環境是不是通風不良、溫度過高。電池內阻能夠反映電池的容量下降和電池老化。不同廠家的內阻探測儀的準確度和抗干擾能力差別很大；由于采用的工作頻率不同，其讀數值也會有差別；尤其是測量夾具很難與電池端子筆直接觸，測量值往往包括連接電阻。
人工測量存在眾多不足：a、人工測量的準確度會受到諸多因素的影響；b、由于人工探測大都為定期進行，無法及時發現落后、失效蓄電池；c、放電探測對蓄電池會造成無法恢復的傷害隱患；d、大量的人工測量費時費力，安全性差，周期長。
2．蓄電池的在線監測蓄電池在線監測管理是針對測量電池的運行條件和測試電池本身的狀況而設計的，其發展大致經歷了三個階段：①整組電壓監測、②單電池電壓監測、③單電池內阻巡檢
1）整組電壓監測整組電池監測功能一般設計在整流電源內，測量電池包的電壓，電流和溫度，進行充電和放電管理，尤其是依據環境溫度變化調整電池的浮充電壓，在電池放電時電池包電壓低至某下限時報警，今朝的UpS依然采用該辦法。
但是整組監測存在較大的不足,如在蓄電池包放電時,放電的截止電壓是N×1.8V/只(N為蓄電池數量),但是由于蓄電池包中蓄電池的一致性無法嚴格保證，因此在放電中當個別電池已經達到放電截止電壓，但電池包并沒有達到N×1.8V/只，這樣就會出現個別電池過放電。
2）單電池電壓監測全電子式的監測，對蓄電池的運行情況可以作到較為全面的監測與管理，如單電池電壓、電池包電壓、充放電電流、蓄電池的環境溫度等。通過蓄電池運行參數的監測，可以保證蓄電池在正常條件下的運行與工作。但當蓄電池運行條件無法保障的前提下，蓄電池運行參數的監測是無法反映其性能參數的。
3）單電池內阻監測電池總內阻是電荷轉移電阻與各部件歐姆電阻的總和，試驗聲明：歐姆阻抗是電池早期失效的最大隱患。
以下是最通常的影響內阻變化的因素：腐蝕隨柵板和匯流排的腐蝕，金屬導電回路變化，使內阻增大。柵板腐蝕和長年使用會導致活性物質從柵板上脫落，使內阻增大。硫化隨一部分活性物質硫化，涂膏的電阻亦增加。電池干涸由于VRLA電池無法加水，失水可能使電池報廢。制造制造缺限，如鑄鉛和涂膏，都能導致高的金屬電阻和容量問題。充電狀態從浮充狀態到20%容量的放電，幾乎不影響內阻。試驗聲明20%的放電對內阻的影響小于3%。溫度39℃以內的高溫對電池內阻影響甚微，低溫有些影響，但需到18℃以下。
試驗聲明，內阻比基準值高出50%的電池，不能通過標準的容量探測，VRLA電池是一個接一個地失效。使用3~4年的電池包，各個內阻值分布高于基線值的0~100%也是常事。高放電速率下的使用時間仿佛對這些因素更為敏感，一般電池內阻增加20~25%時就到了壽命期限。在低放電速率下，電池內阻一般增加20~35%后壽命才結束。
現場探測的數據聲明，個別電池的內阻偏離均勻值的25%時，就應當做一次放電容量探測了。將溫度傳感器置于電池表面可以發現電池過熱，從而及時發現電池運行過程的異常。
4）內阻探測辦法電池監測設備廠商近幾年陸續推出了對單電池進行內阻監測的產品，由此帶來電池監測技術的質變，即由被動監測電壓到主動探測電池內部狀態。內阻巡檢一方面可以監測蓄電池的電壓、電流、溫度等運行參數，另一方面可以通過內阻的監測及時發現蓄電池的健康程度。
在線內阻探測技術難度大，各廠家的詳盡實現技術各有特點，其內阻準確度和抗干擾能力差別也很大。內阻實時在線監測的辦法歸為兩類：直流放電法、交流法。?
直流放電法直流法是以在瞬間大電流放電（70A）測量電池電壓降，由此得到蓄電池的內阻，并通過蓄電池內阻變化的情況分解蓄電池落后情況或失效趨勢，同時并輔以電壓、電流等運行參數的監測，是目前比較領先的監測技術。
直流法存在的不足之處：a)采用大電流的放電，對蓄電池性能會帶來一定的損害；如果測量頻度較大，則這種損害又會累積；b)直流法只能測量蓄電池內阻中的歐姆阻抗，對極化阻抗則無法測量。判斷蓄電池的失效、落后是不充足的；c)同蓄電池的連線需10平方毫米以上，連線方式要求較高。放電器及連線的可靠性要求要高。?
交流法近幾年隨著數字信號解決技術的發展，使有效地消除其他電磁信號干擾成為可能，沖破性處理交流法在實際使用中的難題，從而使該辦法在實際工作得以使用。交流法就是向蓄電池注入一定頻率的交流信號，由于蓄電池內部存在阻抗，然后測量其反饋的電流信號，進行信號解決，比較注入信號與反饋信號的差異，從而測得蓄電池內阻。
交流法特點：a）由于無需放電，避免了大電流放電對蓄電池性能的損害。b）由于無需使蓄電池脫機或靜態，避免了系統安全性的隱患，真正實實際時在線測量。c）交流法同時測量蓄電池的歐姆阻抗和極化阻抗，使對蓄電池健康度的分解更加真切、可靠。d）由于沒有負載，其成本大大減少。
三、蓄電池在線監測處理方案LEM公司針對以上因素，研發出一種行之有效的蓄電池在線監測處理方案，以智能化與網絡化的形式，通過對蓄電池內阻、電壓、溫度及充放電電流的監測，真切有效地反映蓄電池的健康狀況，從而及時發現落后蓄電池，提早防止蓄電池故障的發生，為蓄電池的安全運行與維護提供科學、準確的根據，解除用戶的后顧之憂。
1．核心元件Sentinel傳感器模塊Sentinel是蓄電池在線監測系統中的核心元件，可以同時測量所連接的單體電池的三個與電池性能相關的緊要參數：電壓、溫度及阻抗，并轉換為數字量，通過總線方式，與控制器進行通信，實現數據及命令的傳輸。?
溫度測量，國際標準IEEE1188中規定，溫度是固定型蓄電池定期維護中必要測試的參數之一。
溫度是影響蓄電池壽命的環境因素，蓄電池一般是按標準環境溫度25℃設計的，其理想的工作范圍是21-27℃，當工作于較低的溫度時，蓄電池放電容量達不到額定容量，備用放電時間減少；當工作于較高的溫度時，蓄電池壽命將會縮短。
Sentinel內置有溫度測量元件，筆直粘附于蓄電池體上，隨時監測電池的溫度，及時發現電池過熱現象。?電壓測量，是蓄電池的主要運行參數，蓄電池電壓監測可以發現蓄電池浮充電壓是不是正確，蓄電池是不是被過充電、過放電。
Sentinel并接在單體蓄電池的正負極，實時測量蓄電池不同狀態下的端電壓，測量范圍為0.90至16VDC。由于Sentinel由單體電池包筆直供電，電流消耗非常低，無需外接工作電源。?
內阻測量，是針對蓄電池失效模式進行測試的最有效參數。蓄電池內阻的變化趨勢可以反映蓄電池的容量是不是下降和電池是不是老化。
在實際使用中，充電機的正確工作不能等同于每個單電池的工作狀態正常，并且蓄電池的端電壓并不能真切地反映蓄電池的容量特性，對于容量嚴重下降的蓄電池，其浮充電壓的區別不足以用來判斷蓄電池是不是因容量降低而失效。實際上惟有通過定期對電池包放電，才能知道蓄電池的容量狀態，但此時發現的落后蓄電池早已進入壽命后期，只能給用戶提供一個滯后的信息，而蓄電池包已經起不到備份作用了。
大量的試驗數據聲明，老化蓄電池的內阻和放電能力之間存在著一定的關系，內阻的劇升同電池容量的減少有關（圖2），尤其是在蓄電池壽命未到80%的時候更為分明。用內阻探測來考核蓄電池的狀況是一種相當可靠的辦法。
Sentinel采用四線法測量，對蓄電池進行小脈沖電流放電（圖3），電流最大12A，保證蓄電池電壓的應和來源于蓄電池本身的能量層，通過LEM特有的算法，得到可靠的內阻測量，以測試蓄電池的老化和潛在的失效問題。測量范圍：0.05~250mΩ。
圖3：LEM電阻探測法通過與美國AACHEN大學實驗室設備作比對探測，兩種探測設備得到了非常接近的探測數據（圖4），從探測數據看，LEMSentinel蓄電池內阻測量結果準確、可靠，可以真切地反映出蓄電池的健康狀況。
圖4：LEMSentinel與AACHEN試驗設備探測數據
2．LEMSentinel蓄電池在線監測系統
圖1LEMSentinel電池在線監測系統框圖由于無人值守站點的增多，蓄電池在線監測的智能化，網絡化已成趨勢。LEMSentinel蓄電池在線監測系統通過對蓄電池參數的在線測量，用RS232或網絡（Ip）實現pC與測量模塊的通信，由監測軟件對采集數據進行計算、分解，以圖型和狀態表的形式展現蓄電池的運行狀態。LEMSentinel蓄電池在線監測系統功能：
測量功能：連續監測蓄電池的充、放電全過程中的電流、電壓、溫度運行參數，定時監測蓄電池的內阻，并轉換為數字量。
通訊功能：通過串行總線實現Sentinel和控制器之間的通訊。每個控制器最多可接254個Sentinel,每個Sentinel擁有唯一的地址（ID），通訊方式靈活，控制器可以筆直與pC連接，也可以通過以太網或局域網通訊，Webserver功能，可以讓用戶隨時隨地知道蓄電池的狀態。
分解功能：監測軟件對采集的蓄電池參數記錄、分解，以不同的工作模式（正常、放電、充電），用圖形與狀態表的形式反應不同的蓄電池健康狀況（圖5，圖6，圖7）。
報警功能：對蓄電池的電壓、溫度、過充、過放等不正常的狀態，在監測軟件中有報警顯示的同時，控制器上會有相應的報警節點輸出，方便用戶接入報警系統。
3．LEMSentinel蓄電池在線監測系統的優點1)實現對蓄電池運行中參數的實時、在線監測，對于可能發生的問題，作到提前判斷，及早防止，及時解決。2）測量數據重復性好，避免了人工探測數據的偶然性,實現蓄電池參數的連續測量，形成歷史數據記錄曲線，用戶依據運行參數的變化趨勢可以發現和防止蓄電池的缺陷。3）一次性安分布式安裝，模塊與蓄電池一一對應，現場布線簡單且工程成本低，降低電池壽命周期內的計劃性維護成本，減少人工與設備的大量重復投入，去除人工測量對人身以及電源系統安全帶來的不利因素，特別是減少蓄電池放電探測中中斷外電的情況。4）配套軟件自動分解所監測的蓄電池各項參數，減少蓄電池維護對人員專業素質的苛刻要求。5）獨立的模塊使得監控非常靈活，相對于聚集式監控產品來說在蓄電池數量少的地方更凸顯優點，適應目前電力、通訊等范疇信息化、設備管理網絡化的需求6）Sentinel采用了一個LEM定制的片上系統SoC；高度的集成確保了模塊更高的可靠性和抗干擾性能，模塊質保期5年。7）模塊采用脈沖電流放電法測量內阻，放電電流小，不但安全且對蓄電池不易造成傷害，模塊可以測試單個電池的溫度，這是目前市場上的其他同類產品所罕見的。
圖5：柱狀圖顯示網絡中各個電池的電壓、溫度、內阻
圖6：連續記錄電池的電壓、溫度、內阻、電流
圖7：Webserver功能4。LEMSentinel蓄電池在線監測現場使用案例
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