大力神蓄电池监控技术的应用

 大力神蓄电池(VRLA)由于具有电压平稳，成本低，使用和维护方便等优点使得其得到了广泛的应用，虽然现在各种新型的电池材料不断出现，但目前甚至是可预见的未来一段时间，VRLA蓄电池仍然会在通讯，电力，轨道交通等领域作为后备电源和储能设备的主力军。 
虽然VRLA蓄电池号称是“免维护”的，但现在市场上电池厂家众多，鱼龙混杂，质量参差不齐，而且在实际使用中，由于蓄电池本身的劣化，蓄电池的容量也是在不断下降的，特别是在实际使用中，通常是多个蓄电池串联使用，这就使得一个蓄电池的性能劣化会拖累整组电池的性能，从而让电池组达不到设计容量，一旦停电，事故发生的可能性就大大增加，所以日常对电池组的监控和维护是必不可少的，从而避免电池故障给用电客户带来损失。本文就VRLA蓄电池的监控技术的发展和现状做一个全面的介绍和分析。
1.传统的电池监控方式
长期以来，蓄电池的维护单位都是以人工维护，最常见的是以下几种方式：
1.1.核对性放电
这种方法是最准确知道蓄电池容量的方法。具体的操作是将浮充状态的电池组脱离负载，然后以电池标称容量的0.1C的速度放电(即100Ah的电池以10A的放电速度放电)，并记录电池到达规定的终止电压的时间以确定电池的实际容量。这种方法最大的优点是准确，但缺点也显而易见：这种方法需人工操作，有一定的危险性;需要脱离负载操作，所以放电过程中如果发生停电，系统就没有后备电源的保障;这种方法其实测试的电池组里面最差电池单体的容量，其他电池单体的容量仍然没有掌握的;另外对电池容量本身也有一定的损害，所以不能频繁的对电池进行核对性放电，一般的用电单位进行这种测试的频率是一年1-2次，而电池劣化的过程经常是在几周内发生的，这样在两次测试间隔时期电池的状态仍然是未知的，事故隐患仍然存在。
1.2.在线或者人工监测电池电压
这是长期以来监测电池状态最常用的方法。但从下图可以看出，在浮充状态下，容量不同的电池的浮充电压几乎是一致的，通过放电测试可以看到容量异常的电池很快就会下降到截止电压，从而说明通过这种方法来判断电池的容量是无效的。
这种方法通常与方法2共同使用来判别电池好坏。即维护人员利用内阻仪手工测试电池单体的内阻。到目前为止，虽然大量的文献指出蓄电池的内阻和容量状态并没有一个明确的数学对应关系，但业界里公认内阻的变化是和容量的变化相关的。在图2里面黄色趋势线显示蓄电池的内阻在10月到11月期间因为各种原因急剧上升，因此可以判断出蓄电池的状态已经严重劣化，经过对电池的放电证实的确是电池已经失效。
但这种方法的缺点也显而易见：不能实时在线监测电池的状态;花费的时间长，人力成本高;有些电池组由于空间的限制，并不便于人工操作;每次测试由于人员和仪器的不同数据会有较大的差异。这种测试方法也不再适应现在的电池监控系统的需求，取而代之的是在线式的内阻监控方式。下面我们就这种监控方式作详细的介绍。
2.在线电池内阻监控方式
从系统架构来看这种监控方式分为集中式和分布式。
2.1集中式在线电池内阻监控系统
集中式监控系统是指将一组甚至多组电池连接到同一台设备上进行测试，图3是集中式监控系统的一个例子。
集中式监控系统测试电池内阻大都采用交流注入法，即在设备内部产生一个一定频率和幅度的交流(基本是正弦)信号注入到蓄电池两端，然后通过探测并检出蓄电池两端同频率的电压波动即可确定电池的内阻。交流注入法也是大部分手持内阻仪检测内阻的方法。交流注入法不需要从电池中取电，从而不会对电池本身的容量和寿命有影响。但交流注入法对电池注入的电流一般不能太大(1A以下)以避免对动力环境系统产生干扰，这么小的电流引起的电池电压的波动是非常难以精确测试的，很容易受到动力环境系统中的噪声的干扰，特别是在UPS系统里电池两端存在大量的谐波干扰，如何滤除这些干扰是非常有挑战性的一项工作。就目前的集中式设备测试内阻的结果来看精度大都不太理想，距离分布式的采集模块还是有差距的。集中式设备由于要采集多个电池单体的参数，这样就需要从设备引出大量的连接线，而且由于电池摆放的位置不同，这些连接线的长度和走线都不一致，从而使得集中式监控系统的施工和维护都较为麻烦。
虽然集中式的监控方式有种种弊端，但由于其成本较低，所以在一些对内阻精度要求不高的场合还是有相当的市场。生产集中式设备的厂家包括艾默生，杭州高特以及一些较小的厂商。
2.2分布式在线电池内阻监控系统
相对集中式监控方式，分布式系统的电池参数采集模块和蓄电池一一对应，采集模块通过导轨或者双面胶固定于电池表面，由于每一个电池单体配置一个传感器，因此连接线短，这样使得现场施工布线非常简单。图4是分布式监控系统的一个例子。
在分布式监控系统中，大力神蓄电池参数采集模块将采集到的数据通过串行总线上报给现场主机，再由现场主机上报给中心服务器，用户通过客户端访问服务器即可查看电池运行的状态参数。
分布式系统的电池参数采集模块由于体积较小，不能自身内部产生较大电流的信号，需从电池本身来取电，所以测试内阻的方法一般采用直流或者交流放电法，即对电池拉取特定频率和幅度的直流(脉冲)或者交流(正弦)电流，然后通过测试电池两端的电压波动来确定电池的内阻。由于脉冲信号里面包含的谐波分量较多，对于后期信号处理来说比较复杂，从测试的内阻结果精度来看也是交流放电法较好一些。采用直流放电法的有莱姆，华塑等公司，海伟辰电子等公司采用的是交流放电法。
3.电池参数采集模块的性能指标
衡量模块内阻测试的性能指标包括测试的绝对精度，测试结果的重复度，模块的静态损耗以及模块测试内阻时的动态损耗以及模块的安全性能。
3.1绝对精度
内阻测量的绝对精度是指传感器内阻测试的值与真实内阻值之间的差异。测试的结果应该越接近真实值越好，但长期以来这个指标都缺乏判断的依据，因为电池的内阻值并没有一个标准值。甚至有些人提出这个指标并不重要，但笔者看来这是衡量一个采集模块性能的重要指标，因为很多电池加装监控系统的时候已经使用了一段时间了，如果测试不准确，就很难与初始内阻值(厂家提供)来比较，从而难以判定电池的容量状态。解决这个难题其实也很简单，可以用标准的精密电阻来模拟电池内阻，然后用采集模块来测试电阻的阻值从而判断采集模块的绝对精度。
3.2测试结果的重复度
内阻测试的重复度是指对同一电池单体，在同一时间和同一条件下，用同一采集模块反复测量内阻值，得到的结果的偏差范围。需要指出的是衡量这个指标的条件不仅是在电池脱机工作的时候，更要考虑电池在线工作时系统有大量谐波干扰的情况下采集模块的测试结果的一致性。测试表明很多厂家的采集模块在有干扰的情况下测试结果离散性非常大，有些模块甚至在有干扰的情况下不能正常工作。
3.3模块的损耗
损耗包括模块不测试的时候的静态损耗和测试参数时候的动态损耗。静态损耗在电池脱机工作的情况下是个重要的参数，因为分布式的模块都要从电池本身取电，如果静态损耗太大，对电池本身的消耗也较大。动态损耗主要是模块在测试内阻的时候从电池内部拉电流的大小，电流越小对电池的冲击也就越小，但电流太小所引起的电压波动也较小，对于信号检测电路的设计要求相应提高，从而也会影响到最后测试结果的精确性。市场上现有的模块拉电流的大小从几百个毫安到几安培不等。
3.4模块的安全性能
模块的安全性能是指模块在发生故障的情况下能否不影响系统的安全。这要求模块在内部短路的时候能从物理上与电池隔离开，另外在施工中很容易发生电池正负极接反的情况，这就要求模块本身要有反接保护，以避免反接时模块损坏。
4.电池容量状态的判断
对于电池用户来说最关心的参数还是电池目前的容量状态，经常我们以电池的健康参数(SOH)来表示。前面我们有讲过电池的内阻与容量有一定的关系，但没有明确的数学对应公式，所以如何将测试得到的内阻转换成电池的健康参数是有很大的挑战性的工作。现在有些公司在这方面做了一些研究，也开发出计算软件，但从结果来看还没有达到很精确的程度，只能起到一些参考作用。这方面的工作还有待各方面继续研究。
5.结束语
作为动力环境监控中的一环，蓄电池监控逐渐被重视。大力神蓄电池监控近年来发展迅速，涌现出各种新技术和新产品，其中测试电池的内阻以监测电池的容量状态逐渐成为主流。随着这些新的技术和产品的推广使用，蓄电池的维护工作将从人工化，分散化向自动化，集中化迈进。