鉛酸蓄電池在線監(jiān)控技術方案

1、1、概述22、閥控鉛酸蓄電池及其失效模式32.1 閥控鉛酸蓄電池32.2 閥控鉛酸蓄電池的失效模式32.2.1 電池失水32.2.2 負極板硫酸化42.2.3 正極板腐蝕42.2.4 熱失控42.2.5 綜述52.2.6蓄電池故障現(xiàn)場53、蓄電池的監(jiān)測53.1 蓄電池的運行監(jiān)測53.1.1人工運行檢查63.1.2在線運行監(jiān)測63.2 蓄電池的性能監(jiān)測63.2.1 人工性能檢查63.2.2 在線性能監(jiān)測64、kokii bm在線監(jiān)測技術74.1 在線運行監(jiān)測74.2 在線性能監(jiān)測74.2.1 內(nèi)阻異常與電池性能劣化74.2.2單體電池內(nèi)阻精確測量與分析75、kokii 通信電源用產(chǎn)品介紹85.1

2、 通信電源用系列名稱85.2 產(chǎn)品主要功能95.3 產(chǎn)品技術參數(shù)95.4 產(chǎn)品設計主導思想105.4.1 準確測量105.4.2 綜合分析105.4.3 高可靠性115.4.4 可擴展和網(wǎng)絡化115.5 產(chǎn)品硬件115.6 產(chǎn)品軟件131、概述 kokii bm系列蓄電池監(jiān)測管理系統(tǒng)緊密結合先進的電源變換技術、計算機技術、精密測量技術和vrla電池特性，實現(xiàn)了對閥控鉛酸蓄電池工作狀態(tài)和健康狀況的精確檢測和綜合分析，突破性地解決了蓄電池失效早期發(fā)現(xiàn)和性能在線監(jiān)測的難題。kokii bm系列蓄電池監(jiān)測管理系統(tǒng)適用于政府、電信、金融、證券、保險、電力、廣播電視、交通運輸、制造、軍隊、教育、科研、公共

3、設施等借助蓄電池提供高可靠電能保障的行業(yè)領域。針對各行業(yè)領域的應用實質，kokii bm包含bm3500、bm6500、bm8500三個產(chǎn)品系列，分別面向通信電源系統(tǒng)、電力操作電源系統(tǒng)和ups電源系統(tǒng)。此外，kokii 開發(fā)了tbs-2通信基站專用設備，使成本大大降低，網(wǎng)絡化功能增強，便于遠程監(jiān)控與管理。更加有效地監(jiān)測電池的運行，降低人員維護成本。2、閥控鉛酸蓄電池及其失效模式 2.1 閥控鉛酸蓄電池 蓄電池作為電源系統(tǒng)的組成部分，起著儲備電能、應付電網(wǎng)異常和特殊工作情況、維持系統(tǒng)正常運轉的關鍵作用，是需要高可靠電能保障領域的最后一道防線。因電池問題造成的事故或停機的損失往往遠比電池本身價值要

4、高昂得多。根據(jù)美國空軍1996年對于對于數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)丟失事故的統(tǒng)計結果顯示，在所有造成事故的原因中，ups故障是造成事故的最主要的原因，有27.7的數(shù)據(jù)丟失事故是由于ups故障所導致，其中95的ups故障與蓄電池有關。閥控鉛酸蓄電池采用陰極吸收技術，電池密閉封裝，運行中無需進行傳統(tǒng)的電解液控制維護，在業(yè)界得到廣泛應用。然而，電池密封在使用方便的同時，也使得觀測和維護更加困難，“免維護”的名稱又導致用戶放松了電池的日常維護管理，在實際應用中暴露了越來越多的問題。不合理的工作條件導致電池的使用壽命縮短，更為嚴重的是由于缺乏有效的監(jiān)測維護手段，不能及時、準確地掌握電池狀態(tài)，無法消除電池問題帶來的隱

5、患。根據(jù)國際電化學年會對25，000只閥控鉛酸蓄電池的測試結果顯示，“鉛酸蓄電池在使用2年以后進入不穩(wěn)定期”。進入不穩(wěn)定期的直接標志是在蓄電池組中出現(xiàn)12只性能落后的電池，蓄電池組中的落后電池將直接影響蓄電池組的容量狀態(tài)并且將加速蓄電池組中其他蓄電池的劣化速度。及時發(fā)現(xiàn)蓄電池組中的落后電池是保障蓄電池組的供電時間及延長蓄電池組使用壽命的最有效的方法。2.2 閥控鉛酸蓄電池的失效模式2.2.1 電池失水 鉛酸蓄電池失水會導致電解液比重增高、電池正極柵板腐蝕，使電池的活性物質減少，從而造成電池容量降低而失效。充電時水的電解是長期以來困擾鉛酸蓄電池密封化的難點，當充電達到一定電壓時（一般在2.30v

6、/單體以上），蓄電池正極放出氧氣，負極放出氫氣。一方面釋放氣體造成酸霧污染；一方面電解液中水分減少，必須隔一段時間進行補加水維護。閥控鉛酸蓄電池就是為了克服這些缺點而研制的產(chǎn)品，其產(chǎn)品特點為：（1）采用多元優(yōu)質板柵合金，提高氣體釋放的過電位。普通蓄電池板柵合金在2.30v/單體（25）以上時釋放氣體，采用優(yōu)質多元合金后，在2.35v/單體（25）以上時才釋放氣體，相對減少了氣體釋放量。 （2）采用陰極吸收技術，使正極的氧氣被負極的鉛吸收，并進一步化合成水。讓負極有多余的容量，比正極容量多出10%，充電后期正極釋放的氧氣與負極接觸發(fā)生反應，重新生成水，負極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài)，因而不產(chǎn)生

7、氫氣。（3）采用超細玻璃纖維隔板，以利于正極釋放的氧氣盡快流通到負極。超細玻璃纖維隔板的孔隙率由普通鉛酸蓄電池所使用的微孔橡膠隔板的50%提高到90%以上，從而使氧氣易于達到負極，再化合成水。此外，超細玻璃纖維板具有吸附硫酸電解液的功能，因此閥控式密封鉛酸蓄電池采用貧液式設計，即使電池傾倒，也無電解液溢出。（4）采用密封式閥控濾酸結構，使酸霧不能逸出，達到安全、環(huán)保的目的。 在上述陰極吸收過程中，由于產(chǎn)生的水在密封條件下不能溢出，因此閥控式密封鉛酸蓄電池可免除補加水維護，這也是閥控式密封鉛酸蓄電池被稱為“免維護電池”的由來。閥控式密封鉛酸蓄電池均加有濾酸墊，能有效防止酸霧逸出。但密封蓄電池不逸

8、出氣體是有條件的，如：電池在存放期間應無氣體逸出；充電電壓在2.35v/單體（25）以下應無氣體逸出；放電時應無氣體逸出。當充電電壓超過2.35v/單體時就有可能使氣體逸出，因此時電池體內(nèi)短時間產(chǎn)生大量氣體來不及被負極吸收，壓力超過某閾值時便開始通過單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過濾酸墊濾掉了酸霧，但畢竟造成了電池的氣體損失。所以閥控式密封鉛酸蓄電池對充電電壓的要求是非常嚴格的，不能過充電。2.2.2 負極板硫酸化電池負極柵板的主要活性物質是海綿狀鉛，電池充電時負極板柵發(fā)生如下化學反應：pbso4 + 2h2o = pbo2 + 4h+ + so4+ 2e；負極上發(fā)生還原反應：pbso4 +

9、 2e = pb + so4。放電過程發(fā)生這一反應的逆反應。當閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時，在電池的正負級柵板上就會有pbso4存在，pbso4長期存在會失去活性，不能再參與化學反應。這一現(xiàn)象稱為活性物質的硫酸化。 硫酸化使電池的活性物質減少，降低電池的有效容量，也影響電池的氣體吸收能力，久之將導致電池失效。為防止硫酸化的形成，電池必須經(jīng)常保持在充足電的狀態(tài)。2.2.3 正極板腐蝕 由于電池失水，造成電解液比重增高，過強的電解液酸性加劇正極板腐蝕。防止極板腐蝕必須注意防止電池失水現(xiàn)象發(fā)生。2.2.4 熱失控 熱失控是指蓄電池在恒壓充電時，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強作用，并逐步損

10、壞蓄電池。普通富液型鉛酸蓄電池由于在正負極板之間無間隙地充滿了液體，所以在充電過程中正極產(chǎn)生的氧氣不能到達負極，從而負極未去極化，較易產(chǎn)生氫氣，隨同氧氣逸出電池。由于不能通過失水的方式散發(fā)熱量，閥控式密封鉛酸蓄電池在充電過程中產(chǎn)生的熱量要多于富液型鉛酸蓄電池。 熱失控的直接后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，電池失效。選擇合理的浮充電壓，是減少熱失控發(fā)生，延長電池使用壽命的重要因素。2.2.5 綜述失水、硫化、極板腐蝕及熱失控是造成蓄電池失效的主要原因。蓄電池在使用時應處于合理的充電電壓、電流、溫度下，并且盡量避免大電流、深度放電，能夠減緩上述四種失效模式的出現(xiàn)。由于上述四種原因所造成

11、的蓄電池失效在蓄電池內(nèi)部最直接的反映將是蓄電池內(nèi)阻升高。蓄電池的內(nèi)阻測試被國際電化學學會公認為對蓄電池最有效、最簡潔的測試手段。2.2.6蓄電池故障現(xiàn)場3、蓄電池的監(jiān)測3.1 蓄電池的運行監(jiān)測 鉛酸閥控蓄電池對運行要求比較嚴格，偏離正確的使用條件將造成嚴重的后果，因此對其運行參數(shù)進行監(jiān)測至關重要。3.1.1人工運行檢查 一般的運行維護規(guī)程要求測量電池組電壓、單電池電壓和環(huán)境溫度。 電池組電壓測量可以發(fā)現(xiàn)充電機的參數(shù)設置是否正確；單電池電壓測量可以發(fā)現(xiàn)單電池浮充電壓是否正確，單電池是否被過充電、過放電；溫度測量主要用于發(fā)現(xiàn)電池的工作環(huán)境是否通風不良、溫度過高。 人工運行檢查實時性差，操作風險大，

12、人力成本高。3.1.2在線運行監(jiān)測 在線監(jiān)測通過監(jiān)測設備與電池連接，實時采集和報告電池組電壓、單體電壓、充放電電流、溫度等運行參數(shù)，并進行充、放電管理，有效地彌補了人工檢查的弱點。3.2 蓄電池的性能監(jiān)測 蓄電池的運行監(jiān)測僅僅能夠測量電池的運行參數(shù)，準確地掌握這些參數(shù)并利用它們對電池工作環(huán)境進行調(diào)整控制，只是維持系統(tǒng)安全正常運轉的起碼條件，遠未達到全面了解電池狀態(tài)，及時防范因電池失效或容量衰減導致系統(tǒng)故障的要求。例如在實際情況中，性能劣化、容量已大幅下降的電池其浮充電壓往往變化不明顯，僅憑單一的在線運行監(jiān)測無法辨別和處理，當放電過程中發(fā)現(xiàn)某電池的放電電壓異常時才能發(fā)出警告，往往為時已晚。 因此

13、，在測量蓄電池外部運行條件的同時，監(jiān)測蓄電池的性能，洞察其內(nèi)部狀態(tài)的變化，同樣具有非常重要的意義。3.2.1 人工性能檢查 人工檢查蓄電池性能主要依靠定期放電測試來進行。通過深度放電，發(fā)現(xiàn)容量下降的電池。 人工性能檢查時效性差，人為因素大，風險和成本高，很難在實際操作中執(zhí)行。3.2.2 在線性能監(jiān)測蓄電池性能的在線監(jiān)測長期以來一直是應用中急切需求而又缺乏有效解決方案的難題。近年來，隨著單電池內(nèi)阻精確測量技術的出現(xiàn)，電池監(jiān)測手段發(fā)生了革命性進步，測試原則由被動監(jiān)測電池外部條件發(fā)展到主動測試電池內(nèi)部狀態(tài)，電池內(nèi)阻檢測與分析已被公認為是一種迅速、可靠地診斷電池健康狀況的方法。4、kokii bm在線

14、監(jiān)測技術 kokii bm系列產(chǎn)品能夠系統(tǒng)地實時監(jiān)測蓄電池外部條件和以單體內(nèi)阻為標志的性能參數(shù)，實現(xiàn)對蓄電池完整的在線運行監(jiān)測與性能監(jiān)測。4.1 在線運行監(jiān)測 kokii bm系列產(chǎn)品能夠在線監(jiān)測蓄電池的組電壓、單體電壓、內(nèi)阻、充放電電流、溫度等運行參數(shù)，實時報告電池的運行狀態(tài)。4.2 在線性能監(jiān)測4.2.1 內(nèi)阻異常與電池性能劣化 鉛酸蓄電池的端電壓等運行參數(shù)不能反映電池的容量特性。容量嚴重下降的電池，在整組浮充電的電池中，其浮充電壓的區(qū)別不足以用來判斷電池是否因容量降低而失效，一旦電池組進行放電，這些電池因為充電量少，端電壓會很快跌落，并妨礙電池組的放電性能。這時可以從電池的端電壓上很容易

15、地發(fā)現(xiàn)它們，但在實際應用中已為時太晚，電池組在系統(tǒng)需要備份電源時已經(jīng)起不到備份作用了。蓄電池的內(nèi)部狀況與容量特性能夠通過其內(nèi)阻變化反映出來，以下是影響內(nèi)阻變化的各主要因素：腐蝕：隨著柵板和匯流排的腐蝕，導致金屬導電回路變化，使電池內(nèi)阻增大。柵板鈍化：長期使用導致活性物質腐蝕，柵板孔隙率增大，電解液供應量下降，柵板活性物質減少，使電池內(nèi)阻增大。硫化：部分活性物質硫化，導致活性物質減少，涂膏的電阻亦增加。硫化消耗掉部分硫酸，使電解液的電阻率變大。這些都導致電池的內(nèi)阻增大。失水：由于閥控密封鉛酸蓄電池無法加水，失水后電解液供應不足，使電池內(nèi)阻增大。制造缺陷：如鑄鉛和涂膏工藝不良，都可能導致較高的金屬

16、電阻和容量問題。 準確、實時地監(jiān)測蓄電池的內(nèi)阻，可以及時發(fā)現(xiàn)電池的失效和容量下降，幫助用戶消除電池隱患。4.2.2單體電池內(nèi)阻精確測量與分析電池內(nèi)阻的在線測量需要克服微弱信號捕捉、抗環(huán)境干擾、經(jīng)驗分析等諸多技術障礙，目前全球只有包括kokii在內(nèi)的少數(shù)幾家廠商有產(chǎn)品問世。 各廠家具體實現(xiàn)技術的不同致使他們產(chǎn)品的內(nèi)阻測量準確度、抗干擾能力和內(nèi)阻數(shù)據(jù)分析效果有很大的質量差別，尤其是絕大部分廠家的產(chǎn)品由于無法有效解決干擾問題而采用放電法進行測量，即在電池兩端接入放電負載，通過測量電池在放電過程中的電壓變化來獲取內(nèi)阻值，有的廠家產(chǎn)品需要把電池從回路中斷開，或關掉充電機，以消除充電機和用電負載的影響。由

17、于電池的內(nèi)阻很小，放電時的電壓變化微弱，即使采用較大的放電電流，直接測量的精度一般也很難提高。bm系列采用的內(nèi)阻測試技術不需放電，采用先進的中點測量方法，依托數(shù)字信號處理技術完成微弱信號的準確測量，不必將電池從回路斷開，不受充電機和用電負載的影響，實現(xiàn)了真正的在線內(nèi)阻測試，數(shù)據(jù)有效分辨率達到0.001毫歐。以精確的內(nèi)阻在線測量為基礎，kokii bm系列產(chǎn)品能夠及時準確地發(fā)現(xiàn)電池組中的落后電池，結合用戶有效的維護方法，大大提高備用電源的可靠性，延長電池組整體使用壽命。l 一組失效電池的電壓與內(nèi)阻的測試數(shù)據(jù)比較： （電壓數(shù)據(jù) 正常） （內(nèi)阻數(shù)據(jù) 嚴重異常） 電池的性能已劣化的電池組，往往在電壓測

18、量的時候，極難發(fā)現(xiàn)問題！l 人工檢測與在線測量的比較= 0 v電池斷路，短路發(fā)生在不定時的瞬間，電池組輸出電壓為零，如果未及時發(fā)現(xiàn)，會造成大面積通信中斷等嚴重后果。人工檢測在突發(fā)事件中有很大的局限性。 5、kokii 通信電源用產(chǎn)品介紹5.1 通信電源用系列名稱kokii bm3500 通信電源系統(tǒng) （1000ah-3000ah）kokii tbs-2 通信基站專用 (200ah-500ah)5.2 產(chǎn)品主要功能 測試到每一個單電池 全電子式電池自動巡檢，準確可靠 專利技術實現(xiàn)單電池內(nèi)阻準確測試 完全在線測量，無需放電和斷電 電池組/單電池浮充電壓監(jiān)測與超常判斷 充放電流監(jiān)測與超常判斷（選裝）

19、 深度放電計算、記錄 環(huán)境溫度（或標樣電池溫度）監(jiān)測 運行事件管理，提供維護分析事實 高度智能化數(shù)據(jù)處理，報警提示準確 模塊結構，便于現(xiàn)場安裝與維護 成套附件，提高安裝效率和可靠性 網(wǎng)絡化設計，遠程管理和集中監(jiān)控5.3 產(chǎn)品技術參數(shù)bm3500 每個控制單元可連接兩組電池 每組電池數(shù)量424只 電池容量： 200ah-3000ah 系統(tǒng)規(guī)格控制單元（選裝） 19inch/3u（440w x 133.5h x 272d mm）檢測模塊 19inch/1u（440w x 44.5h x 272d mm）內(nèi)阻模塊 19inch/1u（440w x 44.5h x 272d mm） 電壓測量單電池電壓

20、測量范圍0.53.0v電池組電壓測量范圍0100v電壓測量準確度0.2%rd 電流測量電流測量范圍02000a（選裝傳感器）電流測量準確度2%（與傳感器有關） 內(nèi)阻測量內(nèi)阻測量范圍0.00130.000m內(nèi)阻測量最高分辨率0.001 m 溫度測量溫度測量范圍050溫度測量準確度2 時間測量準確度1s/htbs-2 每個模塊可連接兩組電池 每組電池數(shù)量24只 電池容量： 200ah-500ah 系統(tǒng)規(guī)格 19inch/1u（440w x 44.5h x 272d mm） 電壓測量單電池電壓測量范圍0.53.0v 電池組電壓測量范圍0100v /電壓測量準確度0.2%rd 電流測量電流測量范圍02

21、000a（選裝傳感器）電流測量準確度2%（與傳感器有關） 內(nèi)阻測量內(nèi)阻測量范圍0.00130.000m內(nèi)阻測量最高分辨率0.001 m 溫度測量溫度測量范圍050溫度測量準確度2 時間測量準確度1s/h5.4 產(chǎn)品設計主導思想5.4.1 準確測量 電池的運行參數(shù)主要受充電機的控制，尤其是電池的浮充電壓，直接影響電池的浮充使用壽命。浮充電壓的測量要求系統(tǒng)具有高準確度，電池組串聯(lián)后的高電壓要求系統(tǒng)具有高抗共模性能。 在線測量每個單電池的內(nèi)阻是系統(tǒng)的核心技術之一，測量精確度直接關系到分析的準確性。在線測量需要解決充電機和用電負載干擾的問題。對于大容量電池，內(nèi)阻是微歐級小信號，常規(guī)的測量方式已經(jīng)不能得

22、到有意義的數(shù)值，系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術實現(xiàn)高精度測量。5.4.2 綜合分析 以電池正確運行條件為核心依據(jù)，對系統(tǒng)的電壓、內(nèi)阻、電流和溫度數(shù)據(jù)及其變化進行綜合分析。 綜合分析要發(fā)現(xiàn)電池組運行中發(fā)生的超越電池參數(shù)極限的事件，如：充電電流過大、放電電流過大、電池組浮充電壓高、電池組浮充電壓低、電池組過放電、單電池浮充電壓高、單電池浮充電壓低、單電池過放電等。 除發(fā)現(xiàn)電池的運行條件異常外，綜合分析更重要的是要及時發(fā)現(xiàn)并報告電池失效以及電池容量狀態(tài)。5.4.3 高可靠性 系統(tǒng)應用于高可靠性要求的領域，要求保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作。 系統(tǒng)應對用戶設備不產(chǎn)生任何附加干擾，保證用戶設備同監(jiān)測系統(tǒng)共同正常運轉。

23、 系統(tǒng)應具備良好的容錯能力，避免誤報警。5.4.4 可擴展和網(wǎng)絡化系統(tǒng)要滿足蓄電池應用的大部分場合，可根據(jù)不同行業(yè)的電池配置應用，以及電池的不同數(shù)量、不同規(guī)格和不同的放置形式靈活配置。系統(tǒng)可擴展放電測試設備，自動完成放電測試。網(wǎng)絡化和信息化是電子設備的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)設備要有通信接口和多種網(wǎng)絡連接方案。5.5 產(chǎn)品硬件bm3500系統(tǒng)由控制單元、監(jiān)測模塊、內(nèi)阻模塊、相關軟件和輔助部件構成，一個控制單元可接入多個監(jiān)測模塊，完成對不同只數(shù)和不同電壓規(guī)格的蓄電池組的監(jiān)測管理，可同時管理兩組蓄電池。 控制單元（選裝） 控制單元（選裝）用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和人機界面操作，具有遠程（集中）管理rs-485（rs-232）接口、檢測模塊控制口、操作鍵盤、漢化（或英文）顯示面板、聲光報警及報警輸出接點。控制單元實時顯示電池數(shù)據(jù)，智能分析數(shù)據(jù)，對異常的電池運行情況進行及時報警。控制單元通過總線結構控制檢測模塊工作，收集檢測模塊采集的數(shù)據(jù)，對發(fā)生的事件進行判斷處理并發(fā)出聲光報警，完成數(shù)據(jù)的通信、存儲和查詢功能，以幫助運維人員進行現(xiàn)場事件處理。 檢測模塊檢測模塊完成