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    基于在線阻抗測試技術的蓄電池維護與管理

    : 2017-10-29 02:11:06 | : 4018

    摘 要 閥控鉛酸蓄電池的維護與故障預防,消耗了運維人員大量精力與費用。本文結合閥控鉛酸蓄電池故障機理,分析現行電池監測和維護方法存在的問題。利用電池單體在線監測系統,通過對于單體電池阻抗的測量及蓄電池相關參數綜合分析,提高電池組安全性、有效降低運行維護工作量。本文分析了基于蓄電池阻抗測試的在線監測系統的有效性、經濟性和不足,并結合相關的測試數據探討可替代全電池組容量試驗方法。

    關鍵詞 閥控鉛酸蓄電池 電池在線內阻/電壓監控 故障預測 維護成本 有效性 經濟性

    前言

    閥控鉛酸蓄電池組(VRLA,以下簡稱蓄電池)是通信系統中采用最廣泛的備用電源蓄電池,是UPS電源系統和通信電源系統在正常供電中斷時穩定可靠運行的最后保障。 科學有效的維護是保障蓄電池系統穩定運行的關鍵。目前對于蓄電池的維護工作普遍存在維護工作不到位;流程復雜、針對性差;維護手段匱乏等問題。蓄電池系統已經成為電源系統中最不可靠的部分。在重大的電源事故中,由于電源自身故障引發的事故占10%、開關切換故障引發事故占20%,而其余70%的事故都是與蓄電池故障相關的。

    基于在線阻抗測試技術的蓄電池維護與管理.jpg


    有效的監控和科學的維護對于提高蓄電池組穩定性至關重要。發現和解決蓄電池系統中的隱患、提高蓄電池組的安全性是目前對于蓄電池維護工作的重點。通過科學的指導,降低蓄電池維護工作的強度也是運維工作所追求的。

    目前,大部分運營商普遍采用的蓄電池監控和維護的標準流程是:

    ? 現網電池浮充電壓、浮充電流的日常巡檢 (每月1次);

    ? 樞紐機房蓄電池組核對性放電試驗,放出容量的30%~40%(每年1次);

    ? 蓄電池全容量放電試驗(每年1次)

    ? 有條件的地區對于部分UPS 電源和通信電源還配備了電壓巡檢設備,實時檢測單體蓄電池電壓、電池組電流和溫度,并通過動力環境監控系統實現集中監控。

    從實際效果來看,以上的維護措施并沒有杜絕蓄電池故障的發生,甚至并沒有實現大幅度提高蓄電池系統可靠性的目的。究其原因,應該主要在于以上措施缺乏足夠的科學性和有效性。

    科學、有效的蓄電池監測和維護手段應具有以下功能:

    1、避免蓄電池故障特別是嚴重故障的發生。

    保障蓄電池具有合理的容量和避免由于蓄電池嚴重劣化造成的爆炸和燃燒是對于蓄電池日常維護工作的重點。由于蓄電池的容量損失造成的電源系統整體備用時間不足是目前比較普遍存在的現象。蓄電池的熱失控現象是非常危險的故障,一旦發生蓄電池的爆炸和燃燒所造成的損失和危害將是非常巨大的。蓄電池的熱失控現象往往發生在具有嚴重劣化的蓄電池上。

    2、能夠簡化蓄電池維護的流程和降低維護工作量。

    對于電源系統的維護工作中,最消耗時間和精力的部分就是對于蓄電池的檢測和維護。有效的蓄電池監測和維護手段應該能大大降低蓄電池日常維護工作量。借助于有效的監控,能夠直觀了解各單體電池的使用狀態和劣化狀態,使維護工作做到有的放矢。

    3、能使蓄電池達到設計要求的使用壽命,降低蓄電池更換成本。

    結合以上三個方面,本文將對現有的維護手段進行分析,結合現場測試數據,探討通過在線單體電池阻抗測試和分析技術,提高蓄電池維護科學性和有效性的方法。

     

    閥控鉛酸蓄電池維護測試方法

    1) 傳統的蓄電池維護方法

    國際電工學會鉛酸蓄電池檢測和維護規范IEEE1188-1996中對于蓄電池維護規定,對于鉛酸蓄電池的維護應做到以下4點:實時、準確的單體蓄電池電壓、電池組電流和環境溫度的監控;每月1-2次的單體蓄電池內阻測試并跟蹤蓄電池內阻變化趨勢;每年2次的核對性放電;對現場使用時間超過2年的蓄電池,應做到每3個月進行一次核對性放電。

    該標準在提高了蓄電池系統的穩定可靠性的同時,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行。結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:

    ? 現網電池浮充電壓、浮充電流的日常巡檢 (每月1次);

    ? 樞紐機房蓄電池組核對性放電試驗,放出容量的30%~40%(每年1次);

    ? 基站電池全容量放電試驗(每年1次)

    簡化了的維護流程在降低了蓄電池維護工作量的同時,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行,對于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現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;對于現網的數量龐大的蓄電池,缺乏系統性的運行性能統計、趨勢分析、預警和質量管理的支撐平臺,維護管理手段落后。維護工作缺乏主動性、預防性?!?』

     

    2) 蓄電池運行參數監控

    蓄電池運行參數包括蓄電池的單體電壓;電池組電壓、電流和環境溫度等參數。目前,對于這些參數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、電流和環境溫度是蓄電池的運行參數指標,也是蓄電池穩定運行的最基本的保障。保證蓄電池具有合理的電壓和電流指標,是蓄電池系統穩定運行的前提。

    惡劣的運行環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。當充電電壓或環境溫度過低時,蓄電池的容量飽和度很難達到100%,也直接體現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。放電過程中,當電池組中出現達到終止電壓的單體蓄電池時應停止放電,而不是以電池組電壓為參考標準。

    但是,僅僅對于蓄電池的電壓、電流和環境溫度進行監測還無法達到有效維護蓄電池的目的。蓄電池運行環境參數監測的意義更多體現在對于蓄電池運行環境的合理性檢測,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嚴重故障”的情況『1』。而等到蓄電池放電時發現異常,往往為時已晚。

     

    3)蓄電池阻抗/電導在線監測

        蓄電池的阻抗/電導測試技術是目前國際公認的蓄電池故障快速檢測方法,也是蓄電池在線監測管理的發展方向。該技術在民用中已經得到了較好的普及,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/電導進行判斷的。在工業電源蓄電池檢測領域中,除國際電工學會IEEE1188將蓄電池阻抗測試列為日常檢測內容外,美國的TIA-92 (數據中心通用基礎設施建設規范 2005年版)和我國的GB50174-2008(電子信息系統機房設計規范)也將蓄電池阻抗在線監測列為數據中心蓄電池的重要監測指標。

        目前采用的電池的內阻測試設備主要分為在線式與離線式兩種。在線式測試系統,能自動化的、持續的監測各單體蓄電池參數,實現對于蓄電池的生命周期全過程管理。離線式測試系統(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。從實現手段看,分為直流放電法和交流注入法。直流放電法(專利U.S.Patent No: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阻數據。交流注入法采用,向蓄電池注入一定頻率的交流信號實現阻抗的測試。

        關于蓄電池的阻抗和電導的區別一直以來有一定的爭論。國際電工學會對于蓄電池的阻抗和電導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,獲得的數據為蓄電池的阻抗;將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端,測量所產生的電流,獲得的數據為蓄電池的電導。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測試法。經過對于目前世界市場主流的蓄電池測試設備分析和比較,以MIDTRONIC、BTECH、GRANDPOWER等為代表的主流蓄電池監控設備生產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備,不管顯示的是蓄電池的阻抗或是電導,實際上都是基于國際電工學會定義的蓄電池阻抗測試方法實現的。因此,目前對于阻抗/電導的提法,主要針對于采用直流大電流放電法測量蓄電池內阻而提出的。蓄電池的阻抗/電導測試的實質是針對于蓄電池在一定頻率下復頻阻抗的測量,除了應體現蓄電池內阻的歐姆內阻之外,還要綜合考慮蓄電池的極化內阻等復頻阻抗。在很多研究方法中『3』,采用下圖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頻阻抗綜合分析而不是單純的內阻分析的必要性。

    電池內阻等效電路模型.jpg

    圖2:電池內阻等效電路模型


    圖3中Lp、Ln為正負極電感;

    Rt.p和Rt.n是電極離子遷移電阻;

    Cdl.p、Cdl.n是極板雙電層電容;

    Zw.p、Zw.n為Warburg阻抗,是由離子在電解液和多孔電極中擴散速度決定的;

    RHF為上文提到的歐姆電阻。

    阻抗測試技術雖然被大多數人認可,但是在產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測設備的綜合分析。我們也發現了一些問題:

    1、 各廠家設備測量出的參數不相同。由于各廠家采用的信號頻率存在差異,采用不同廠家的設備測量相同狀態下的蓄電池時,顯示的內阻值不相同,甚至存在較大的差異。

    2、 阻抗數據非常抽象,需要使用者具有一定的專業知識才能進行判斷。很少有廠家能夠提供嚴謹、完整的判斷標準

    3、 部分廠家的測試結果與蓄電池實際容量劣化狀態相關性差。由于缺乏有效的界定標準,很難判斷某些設備阻抗數據的真實性。

    針對以上問題,以下一些判斷標準可以作為評價阻抗測試設備的關鍵:

        能否通過該設備提供的阻抗數據發現嚴重劣化蓄電池?作為故障蓄電池的快速檢測方法,有效的測試設備應該能夠準確檢知蓄電池組中的嚴重劣化蓄電池。 能否通過設備提供的阻抗數據發現早期劣化蓄電池? 當蓄電池處于早期劣化狀態時,其阻抗的變化率將大大提高。通過連續、有效地監控應能夠發現蓄電池組中的早期劣化蓄電池。 通過該技術測試獲得的蓄電池阻抗與容量的相關性如何?蓄電池的阻抗和容量的關系是離散相關的。有效的阻抗測試設備提供的阻抗數據,對于早期劣化蓄電池識別的準確性應該能達到80%以上;對于嚴重劣化蓄電池或故障蓄電池應達到95%以上。 依照監控廠家提供的標準是否能夠達到以上3點要求? 設備的生產廠家應能提出一套完整的蓄電池劣化判斷標準,而不是簡單提供阻抗數值。

    4)蓄電池阻抗在線監測系統實例

    以下列舉了一些采用巨成科技GRANDPOWER U400系列UPS蓄電池監測管理系統SUM系列通信電源監測管理系統的現場應該用實例,說明并驗證各種典型狀態下蓄電池阻抗與容量的關系。

    l 蓄電池組中故障蓄電池的識別

    本組電池為300AH蓄電池,共24只,單體2V。通過浮充內阻數據能夠發現,蓄電池組中第15號蓄電池的浮充內阻明顯高于其他蓄電池,超過正常值 40%,應屬劣化較嚴重的蓄電池。內阻分布圖如下所示:

    各單體電池浮充阻抗分布.jpg

    圖3:各單體電池浮充阻抗分布

        采用40A對標稱容量300Ah的蓄電池進行放電,放電4小時后,第15號蓄電池端電壓為1.856V,低于其他蓄電池70-100mV。該蓄電池容量不足70%,屬于故障蓄電池。下圖為放電終止時各單體電池端電壓分布。

    各單體電池放電電壓分布.jpg


    圖4:各單體電池放電電壓分布

     

    1 蓄電池組中部分劣化蓄電池的識別 
    500AH蓄電池共24只,單體2V。通過浮充數據發現其中有3只蓄電池內阻與蓄電池組中其他蓄電池存在一定偏差。


    圖5,用浮充內阻判斷出3只電池內阻偏離.jpg

    圖5,用浮充內阻判斷出3只電池內阻偏離



    三只內阻異常電池與正常電池(No.11,綠色)放電曲線對比.jpg

    圖6,三只內阻異常電池與正常電池(No.11,綠色)放電曲線對比

    l 容量嚴重劣化的蓄電池組 
    UPS蓄電池單體12V,每組24只,2組并聯共48只。以下數據為該組蓄電池在更換前測試獲得的,該組電池已不具備放電能力。從數據中可以看出,由于蓄電池組的嚴重劣化,電池組中各單體電池在阻抗數據上偏差非常大。另外,在浮充電壓的均衡性上也存在較大的差異。


    實測數據.gif


    l 實例分析

    通過以上的測試實例可以看出,當同組中個體蓄電池的阻抗超過正常值40%時,一般可認定為故障蓄電池,應及時更換。當蓄電池阻抗超過正常值20%以上時,應密切關注。故障蓄電池組的典型表現是電池組中各單體電池阻抗分布不均勻。在嚴重劣化的蓄電池組中,各單體電池的浮充電壓表現也是不均衡的。

    以上實例中只是列舉了部分時間點的阻抗測試數據,通過連續的跟蹤測試,能大大提高阻抗與容量的相關性和分析的準確性。另外,在不具備阻抗測試條件的場合應密切關注蓄電池組中各單體電池浮充電壓的均衡程度,及時發現存在嚴重故障的蓄電池組。

    蓄電池在線阻抗測試技術的經濟指標

    電池單體阻抗/電壓測試系統的經濟性,是除安全性之外運維工作的第二項主要要求。通過有效的蓄電池阻抗監測的引入,能夠大大降低蓄電池維護的工作量與成本。

    1) 電池單體內阻監測對運維成本的節省

    在部分基站的測試中,初步測算,對蓄電池組采用在線內阻/電壓檢測系統后,可減少維護人工、物料成本60%『4』。

    浙江移動的研究『3』表明,電池電導在線監測系統,能夠幫助維護人員快速發現故障電池,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) 電池單體內阻監測對電池更換的成本節省

    在傳統的電池運維方法中,定期按規范對電池組進行放電以核對容量。當放電容量小于設計容量的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首是少數的弱化、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,導致全社會的浪費,也與當前節能減排工作背道而馳。

    有運營商對電池電導檢測『3』,可實現相對準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,預計可使電池報廢數量降低30%以上,節能減排效益明顯。

    3) 電池單體內阻檢測系統的投資回報ROI

    管理者通常關注的是資本回報或投資回報ROI(Return of invest)。

    早期的電池單體內阻檢測系統昂貴,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阻監控系統,其價格遠比被監測的電池組貴,所以投資回報ROI通常為5~8年(按簡單回本期計算)『4』,其經濟性是比較差的。

    最新的電池單體內阻檢測系統成本大幅下降,當然不同廠家的不同系統的投資回報有一定差異,但是不少性能優異的廠家,其ROI已經降到1.5~3年(按簡單回本期計算),部分系統已經降低到1.5~2年回報,已完全具備大規模應用的條件。

    參考文獻:

    『1』 劉希禹 《閥控鉛酸蓄電池的監控和故障預測》

    『2』 朱松然 《鉛蓄電池技術》

    『3』 浙江移動 《電池容量與電導(內阻)咬合度研究報告》

    『4』 北京巨成測試與試驗數據


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