铅酸蓄电池在线监控技术方案.doc

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1、1、概述22、阀控铅酸蓄电池及其失效模式32.1 阀控铅酸蓄电池32.2 阀控铅酸蓄电池的失效模式32.2.1 电池失水32.2.2 负极板硫酸化42.2.3 正极板腐蚀42.2.4 热失控42.2.5 综述52.2.6蓄电池故障现场53、蓄电池的监测53.1 蓄电池的运行监测53.1.1人工运行检查63.1.2在线运行监测63.2 蓄电池的性能监测63.2.1 人工性能检查63.2.2 在线性能监测64、KOKII BM在线监测技术74.1 在线运行监测74.2 在线性能监测74.2.1 内阻异常与电池性能劣化74.2.2单体电池内阻精确测量与分析75、KOKII 通信电源用产品介绍85.1

2、 通信电源用系列名称85.2 产品主要功能95.3 产品技术参数95.4 产品设计主导思想105.4.1 准确测量105.4.2 综合分析105.4.3 高可靠性115.4.4 可扩展和网络化115.5 产品硬件115.6 产品软件131、概述 KOKII BM系列蓄电池监测管理系统紧密结合先进的电源变换技术、计算机技术、精密测量技术和VRLA电池特性，实现了对阀控铅酸蓄电池工作状态和健康状况的精确检测和综合分析，突破性地解决了蓄电池失效早期发现和性能在线监测的难题。KOKII BM系列蓄电池监测管理系统适用于政府、电信、金融、证券、保险、电力、广播电视、交通运输、制造、军队、教育、科研、公共

3、设施等借助蓄电池提供高可靠电能保障的行业领域。针对各行业领域的应用实质，KOKII BM包含BM3500、BM6500、BM8500三个产品系列，分别面向通信电源系统、电力操作电源系统和UPS电源系统。此外，KOKII 开发了TBS-2通信基站专用设备，使成本大大降低，网络化功能增强，便于远程监控与管理。更加有效地监测电池的运行，降低人员维护成本。2、阀控铅酸蓄电池及其失效模式 2.1 阀控铅酸蓄电池 蓄电池作为电源系统的组成部分，起着储备电能、应付电网异常和特殊工作情况、维持系统正常运转的关键作用，是需要高可靠电能保障领域的最后一道防线。因电池问题造成的事故或停机的损失往往远比电池本身价值要

4、高昂得多。根据美国空军1996年对于对于数据中心的数据丢失事故的统计结果显示，在所有造成事故的原因中，UPS故障是造成事故的最主要的原因，有27.7的数据丢失事故是由于UPS故障所导致，其中95的UPS故障与蓄电池有关。阀控铅酸蓄电池采用阴极吸收技术，电池密闭封装，运行中无需进行传统的电解液控制维护，在业界得到广泛应用。然而，电池密封在使用方便的同时，也使得观测和维护更加困难，“免维护”的名称又导致用户放松了电池的日常维护管理，在实际应用中暴露了越来越多的问题。不合理的工作条件导致电池的使用寿命缩短，更为严重的是由于缺乏有效的监测维护手段，不能及时、准确地掌握电池状态，无法消除电池问题带来的隐

5、患。根据国际电化学年会对25，000只阀控铅酸蓄电池的测试结果显示，“铅酸蓄电池在使用2年以后进入不稳定期”。进入不稳定期的直接标志是在蓄电池组中出现12只性能落后的电池，蓄电池组中的落后电池将直接影响蓄电池组的容量状态并且将加速蓄电池组中其他蓄电池的劣化速度。及时发现蓄电池组中的落后电池是保障蓄电池组的供电时间及延长蓄电池组使用寿命的最有效的方法。2.2 阀控铅酸蓄电池的失效模式2.2.1 电池失水 铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高、电池正极栅板腐蚀，使电池的活性物质减少，从而造成电池容量降低而失效。充电时水的电解是长期以来困扰铅酸蓄电池密封化的难点，当充电达到一定电压时（一般在2.30V

6、/单体以上），蓄电池正极放出氧气，负极放出氢气。一方面释放气体造成酸雾污染；一方面电解液中水分减少，必须隔一段时间进行补加水维护。阀控铅酸蓄电池就是为了克服这些缺点而研制的产品，其产品特点为：（1）采用多元优质板栅合金，提高气体释放的过电位。普通蓄电池板栅合金在2.30V/单体（25）以上时释放气体，采用优质多元合金后，在2.35V/单体（25）以上时才释放气体，相对减少了气体释放量。 （2）采用阴极吸收技术，使正极的氧气被负极的铅吸收，并进一步化合成水。让负极有多余的容量，比正极容量多出10%，充电后期正极释放的氧气与负极接触发生反应，重新生成水，负极由于氧气的作用处于欠充电状态，因而不产生

7、氢气。（3）采用超细玻璃纤维隔板，以利于正极释放的氧气尽快流通到负极。超细玻璃纤维隔板的孔隙率由普通铅酸蓄电池所使用的微孔橡胶隔板的50%提高到90%以上，从而使氧气易于达到负极，再化合成水。此外，超细玻璃纤维板具有吸附硫酸电解液的功能，因此阀控式密封铅酸蓄电池采用贫液式设计，即使电池倾倒，也无电解液溢出。（4）采用密封式阀控滤酸结构，使酸雾不能逸出，达到安全、环保的目的。 在上述阴极吸收过程中，由于产生的水在密封条件下不能溢出，因此阀控式密封铅酸蓄电池可免除补加水维护，这也是阀控式密封铅酸蓄电池被称为“免维护电池”的由来。阀控式密封铅酸蓄电池均加有滤酸垫，能有效防止酸雾逸出。但密封蓄电池不逸

8、出气体是有条件的，如：电池在存放期间应无气体逸出；充电电压在2.35V/单体（25）以下应无气体逸出；放电时应无气体逸出。当充电电压超过2.35V/单体时就有可能使气体逸出，因此时电池体内短时间产生大量气体来不及被负极吸收，压力超过某阈值时便开始通过单向排气阀排气，排出的气体虽然经过滤酸垫滤掉了酸雾，但毕竟造成了电池的气体损失。所以阀控式密封铅酸蓄电池对充电电压的要求是非常严格的，不能过充电。2.2.2 负极板硫酸化电池负极栅板的主要活性物质是海绵状铅，电池充电时负极板栅发生如下化学反应：PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO4+ 2e；负极上发生还原反应：PbSO4 +

9、 2e = Pb + SO4。放电过程发生这一反应的逆反应。当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时，在电池的正负级栅板上就会有PbSO4存在，PbSO4长期存在会失去活性，不能再参与化学反应。这一现象称为活性物质的硫酸化。 硫酸化使电池的活性物质减少，降低电池的有效容量，也影响电池的气体吸收能力，久之将导致电池失效。为防止硫酸化的形成，电池必须经常保持在充足电的状态。2.2.3 正极板腐蚀 由于电池失水，造成电解液比重增高，过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀。防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。2.2.4 热失控 热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损

10、坏蓄电池。普通富液型铅酸蓄电池由于在正负极板之间无间隙地充满了液体，所以在充电过程中正极产生的氧气不能到达负极，从而负极未去极化，较易产生氢气，随同氧气逸出电池。由于不能通过失水的方式散发热量，阀控式密封铅酸蓄电池在充电过程中产生的热量要多于富液型铅酸蓄电池。 热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气，电池容量下降，电池失效。选择合理的浮充电压，是减少热失控发生，延长电池使用寿命的重要因素。2.2.5 综述失水、硫化、极板腐蚀及热失控是造成蓄电池失效的主要原因。蓄电池在使用时应处于合理的充电电压、电流、温度下，并且尽量避免大电流、深度放电，能够减缓上述四种失效模式的出现。由于上述四种原因所造成

11、的蓄电池失效在蓄电池内部最直接的反映将是蓄电池内阻升高。蓄电池的内阻测试被国际电化学学会公认为对蓄电池最有效、最简洁的测试手段。2.2.6蓄电池故障现场3、蓄电池的监测3.1 蓄电池的运行监测 铅酸阀控蓄电池对运行要求比较严格，偏离正确的使用条件将造成严重的后果，因此对其运行参数进行监测至关重要。3.1.1人工运行检查 一般的运行维护规程要求测量电池组电压、单电池电压和环境温度。 电池组电压测量可以发现充电机的参数设置是否正确；单电池电压测量可以发现单电池浮充电压是否正确，单电池是否被过充电、过放电；温度测量主要用于发现电池的工作环境是否通风不良、温度过高。 人工运行检查实时性差，操作风险大，

12、人力成本高。3.1.2在线运行监测 在线监测通过监测设备与电池连接，实时采集和报告电池组电压、单体电压、充放电电流、温度等运行参数，并进行充、放电管理，有效地弥补了人工检查的弱点。3.2 蓄电池的性能监测 蓄电池的运行监测仅仅能够测量电池的运行参数，准确地掌握这些参数并利用它们对电池工作环境进行调整控制，只是维持系统安全正常运转的起码条件，远未达到全面了解电池状态，及时防范因电池失效或容量衰减导致系统故障的要求。例如在实际情况中，性能劣化、容量已大幅下降的电池其浮充电压往往变化不明显，仅凭单一的在线运行监测无法辨别和处理，当放电过程中发现某电池的放电电压异常时才能发出警告，往往为时已晚。 因此

13、，在测量蓄电池外部运行条件的同时，监测蓄电池的性能，洞察其内部状态的变化，同样具有非常重要的意义。3.2.1 人工性能检查 人工检查蓄电池性能主要依靠定期放电测试来进行。通过深度放电，发现容量下降的电池。 人工性能检查时效性差，人为因素大，风险和成本高，很难在实际操作中执行。3.2.2 在线性能监测蓄电池性能的在线监测长期以来一直是应用中急切需求而又缺乏有效解决方案的难题。近年来，随着单电池内阻精确测量技术的出现，电池监测手段发生了革命性进步，测试原则由被动监测电池外部条件发展到主动测试电池内部状态，电池内阻检测与分析已被公认为是一种迅速、可靠地诊断电池健康状况的方法。4、KOKII BM在线

14、监测技术 KOKII BM系列产品能够系统地实时监测蓄电池外部条件和以单体内阻为标志的性能参数，实现对蓄电池完整的在线运行监测与性能监测。4.1 在线运行监测 KOKII BM系列产品能够在线监测蓄电池的组电压、单体电压、内阻、充放电电流、温度等运行参数，实时报告电池的运行状态。4.2 在线性能监测4.2.1 内阻异常与电池性能劣化 铅酸蓄电池的端电压等运行参数不能反映电池的容量特性。容量严重下降的电池，在整组浮充电的电池中，其浮充电压的区别不足以用来判断电池是否因容量降低而失效，一旦电池组进行放电，这些电池因为充电量少，端电压会很快跌落，并妨碍电池组的放电性能。这时可以从电池的端电压上很容易

15、地发现它们，但在实际应用中已为时太晚，电池组在系统需要备份电源时已经起不到备份作用了。蓄电池的内部状况与容量特性能够通过其内阻变化反映出来，以下是影响内阻变化的各主要因素：腐蚀：随着栅板和汇流排的腐蚀，导致金属导电回路变化，使电池内阻增大。栅板钝化：长期使用导致活性物质腐蚀，栅板孔隙率增大，电解液供应量下降，栅板活性物质减少，使电池内阻增大。硫化：部分活性物质硫化，导致活性物质减少，涂膏的电阻亦增加。硫化消耗掉部分硫酸，使电解液的电阻率变大。这些都导致电池的内阻增大。失水：由于阀控密封铅酸蓄电池无法加水，失水后电解液供应不足，使电池内阻增大。制造缺陷：如铸铅和涂膏工艺不良，都可能导致较高的金属

16、电阻和容量问题。 准确、实时地监测蓄电池的内阻，可以及时发现电池的失效和容量下降，帮助用户消除电池隐患。4.2.2单体电池内阻精确测量与分析电池内阻的在线测量需要克服微弱信号捕捉、抗环境干扰、经验分析等诸多技术障碍，目前全球只有包括KOKII在内的少数几家厂商有产品问世。 各厂家具体实现技术的不同致使他们产品的内阻测量准确度、抗干扰能力和内阻数据分析效果有很大的质量差别，尤其是绝大部分厂家的产品由于无法有效解决干扰问题而采用放电法进行测量，即在电池两端接入放电负载，通过测量电池在放电过程中的电压变化来获取内阻值，有的厂家产品需要把电池从回路中断开，或关掉充电机，以消除充电机和用电负载的影响。由

17、于电池的内阻很小，放电时的电压变化微弱，即使采用较大的放电电流，直接测量的精度一般也很难提高。BM系列采用的内阻测试技术不需放电，采用先进的中点测量方法，依托数字信号处理技术完成微弱信号的准确测量，不必将电池从回路断开，不受充电机和用电负载的影响，实现了真正的在线内阻测试，数据有效分辨率达到0.001毫欧。以精确的内阻在线测量为基础，KOKII BM系列产品能够及时准确地发现电池组中的落后电池，结合用户有效的维护方法，大大提高备用电源的可靠性，延长电池组整体使用寿命。l 一组失效电池的电压与内阻的测试数据比较： （电压数据 正常） （内阻数据 严重异常） 电池的性能已劣化的电池组，往往在电压测

18、量的时候，极难发现问题！l 人工检测与在线测量的比较= 0 V电池断路，短路发生在不定时的瞬间，电池组输出电压为零，如果未及时发现，会造成大面积通信中断等严重后果。人工检测在突发事件中有很大的局限性。 5、KOKII 通信电源用产品介绍5.1 通信电源用系列名称KOKII BM3500 通信电源系统 （1000AH-3000AH）KOKII TBS-2 通信基站专用 (200AH-500AH)5.2 产品主要功能 测试到每一个单电池 全电子式电池自动巡检，准确可靠 专利技术实现单电池内阻准确测试 完全在线测量，无需放电和断电 电池组/单电池浮充电压监测与超常判断 充放电流监测与超常判断（选装）

19、 深度放电计算、记录 环境温度（或标样电池温度）监测 运行事件管理，提供维护分析事实 高度智能化数据处理，报警提示准确 模块结构，便于现场安装与维护 成套附件，提高安装效率和可靠性 网络化设计，远程管理和集中监控5.3 产品技术参数BM3500 每个控制单元可连接两组电池 每组电池数量424只 电池容量： 200AH-3000AH 系统规格控制单元（选装） 19inch/3U（440W x 133.5H x 272D mm）检测模块 19inch/1U（440W x 44.5H x 272D mm）内阻模块 19inch/1U（440W x 44.5H x 272D mm） 电压测量单电池电压

20、测量范围0.53.0V电池组电压测量范围0100V电压测量准确度0.2%RD 电流测量电流测量范围02000A（选装传感器）电流测量准确度2%（与传感器有关） 内阻测量内阻测量范围0.00130.000m内阻测量最高分辨率0.001 m 温度测量温度测量范围050温度测量准确度2 时间测量准确度1S/HTBS-2 每个模块可连接两组电池 每组电池数量24只 电池容量： 200AH-500AH 系统规格 19inch/1U（440W x 44.5H x 272D mm） 电压测量单电池电压测量范围0.53.0V 电池组电压测量范围0100V /电压测量准确度0.2%RD 电流测量电流测量范围02

21、000A（选装传感器）电流测量准确度2%（与传感器有关） 内阻测量内阻测量范围0.00130.000m内阻测量最高分辨率0.001 m 温度测量温度测量范围050温度测量准确度2 时间测量准确度1S/H5.4 产品设计主导思想5.4.1 准确测量 电池的运行参数主要受充电机的控制，尤其是电池的浮充电压，直接影响电池的浮充使用寿命。浮充电压的测量要求系统具有高准确度，电池组串联后的高电压要求系统具有高抗共模性能。 在线测量每个单电池的内阻是系统的核心技术之一，测量精确度直接关系到分析的准确性。在线测量需要解决充电机和用电负载干扰的问题。对于大容量电池，内阻是微欧级小信号，常规的测量方式已经不能得

22、到有意义的数值，系统采用数字信号处理技术实现高精度测量。5.4.2 综合分析 以电池正确运行条件为核心依据，对系统的电压、内阻、电流和温度数据及其变化进行综合分析。 综合分析要发现电池组运行中发生的超越电池参数极限的事件，如：充电电流过大、放电电流过大、电池组浮充电压高、电池组浮充电压低、电池组过放电、单电池浮充电压高、单电池浮充电压低、单电池过放电等。 除发现电池的运行条件异常外，综合分析更重要的是要及时发现并报告电池失效以及电池容量状态。5.4.3 高可靠性 系统应用于高可靠性要求的领域，要求保证系统长期稳定地工作。 系统应对用户设备不产生任何附加干扰，保证用户设备同监测系统共同正常运转。

23、 系统应具备良好的容错能力，避免误报警。5.4.4 可扩展和网络化系统要满足蓄电池应用的大部分场合，可根据不同行业的电池配置应用，以及电池的不同数量、不同规格和不同的放置形式灵活配置。系统可扩展放电测试设备，自动完成放电测试。网络化和信息化是电子设备的发展趋势，系统设备要有通信接口和多种网络连接方案。5.5 产品硬件BM3500系统由控制单元、监测模块、内阻模块、相关软件和辅助部件构成，一个控制单元可接入多个监测模块，完成对不同只数和不同电压规格的蓄电池组的监测管理，可同时管理两组蓄电池。 控制单元（选装） 控制单元（选装）用于数据传输、处理和人机界面操作，具有远程（集中）管理RS-485（R

24、S-232）接口、检测模块控制口、操作键盘、汉化（或英文）显示面板、声光报警及报警输出接点。控制单元实时显示电池数据，智能分析数据，对异常的电池运行情况进行及时报警。控制单元通过总线结构控制检测模块工作，收集检测模块采集的数据，对发生的事件进行判断处理并发出声光报警，完成数据的通信、存储和查询功能，以帮助运维人员进行现场事件处理。 检测模块检测模块完成数据采集，并将数据传给控制模块。高精度、高时效的数据采集模块采用模块化设计方案，兼顾专用化与通用化原则，配置灵活，根据采样点种类及规模的需求，各个模块可独立使用，亦可自有组合，适应不同的监测需求。内阻模块内阻模块完成内阻测试功能，与监测模块配合使

25、用。内阻模块与系统的分布式结构相适应，接受监测模块的调度，测量时对电池组发出激励信号，由于使用特殊技术进行激励，不会对电池和在线运行的设备造成任何不利影响。 图5-1 系统原理图 TBS-2TBS-2系统为单一的模块，可以同时连接两组电池，完成一系列数据的采集，包括电压、内阻、温度等。成本大大降低，适用于成本要求比较高的基站等场合。系统通过上位软件实现数据的实时监测与报警等功能，同时软件具有强大的数据分析功能，可以对采集的数据提供精确的计算与分析。5.6 产品软件系统的软件包括三部分内容：采样模块的采集与信号处理软件、控制单元的分析管理软件和PC软件。其主要功能如下：实时监测数据显示：程序运行

26、过程中一般处于实时监测状态，进入其它过程在5分钟时间内无键盘操作时，程序自动进入实时监测状态。在实时监测过程中实现采样数据的接收和处理，并按一定的方式显示；对满足报警条件的事件做实时报警处理；对报警事件在事件结束时做记录。实时报警事件查询：对实时监测过程中出现的报警事件进行查询。显示报警内容，便于用户处理。历史事件记录查询：对历史数据中报警事件进行查询。电池用户或生产厂家可以查询电池使用过程的有关记录，查找电池时效原因。系统设置：根据电池的使用条件和用户的特殊要求设置电池参数、报警参数等。系统依据设置数据分析电池的工作状况，产生事件报警并记录异常情况。通信：使用通信软件模块可简化智能设备接口，实现监测设备同上位机的快速连接。通过软件模块的人机界面，可设定系统参数，查看系统状态，使用通信软件模块还可以实现中、远程监测。