閥控密封式鉛酸蓄電池監(jiān)測技術(shù)探討

1 前言

本文所探討的蓄電池是作為后備電源使用的，平時處于充電狀態(tài)，與充電裝置的輸出并聯(lián)，一旦市電中斷，蓄電池立即開始放電。與循環(huán)深度放電使用情況相比，由于蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，即使偶然放電，因放電深度與市電中斷時間有關(guān)，因此很難獲得蓄電池的保有容量。在電池運行過程中檢測蓄電池的劣化程度（SOH-State of health），是用戶最為關(guān)心的問題，也是后備方式使用蓄電池的最大難題之一。

目前，主要有7個方面的蓄電池檢測/監(jiān)測技術(shù)研究內(nèi)容：

（1）以檢測浮充數(shù)據(jù)為主的被動方法；

（2）傳統(tǒng)的深度放電測試；

（3）新的部分放電測試技術(shù)；

（4）放電狀態(tài)剩余電量（SOC-State of charge）估計；

（5) 蓄電池阻抗檢測和分析；

（6）智能電池技術(shù)；

（7）蓄電池壽命預(yù)測的研究。

2 放電剩余電量計算

大多數(shù)使用VRLA的場合都需要在放電過程中得知剩余電量信息，此信息可能用百分比或剩余工作時間等方式表示。在蓄電池電量耗盡前需要完成某些操作，關(guān)停設(shè)備或啟動其它發(fā)電設(shè)備。完全充電后的VRLA的放電剩余電量與電池的劣化程度有關(guān)，還與放電的電源大小、溫度相關(guān)，尤其是在高倍率下。

與SOC相關(guān)的研究主要集中在電動汽車（EV-Electrical Vehicle）的“油料表”（Gauge），它必 須準(zhǔn)確指示剩余電量，以便及時充電，而EV的變電流使用方式和剎車電量回授的影響使得SOC的計算更為復(fù)雜。

目前的SOC計算方法有以下幾種。

（1） 電壓—電量對應(yīng)

世界最大的電池電量儀表制造商CURTIS公司的產(chǎn)品，部分使用電壓—電量對應(yīng)方法。

（2） 安時積分法

針對電動汽車的電池使用特點，研究了計算補償系數(shù)的電量計量方法。

（3） Peukert定律

一種計算在不同電流和溫度下放電容量的方法，其系數(shù)的確定較為困難。對于劣化到一定程度的電池，該定律是否仍然有效，目前還沒有相關(guān)證實。

（4） 阻抗分析

Kenneth Bundy等人進(jìn)行了通過阻抗譜數(shù)據(jù)的分析預(yù)測鎳氫(Ni/MH)電池的SOC，獲得了最大誤差為7%的預(yù)測效果；Alvin J.Salkind等采用模糊邏輯算法，分析3個不同頻點的阻抗虛部預(yù)測Li/SO2和Ni/MH電池的SOC亦獲得5%的準(zhǔn)確度。

（5） 復(fù)合技術(shù)

部分研究是采用以上幾種方法的復(fù)合。

由于備用方式與循環(huán)深度放電使用方式存在本質(zhì)的區(qū)別，如何計算備用方式的SOC受劣化程度的影響仍是目前的難題。

3 深度放電測試

深度放電測試被公認(rèn)為最可靠的后備電池性能測試方法。

在許多的場合，為了確保電源系統(tǒng)的可靠性，定期對蓄電池部分放電檢查電池的連接和性能，或者深度放電檢驗電池的保有容量。放電測試存在局限性、風(fēng)險大，需要人工參與，而且對電池壽命影響很大。電力的有關(guān)規(guī)程要求對蓄電池定期進(jìn)行容量核對性放電，但在實際執(zhí)行中，大部分仍然只作30%—50%的放電。部分UPS設(shè)計有自動放電功能，即按一定周期啟動測試功能，由于放電的深度一般都很小，而且放電過程只測量了整組電池的電壓，單個電池的劣化還是不能及時發(fā)現(xiàn)。

4 浮充數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析

浮充數(shù)據(jù)監(jiān)測主要有以下內(nèi)容。

（1）電池組電壓檢測

浮充電壓作為VRLA電池運行的最主要條件，是檢測的首要參數(shù)。檢測的主要目的是使電池處于合理的浮充電壓下。電池組電壓測量，可以發(fā)現(xiàn)充電機(jī)的參數(shù)設(shè)置是否正確。整組電池監(jiān)測功能一般設(shè)計在整流電源內(nèi)，測量電池組的電壓、電流和溫度，進(jìn)行充電和放電管理，在電池放電時電池組電壓低至某下限時報警。大部分產(chǎn)品可以根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)整電池的浮充電壓，

（2）單電池電壓檢測

由于蓄電池是串聯(lián)運行，整組電池的電壓由充電機(jī)的輸出來決定，充電機(jī)的正確工作并不能保證每個單電池的工作狀態(tài)正常。單電池電壓監(jiān)測裝置可以測量電池組中每個單電池的浮充電壓，判斷單電池是否充滿或者被過充電、欠充、過放電等情況。根據(jù)有關(guān)研究，電池的開路電壓可以在一定程度上反應(yīng)電池的SOC和SOH，但浮充電壓的高低與蓄電池的保有容量和劣化程度的關(guān)系尚不明確。

（3）浮充電壓匹配程度檢測

由于一組電池中單電池的老化程度不一樣會影響到浮充電壓的均衡性。基于某種統(tǒng)計規(guī)律，中點電壓（MPV--Midpoint Voltage）方法作為一種簡單廉價的檢測方法曾被討論和測試。

（4）浮充電流

這是從電池本身的角度探討浮充電流的變化情況，電池的不同劣化程度會影響到浮充電流。對于一組電池，因為電池是串聯(lián)運行，可接受的浮充電流差異會體現(xiàn)在電池的電壓上。并且，浮充電流的測量是很困難或是成本較高的方法，現(xiàn)實中很少應(yīng)用，有些檢測裝置的浮充電流數(shù)據(jù)的可靠程度不高，也很難進(jìn)一步處理。

1996年我國原郵電部發(fā)布了《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》的標(biāo)準(zhǔn)，目的在于規(guī)范監(jiān)測產(chǎn)品和技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)中明確要求監(jiān)測到每一個單電池。目前，電信部門使用的產(chǎn)品大多都是依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計/生產(chǎn)的。制定標(biāo)準(zhǔn)后，電信運維部門期望監(jiān)測設(shè)備能夠起到重要作用，而實際情況是，在浮充狀態(tài)，監(jiān)測設(shè)備只能發(fā)現(xiàn)極個別性能很差、浮充電壓超常的電池。對于浮充電壓的小幅值差異監(jiān)控系統(tǒng)并沒有區(qū)別和處理的依據(jù)，也就是對于電池性能變壞、電池容量已經(jīng)大幅下降，這時如果電池浮充電壓變化不明顯，監(jiān)控系統(tǒng)不會發(fā)出警報，而只是當(dāng)放電時發(fā)現(xiàn)某電池的放電電壓（或曲線）異常才有警告，但一般為時已晚。

5 放電分析新技術(shù)

在對每個單電池進(jìn)行電壓檢測的前提下，對電池組進(jìn)行放電是一種有效的測量方法。電池是一個非線性動力學(xué)系統(tǒng)，將電池放電至其下限電壓，或稱完全放電是測試電池性能的最可靠方法。在此基礎(chǔ)上，人們期望通過部分放電來預(yù)測完全放電的數(shù)據(jù)。

目前，有針對三種不同測量方法的部分放電方式。

（1） 瞬時放電，以測量電池的直流內(nèi)阻，根據(jù)內(nèi)阻數(shù)據(jù)分析電池的劣化程度（SOH）。研究人員對不同荷電狀態(tài)和不同劣化程度的電池，進(jìn)行了直流內(nèi)阻的測試和分析，并對柵板腐蝕和失水兩種不同劣化模式的差別進(jìn)行了研究。

（2） 短時放電，根據(jù)短時放電的數(shù)據(jù)預(yù)測電池保有容量，在測量的放電電流下，不同劣化程度的電池放電輸出電壓的幅值會有差別，通過計算其偏差估計電池的SOH。從理論上講，放電的深度越大，估計的誤差越小。

（3） 短時放電，根據(jù)放電過程的電壓跌落Coup de Fouet過程分析電池的SOH。VRLA電池由滿充電狀態(tài)轉(zhuǎn)入放電以后，出現(xiàn)一段短時間的電壓跌落，然后回升到放電平臺電壓。

6 阻抗測量與分析技術(shù)

阻抗測量是具有豐富實質(zhì)意義同時又是最具爭議的檢測方法之一。對單電池進(jìn)行內(nèi)阻檢測的監(jiān)測，是電池監(jiān)測技術(shù)的質(zhì)變，即由被動監(jiān)測電壓到主動測試電池內(nèi)部狀態(tài)。

得出的結(jié)論是：

⑴ SOC和SOH確實影響電池內(nèi)阻；

⑵ 環(huán)境溫度亦影響內(nèi)阻，尤其是低頻下電池的動力學(xué)過程受擴(kuò)散影響；

⑶ 因為溫度影響阻抗，在現(xiàn)場測試時應(yīng)該使用較高頻率（10Hz—100Hz），這樣可以減少溫度的影響；

⑷ 鉛酸電池的內(nèi)阻變化幅度可大到100%，而鎳鎘電池只有10%的變化；

⑸ 大容量電池的內(nèi)阻非常小，測量比較困難；

⑹ 不管內(nèi)阻測試是否能反映電池狀態(tài)，測試儀器的標(biāo)準(zhǔn)和測量步驟應(yīng)該明確；

⑺ 用內(nèi)阻技術(shù)發(fā)現(xiàn)有問題的電池后，仍需要進(jìn)一步測試；

⑻ 不能直接用內(nèi)阻數(shù)據(jù)反應(yīng)SOC，因為SOH對阻抗影響很大。

在線內(nèi)阻測試技術(shù)難度大，內(nèi)阻準(zhǔn)確度和抗干擾能力差別也很大。由于電池的內(nèi)阻很小，放電時的電壓變化幅值很小，需要較大的放電電流，所以放電測量方法的精度一般也很難提高。

7 壽命預(yù)測技術(shù)

蓄電池的設(shè)計使用壽命是根據(jù)其電極腐蝕速度計算得到的。蓄電池的實際工作壽命與使用條件的關(guān)系密切，主要因素是充電方式、浮充電壓、使用溫度、放電深度和次數(shù)。

壽命研究一般是針對實驗室的加速壽命測試進(jìn)行分析，對于現(xiàn)場的電池壽命預(yù)測研究較少。

IEEE Std 1188-1996中推薦的固定使用的備用電池更換標(biāo)準(zhǔn)為電池容量下降到80%。雖然電池在該時刻仍能提供相當(dāng)高的容量輸出，但電池劣化速度加快，應(yīng)該及時更換，以保證電源系統(tǒng)的安全性。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，提前更換需要更多的經(jīng)費。

在YD/T799-1996中規(guī)定采用過充電測試電池的壽命，即蓄電池在規(guī)定電流（0.2C10）過充電狀態(tài)下，年平均室溫在15℃～25℃之間，每月按1h率放電1次，當(dāng)其容量不大于80%時試驗結(jié)束。2V系列閥控式鉛酸蓄電池試驗天數(shù)在240天以上，折合壽命為7年～9年。6V以上系列閥控式鉛酸蓄電池試驗天數(shù)在180天以上，折合壽命為5年～7年。該加速壽命的測試方法與電解電容的高溫測試不同。

備用方式使用的VRLA一般工作在較為穩(wěn)定的環(huán)境。因此，根據(jù)其衰變信息來預(yù)測電池的壽命也取得了一些研究成果。通過加速壽命試驗可測得電池的衰變規(guī)律。在實際應(yīng)用中，壽命預(yù)測主要用于制訂電池更換計劃。

8 智能電池技術(shù)

智能電池是指在蓄電池上附加有關(guān)智能電路，一般的智能電池包含有測量、保護(hù)、計算、存儲和通訊5部分功能。

（1） 測量功能：直接測量充放電流、電壓、溫度，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

（2） 保護(hù)功能：在電池過充、過放、短路時切斷電池的輸出。

（3） 計算功能：主要進(jìn)行電量的計算，尤其是充滿后放電剩余電量的計算。

（4） 存儲功能：將電池使用過程的特殊數(shù)據(jù)存儲。

（5） 通訊動能：和充電器/用電負(fù)載通訊，提供充電參數(shù)和剩余電量信息。

智能電池技術(shù)除了在高檔便攜器具使用外，是電動汽車的重要部分。

目前的智能電池技術(shù)，在蓄電池深度循環(huán)放電使用的場合發(fā)展日趨成熟，尤其是在鋰離子 ( Li-ion ) 電池的應(yīng)用。因為鋰離子電池的充放電容量效率接近100%，因此，其智能化的技術(shù)相對簡單。電池深度循環(huán)工作時，智能技術(shù)可以將充電的電量和上次電池放電的電量作為本次計算的重要數(shù)據(jù)，這樣，即使在電池使用的整個壽命期間電池容量出現(xiàn)衰減，智能芯片也可以相對準(zhǔn)確地估計放電剩余電量（SOC）。

對于備用電池，由于長期處于浮充狀態(tài)，即使處于充滿的狀態(tài)，若在兩次深度放電期間發(fā)生劣化，其保有容量就很難估計。因此，目前的智能電池技術(shù)，還不能完全直接應(yīng)用在備用VRLA蓄電池來處理SOH和SOC。

9 結(jié)論

由于VRLA電池本身的復(fù)雜性，到目前尚沒有一套完整的理論解釋電池的劣化和失效行為，試圖通過建立簡單模型或?qū)δ骋环矫鏀?shù)據(jù)進(jìn)行測試分析，來在線檢測電池的各種失效模式引起的容量下降是不現(xiàn)實的。隨著VRLA電池在重要場合的普及應(yīng)用，又迫切需要在線監(jiān)測電池狀態(tài)，因此，對已有方法進(jìn)行綜合分析，設(shè)計更為有效的檢測系統(tǒng)意義重大。

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