蓄電池監控技術的使用與發展

閥控式密封鉛酸電池由于具有電壓平穩，成本低，使用和維護方便等優勢使得其得到了廣泛的使用，雖然今朝各種新型的電池材料不斷出現，但目前甚至是可預見的將來一段時間，VRLA蓄電池依然會在通訊，電力，軌道交通等范疇作為后備電源和儲能設備的主力軍。

雖然閥控式密封鉛酸電池號稱是“免維護”的，但今朝市場上電池廠家眾多，魚龍混雜，質量參差不齊，而且在實際使用中，由于蓄電池本身的劣化，蓄電池的容量也是在不斷下降的，特別是在實際使用中，通常是多個蓄電池串聯使用，這就使得一個蓄電池的性能劣化會拖累整組電池的性能，從而讓電池包達不到設計容量，一旦停電，事故發生的可能性就大大增加，所以日常對電池包的監控和維護是必不可少的，從而避免電池故障給用電客戶帶來損失。本文就VRLA蓄電池的監控技術的發展和現狀做一個全面的解析和分解。

1.傳統的電池監控方式

長期以來，蓄電池的維護單位都是以人工維護，最常見的是以下幾種方式：1.1.核對性放電這種辦法是最準確了解蓄電池容量的辦法。詳盡的操作是將浮充狀態的電池包脫離負載，然后以電池標稱容量的0.1C的速度放電（即100Ah的電池以10A的放電速度放電），并記錄電池到達規定的終止電壓的時間以確定電池的實際容量。這種辦法最大的優勢是準確，但缺點也顯而易見：這種辦法需人工操作，有一定的危險性；需要脫離負載操作，所以放電過程中如果發生停電，系統就沒有后備電源的保障；這種辦法其實探測的電池包里面最差電池單體的容量，其他電池單體的容量依然沒有掌握的；另外對電池容量本身也有一定的損害，所以不能頻繁的對電池進行核對性放電，一般的用電單位進行這種探測的頻率是一年1-2次，而電池劣化的過程常常是在幾周內發生的，這樣在兩次探測間隔時期電池的狀態依然是未知的，事故隱患依然存在。

1.2.在線或者人工監測電池電壓

這是長期以來監測電池狀態最常用的辦法。但從下圖可以看出，在浮充狀態下，容量不同的電池的浮充電壓幾乎是一致的，通過放電探測可以看到容量異常的電池很快就會下降到截止電壓，從而說明通過這種辦法來判斷電池的容量是無效的。

1.3.人工測量電池內阻

這種辦法通常與辦法2共同使用來判別電池好壞。即維護人員利用內阻儀手工探測電池單體的內阻。到目前為止，雖然大量的文獻指出蓄電池的內阻和容量狀態并沒有一個明確的數學對應關系，但業界里公認內阻的變化是和容量的變化相關的。在圖2里面黃色趨勢線顯示蓄電池的內阻在10月到11月期間因為各種原由急劇上升，因此可以判斷出蓄電池的狀態已經嚴重劣化，經過對電池的放電證實的確是電池已經失效。

但這種辦法的缺點也顯而易見：不能實時在線監測電池的狀態；花費的時間長，人力成本高；有些電池包由于空間的限制，并不便于人工操作；每次探測由于人員和儀器的不同數據會有較大的差異。這種探測辦法也不再適應今朝的電池監控系統的需求，取而代之的是在線式的內阻監控方式。下面我們就這種監控方式作具體的解析。

2.在線電池內阻監控方式

從系統架構來看這種監控方式分為聚集式和分布式。

2.1聚集式在線電池內阻監控系統

聚集式監控系統是指將一組甚至多組電池連接到同一臺設備上進行探測，圖3是聚集式監控系統的一個例子。

聚集式監控系統探測電池內阻大都采用交流注入法，即在設備內部萌生一個一定頻率和幅度的交流（基本是正弦）信號注入到蓄電池兩端，然后通過檢測并檢出蓄電池兩端同頻率的電壓波動即可確定電池的內阻。交流注入法也是大部分手持內阻儀測試內阻的辦法。交流注入法不需要從電池中取電，從而不會對電池本身的容量和壽命有影響。但交流注入法對電池注入的電流一般不能太大（1A以下）以避免對動力環境系統萌生*，這么小的電流引起的電池電壓的波動是非常難以精確探測的，很容易受到動力環境系統中的噪聲的*，特別是在UPS系統里電池兩端存在大量的諧波*，要怎么樣濾除這些*是非常有挑戰性的一項工作。就目前的聚集式設備探測內阻的結果來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。聚集式設備由于要采集多個電池單體的參數，這樣就需要從設備引出大量的連接線，而且由于電池擺放的位置不同，這些連接線的長度和走線都不一致，從而使得聚集式監控系統的施工和維護都較為麻煩。

雖然聚集式的監控方式有種種弊端，但由于其成本較低，所以在一些對內阻精度要求不高的場合還是有相當的市場。加工聚集式設備的廠家包括艾默生，杭州高特以及一些較小的廠商。

2.2分布式在線電池內阻監控系統

相對聚集式監控方式，分布式系統的電池參數采集模塊和蓄電池一一對應，采集模塊通過導軌或者雙面膠固定于電池表面，由于每一個電池單體配置一個傳感器，因此連接線短，這樣使得現場施工布線非常簡單。

在分布式監控系統中，電池參數采集模塊將采集到的數據通過串行總線上報給現場主機，再由現場主機上報給中心服務器，用戶通過客戶端訪問服務器即可查看電池運行的狀態參數。

分布式系統的電池參數采集模塊由于體積較小，不能自身內部萌生較大電流的信號，需從電池本身來取電，所以探測內阻的辦法一般采用直流或者交流放電法，即對電池拉取特定頻率和幅度的直流（脈沖）或者交流（正弦）電流，然后通過探測電池兩端的電壓波動來確定電池的內阻。由于脈沖信號里面蘊含的諧波分量較多，對于后期信號解決來說比較復雜，從探測的內阻結果精度來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.電池參數采集模塊的性能指標

掂量模塊內阻探測的性能指標包括探測的絕對精度，探測結果的重復度，模塊的靜態損耗以及模塊探測內阻時的動態損耗以及模塊的安全性能。

3.1絕對精度

內阻測量的絕對精度是指傳感器內阻探測的值與真切內阻值之間的差異。探測的結果應當越接近真切值越好，但長期以來這個指標都缺乏判斷的根據，因為電池的內阻值并沒有一個標準值。甚至有些人提出這個指標并不緊要，但筆者看來這是掂量一個采集模塊性能的緊要指標，因為很多電池加裝監控系統的時候已經使用了一段時間了，如果探測不準確，就很難與初始內阻值（廠家提供）來比較，從而難以判定電池的容量狀態。處理這個難題其實也很簡單，可以用標準的精密電阻來模擬電池內阻，然后用采集模塊來探測電阻的阻值從而判斷采集模塊的絕對精度。

3.2探測結果的重復度

內阻探測的重復度是指對同一電池單體，在同一時間和同一條件下，用同一采集模塊反復測量內阻值，得到的結果的偏差范圍。需要指出的是掂量這個指標的條件不僅是在電池脫機工作的時候，更要考慮電池在線工作時系統有大量諧波*的情況下采集模塊的探測結果的一致性。探測聲明很多廠家的采集模塊在有*的情況下探測結果離散性非常大，有些模塊甚至在有*的情況下不能正常工作。

3.3模塊的損耗

損耗包括模塊不探測的時候的靜態損耗和探測參數時候的動態損耗。靜態損耗在電池脫機工作的情況下是個緊要的參數，因為分布式的模塊都要從電池本身取電，如果靜態損耗太大，對電池本身的消耗也較大。動態損耗主要是模塊在探測內阻的時候從電池內部拉電流的大小，電流越小對電池的沖擊也就越小，但電流太小所引起的電壓波動也較小，對于信號測試電路的設計要求相應提高，從而也會影響到最后探測結果的精確性。市場上現有的模塊拉電流的大小從幾百個毫安到幾安培不等。

3.4模塊的安全性能

模塊的安全性能是指模塊在發生故障的情況下能否不影響系統的安全。這要求模塊在內部短路的時候能從物理上與電池隔離開，另外在施工中很容易發生電池正負極接反的情況，這就要求模塊本身要有反接保護，以避免反接時模塊損壞。

4.電池容量狀態的判斷

對于電池用戶來說最關心的參數還是電池目前的容量狀態，常常我們以電池的健康參數（SOH）來表示。前面我們有講過電池的內阻與容量有一定的關系，但沒有明確的數學對應公式，所以要怎么樣將探測得到的內阻轉換成電池的健康參數是有很大的挑戰性的工作。今朝有些公司在這方面做了一些研究，也開發出計算軟件，但從結果來看還沒有達到很精確的程度，只能起到一些參考作用。這方面的工作還有待各方面持續研究。

5.結束語

作為動力環境監控中的一環，蓄電池監控逐漸被重視。蓄電池監控近年來發展迅速，涌現出各種新技術和新產品，其中探測電池的內阻以監測電池的容量狀態逐漸成為主流。隨著這些新的技術和產品的推廣使用，蓄電池的維護工作將從人工化，分散化向自動化，聚集化邁進。

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