在線監(jiān)測(cè)增強(qiáng)供電系統(tǒng)可用性
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電源(通信電源、UPS)的可靠性和安全性已經(jīng)大大提高,但作為供電系統(tǒng)中最后一道屏障的備用儲(chǔ)能單元(鉛酸蓄電池),由于其特性(化學(xué)反應(yīng))可靠性一直沒有多大提升,因此科學(xué)有效的維護(hù)是保障蓄電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
目前對(duì)于蓄電池的維護(hù)工作普遍存在維護(hù)工作不到位;流程復(fù)雜、針對(duì)性差;維護(hù)手段匱乏等問題。蓄電池系統(tǒng)已經(jīng)成為電源系統(tǒng)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(fā)的事故占10%、開關(guān)切換故障引發(fā)事故占20%,而其余70%的事故都是與蓄電池故障相關(guān)的(見圖1)。有效地監(jiān)控和科學(xué)地維護(hù)對(duì)于提高蓄電池組穩(wěn)定性至關(guān)重要。發(fā)現(xiàn)和解決蓄電池系統(tǒng)中的隱患、提高蓄電池組的安全性是目前蓄電池維護(hù)工作的重點(diǎn)。也是提高數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可用性的有效手段之一。
1 閥控鉛酸蓄電池維護(hù)測(cè)試方法
(1)傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)方法
國(guó)際電工學(xué)會(huì)鉛酸蓄電池檢測(cè)和維護(hù)規(guī)范IEEE1188-1996中對(duì)于蓄電池維護(hù)規(guī)定,對(duì)于鉛酸蓄電池的維護(hù)應(yīng)做到以下4點(diǎn):
①實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的單體蓄電池電壓、電池組電流和環(huán)境溫度的監(jiān)控;
②每月1～2次的單體蓄電池內(nèi)阻測(cè)試并跟蹤蓄電池內(nèi)阻變化趨勢(shì);
③每年2次的核對(duì)性放電;
④對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)間超過2年的蓄電池,應(yīng)做到每3個(gè)月進(jìn)行一次核對(duì)性放電。
該標(biāo)準(zhǔn)在提高了蓄電池系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性的同時(shí),也大大提高了對(duì)于蓄電池日常維護(hù)的要求,很難在我們的日常維護(hù)中得到充分的執(zhí)行。結(jié)合我們自身的實(shí)際情況,大部分運(yùn)行維護(hù)工作采用了相對(duì)簡(jiǎn)化的維護(hù)流程:
①現(xiàn)網(wǎng)電池浮充電壓、浮充電流的日常巡檢(每月1次);
②樞紐機(jī)房蓄電池組核對(duì)性放電試驗(yàn),放出容量的30%～40%(每年1次);
③基站電池全容量放電試驗(yàn)(每年1次);
④發(fā)電機(jī)啟動(dòng)電池(半年1次)。
簡(jiǎn)化了的維護(hù)流程在降低了蓄電池維護(hù)工作量,也提高了蓄電池組的安全隱患。即便是按照簡(jiǎn)化后的流程執(zhí)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(cè)試密度仍然不能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池性能的劣化狀況;進(jìn)一步加大放電試驗(yàn)密度將使蓄電池維護(hù)所牽扯的人力、物力投入過大,缺乏可操作性;對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)的數(shù)量龐大的蓄電池,缺乏系統(tǒng)性的運(yùn)行性能統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析、預(yù)警和質(zhì)量管理的支撐平臺(tái),維護(hù)管理手段落后。維護(hù)工作缺乏主動(dòng)性、預(yù)防性[3]。
(2)蓄電池運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控
蓄電池運(yùn)行參數(shù)包括蓄電池的單體電壓、電池組電壓、電流和環(huán)境溫度等參數(shù)。目前,對(duì)于這些參數(shù)的測(cè)量主要依靠人工定期巡檢和在線式電壓檢測(cè)儀來完成。電壓、電流和環(huán)境溫度是蓄電池的運(yùn)行參數(shù)指標(biāo),也是蓄電池穩(wěn)定運(yùn)行的最基本的保障。惡劣的運(yùn)行環(huán)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(huán)境溫度過高,會(huì)加速蓄電池失水,造成蓄電池失效加速。在35℃時(shí)運(yùn)行蓄電池的劣化將加速一倍;在55℃時(shí),對(duì)于蓄電池浮充一個(gè)月所造成的劣化相當(dāng)于在25℃時(shí)浮充一年的等級(jí)。同樣,過高的充電電壓也將大大加速蓄電池的劣化速度。當(dāng)充電電壓或環(huán)境溫度過低時(shí),蓄電池的容量飽和度很難達(dá)到100%,也直接體現(xiàn)為蓄電池放電容量不足。過放電對(duì)于蓄電池的損害是非常大的。對(duì)于串聯(lián)使用的蓄電池組,由于蓄電池個(gè)體之間的差異,放電過程中不同蓄電池達(dá)到終止電壓的時(shí)間差異很大。電池組中的某些劣化蓄電池達(dá)到放電終止電壓的時(shí)間往往大大提前于其他蓄電池。以電池組電壓為單位計(jì)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(xiàn)。放電過程中,當(dāng)電池組中出現(xiàn)達(dá)到終止電壓的單體蓄電池時(shí)應(yīng)停止放電,而不是以電池組電壓為參考標(biāo)準(zhǔn)。
但是,僅僅對(duì)于蓄電池的電壓、電流和環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)還無法達(dá)到有效維護(hù)蓄電池的目的。蓄電池運(yùn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的意義更多體現(xiàn)在對(duì)于蓄電池運(yùn)行環(huán)境的合理性檢測(cè),而不是蓄電池故障的排查。性能很差的蓄電池在浮充狀態(tài)時(shí),端電壓的變化并不明顯,甚至有“浮充電壓正常但放電時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重故障”的情況[1]。而等到蓄電池放電時(shí)發(fā)現(xiàn)異常,往往為時(shí)已晚。
(3)蓄電池阻抗/電導(dǎo)在線監(jiān)測(cè)
蓄電池的阻抗/電導(dǎo)測(cè)試技術(shù)是目前國(guó)際公認(rèn)的蓄電池故障快速檢測(cè)方法,也是蓄電池在線監(jiān)測(cè)管理的發(fā)展方向。該技術(shù)在民用中已經(jīng)得到了較好的普及,對(duì)于手機(jī)電池和汽車電瓶的故障快速檢測(cè)都是基于蓄電池的阻抗/電導(dǎo)進(jìn)行判斷的。
在工業(yè)電源蓄電池檢測(cè)領(lǐng)域中,除國(guó)際電工學(xué)會(huì)IEEE1188將蓄電池阻抗測(cè)試列為日常檢測(cè)內(nèi)容外,美國(guó)的TIA-92(數(shù)據(jù)中心通用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)范2005年版)和我國(guó)的GB50174-2008(電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范)也將蓄電池阻抗在線監(jiān)測(cè)列為數(shù)據(jù)中心蓄電池的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。
目前采用的電池內(nèi)阻測(cè)試設(shè)備主要分為在線式與離線式兩種。在線式測(cè)試系統(tǒng),能自動(dòng)化的、持續(xù)的監(jiān)測(cè)各單體蓄電池參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)于蓄電池的生命周期全過程管理。離線式測(cè)試系統(tǒng)(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(shí)現(xiàn)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(duì)蓄電池瞬時(shí)大電流放電,并測(cè)試蓄電池端電壓跌落獲得蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)。如圖2所示。
直流放電法有以下幾個(gè)主要的缺點(diǎn):需要對(duì)電池進(jìn)行大電流放電;不能測(cè)量蓄電池的極化內(nèi)阻即電化學(xué)內(nèi)阻;與蓄電池連續(xù)放電容量相關(guān)性差。
但是,直流放電法由于采用了瞬時(shí)大電流放電的方式,對(duì)于在實(shí)際使用中需要使用電池瞬時(shí)大電流放電的場(chǎng)合(如發(fā)電機(jī)啟動(dòng)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(hào)實(shí)現(xiàn)阻抗的測(cè)試。交流法測(cè)試原理圖如圖3所示,將一定幅度的交流電流信號(hào)注入到蓄電池中,同時(shí)捕捉蓄電池的電壓反饋。
交流法測(cè)試的蓄電池內(nèi)阻,能在很大程度上體現(xiàn)出蓄電池的電化學(xué)特性,其測(cè)試方式的科學(xué)性較強(qiáng)。同時(shí),由于采用交流注入的方式,會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)中的紋波造成一定影響。對(duì)于直流系統(tǒng)特別是對(duì)于紋波要求較高的場(chǎng)合,直接采用交流法會(huì)對(duì)電源質(zhì)量造成一定的影響。
脈動(dòng)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(guó)際上對(duì)于鉛酸蓄電池內(nèi)阻的主流測(cè)試方式。脈動(dòng)直流法采用的電流激勵(lì)信號(hào)為直流脈動(dòng)信號(hào),這樣既克服了交流激勵(lì)中的紋波問題,同時(shí)也無需使用像直流法那樣的大電流進(jìn)行放電。采用脈動(dòng)直流對(duì)蓄電池進(jìn)行放電后,通過交流監(jiān)測(cè)回路對(duì)蓄電池端電壓的反饋進(jìn)行測(cè)量。此時(shí),測(cè)量的是蓄電池端電壓對(duì)于脈動(dòng)激勵(lì)信號(hào)的交流反饋。或者說,對(duì)于蓄電池端電壓中負(fù)荷激勵(lì)頻率的反饋信號(hào)進(jìn)行提取,從而獲得蓄電池的交流阻抗。脈動(dòng)直流法,在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上相對(duì)于前兩種方式難度較大。脈動(dòng)直流法測(cè)試工作原理如圖4所示。
關(guān)于蓄電池的阻抗和電導(dǎo)的區(qū)別一直以來有一定的爭(zhēng)論。國(guó)際電工學(xué)會(huì)對(duì)于蓄電池的阻抗和電導(dǎo)的測(cè)試方法進(jìn)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(duì)蓄電池端電壓反饋進(jìn)行測(cè)試,獲得的數(shù)據(jù)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(cè)量所產(chǎn)生的電流,獲得的數(shù)據(jù)為蓄電池的電導(dǎo)。即通過施加恒流信號(hào),測(cè)試蓄電池電壓反饋的方法為阻抗測(cè)試法;通過施加恒壓信號(hào),測(cè)試蓄電池電流反饋的方法為電導(dǎo)測(cè)試法。經(jīng)過對(duì)于目前世界市場(chǎng)主流的蓄電池測(cè)試設(shè)備分析和比較,以MIDTRONIC、BTECH、GRANDPOWER等為代表的主流蓄電池監(jiān)控設(shè)備生產(chǎn)廠家均采用恒流方式進(jìn)行蓄電池的阻抗測(cè)試。也就是說,市場(chǎng)上主流的蓄電池阻抗測(cè)試設(shè)備,不管顯示的是蓄電池的阻抗或是電導(dǎo),實(shí)際上都是基于國(guó)際電工學(xué)會(huì)定義的蓄電池阻抗測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)的。因此,目前對(duì)于阻抗/電導(dǎo)的提法,主要針對(duì)于采用直流大電流放電法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻而提出的。蓄電池的阻抗/電導(dǎo)測(cè)試的實(shí)質(zhì)是針對(duì)于蓄電池在一定頻率下復(fù)頻阻抗的測(cè)量,除了應(yīng)體現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻的歐姆內(nèi)阻之外,還要綜合考慮蓄電池的極化內(nèi)阻等復(fù)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(duì)于蓄電池進(jìn)行復(fù)頻阻抗綜合分析而不是單純的內(nèi)阻分析的必要性。
阻抗測(cè)試技術(shù)雖然被大多數(shù)人認(rèn)可,但是在產(chǎn)品化的過程中也存在一些不足。通過對(duì)于目前市場(chǎng)中的蓄電池阻抗的監(jiān)測(cè)設(shè)備的綜合分析。我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題:
①各廠家設(shè)備測(cè)量出的參數(shù)不相同。由于各廠家采用的信號(hào)頻率存在差異,采用不同廠家的設(shè)備測(cè)量相同狀態(tài)下的蓄電池時(shí),顯示的內(nèi)阻值不相同,甚至存在較大的差異;
②阻抗數(shù)據(jù)非常抽象,需要使用者具有一定的專業(yè)知識(shí)才能進(jìn)行判斷。很少有廠家能夠提供嚴(yán)謹(jǐn)、完整的判斷標(biāo)準(zhǔn);
③部分廠家的測(cè)試結(jié)果與蓄電池實(shí)際容量劣化狀態(tài)的相關(guān)性差。由于缺乏有效的界定標(biāo)準(zhǔn),很難判斷某些設(shè)備阻抗數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
針對(duì)以上問題,將在線阻抗測(cè)試與蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合在一起就可以有效地實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)中備用儲(chǔ)能單元的故障預(yù)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)提高供電系統(tǒng)可用性。
①將線阻抗測(cè)試與蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合作為故障蓄電池的快速檢測(cè)方法,有效的測(cè)試設(shè)備應(yīng)該能夠準(zhǔn)確檢知蓄電池組中的嚴(yán)重劣化蓄電池;
②當(dāng)蓄電池處于早期劣化狀態(tài)時(shí),其阻抗的變化率將大大提高。通過連續(xù)、有效地監(jiān)控能夠發(fā)現(xiàn)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(guān)系是離散相關(guān)的。有效的阻抗測(cè)試設(shè)備提供的阻抗數(shù)據(jù),對(duì)于早期劣化蓄電池識(shí)別的準(zhǔn)確性應(yīng)該能達(dá)到80%以上;
對(duì)于嚴(yán)重劣化蓄電池或故障蓄電池應(yīng)達(dá)到95%以上;
④線阻抗測(cè)試與蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合能提出一套完整的蓄電池劣化判斷標(biāo)準(zhǔn),而不是簡(jiǎn)單提供阻抗數(shù)值。
2 蓄電池在線阻抗測(cè)試技術(shù)的價(jià)值
電池單體阻抗/電壓在線測(cè)試系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,是除安全性之外運(yùn)維工作的第二項(xiàng)主要要求。通過有效的蓄電池阻抗監(jiān)測(cè)的引入,能夠大大降低蓄電池維護(hù)的工作量與成本,也是提高供電系統(tǒng)可用性的有效手段之一。
(1)電池單體內(nèi)阻監(jiān)測(cè)對(duì)運(yùn)維成本的節(jié)省在部分基站的測(cè)試中,初步測(cè)算,對(duì)蓄電池組采用在線內(nèi)阻/電壓檢測(cè)系統(tǒng)后,可減少維護(hù)人工、物料成本60%[4]。
浙江移動(dòng)的研究[3]表明,電池電導(dǎo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠幫助維護(hù)人員快速發(fā)現(xiàn)故障電池,全面、及時(shí)掌控電池組的實(shí)際運(yùn)行狀況,從而徹底改變傳統(tǒng)的電池維護(hù)測(cè)試模式,有效提高維護(hù)管理效率60%以上。
(2)電池單體內(nèi)阻監(jiān)測(cè)對(duì)電池更換的成本節(jié)省在傳統(tǒng)的電池運(yùn)維方法中,定期按規(guī)范對(duì)電池組進(jìn)行放電以核對(duì)容量。當(dāng)放電容量小于設(shè)計(jì)容量的80%時(shí)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?zhǔn)资巧贁?shù)的弱化、落后電池,而整組電池的報(bào)廢與更換,無疑浪費(fèi)了“好”電池,增加了用戶的成本投入,導(dǎo)致全社會(huì)的浪費(fèi),也與當(dāng)前節(jié)能減排工作背道而馳。有運(yùn)營(yíng)商對(duì)電池電導(dǎo)檢測(cè)[3],可實(shí)現(xiàn)相對(duì)準(zhǔn)確地掌控電池組中每個(gè)單體的容量范圍,避免電池的盲目報(bào)廢,預(yù)計(jì)可使電池報(bào)廢數(shù)量降低30%以上,節(jié)能減排效益明顯。
(3)電池單體內(nèi)阻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投資回報(bào)ROI
管理者通常關(guān)注的是資本回報(bào)或投資回報(bào)ROI(Return of invest)。
早期的電池單體內(nèi)阻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)昂貴,今天仍有不少國(guó)外品牌價(jià)格高昂,他們通常一套電池單體內(nèi)阻監(jiān)控系統(tǒng),其價(jià)格遠(yuǎn)比被監(jiān)測(cè)的電池組貴,所以投資回報(bào)ROI通常為5～8年(按簡(jiǎn)單回本期計(jì)算)[4],其經(jīng)濟(jì)性是比較差的。
最新的電池單體內(nèi)阻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本大幅下降,當(dāng)然不同廠家的不同系統(tǒng)的投資回報(bào)有一定差異,但是不少性能優(yōu)異的廠家,其ROI已經(jīng)降到1.5～3年(按簡(jiǎn)單回本期計(jì)算),部分系統(tǒng)已經(jīng)降低到1.5～2年回報(bào),已完全具備大規(guī)模應(yīng)用的條件。
3 結(jié)束語
在運(yùn)行的通訊基站和數(shù)據(jù)中心等重要場(chǎng)所,電池單體內(nèi)阻監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為供電系統(tǒng)安全保障的一部分,在時(shí)刻保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著新型鋰電池、燃料電池的逐步發(fā)展與應(yīng)用,電池單體內(nèi)阻監(jiān)測(cè)將應(yīng)用到更加廣泛的空間。
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