一、 概述

　　目前，蓄電池監(jiān)測(cè)模塊大多都是電壓巡檢儀，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電池的浮充電壓，在超出設(shè)定值時(shí)給出報(bào)警。相對(duì)以前的整組電壓監(jiān)測(cè)方式來(lái)說(shuō)，單體電壓監(jiān)測(cè)是前進(jìn)了一大步，但對(duì)于電池的長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的容量衰減以至失效的監(jiān)測(cè)，電壓能反映的問(wèn)題非常有限：100Ah的電池和衰減至10Ah的電池在浮充電壓上的差異很難區(qū)別開(kāi)來(lái)。因此，需要從蓄電池的失效模式進(jìn)行探討，從而解決蓄電池的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

二、閥控鉛酸蓄電池的失效模式

　　 對(duì)于閥控式鉛酸電池，通常的性能變壞機(jī)制有以下幾種情況：

　　1、 熱量的積累

　　 開(kāi)口式鉛酸電池在充電時(shí)，除了活性物質(zhì)再生外，還有硫酸電解質(zhì)中的水逐步電解生成氫氣和氧氣。當(dāng)氣體從電池蓋出氣孔通向大氣時(shí)，每18克水分解產(chǎn)生11.7千卡的熱。

　　 而對(duì)于閥控式鉛酸電池來(lái)說(shuō)，充電時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的氧氣流向負(fù)極，氧氣在負(fù)極板處使活性物質(zhì)海綿狀鉛氧化，并有效低補(bǔ)充了電解而失去的水。由于氧循環(huán)抑制了氫氣的析出，而且氧氣參與反應(yīng)又生成水。這樣雖然消除了爆炸性的氣體混合物的排出問(wèn)題，但是這種密封式使熱擴(kuò)散減少了一種重要途徑，而只能通過(guò)電池殼壁的熱傳導(dǎo)作為放熱的唯一途徑。
因此，閥控鉛酸電池的熱失控問(wèn)題成為一個(gè)經(jīng)常遇到的問(wèn)題。

　　 閥控鉛酸電池依賴(lài)于電殼壁的熱傳導(dǎo)來(lái)散熱，電池安裝時(shí)良好的通風(fēng)和較低的室溫是很重要的條件。為了進(jìn)一步降低熱失控的危險(xiǎn)性，浮充電壓通常具體視不同的生產(chǎn)者和不同室溫而定。廠家一般都給出電池的浮充電壓和溫度補(bǔ)償系數(shù)。

　　2、硫酸化

　　 閥控式比開(kāi)口式電池更易產(chǎn)生的問(wèn)題是負(fù)極板的硫酸化。這是由于：

　　1）氧的循環(huán)引起的負(fù)極板較低的電位；

　　2）在強(qiáng)酸電解質(zhì)匯集的電池底部形成的酸的分層，在這種不流動(dòng)，非循環(huán)的電解質(zhì)系統(tǒng)中是很難避免的。

　　 這兩個(gè)都可能在浮充條件下產(chǎn)生一定數(shù)量的殘留硫酸鹽，然后轉(zhuǎn)變成永久性的硫酸鹽形式。因此，當(dāng)極板加速去活化時(shí)，可用的放電安時(shí)容量就會(huì)減小。隨著負(fù)極板溫度的升高，這種狀況會(huì)更加惡化。由于氧循環(huán)反應(yīng)的發(fā)生，負(fù)極板表面被氧化，相當(dāng)數(shù)量的熱釋放出來(lái)。

　　3、 正極板群的腐蝕和脫落

　　 閥控式鉛酸電池中，這種形式的性能變壞本來(lái)就更加嚴(yán)重。由于氧循環(huán)反應(yīng)，負(fù)極活性物質(zhì)被持續(xù)氧化生成硫酸鉛，有效地維持了放電狀態(tài)，因此降低了負(fù)極板的電位。而對(duì)于給定的浮充電壓正極板群的電位則相應(yīng)較高。因而氧化氣氛加劇了，引起了更多的氧氣的析出，使活性物質(zhì)的腐蝕與脫落加劇。

　　4、 電池的干涸

　　 在使用期間氣體再?gòu)?fù)合機(jī)制的有效率不是100%，水被電解生成氫氣和氧氣的速度雖然低于相同大小的富液式電池的電解速率的2%，但水還是會(huì)逐漸失去。

　　 當(dāng)失水是主要的失效原因時(shí)，電解質(zhì)的比重將會(huì)增加，當(dāng)比重由最初的1.30增至1.36時(shí)，表示失水度約達(dá)到25%。在失水度達(dá)到25%時(shí)，酸的高濃度加速了硫酸化，電解質(zhì)比重又開(kāi)始下降。電池電壓直接正比于電解質(zhì)比重，因此電池電壓并不是電池健康狀況的可靠顯示。

　　5、 負(fù)極上部鉛的腐蝕

　　 正極板柵和極群的腐蝕性在鉛酸電池的各個(gè)設(shè)計(jì)中都是本來(lái)就有的。與之形成明顯對(duì)比的是負(fù)極板位于高度還原氣氛，在開(kāi)口式電池中位于極群匯流排通常浸在電解液液面以下，這樣就避免了由于正極板群上冒出的氧氣而產(chǎn)生的侵蝕。但是閥控電池的許多設(shè)計(jì)沒(méi)有保護(hù)極板板耳、極群和匯流排，特別是兩者之間的焊接接頭。因此，它們暴露在從氧循環(huán)中逃溢出來(lái)、在電池板群上部的連續(xù)的氧氣氣流中。依賴(lài)于板柵（板耳）和極群所選鉛合金的一致性和生產(chǎn)質(zhì)量（需要板柵部分完全溶化焊接和匯流排的低孔隙率），迅速氧化可能就會(huì)發(fā)生。

三、蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

　　 為了給蓄電池提供良好的運(yùn)行環(huán)境，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電池的工作狀況，電池管理系統(tǒng)（BMS-Battery　Management System）應(yīng)運(yùn)而生，成為高可靠電源系統(tǒng)的關(guān)鍵一部分。

　　1、電池單體的內(nèi)阻測(cè)量

　　 內(nèi)阻R反比于傳輸電流的橫截面積A?；钚晕镔|(zhì)的脫落、極板板柵和匯流排的硫酸化和腐蝕、干涸都可降低有效的橫截面積A，所以可通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)阻來(lái)檢測(cè)電池的失效。

　　 內(nèi)阻和電池狀態(tài)的相關(guān)程度可變性很大。從報(bào)導(dǎo)的相關(guān)性來(lái)看，變化范圍從0%到100%。英國(guó)電子協(xié)會(huì)（ERA）對(duì)用阻抗監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和商用設(shè)計(jì)兩種產(chǎn)品進(jìn)行了大量的電池調(diào)查，發(fā)現(xiàn)二者的準(zhǔn)確性在50%以上。一個(gè)基本的困難是測(cè)量小變化數(shù)值的精度問(wèn)題。正常的300安時(shí)備用電流的電阻僅在0.25× 10-3歐姆的數(shù)量級(jí)。因此，很小而且有意義的電阻變化可能觀察不到。在下面的操作環(huán)境下，問(wèn)題更加嚴(yán)重。

　　1）在線(xiàn)測(cè)量期間存在的變壓器的“噪音”和浮充電壓波動(dòng)引起的干擾。

　　
2）腐蝕裂紋對(duì)內(nèi)阻的影響是有高度方向性的，內(nèi)阻數(shù)值對(duì)平行于電流方向的裂隙是相對(duì)不敏感的。

　　
3）電解質(zhì)濃度的變化，繼而電池的變化使得結(jié)果很難解釋。
　
雖然內(nèi)阻測(cè)量法很難準(zhǔn)確測(cè)量電池的容量，內(nèi)阻/容量的對(duì)應(yīng)關(guān)系很難復(fù)現(xiàn)，但對(duì)于BMS來(lái)說(shuō)，內(nèi)阻測(cè)試只是用于電池單體之間的比較，而且計(jì)算機(jī)可以對(duì)內(nèi)阻的變化進(jìn)行記錄和數(shù)據(jù)處理來(lái)預(yù)告電池容量衰減和失效，因此，內(nèi)阻測(cè)試對(duì)于BMS而言是關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　 對(duì)于離線(xiàn)或電池開(kāi)路情況下測(cè)量?jī)?nèi)阻而言，測(cè)量時(shí)可方便地將激勵(lì)電流回路與電壓測(cè)量回路以4端子方式與電池組中的單體相連接，但對(duì)于在線(xiàn)測(cè)量，很難解決激勵(lì)和測(cè)量的問(wèn)題。

　　 目前大多采用在電池組兩端并聯(lián)放電器，因?yàn)橛谐潆娖骱碗姵亟M并聯(lián)，需要將充電器停止工作，而且要實(shí)時(shí)同步測(cè)量電池的電流變化和電壓變化，很難處理采樣干擾。

　　 采用中點(diǎn)抽頭的激勵(lì)裝置，與目前采用的在電池組正負(fù)極兩端施加激勵(lì)的內(nèi)阻測(cè)試裝置相比，由于連接了中點(diǎn)抽頭，激勵(lì)裝置的電流通過(guò)中點(diǎn)抽頭后經(jīng)上部電池組和下部電池組到達(dá)電池組的正極和負(fù)極，消除了電池組外部充電器和用電負(fù)載的并聯(lián)影響，在電池上產(chǎn)生了穩(wěn)定的電流激勵(lì)，能夠準(zhǔn)確測(cè)試電池的內(nèi)阻。

　　2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　一般系統(tǒng)中閥控鉛酸蓄電池（VRLAB）的配置一般是：

　　500kV變電直流系統(tǒng)：2組全容量電池，3臺(tái)充電機(jī)。

　　220kV變電直流系統(tǒng)：1組全容量電池，2臺(tái)充電機(jī)。

　　110kV變電直流系統(tǒng)：1組全容量電池，2臺(tái)充電機(jī)。

　　 以108只2V、18或19只12V電池為主。電池的安裝擺放形式也差別很大，電池與操作間的距離不確定。　

　　 BMS由控制單元、測(cè)量模塊、相關(guān)軟件和輔助部件構(gòu)成，一個(gè)控制單元可接入多個(gè)測(cè)量模塊，完成對(duì)不同只數(shù)和不同電壓的多組蓄電池的監(jiān)測(cè)管理?？刂茊卧糜跀?shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及人機(jī)界面控制，具有RS-232連機(jī)接口和RS-485遠(yuǎn)程（集中）管理接口、測(cè)量模塊控制接口、操作鍵盤(pán)、顯示面板、聲光報(bào)警及報(bào)警輸出控制接點(diǎn)?？刂茊卧獙?shí)時(shí)顯示電池?cái)?shù)據(jù)，智能分析數(shù)據(jù)，對(duì)異常的電池運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。

　　 測(cè)量模塊用于蓄電池?cái)?shù)據(jù)的巡檢，內(nèi)置CPU獨(dú)立高速工作，除進(jìn)行常規(guī)電壓、電流、溫度等測(cè)量外，與內(nèi)阻測(cè)試模塊連接后可準(zhǔn)確在線(xiàn)測(cè)試電池內(nèi)阻。測(cè)量模塊安裝在電池附近，與控制模塊之間通訊連接，方便現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)安裝。
　
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

　　3、系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

　　 BMS系統(tǒng)作為一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先應(yīng)該通用于直流220V系統(tǒng)、直流110V系統(tǒng)、直流48V系統(tǒng), 以及直流24V系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)便考慮了其通用性，主監(jiān)控模塊和內(nèi)阻檢測(cè)模塊是通用的，對(duì)于不同的系統(tǒng)，只需要增添數(shù)量不同的采集模塊，同時(shí)，設(shè)定每一個(gè)采集模塊的電池采樣數(shù)量。因此，系統(tǒng)需要設(shè)定如下系統(tǒng)參數(shù)和報(bào)警參數(shù)：

　　1） 采集模塊數(shù)量
　　2） 采集電池?cái)?shù)量最少的采集模塊的電池采集個(gè)數(shù)
　　3） 后臺(tái)通訊地址設(shè)置
　　4） 后臺(tái)通訊波特率設(shè)置
　　5） 電池組浮充電壓上下限
　　6） 單電池浮充電壓上下限
　　7） 內(nèi)阻閾值
　　8） 容量報(bào)警
　　9） 過(guò)流報(bào)警
　　10）溫度異常

　　其中前四項(xiàng)為系統(tǒng)設(shè)定，后六項(xiàng)為報(bào)警設(shè)定。

　　4、電壓、電流巡檢與數(shù)據(jù)分析

　　 最初的電池監(jiān)測(cè)裝置只是檢測(cè)電池組的端電壓、電流和溫度，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定的上下限比較，給出報(bào)警提示。電池巡檢儀可以對(duì)每一個(gè)電池單體進(jìn)行電壓測(cè)量，并對(duì)浮充電壓超限報(bào)警。

　　　 大多數(shù)電池廠家的技術(shù)人員將電壓測(cè)量放在首位，對(duì)于處在浮充狀態(tài)的電池，其浮充電壓的細(xì)微差別可體現(xiàn)電池的荷電狀態(tài)，能判斷電池的嚴(yán)重失效，因浮充電流很小，電池之間的性能差異（以容量差異為主）很難表現(xiàn)出來(lái)。BMS對(duì)電池的完整工作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)測(cè)量在充電、浮充、放電的不同狀態(tài)下的電壓、電流，并采用不同的數(shù)據(jù)處理方法，以提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

　　 浮充電壓與溫度的關(guān)系可按生產(chǎn)廠家提供的斜率進(jìn)行補(bǔ)償。

　　　　VF　= V0+k (T-T0)　

　　　　一般情況下 k="3"~5mV。

　　5、剩余容量計(jì)算

　　 試圖通過(guò)某種方法在線(xiàn)測(cè)得電池的實(shí)際保有容量一直是電池用戶(hù)最迫切的希望，但到目前為止，還沒(méi)有這樣的方法或算法。有些介紹用電池內(nèi)阻來(lái)計(jì)算保有容量的資料或產(chǎn)品廣告，但實(shí)際使用起來(lái)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不嚴(yán)格，內(nèi)阻只能用于區(qū)別電池容量的大幅度變化。尤其是利用電池內(nèi)阻的相對(duì)變化可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)電池落后。

　　 當(dāng)電池處于放電工作時(shí)，對(duì)于很多場(chǎng)合都需要知道電池的剩余容量及供電時(shí)間，根據(jù)電池的額定容量和放電電流的監(jiān)測(cè)，不難實(shí)時(shí)計(jì)算出剩余容量，假定負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，則換算出供電時(shí)間。一般情況下，電池制造廠都給出在不同放電信倍率下的電池容量。

　　 用最小二乘法根據(jù)電池廠家提供的在不同倍率下的放電容量，可以簡(jiǎn)化地用二次曲線(xiàn)來(lái)表示電流和容量之間的關(guān)系，分別求得a、b、c：　　　

　　6、電池運(yùn)行事件記錄

　　 BMS的另一方面重要作用記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便在電池出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行追蹤，確定是由于電池質(zhì)量的原因還是不正常的使用所造成的。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行，要記錄所有的數(shù)據(jù)不僅對(duì)硬件要求高，也沒(méi)有實(shí)際意義。BMS設(shè)計(jì)有事件產(chǎn)生器，依據(jù)事件產(chǎn)生規(guī)則將電池正常運(yùn)行情況以事件形式存儲(chǔ)，大幅減小數(shù)據(jù)量，而且方便查詢(xún)管理。主要包括：

　　1） 浮充電壓過(guò)高、過(guò)低
　　2） 充電電流過(guò)大
　　3） 放電電流過(guò)大
　　4） 工作溫度過(guò)高、過(guò)低
　　5） 內(nèi)阻變化
　　6） 深度放電
　　　
　　事件記錄當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)和持續(xù)時(shí)間。對(duì)于電力系統(tǒng)的電池運(yùn)行特點(diǎn)，要求事件產(chǎn)生規(guī)則有較強(qiáng)的魯棒性，可以屏蔽合閘沖擊和測(cè)量干擾。

　　如果電池組中存在個(gè)別落后電池，則放電容量由最差的電池決定。

　　7、遠(yuǎn)程管理
　
隨著無(wú)人值守變電站的推廣，電池的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)更加必要。電池監(jiān)測(cè)設(shè)備可以和集中監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)機(jī)，通過(guò)遠(yuǎn)程管理軟件可以查看電池的當(dāng)前運(yùn)行狀況和所記錄的歷史運(yùn)行事件，及時(shí)得知監(jiān)測(cè)過(guò)程發(fā)出的報(bào)警信息，決定是否派人維護(hù)，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行更深一步的測(cè)試。

　　8、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

　　 通過(guò)對(duì)六只不同容量不同電壓等級(jí)的電池進(jìn)行測(cè)試比較，其中標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻采用日本進(jìn)口單電池內(nèi)阻測(cè)試儀，標(biāo)準(zhǔn)電壓采用0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試。在線(xiàn)測(cè)量由BMS電池巡檢儀測(cè)的，具體數(shù)據(jù)如下（內(nèi)阻單位為毫歐，電壓?jiǎn)挝粸榉?br />
　　 通過(guò)測(cè)試分析，BMS電池巡檢儀測(cè)試準(zhǔn)確，精度高，完全能勝任蓄電池系統(tǒng)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

　　四、小結(jié)
　
　　蓄電池是電源系統(tǒng)的核心部分，增加相應(yīng)的有效監(jiān)測(cè)設(shè)備，一方面能保證電池工作在合理的條件下，延長(zhǎng)電池的浮充使用壽命；更重要的是在電池完全失效前能夠采取措施，避免在停電后才發(fā)現(xiàn)電池問(wèn)題。