基于交流注入法后備VRLA電池在線監(jiān)測方案

一、后備電池監(jiān)測必要性

隨著蓄電池的廣泛應(yīng)用，特別是備用電源中的應(yīng)用，由于VRLA蓄電池的運(yùn)行要求比較嚴(yán)格，電池在偏離了正確的使用條件下運(yùn)行會影響電池使用壽命，甚至造成嚴(yán)重的后果，因此，2009年6月1日開始執(zhí)行新的《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》GB50174—2008，對蓄電池的管理提出了明確的要求，特別是對A級機(jī)房的蓄電池要求監(jiān)測到每一塊電池，這對于提高機(jī)房應(yīng)對供電災(zāi)難的水平意義重大。

二、電池內(nèi)阻在線監(jiān)測技術(shù)

連續(xù)監(jiān)測蓄電池的運(yùn)行參數(shù)（單電池電壓、充放電電流、溫度）以及內(nèi)阻的變化，對于蓄電池進(jìn)行全監(jiān)測，通過蓄電池失效早期的特征，及時發(fā)現(xiàn)單體電池的不均衡性、以及失效、落后電池等情況，并進(jìn)行及時有效的處理，就可以防止蓄電池劣化加劇，延長蓄電池的使用壽命。

1 人工檢查

除了放電測試外，人工測量主要測量電池組電壓、單電池電壓、溫度和單電池內(nèi)阻。

2 在線監(jiān)測

通常內(nèi)阻的測量方式有以下兩種：

1）直流方法

由于內(nèi)阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準(zhǔn)確測量帶來困難，由于放電過程電壓的變化，需要選擇穩(wěn)定區(qū)域計算電壓變化幅值。實際測量中，直流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差、準(zhǔn)確度很難達(dá)到10%以上。

目前很多采用直流測試法的內(nèi)阻測試設(shè)備都采用大電流放電，這樣，需用使用大的放電器和大截面的導(dǎo)線同蓄電池連接，這在實際使用中會帶來一定的安全隱患。同時由于需要對蓄電池進(jìn)行動作（放電），在測量過程中，對于在線測量以及兩次測量的時間間隔有一定的限制。

2）交流方法

相對直流法，通過交流法測量蓄電池內(nèi)阻就要簡單一些。

當(dāng)使用受控電流時，ΔI = Imax Sin(2πft),產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為：

ΔV = Vmax Sin(2πft + φ)

若使用受控電壓激勵，ΔV = Vmax Sin(2πft),產(chǎn)生的電流響應(yīng)為：

ΔI = Vmax Sin(2πft - φ)　

兩種情況的阻抗均為：

即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其模 |Z|= Vmax/Imax, 相角為φ。

一般情況下激勵引起的電壓幅值變化小于10mV，這樣能保證阻抗測量的線性。使用方波在技術(shù)實現(xiàn)上更為簡單，通過改變方波的頻率可以測試電池的阻抗譜。

從理論上講，向電池饋入一個交流電流信號，測量由此信號產(chǎn)生的電壓變化即可測得電池的內(nèi)阻。

R = Vav / Iav

式中　Vav----為檢測到交流信號的平均值；

Iav ---- 為饋入交流信號的平均值

在實際使用中，由于饋入信號的幅值有限，電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐級，因此，產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微歐級，信號容易受到干擾。尤其是在線測量時，會受到充電機(jī)或用電負(fù)載的影響。工頻和射頻干擾也影響讀數(shù)。

而采用數(shù)字信號處理技術(shù)就可以有效克服外界干擾，獲得比較穩(wěn)定的內(nèi)阻數(shù)據(jù)，同時該方法不需要增加蓄電池的任何動作，因而在在線測量、網(wǎng)絡(luò)化方面具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。目前該測量技術(shù)正被學(xué)術(shù)界、以及市場廣泛接受。

三、基于交流注入法電池內(nèi)阻監(jiān)測解決方案

阻抗與容量是反映蓄電池性能的參數(shù)。阻抗這一參數(shù)，通過交流法在線蓄電池的內(nèi)阻，其測量原理就是將一個低頻的交流信號注入到蓄電池中，由于蓄電池中存在歐姆阻抗以及極化阻抗，測量蓄電池的反饋信號，得到蓄電池的阻抗，從而實現(xiàn)阻抗的在線測量。

（1）WB7880QA-08B蓄電池內(nèi)阻在線監(jiān)測模塊

WB7880QA-08B蓄電池內(nèi)阻在線監(jiān)測模塊采用小電流注入法測量蓄電池內(nèi)阻，完成電池內(nèi)阻、溫度、端電壓的參數(shù)監(jiān)測，通過RS-485接口按MODBUS—RTU協(xié)議實現(xiàn)組網(wǎng)，方便用戶對鉛酸蓄電池進(jìn)行綜合判斷。

（2）電池內(nèi)阻監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)

電池的容量：2V或12V容量為50AH以下的電池

監(jiān)測電池數(shù)：8節(jié)

內(nèi)阻 量程1mΩ～100mΩ，分辨率50μΩ，誤差 2%

電壓 量程1.5V-15V 誤差0.2% 分辨率3mV

溫度 量程－20℃～＋70℃ 誤差±1℃ 分辨率0.1℃

響應(yīng)時間 單節(jié)電池測量時間≤0.5s

通信方式 RS485,波特率:9600bps,校驗方式：無校驗1個停止位

產(chǎn)品尺寸 216*94*36(mm)

工作溫度 0℃～＋70℃

（3）監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測中心軟件采用基于B/S結(jié)構(gòu)的模式，B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，它是隨著 Internet技術(shù)的興起，對C/S結(jié)構(gòu)（客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）的一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實現(xiàn)，形成所謂三層3-tier結(jié)構(gòu)。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本。

監(jiān)測中心采用B/S結(jié)構(gòu)模式后，系統(tǒng)管理員可以給各相關(guān)人員分配用戶名、密碼與訪問權(quán)限，這些相關(guān)人員作為IE用戶，在規(guī)定的權(quán)限內(nèi)通過 Internet/Intranet瀏覽蓄電池的數(shù)據(jù)與報表，隨時可了解蓄電池組的情況。

監(jiān)測中心采用數(shù)據(jù)庫管理，采用SQL-SERVER商用數(shù)據(jù)庫，方便對各蓄電池組的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、查詢與調(diào)用。

四　應(yīng)用效果

通過在通信領(lǐng)域、電力系統(tǒng)以及大型生產(chǎn)企業(yè)的UPS等行業(yè)的應(yīng)用，有力地證明該方案可以很好解決目前后備電源中蓄電池監(jiān)測與管理的諸多問題，通過智能化與網(wǎng)絡(luò)化的實現(xiàn)，對于提高蓄電池的使用性能，及時發(fā)現(xiàn)蓄電池故障，提前判斷蓄電池劣化，延長蓄電池的使用壽命，具有非常重要的意義。