淺析蓄電池在線監測系統

摘 要：為提高供電系統可靠性，越來越多的機房設備使用蓄電池作為后備電源，提供外電異常時的應急供電。蓄電池運行狀態和性能的好壞直接影響機房設備的可靠運行。因此，機房需要配置蓄電池在線監測系統，隨時掌握蓄電池運行狀態和性能的好壞。文章對蓄電池在線監測系統的現狀及其監測方法進行了介紹，對各種監測方法的適用場景和優缺點進行了綜合性對比分析。

關鍵詞：蓄電池；在線監測；傳感器

1 背景

蓄電池是機房電源系統的重要組成部分，它可以儲備電能、應對交流電源異常情況，維持電源系統正常運轉。在電力、通信、金融、鐵路等行業應用越來越廣泛，這些行業廣泛采用閥控式密封鉛蓄電池作為后備電池，由于這種電池是密封的，無法像傳統的電解液鉛蓄電池那樣直接測量電解液密度，這就給蓄電池的維護工作帶來一定困難。若無法及時了解電池的運行狀況，就可能會出現電池系統故障而無人知曉的情況，進而不能滿足應急使用。因此，需要一套蓄電池在線監測系統來實時監測電池狀態，如蓄電池單體電壓、溫度、內阻和蓄電組的充放電電流等物理量，為蓄電池維護和保養提供基礎數據依據，從而確保系統的安全可靠性。

2 蓄電池監測方法

蓄電池是一個復雜的電化學系統，其常見故障主要是蓄電池組內有一節或幾節電池老化，容量變小，充電時，老化電池會很快充滿。通常，充電系統會誤以為蓄電池組已充滿而轉為浮充狀態。這就導致狀態良好的電池沒有充滿，并且，蓄電池組將以老化電池容量為標準進行充放電，經多次浮充-放電-均充-放電-浮充的惡性循環，就會導致蓄電池容量不斷下降，后備時間大大縮短。而簡單地對蓄電池單體電壓的監測已經不能充分反應蓄電池的狀態，無法實現上述故障的預警，從而不能準確及時定位異常蓄電池。目前，通過對蓄電池的失效模式和化學機理不斷探索，越來越多有效的監測方法被提出。

蓄電池單體電壓是在線監測系統最常用物理量之一，其主要監測方法有：分壓法，用精密分壓電路測量蓄電池單體電壓，用繼電器電路實現蓄電池之間的切換。電壓/頻率轉換法，采用高共模抑制比電路，利用模擬開關進行選通，將電壓信號轉換成頻率信號。浮動地法，利用浮動地技術實現蓄電池組中各單體電池電壓監測。光電隔離器件和大電解電容器法，蓄電池單體電壓用光電隔離器件和大電解電容器構成采樣電路來測量蓄電池組中單體電池電壓。

蓄電池的容量是指蓄電池實際能夠提供電量的大小，其主要監測方法有：比重法，通過測量蓄電池電解液的密度來判斷蓄電池的剩余容量，方法簡單易用，開口式鉛酸電池使用這種方法測量，但不適合對閥控式蓄電池測量。安時法，通過放電電流對時間的積分計算輸出電量，然后用蓄電池的額定容量減去已放電容量，就可以得出蓄電池的剩余容量。電導法，由于蓄電池的容量與電池內阻存在密切的關系，電池的容量越大，內阻就越小，因此通過蓄電池內阻的測量，可以對蓄電池的容量進行評估。

蓄電池的等效阻抗模式是對蓄電池的電化學反應阻抗分析中得到的，模型如下：

圖1中，L為正負極間電感（0.05-0.2mH），L低頻時的作用很小； C為電解池電極的電容（1.3-1.7F/100AH），影響較大；R11為電荷移動電阻，受電極、電解液影響；Z為擴散阻抗，是低頻部件；R12為電解液電阻；R13為金屬電阻，包括電極、匯流排、板柵等。圖1的蓄電池等效阻抗模型可簡化為圖2的蓄電池等效阻抗簡化模型，圖2中，R21為蓄電池的固有電阻，R22為蓄電池的極化電阻， L為正負極間電感（0.05-0.2mH），C為蓄電池的極化電容，C的大小和電池容量相關。

根據電流傳導路徑，將電阻分為金屬電阻和電化學電阻兩大部分，金屬電阻只是隨著金屬的腐蝕緩慢的變化著，在比較短的時間段里可以認為是固定不變的，而電化學電阻是隨著蓄電池容量的狀態而時刻發生著變化。如圖1、2中可以看出，不同的內阻測量方法，蓄電池的等效電路會出現不同的結果。

目前內阻的測量方式有以下兩種：

直流方法：是在蓄電池兩極接入負載進行放電，測量負載的電壓和電流，計算電池的內阻。蓄電池停止充電后，由浮充狀態切換到放電狀態，接入負載后，電壓變化，根據在不同電流下的電壓變化來計算內阻值。由于內阻值很小，單位電流下電壓變化不大，想精確測量難度較大，實際測量中由于電池可能處于不同的狀態，會對測量造成影響，所以直流方法測量數據的重復性較差、準確度很難達到10%以上。為了提高精度，普遍采用大電流放電，這樣，需要截面大的導線與蓄電池連接，這在實際使用中有一定的安全隱患。同時由于需要對蓄電池放電，所以內阻的測量時間間隔受到一定限制。

3 系統現狀

近年來，國內外許多公司都在研究蓄電池在線監測系統，研制出多種蓄電池在線監測產品，這些產品采用不同的監測方法實現了多種的在線監測系統，下面我們以一些產品為例，對不同監測系統的技術和實現方法進行分析比較。

Lem是最早研發分散式蓄電池在線監測系統的設計商。他的系統由蓄電池單體監測模塊、數據通信模塊、數據分析模塊及相關配線組成，蓄電池單體監測模塊安裝在每節蓄電池上，實時在線監測每節蓄電池的電壓、溫度、內阻，并配置有直流電流傳感器監測蓄電池組充放電電流，反映電池組的運行狀態。Alber是一家多年從事電池測試設備設計及制造商，他研發出世界第一套蓄電池監測設備，該設備是利用內阻測試專利技術的最早應用。臺灣群菱是一家致力于蓄電池測試儀表研制的公司，他的蓄電池監測系統能在電池充、放電狀態下測量電池組電流和電壓變化。華塑科技是一家從事蓄電池在線監測系統的高新技術企業，他的H3G蓄電池在線監測系統由監測單元、控制單元、采集單元、內阻單元和容量單元組成，能對電池故障進行綜合分析，定位故障電池，預測電池維護及更換時間。北京巨成科技有限公司研發的蓄電池在線監測系統實時監控蓄電池單體電壓、內阻、溫度和蓄電池組充放電電流、環境溫度，利用單體蓄電池內阻測試技術和基于蓄電池內阻的綜合分析技術，第一時間發現異常蓄電池。

4 蓄電池在線監測系統方案分析

通過對各個公司產品的分析看出，蓄電池在線監測系統可以按照測試模塊部署方式、內阻測試原理、溫度測試方式、傳感器供電方式等進行分類對比。

5 結束語

為保證監測數據準確和提高蓄電池系統可用性，越來越多的在線監測方案被提出，也使得蓄電池的監測數據越來越準確。文章通過對不同方案的分析得出，目前對蓄電池的電壓及工作溫度測量的方法已比較成熟，各廠家的測量結果基本一致，然而，不同的監測方案對蓄電池內阻值以及剩余容量監量的研究仍存在分歧，并且測量結果不盡相同，數據差別比較大。因此，目前仍沒有比較權威的測量方案。雖然越來越多的對蓄電池內阻及剩余容量的測量方案和專利技術被提出，但對結果的準確性仍然存在分歧，因此，蓄電池內阻及剩余容量監測技術仍將是未來研究的重點和難點。

參考文獻

[1]王強.鉛酸蓄電池內阻在線測量方法的研究.通信電源技術.2010年第5期.

[2]夏勇.蓄電池內阻在線監測裝置的研究.通信電源技術.2003年第6期.

[3]田娟.蓄電池在線監測系統的設計與實現.微計算機信息.2010年第17期.

[4]張昆.蓄電池在線監測系統的研究現狀.黑龍江科技信息.2011年第14期.

[5]Alber公司.蓄電池監測及診斷系統.http：//www.alber.com.cn/.

[6]臺灣群菱.BCSU蓄電池在線監控管理系統.http：//www.innet.cc/.

[7]華塑科技.H3G蓄電池在線監測系統.http：//www.huasucn.com/.

[8]北京巨成.蓄電池在線監測管理系統.http：//www.grandpower.com.cn/.

[9]lem公司.電池監測.http：//www.lem.com/cn/cn.