摘 要：分析電導(dǎo)與蓄電池容量之間的相關(guān)性，介紹一種基于電導(dǎo)測試的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，并對蓄電池的運行維護現(xiàn)狀提出改善建議

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)測試 蓄電池在線監(jiān)測 蓄電池維護

中圖分類號：TM912文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0046-03

在過去的20年里，歐姆測試技術(shù)作為一種能夠快速判定電池老化情況的解決方案得到了深入的研究，有許多重要研究結(jié)果在專業(yè)雜志上發(fā)表，IEEEStd 1188-1996（1）在“IEEE關(guān)于后備式閥控密閉鉛酸電池的保養(yǎng)、測試和更換的推薦方法”中將歐姆測試列為蓄電池的維護工具之一。在電導(dǎo)/內(nèi)阻值（Conductance）與蓄電池容量呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。在北美、歐洲以及亞洲許多國家，越來越多的通信運營商開始使用電導(dǎo)內(nèi)阻來進行蓄電池維護，并開始要求在蓄電池制造商在新電池供貨時候提供這些電池的電導(dǎo)（內(nèi)阻）值。

將電導(dǎo)/內(nèi)阻測試應(yīng)用于蓄電池在線實時監(jiān)測系統(tǒng)中，將有利于提高后備電源系統(tǒng)的保障度，延長蓄電池的使用壽命，節(jié)約運營成本，同時為蓄電池系統(tǒng)管理提供可靠有效的管理方法，并將斷電所引起的供電中斷的危險降到最低。

本文通過對蓄電池電導(dǎo)與蓄電池容量及健康狀態(tài)進行分析，提出了一種基于B/S結(jié)構(gòu)的蓄電池電導(dǎo)在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，并在變電站內(nèi)對多組蓄電池進行了集中監(jiān)測，成功的找出了多節(jié)落后蓄電池。

1 蓄電池電導(dǎo)與容量之間的相關(guān)性介紹

電池電導(dǎo)的測量是將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端，然后測量所產(chǎn)生的電流。交流電導(dǎo)值就是與交流電壓同相的交流電流分量與交流電壓的比值。

根據(jù)IEEEStd 1188-1996（1），明顯的歐姆值變化（下降大于20%）就意味著電池性能的變化。

電導(dǎo)測試法是通過測量電池極板表面情況，判定其化學(xué)反應(yīng)能力，從而確定蓄電池的健康狀況的方法。

電導(dǎo)和電池的容量很很好的一致性。 對應(yīng)關(guān)系如下：

（1）電導(dǎo)值下降小于20%：電池容量>80%，電池健康

（2）電導(dǎo)值下降大于40%：電池明顯落后，需要更換

（3）電導(dǎo)值下降在20～40%之間：電池容量可能<80%，建議進行放電試驗

2 基于電導(dǎo)測試的電池監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

將電導(dǎo)測試應(yīng)用于蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)中，使直流系統(tǒng)中的每一節(jié)蓄電池均處于可監(jiān)測狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障后有及時的反饋信息。

該系統(tǒng)由三個基礎(chǔ)部分組成，其系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示：

系統(tǒng)的核心部分是測試傳輸模塊，在圖中，在每一只蓄電池極柱部位，測試傳輸模塊包含了專有的電導(dǎo)測試線路、電壓和溫度電子測試線路等，同時能夠通過無線方式將測試結(jié)果傳輸出去。

電池組電壓、溫度和電流測試模塊測試獲取系統(tǒng)總電壓 （可測高至 600V）、環(huán)境溫度，以及充電（浮充）/放電電流值：環(huán)境溫度測量確保蓄電池的溫度、或機房環(huán)境溫度處于正常水平；放電電流和組電壓測量使用戶能夠及時了解電池放電能力狀況。當測試結(jié)果超出預(yù)置標準值，發(fā)出系統(tǒng)告警，以確保系統(tǒng)處于正常水平。

數(shù)據(jù)采集器的作用是從測試傳輸模塊及電池組電壓、電流環(huán)境溫度采集模塊上獲取測試數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或串口傳輸出去，最后，通過一個基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫管理軟件蓄電池管理系統(tǒng)對蓄電池健康狀況進行管理、預(yù)警和報告等等。用戶可在任何地點登陸了解蓄電池信息。

2.1 測試傳輸模塊原理

2.1.1 測試傳輸模塊電導(dǎo)測試原理

根據(jù)電導(dǎo)測試的定義：電池電導(dǎo)的測量是將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端，然后測量所產(chǎn)生的電流。交流電導(dǎo)值就是與交流電壓同相的交流電流分量與交流電壓的比值。

設(shè)在蓄電池兩端施加的信號頻率為V（f），該信號經(jīng)過蓄電池后產(chǎn)生的電流信號為I（f），如下圖2所示：

設(shè)V（f）信號幅值為A，頻率為f，I（f）信號幅值為B，與電壓信號具有相同的頻率，I（f）與V（f）之間的相位差為θ，則有關(guān)系式：

根據(jù)歐拉公式變換有：

所以：

因此，測量電壓與電流信號的幅值以及其相位差即可計算出蓄電池電導(dǎo)值。

2.1.2 負極柱溫度測試原理

溫度與蓄電池容量有著密切關(guān)系，測試每節(jié)蓄電池溫度對于掌握蓄電池的健康狀態(tài)有著很重要意義。測試傳輸模塊通過將溫度傳感器封裝在連接片上來實現(xiàn)每節(jié)電池的負極柱溫度測試。

2.1.3 連接條內(nèi)阻測試原理

連接條內(nèi)阻以微歐為單位，在對蓄電池進行電導(dǎo)測試的同時，完成對連接條內(nèi)阻的測試，為了避免測試導(dǎo)線對測試精度造成影響，每個測試模塊有六條線采用開爾文連接方式與蓄電池連接，如下圖3為測試傳輸模塊與蓄電池的連接示意圖：

在進行電導(dǎo)與連接條內(nèi)阻測試時，1、6號線為信號生成連接線，2、3號線為連接條內(nèi)阻采樣線，3、4號線為蓄電池電導(dǎo)采樣線，5號線為溫度采樣線。

連接條內(nèi)阻測試流程如圖4。

測試傳輸模塊接收到連接條內(nèi)阻測試指令后，處理器即控制信號源對單體蓄電池及其連接條施加電流源信號，該電流源信號會在連接條上產(chǎn)生相同頻率的電壓變化信號，該電壓信號通過帶通濾波并放大之后進入AD采樣系統(tǒng)，采樣數(shù)據(jù)交由處理器計算分析。處理器根據(jù)輸出信號輻值與反饋信號幅值計算出連接條內(nèi)阻。

2.2 數(shù)據(jù)采集器原理

數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置ZigBee無線通信模塊與測試傳輸模塊及電壓電流采集模塊通信，將數(shù)據(jù)通過TCP/IP傳輸給服務(wù)器，其工作流程圖如圖5所示。

每個數(shù)據(jù)采集器有一個獨立的IP地址，服務(wù)器通過該IP地址來識別其所監(jiān)測的蓄電池組位置。該地址可通過串口進行設(shè)置。

3 電池監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

電池監(jiān)測系統(tǒng)是基于B/S的三層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用服務(wù)基于Java/JSP構(gòu)建，Tomcat5作為web容器，用戶可以在任何能夠訪問服務(wù)器地點通過WEB瀏覽器使用此系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用Microsoft SQL server 2005，服務(wù)器的操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows server 2003。

通過該系統(tǒng)可以很方便的實現(xiàn)對站內(nèi)每一節(jié)蓄電池的管理，用戶登陸后可以通過瀏覽器樹形結(jié)構(gòu)快速查看所關(guān)心的蓄電池組整組及單個信息。

該系統(tǒng)人機交互界面直觀、豐富， 電池信息可以以表格、曲線、柱狀圖的形式進行展現(xiàn)，如圖6所示，一旦有蓄電池出現(xiàn)告警信息后，將以黃色或紅色的警示圖形提醒用戶，并可通過email向用戶發(fā)送告警郵件。

使用該系統(tǒng)對梧州運行維護局220kV變電站內(nèi)的四組直流電源進行了持續(xù)監(jiān)測，其中包括兩組220V直流電流系統(tǒng)和兩組48V通信電源系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)對比及綜合分析，對站內(nèi)每只蓄電池的運行狀態(tài)有了清楚的認識，明確了蓄電池的維護方向。

該系統(tǒng)提供了兩個重要的數(shù)據(jù)對比手段。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)電導(dǎo)橫向?qū)Ρ?/p>

橫向?qū)Ρ鹊暮x為將同一組蓄電池中的某一只蓄電池的電導(dǎo)值與其它蓄電池電導(dǎo)測試值進行對比，其意義表現(xiàn)為：

（1）反映蓄電池的一致性好壞

一組蓄電池中，蓄電池一致性好壞是反映蓄是組性能好壞的重要指標，電導(dǎo)差異較大的電池組成一組蓄電池組，由于其特性差異，在長期的浮充均充過程中，會造成電壓分配不均導(dǎo)致部分電池提前失效，最后造成整組電池的提前失效。

圖6為該系統(tǒng)所監(jiān)的一組蓄電池中的電導(dǎo)值與浮充電壓的對比曲線圖。

從圖6可以看出，電導(dǎo)值較低的電池其浮充電壓較高，反之亦然。因此，將蓄電池一致性要求納入新入網(wǎng)蓄電池的一項考核標準相當重要。

（2）反映蓄電池健康狀態(tài)

在對蓄電池電導(dǎo)值的橫向?qū)Ρ冗^程中，如果出現(xiàn)某節(jié)蓄電池與其它蓄電池的電導(dǎo)值明顯低于其它電池電導(dǎo)值，則可判斷該蓄電池為落后蓄電池。

圖7為該系統(tǒng)所監(jiān)測的一組蓄電池電導(dǎo)值橫向?qū)Ρ葓D。

圖7中，46號電池的電導(dǎo)值明顯低于其它電池，在對整組電池放電維護過程中，其放電容量已不足80%，因此運行中的蓄電池電導(dǎo)值的持續(xù)監(jiān)測非常必要。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)電導(dǎo)縱向?qū)Ρ?/p>

蓄電池電導(dǎo)縱向?qū)Ρ仁峭ㄟ^對蓄電池電導(dǎo)的長時間監(jiān)測，對其在不同時間段的電導(dǎo)值進行對比，從而判斷其健康狀態(tài)的一種方法。

建立蓄電池運行管理數(shù)據(jù)庫，將蓄電池長期運行的電導(dǎo)數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫，通過對其變化趨勢的分析是判斷蓄電池好壞的重要手段。

圖8為該系統(tǒng)所監(jiān)測的一組蓄電池電導(dǎo)值縱向?qū)Ρ葓D。

圖8為該系統(tǒng)所監(jiān)測的一組蓄電池一個季度內(nèi)蓄電池電導(dǎo)變化趨勢圖，通過該趨勢圖形可以很方便的發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)值有明顯下降的蓄電池。

4 蓄電池維護標準的建立

國內(nèi)外已經(jīng)有大量的實驗數(shù)據(jù)證明了蓄電池電導(dǎo)值與容量之間存在密切的相關(guān)性，在在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施過程中也得到了證實，因此圍繞電導(dǎo)測試來完善蓄電池現(xiàn)有的維護方法將大大提高蓄電池維護的有效性。

該系統(tǒng)為指導(dǎo)電力系統(tǒng)的蓄電池選型配置及蓄電池入網(wǎng)、運行維護、退出運行等蓄電池全壽命管理的技術(shù)要求提供了重要的參考依據(jù)；為實現(xiàn)蓄電池從傳統(tǒng)的定期維護向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。

4.1 新入網(wǎng)蓄電池驗收標準

a）新電池組單體電導(dǎo)值的偏差不超過±10%；

b）核對性放電試驗，對電導(dǎo)值偏差滿足±10%以內(nèi)的蓄電池進行核對性放電試驗；（放電試驗參照新電池驗收核容放電標準）

c）提供蓄電池初始電導(dǎo)值，建立每節(jié)蓄電池從入網(wǎng)到退運的管理檔案。

4.2 運行中的蓄電池維護標準

對于運行中的蓄電池除日常的外觀檢測、電壓測試外，需增加電導(dǎo)測試，有針對性的進行放電測試，從而實現(xiàn)蓄電池定期維護向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變。具體包括

a）蓄電池電導(dǎo)測試間隔每倆個月一次

●單體電導(dǎo)縱向比較下降5%進行告警

●電導(dǎo)值下降小于20%：電池容量> 80%，電池健康

●電導(dǎo)值下降大于40%：電池明顯落后，退出落后電池

*電導(dǎo)值下降在20%～40%之間：電池容量可能<80%

b）核容放電測試

●電導(dǎo)值下降小于20%：電池容量> 80%，電池健康，不用進行核容放電試驗

●電導(dǎo)值下降在20%～40%之間：電池容量可能<80%

◆如果電導(dǎo)值處于此區(qū)間的蓄電池數(shù)量超過3只（包括3只）應(yīng)對整組電池進行核容放電試驗，將容量不足80%電池逐一退出。

◆如果電導(dǎo)值處于此區(qū)間的蓄電池數(shù)量小于3只，針對單只蓄電池（活化儀）進行在線充放電試驗，對容量不足80%電池予以退出；

●電導(dǎo)值下降大于40%：退出落后電池后對其它蓄電池組成的電池組進行核容放 電，容量>80%即為合格；

c）建立蓄電池數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理平臺

測試數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)對于現(xiàn)網(wǎng)數(shù)量龐大的蓄電池系統(tǒng)性的運行性能統(tǒng)計、趨勢分析、預(yù)警和質(zhì)量管理，數(shù)據(jù)有效性管理，維護主動、具備預(yù)防性。

4.3 蓄電池退運標準

4.3.1 單節(jié)蓄電池退運標準

a）蓄電池運行過程中，測試其電導(dǎo)值下降大于40%，需退出落后電池，將剩余電池組成電池組；

b）電導(dǎo)值下降在20%～40%之間的，進行核容放電試驗，如果存在容量<80%的電池需退出，將剩余電池組成電池組；

4.3.2 蓄電池組退運標準

根據(jù)單節(jié)蓄電池的退運標準，由2V蓄電池組成的220V直流系統(tǒng)，當整組電池中合格電池數(shù)量不足最少充許數(shù)量時，整組電池年限已到，需進行更換。

5 結(jié)語

基于電導(dǎo)的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外多年對蓄電池電導(dǎo)測試技術(shù)的研究，并將其應(yīng)用到蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)中，以其獨有的準確、安全、快速、全面為蓄電池的健康長壽及直流電源安全穩(wěn)定運行提供了有效的保障，并為新的蓄電池運行維護標準的建立提供了重要的參考依據(jù)。