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      蓄電池在線監測技術白皮書

      2020-12-28 17:32:08 628

      一、背景:

      現代社會不能停電的場合越來越多,很多關鍵設備都配置了應急后備電源,防止市電突然中斷時關鍵設備斷電而造成事故。目前常用的后備電源主要有通信電源、UPS、EPS、直流操作電源、高壓直流電源等,基本都還是采用閥控式密封鉛酸蓄電池作為應急儲能設備。

      閥控式密封鉛酸蓄電池屬于危險化學品,使用過程中容易發生火災甚至爆炸。

      閥控式密封鉛酸蓄電池是電能和化學能的轉化裝置,對使用環境的溫度、充放電電壓、電流、時間、頻率、電池組的一致性及安裝和存放等都有嚴格的要求,實際使用中很容易發生電池故障。包括:硫化、干涸、爬酸、漏液、鼓脹變形、內部短路、開路、連接松動、熱失控等。最終導致電池容量下降,壽命縮短。嚴重時還可能引起火災和爆炸。

      后備電源中蓄電池一般都是成組使用,并采用長期在線浮充方式運行,電池組本身為非智能啞設備幾乎沒有任何故障預警、告警和自我保護功能。被動接受充電和放電。目前幾乎所有類型的后備電源都只對整組電池進行簡單的充放電管理,電源本身并不了解電池組的具體情況,尤其是單體電池狀況。而電池組是串聯結構,其中任何一節電池發生故障輕則會逐步拖垮整組電池,嚴重時會使電池組提前退出運行而導致失電事故,甚至還可能導致火災和爆炸事故。為了確保關鍵設備的供電安全,必須針對后備電源中的蓄電池組進行嚴格的日常檢測和維護。蓄電池在線監測系統就是為了代替和減少人工巡檢工作量,提高蓄電池日常檢測和維護水平而慢慢發展起來的。

      隨著智能社會的快速發展,應急后備電源市場每年都在快速增長,越來越多的蓄電池組需要檢測和維護。到目前為止還有大量的蓄電池缺乏智能檢測和維護手段,需要大量的人工巡檢和維護,由于人工巡檢的及時性和準確性無法保證,還有很多電池組雖然安裝了電池監測系統但監測的指標不全面,檢測精度不符合要求無法及時準確發現故障電池,存在安全隱患,每年都有很多由于電池故障而引發的供電安全事故。因此有很多行業都在制定蓄電池在線監測產品的技術標準,積極推動蓄電池在線監測產品向更準確、更智能、更高效的方向發展。

      二、蓄電池在線監測系統的作用:

             1、 實現蓄電池的智能管理;

             2、 掌控安全風險;

             3、 簡化蓄電池日常維護工作;

             4、 減少電池故障,延長電池壽命。

      三、蓄電池在線監測系統的發展階段:

             1、蓄電池組智能巡檢儀(階段)
      早期加裝在后備電源蓄電池組上對電池組總電壓、充放電電流和各單體電壓進行監測,可以大量減少人工巡檢過程中對單體電壓測量工作,同時在電池充放電過程中對過充電和過放電進行告警。

      主要是作為人工巡檢工作的輔助工具存在。

      實現方式是在電池組上加裝單體電壓采集模塊、霍爾電流傳感器和具有液晶顯示的現場監控主機,總電壓一般采用單體電壓累加方式獲取。監測數據就地顯示,現場聲光告警。一般不統一組網監測,有些也會接入到動力環境監控系統中。

      存在的問題主要是功能過于簡單,智能化程度不高,誤告警較多,單體監測模塊基本都采用集中式模塊(一組電池一個集中模塊或一個集中模塊監測多節電池),電壓采集線纜必須采用耐壓等級足夠的阻燃線,并且在線纜前端5公分處采用一次性過流保險進行隔離,防止短路。使用安裝和后期維護比較復雜。

      這個產品存在的時間很長到現在有十幾年時間了,目前還有很多后備電源設計上都帶有蓄電池智能巡檢儀。

              2、蓄電池內阻監控系統(階段)
      蓄電池內阻監控系統是從蓄電池巡檢儀升級發展起來的,在原來總電壓、電流、各單體電壓監測的基礎上增加了蓄電池單體內阻和溫度指標的監測,并實現了統一組網監測功能。單體電池監測的實現方式上也由原來的集中模塊發展到單節電池監測模塊(每節電池一個監測模塊),在現場安裝和后期維護方面簡化了很多,總電壓一般也是采用單體電壓累加方式獲取。

      電池內阻是判斷電池故障和容量可靠性的重要指標,可以在浮充狀態下進行測試,對長期浮充電池而言電池內阻監測非常重要,同時實現了單體溫度監測可以監測電池發熱現象,有效預防電池熱失控,防止因電池過熱而引起火災事故。該系統提供后臺監控分析軟件,可以對被測電池進行統一監控、智能管理和數據分析。實現了遠程告警和電池故障分析功能。

      因此蓄電池內阻監控系統也就成為了蓄電池巡檢和維護的重要輔助決策工具。

      但是蓄電池內阻監測系統發展比較緩慢,主要原因是內阻屬于微小參數,需要進行高精密測量,尤其在電池組浮充時測量內阻會受到充電機紋波干擾,內阻監測的難度大大增加。實際上真正能準確測量電池內阻的在線監測系統非常少。大多數內阻監控系統內阻測量精度不符合要求,不能真實測量電池內阻。反而影響維護決策。同時由于抗干擾能力不足經常發生誤告警。

      采用單節電池監測模塊雖然簡化了安裝,但是通信時間大大增長,整組電池數據刷新率下降,數據的及時性變差,在監測的電池數據較多時,會產生延遲告警現象,尤其是在充放電時由于數據采集不同步,無法進行有效的數據分析。

      大多數單節電池監測模塊采用被測電池供電,會導致電池一致性變差,還會使電池長期小電流放電而損傷,沒有浮充的電池更會因長期小電流放電而報廢。在內阻測試時需要對電池進行放電操作,監測模塊本身需要做過壓、過流、短路和過溫保護,否則容易引發安全事故。

      基本上還需要進行放電或容量試驗來最終判斷電池故障和容量的可靠性。

              3、蓄電池在線監測及自動維護系統(階段)
      蓄電池在線監測及自動維護系統是目前蓄電池智能監測和維護產品發展的最新階段,在解決蓄電池內阻監控系統存在的諸多問題的基礎上增加了危害比較大極柱漏液(容易引起火災)監測功能,鼓脹變形監測功能、在線自動均衡維護功能、遠程放電維護功能,智能專家分析軟件系統,自動提供維護建議功能。監測指標更加全面,性能更加穩定。并進一步向自動化維護方面進行發展。

      逐漸成為蓄電池巡檢和維護不可缺少的重要手段。

      蓄電池在線監測及自動維護系統監測功能更加全面包括電池組充放電狀態、總電壓、充放電電流、環境溫度、各單體電池電壓、內阻、極柱溫度、極柱漏液、鼓脹變形、剩余容量(SOC)、放電可持續時間(SOH)、電池均衡度(電壓、內阻、溫度),總電壓不再采用單節累加方式,而是直接采集總電壓。

      采用電子高精密測量技術,基礎電壓測量精度可以達到微伏級別,能真正準確測量電池內阻,針對性的抗干擾電路設計結合多種內阻測試模式,解決了浮充狀態下內阻測試難題。內阻測量精度可以通過千分之一的標準電阻進行驗證。

      單節電池監測模塊不再采用被測電池供電,而是采用不間斷電源手拉手獨立供電,和通信線纜一起采用六芯阻燃線連接。

      配置高速集中采集模塊來提高數據的刷新率,保證整組數據的實時性和同步性。

      具有過壓、過流、過溫、短路、反接保護功能,確保系統本身安全可靠。

      實現了在線自動均衡維護功能,在浮充狀態下對電池組進行在線自動均衡維護,對欠充電池自動進行限壓小電流補償充電,使每節電池始終處于最佳活性狀態,保持電池組電壓均衡,防止電池長期欠充硫化或長期過充失水。從而減少電池故障,延長電池壽命。

      可以在電池極柱周圍安裝布置電池極柱漏液傳感器,準確監測并定位漏液故障電池,并能定位到漏液極柱。

      可以在電池表面安裝鼓脹變形傳感器,監測電池鼓脹變形情況。

      配置遠程放電設備,可以實現遠程在線放電維護和核容試驗。目前遠程放電技術主要有三種方案,第1種是配置假負載,通過控制假負載進行放電,充電仍然采用后備電源本身充電模塊,這種方案放電時需要將電池組脫離系統離線進行,還會產生大量熱釋放,現場需要有人監督,安全風險很高。第2種是配置全在線充放電設備,采用實際負載放電,充電采用后備電源本身充電模塊,需要將設備串入主回路,原理是抬升或降低直流母線電壓,使電池組對實際負載放電或使充電模塊對電池組充電。相對第一種方案要安全些并且發熱小,電能不損失。但成本比較高,并且采用實際負載放電,所以不能實現恒流放電測試。由于設備需串入主回路也存在較高的安全隱患。第3種是采用逆變技術將電池的放電能量逆變成交流電回饋到電網,充電也是采用電源本身充電模塊,這種技術現場基本沒有發熱情況,但放電時也需要將電池組脫離系統,仍然存在安全隱患。成本也很高。綜上所述遠程充放電維護技術目前還不夠成熟,處于研究探討階段,建議用戶在選擇時注意評估安全風險。同時注意的是放電測試主要是通過分析電池電壓數據分析,充放電時電壓數據變化比較快,必須解決好數據的實時性問題。如果電壓采集速度不夠,數據同步性差,容易產生掉電事故,數據分析結果的可靠性差?,F階段蓄電池在線監測及自動維護系統現階段還是要加強專家分析系統的功能,對監測數據進行科學分析,準確判斷電池故障和健康狀況。盡量減少放電測試工作。

      云平臺架構的監控分析軟件,可以實現對被測電池的統一監控和智能管理,并配有手機APP,支持微信、短信、郵件方式進行告警推送,更加智能高效。該軟件還具備智能專家分析系統,對監測數據進行自動分析并提供維護建議,指導下一步的電池維護工作(加固、充放電、更換、淘汰等)。

               4、蓄電池在線監測系統的未來發展方向
      專家分析系統進一步完善并前置,開發更多的自動維護功能,進一步提高電池檢測和維護的自動化水平。

      增加蓄電池組充放電管理功能,實現電池組真正科學智能管理,成為后備電源的不可缺少的部分。使電池組的充放電過程更加科學合理,讓電池組使用過程更加安全、可靠、長壽。讓后備電源真正成為貨真價實的智能電源。

      四、蓄電池在線監測及自動維護系統組成

      現場監控主機:每個主機可監控1~4組電池。不小于7寸彩色觸摸液晶顯示。支持現場對監控參數進行設置、更改、及刪除,現場手動內阻測試操作,具有電源、通訊、設備故障、越線報警指示燈。具備1路環境溫度監測接口,負責環境溫度監測。蓄電池組對外放電時能估算并給出電池的百分比容量(SOC)和放電可持續時間(SOH)。配備SD卡實現大容量數據存儲。具有聲光告警(可消音),通信接口:1路RJ45、1路上行RS485,4路下行RS485,1路干接點,標準MODBUS通信協議。工作電源DC12V。

      高速集中采集模塊:每組電池配置一個,用加速集中收集各單節采集維護模塊數據,并負責向現場監控主機傳送。不管多少節電池保證可以在5秒時間內全部實現數據刷新,保證數據的實時性和同步性。具有1路電流監測接口,可以監測電池組充放電電流。具有1路上行RS485接口。工作電源12V。

      單體監測維護模塊:每個模塊監測1節電池,采集電池單體電壓、內阻、極柱溫度、極柱漏液和自動均衡維護。模塊之間采用手拉手環形通信方式,具有自動編號功能,安裝時無需逐一手動編號。采用不間斷電源手拉手獨立供電,和通信線纜一起采用六芯阻燃線連接。

      采集維護線纜:標準配件(阻燃),每個單體監測維護模塊配置1束。

      極柱溫度傳感器:監測電池極柱溫度。

      霍爾電流傳感器:監測電池組充放電電流。

      極柱漏液傳感器:布置安裝在電池極柱周圍,負責監測電池極柱漏液。

      鼓脹變形傳感器:布置安裝在電池外殼表面,負責監測電池鼓脹變形。

      電源適配器:AC220V/DC12V或DC48/DC12V或DC220/DC12V;根據現場情況選擇配置。

      監控平臺軟件:采用B/S結構設計,網頁方式瀏覽,支持云服務,響應速度快,人機界面友好。監控分析軟件功能強大,可對歷史數據進行查詢、分類、自動生成柱狀圖、趨勢圖,并可自定義生成報表,具備智能專家分析系統,對監測數據進行自動分析并提供維護建議。

      五、 蓄電池在線監測及自動維護系統的功能要求
      1、 組網:將蓄電池組納入動力環境監控系統,同時也能獨立組網,實現對蓄電池組的全面監測和統一智能管理。

      2、 告警和預警:及時發現電池故障并發出告警,智能分析提前預警。

      3、 在線自動均衡維護:在浮充狀態下對電池組進行在線自動均衡維護,對欠充電池自動進行限壓小電流補償充電,使每節電池始終處于最佳活性狀態,保持電池組電壓均衡,防止電池長期欠充硫化或長期過充失水。從而減少電池故障,延長電池壽命。

      4、 實時監測電池組充放電狀態、總電壓、充放電電流、環境溫度、各單體電池電壓、內阻、極柱溫度、極柱漏液、鼓脹變形、剩余容量(SOC)、放電可持續時間(SOH)、電池均衡度(電壓、內阻、溫度),總電壓直接采集。

      5、 現場液晶顯示、監測數據查詢、聲光告警、參數設置、手動內阻測試、現場大容量數據存儲。

      6、 通信接口及協議:1路上行RS485,1路干接點、1路以太網口、4路下行RS485 開放式標準MODBUS協議

      7、 B/S架構的后臺監控軟件,網頁方式瀏覽、配置手機AAP。

      8、 告警推送:支持郵件、短信、微信方式。

      9、 軟件的實時數據展示方式:列表(數據表格)和圖表(柱狀圖和趨勢圖),選擇任何一節電池參數可自動生成24小時內的歷史曲線圖。軟件具有權限管理、資產管理、告警管理、歷史數據查詢、分析、報表功能。具有智能專家分析系統,對監測數據進行自動分析并提供維護建議。

      10、 高精度:采用電子高精密測量技術,基礎電壓測量精度可以達到微伏級別,能真正準確測量電池內阻,針對性的抗干擾電路設計結合多種內阻測試模式,浮充狀態下準確測量電池內阻。內阻測量精度可以通過千分之一的標準電阻進行驗證。和福祿克或日置內阻儀測試結果基本一致。

      11、 高速集中采集:不管多少節電池保證可以在5秒時間內全部實現數據刷新,保證數據的實時性和同步性。

      12、 獨立供電:采用不間斷電源手拉手獨立供電,和通信線纜一起采用六芯阻燃線連接。

      13、 安全保護:具有過壓、過流、過溫、短路、反接保護功能,確保系統本身安全可靠。

      14、 采用分布式架構,每個現場監控主機可同時監控1~4組電池,每組最多300節;每節電池配置一個單體電池監測維護模塊,模塊之間采用手拉手環形通信方式,能自動編號,方便安裝和后期維護。

      六、蓄電池在線監測及自動維護系統技術指標要求

      1、 蓄電池組充放電狀態監測:(充電、放電、浮充)

      2、 蓄電池組總電壓監測:范圍0~600V 精度<0.2%

      3、 充放電電流監測:范圍0~1000A 精度<1%

      4、 各單體電池電壓:范圍2V 1.5~3V 12V 8~16.5V 精度<0.05%

      5、 各單體電池內阻:范圍0~65535μΩ 測量精度<2% 重復精度<2%

      6、 各單體電池溫度:-35℃~+125℃ 精度<0.5℃

      7、 SOC精度:<10%

      8、 SOH 精度:<10%

      9、 數據刷新頻率<5S

      10、 輸入絕緣電阻:≥10MΩ,600V

      11、通訊參數:波特率(4800/9600/19200/38400bps)可設

      12、 工作電源:外接 DC12V

      13、 溫度:-20℃~60℃,濕度10%~80%,無冷凝

      14、 各單體電池的漏液監測:每個極柱周圍布置電池漏液傳感器,準確定位極柱漏液電池。

      15、 鼓脹變形監測(選配):每個電池表面配置一個電池鼓脹變形傳感器,監測定位鼓脹變形電池。

      16、 自動均衡維護效果:電壓均衡度<20mV

      七、 蓄電池在線監測及自動維護系統網絡拓撲圖

      蓄電池在線監測

      八、 蓄電池在線監測及自動維護系統供電設計

      蓄電池在線監測及維護

      九、 蓄電池在線監測及自動維護系統通信設計

      蓄電池在線監測維護

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