鉛酸蓄電池在線監測增強供電系統可用性
隨著電力電子技術的發展,電源(通信電源、UPS)的可靠性和安全性已經大大提高,但作為供電系統中最后一道屏障的備用儲能單元(鉛酸蓄電池),由于其特性(化學反應)可靠性一直沒有多大提升,因此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(見圖1)。有效地監控和科學地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蓄電池維護工作的重點。也是提高數據中心供電系統可用性的有效手段之一。
1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:
①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;
②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;
③每年2次的核對性放電;
④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:
①現網電池浮充電壓、浮充電流的日常巡檢(每月1次);
②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);
③基站電池全容量放電試驗(每年1次);
④發電機啟動電池(半年1次)。
簡化了的維護流程在降低了蓄電池維護工作量,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,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[3]。
(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。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.PatentNo: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。如圖2所示。
直流放電法有以下幾個主要的缺點:需要對電池進行大電流放電;不能測量蓄電池的極化內阻即電化學內阻;與蓄電池連續放電容量相關性差。
但是,直流放電法由于采用了瞬時大電流放電的方式,對于在實際使用中需要使用電池瞬時大電流放電的場合(如發電機啟動電池),這種方式還是具有一定使用意義的。
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。交流法測試原理圖如圖3所示,將一定幅度的交流電流信號注入到蓄電池中,同時捕捉蓄電池的電壓反饋。
交流法測試的蓄電池內阻,能在很大程度上體現出蓄電池的電化學特性,其測試方式的科學性較強。同時,由于采用交流注入的方式,會對電池系統中的紋波造成一定影響。對于直流系統特別是對于紋波要求較高的場合,直接采用交流法會對電源質量造成一定的影響。
脈動直流法,是介于交流法和直流法之間的一種方式。該方法是目前國際上對于鉛酸蓄電池內阻的主流測試方式。脈動直流法采用的電流激勵信號為直流脈動信號,這樣既克服了交流激勵中的紋波問題,同時也無需使用像直流法那樣的大電流進行放電。采用脈動直流對蓄電池進行放電后,通過交流監測回路對蓄電池端電壓的反饋進行測量。此時,測量的是蓄電池端電壓對于脈動激勵信號的交流反饋�；蛘哒f,對于蓄電池端電壓中負荷激勵頻率的反饋信號進行提取,從而獲得蓄電池的交流阻抗。脈動直流法,在技術實現上相對于前兩種方式難度較大。脈動直流法測試工作原理如圖4所示。
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蓄電池的兩端,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],采用圖5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。
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的相關性差。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,將在線阻抗測試與蓄電池運行數據結合在一起就可以有效地實現供電系統中備用儲能單元的故障預測,從而實現提高供電系統可用性。
①將線阻抗測試與蓄電池運行數據結合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;
②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、有效地監控能夠發現蓄電池組中的早期劣化蓄電池;
③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;
④線阻抗測試與蓄電池運行數據結合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。
2蓄電池在線阻抗測試技術的價值
電池單體阻抗/電壓在線測試系統的經濟性,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,也是提高供電系統可用性的有效手段之一。
(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)電池單體內阻監測系統的投資回報ROI
管理者通常關注的是資本回報或投資回報ROI(Returnofinvest)。
早期的電池單體內阻監測系統昂貴,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監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。
3結束語
在運行的通訊基站和數據中心等重要場所,電池單體內阻監測已經成為供電系統安全保障的一部分,在時刻保障供電系統的穩定運行。隨著新型鋰電池、燃料電池的逐步發展與應用,電池單體內阻監測將應用到更加廣泛的空間。
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]美國的TIA-942(數據中心通用基礎設施建設規范2005年版)
[5]GB50174-2008(電子信息系統機房設計規范)
