LEM（萊姆）蓄電池失效預(yù)警系統(tǒng)解決方案

北京萊姆電子有限公司 安云良 （譯）

鉛酸蓄電池至今已經(jīng)存在了大約150年，至今仍然保持著最初的形式；富液蓄電池這么多年來(lái)幾乎沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何重大改變。唯一的改變不外乎是在添加材料方面有一些改動(dòng)，在有些特種的極板中少量加入了各種金屬，不過(guò)，即使在今天，純鉛極板蓄電池仍然是使用壽命最長(zhǎng)、最可靠的鉛酸蓄電池類(lèi)型之一。

在過(guò)去150年里，最大的進(jìn)展無(wú)疑是大約三十多年前出現(xiàn)的密封式單體蓄電池Cell或整體蓄電池(Monobloc )。SLA（密封鉛酸）類(lèi)型、VRLA（閥控式鉛酸）類(lèi)型、AGM類(lèi)型和凝膠類(lèi)型都具有一個(gè)共同特征，即這些類(lèi)型均為密封類(lèi)型，并采用氣體再?gòu)?fù)合技術(shù)，使得氣體能夠在充電后重新復(fù)合成電解液。VRLA、AGM和SLA類(lèi)型蓄電池的極板陣列附近存在充足的自由空間，為氣體的存儲(chǔ)、滲透創(chuàng)造了條件。這些蓄電池中不存在液態(tài)電解液，僅在玻璃纖維（如果是膠體電池，則為膠體懸濁液）中存在少量電解液。這就使得這些蓄電池類(lèi)型能夠方便的應(yīng)用在包括辦公室或公共區(qū)域等在內(nèi)的非專(zhuān)業(yè)受控環(huán)境（無(wú)需專(zhuān)門(mén)的蓄電池室）場(chǎng)合，可隨意疊放而無(wú)需制冷；不需要特別的環(huán)境控制或排風(fēng)裝置等，很少或根本不需要進(jìn)行任何維護(hù)。

電池廠家的宣傳大概就是以上這樣。當(dāng)然，實(shí)際情況并非完全如此；密封電池并不是完全密封，而是采用了壓力（Presure value）排氣閥，排氣閥允許氣體在內(nèi)部壓力過(guò)大（通常是過(guò)度充電或不利環(huán)境引發(fā)的結(jié)果）時(shí)逸出。如果沒(méi)有足夠的制冷條件，則不能把這些電池安裝到狹小的空間，如果需要保證合理的使用壽命，則應(yīng)安裝風(fēng)扇?，F(xiàn)在，所有這些要求都已經(jīng)是一般性常識(shí)了，而不是最早引入密封蓄電池時(shí)所宣稱(chēng)的那樣“無(wú)需特別維護(hù)”。

另外，已經(jīng)被實(shí)踐證明的是，新型蓄電池比傳統(tǒng)的富液蓄電池對(duì)充電和環(huán)境問(wèn)題更敏感。即使輕微的長(zhǎng)期過(guò)充都可能導(dǎo)致電解液損失，并且要達(dá)到聲稱(chēng)的使用壽命，環(huán)境溫度必須穩(wěn)定在大約25攝氏度。

多年來(lái)，蓄電池行業(yè)已經(jīng)意識(shí)到，為了確保密封蓄電池能夠達(dá)到其最大可靠使用壽命，必須小心維護(hù)，并進(jìn)行定期測(cè)試，以便在某些小問(wèn)題影響到整個(gè)蓄電池組前被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，以防在電網(wǎng)供電故障時(shí)蓄電池組不能向負(fù)載供電。

圖1列出了在密封蓄電池的使用壽命中會(huì)遇到的各種問(wèn)題。有些問(wèn)題是設(shè)計(jì)缺陷，有些是制造缺陷，其中至少兩種失效形式（硫化和正極板腐蝕）將最終導(dǎo)致所有鉛酸蓄電池徹底失效。盡管如此，監(jiān)控蓄電池組的浮充電和溫度從而避免過(guò)早出現(xiàn)硫化或正極板腐蝕仍然是很重要的。

不利的環(huán)境條件會(huì)縮短備用蓄電池組的使用壽命；持續(xù)不利的環(huán)境溫度會(huì)顯著縮短密封蓄電池組的使用壽命（圖2）。

作為UPS系統(tǒng)的一個(gè)必要組成部分，蓄電池組的故障率與UPS或充電機(jī)的故障率不同，UPS或充電部分的電子器件的壽命可能會(huì)超過(guò)25年。大多數(shù)蓄電池組廠商都承認(rèn)，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)壽命為10到12年的蓄電池，前五年內(nèi)的故障率為0.3%-0.4%是很合理的，對(duì)于電化學(xué)設(shè)備而言這樣的故障率已經(jīng)是很低的了。換句話(huà)說(shuō)，這意味著每安裝1000個(gè)單體蓄電池（Cell）或整體蓄電池(Monobloc)，就會(huì)有3到4個(gè)會(huì)出現(xiàn)故障。

不幸的是，由于無(wú)法檢測(cè)到電池組中僅有的幾個(gè)蓄電池缺陷，以至于很多的備用蓄電池組甚至無(wú)法達(dá)到6到7年的使用壽命，與設(shè)計(jì)壽命相差甚遠(yuǎn)。實(shí)際上，大多數(shù)故障條件都可以被及時(shí)檢測(cè)到，從而避免災(zāi)難性故障的發(fā)生。在最早引入整體單元時(shí)，廠商聲稱(chēng)無(wú)需維護(hù)，實(shí)際上，也確實(shí)沒(méi)有什么辦法可以測(cè)試和檢測(cè)這些密封、不透明的單元。在經(jīng)過(guò)許多年后，大量的實(shí)踐證據(jù)才迫使整個(gè)行業(yè)重新考慮這種免維護(hù)聲稱(chēng)的合理性。

要了解為什么維護(hù)或監(jiān)控這些系統(tǒng)如此至關(guān)重要 ，必須了解以下事實(shí)：因?yàn)檫@些蓄電池以串聯(lián)方式連接成蓄電池組，一旦某個(gè)蓄電池發(fā)生故障而導(dǎo)致開(kāi)路，整個(gè)蓄電池組就會(huì)徹底無(wú)法工作。每年都會(huì)有成百上千的備用蓄電池發(fā)生故障，而只有在出現(xiàn)電網(wǎng)供電故障時(shí)才會(huì)真正發(fā)現(xiàn)這些故障，為時(shí)已晚！這也相應(yīng)地會(huì)對(duì)重要負(fù)載造成數(shù)以百萬(wàn)英鎊計(jì)的資金損失。

另外，在實(shí)際使用中可以發(fā)現(xiàn)，存在早期缺陷的蓄電池也會(huì)“傳染”周?chē)男铍姵兀绻徊扇⊙a(bǔ)救措施，這種缺陷蓄電池會(huì)大大加速整個(gè)蓄電池組的惡化，這會(huì)比在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后立即替換缺陷蓄電池的惡化速度要快得多。

良好的計(jì)劃性維護(hù)是確保備用蓄電池組裝置達(dá)到其設(shè)計(jì)使用壽命的最起碼的手段和措施。至少建議對(duì)蓄電池組及其電氣連接進(jìn)行外觀檢查，并每六個(gè)月（最好每三個(gè)月）利用一個(gè)優(yōu)質(zhì)阻抗測(cè)試儀測(cè)試一次所有蓄電池及其連接線(xiàn)。由于充電器決定了整個(gè)蓄電池組的充電電壓，蓄電池端電壓不會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)參考值有太大差別，因此除非蓄電池已經(jīng)出現(xiàn)災(zāi)難性故障，否則僅僅測(cè)量蓄電池的端電壓不大可能檢測(cè)到任何潛在故障。

應(yīng)該至少每年對(duì)蓄電池組進(jìn)行一次核對(duì)性放電測(cè)試。如果蓄電池組3-4年都不進(jìn)行一次充/放電，蓄電池組電解液就會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，即電解液會(huì)分解為酸溶液濃度各不相同的液體層，這會(huì)影響到蓄電池在斷電時(shí)的供電能力。這種現(xiàn)象會(huì)最終導(dǎo)致在硫酸濃度較高的區(qū)域出現(xiàn)極板腐蝕。

計(jì)劃性維護(hù)的問(wèn)題是，像汽車(chē)的年檢一樣，計(jì)劃維護(hù)實(shí)際上只針對(duì)當(dāng)時(shí)有效。另外，因?yàn)闇y(cè)量或測(cè)試參數(shù)的不同，以及維護(hù)是否操作正確，有時(shí)甚至連當(dāng)時(shí)有效都做不到。

許多失效模式可以在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)展成蓄電池徹底失效，有時(shí)候也就幾個(gè)星期。那么定期維護(hù)的方式能夠在蓄電池發(fā)生如上圖所示的故障的概率會(huì)有多大呢？

甚至I.E.E.E.所建議的維護(hù)，以及電阻或阻抗測(cè)試（即使更為全面），仍然無(wú)法讓用戶(hù)了解在定期維護(hù)期間到底會(huì)發(fā)生什么，這也就是定期維護(hù)的最大弱點(diǎn)。

實(shí)際上，除了電阻測(cè)試外，蓄電池單獨(dú)放電測(cè)試是維護(hù)中唯一真正有用的一件事。

這是判定蓄電池組是否能夠達(dá)標(biāo)的唯一絕對(duì)有效的方法。不幸的是，電池組單獨(dú)測(cè)試與季度檢查會(huì)同樣遇到同一個(gè)基本問(wèn)題：用戶(hù)在測(cè)試完成后的第二天就不敢說(shuō)蓄電池組是否將會(huì)正常運(yùn)行下去，實(shí)際上，在放電測(cè)試后進(jìn)行充電常常會(huì)加速落后蓄電池的失效，這種現(xiàn)象并不少見(jiàn)，而這種失效通常在出現(xiàn)下一次電網(wǎng)供電故障時(shí)才會(huì)被檢測(cè)到。另外，獨(dú)立放電測(cè)試（通常會(huì)消耗幾個(gè)小時(shí)）是一個(gè)高成本、具有破壞性的過(guò)程（包括重新充滿(mǎn)電），大型系統(tǒng)甚至耗費(fèi)1到2天才能完成此類(lèi)測(cè)試。

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的質(zhì)量在很大程度上取決于被監(jiān)控的是什么參數(shù)。在十幾年前，廉價(jià)的監(jiān)控系統(tǒng)通常只會(huì)監(jiān)控蓄電池組的總電壓，有時(shí)會(huì)把蓄電池組一分為二進(jìn)行比較。采用分別測(cè)量?jī)刹糠值碾妷喝缓筮M(jìn)行比較的方式對(duì)蓄電池組進(jìn)行監(jiān)控，這種方式可以算得上是最不成功的方法了，因?yàn)榇祟?lèi)系統(tǒng)不大可能敏感到可以檢測(cè)到因?yàn)橐粋€(gè)缺陷蓄電池而導(dǎo)致的在半個(gè)蓄電池組的230伏電壓上出現(xiàn)的千分之幾伏的變化，同時(shí)，來(lái)自整流器/逆變器的大量系統(tǒng)噪音也會(huì)大大增加檢測(cè)難度。

有些連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控單個(gè)蓄電池的電壓，以及表示放電性能的電池組電流。如前所述，因?yàn)槌潆娖?整流器決定了蓄電池組的總電壓，所以除非電池已經(jīng)發(fā)生災(zāi)難性故障，否則蓄電池或整體單元電壓僅會(huì)發(fā)生微小變化。因此，監(jiān)控單個(gè)蓄電池電壓的主要優(yōu)點(diǎn)是在發(fā)生電網(wǎng)供電故障后的放電過(guò)程中或獨(dú)立放電測(cè)試過(guò)程中收集數(shù)據(jù)。

這種數(shù)據(jù)當(dāng)然是非常有用的數(shù)據(jù)，如果對(duì)之加以合理記錄，可以幫助檢測(cè)到失效蓄電池。不過(guò)，這種監(jiān)控具有與定期維護(hù)相同的缺點(diǎn)，只有在放電過(guò)程中才會(huì)可靠地檢測(cè)到缺陷蓄電池（在實(shí)際使用中正常放電，或在每年一次的測(cè)試中放電）。

不過(guò)，多年來(lái)，更昂貴的蓄電池組監(jiān)控系統(tǒng)一直提供對(duì)單個(gè)蓄電池的內(nèi)部電阻或阻抗進(jìn)行監(jiān)控的功能，這些功能屬于系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能。已經(jīng)有很多人針對(duì)此問(wèn)題完成了許多測(cè)試，也過(guò)很多文章，就蓄電池劣化與內(nèi)部電阻或阻抗值之間的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比。盡管兩者之間沒(méi)有直接關(guān)系，但通常與“新蓄電池”為基準(zhǔn)，內(nèi)阻偏差的確可以指示出蓄電池存在潛在故障。

盡管阻抗已經(jīng)使用多年，而且看起來(lái)是一個(gè)無(wú)需進(jìn)行昂貴的放電測(cè)試即可檢測(cè)蓄電池潛在失效故障的好辦法，不過(guò)某些行業(yè)人士對(duì)內(nèi)阻測(cè)試的方式還有疑問(wèn)，認(rèn)為這種這種方法不是非?？煽俊Ｉ院髸?huì)對(duì)產(chǎn)生這種疑慮主要原因之一做出解釋。

首先，我們必須確保電池監(jiān)控系統(tǒng)能夠測(cè)量所有關(guān)鍵參數(shù)。為確保最高的供電可靠性需要監(jiān)控蓄電 池組供電系統(tǒng)系統(tǒng)的五個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)包括：

l 單個(gè)蓄電池端電壓：是在放電和充電過(guò)程中記錄充放電曲線(xiàn)，反映蓄電池性能的最有用的參數(shù)。

l 單個(gè)蓄電池溫度：是潛在蓄電池問(wèn)題（包括熱失控）早期檢測(cè)中的關(guān)鍵參數(shù)。工作溫度對(duì)于密封蓄電池組尤其重要；過(guò)長(zhǎng)時(shí)間處于不利溫度將顯著影響使用壽命。

對(duì)于溫度是可以補(bǔ)償?shù)?，不過(guò)有時(shí)候這會(huì)導(dǎo)致其自身出現(xiàn)問(wèn)題，稍后會(huì)詳細(xì)討論這些問(wèn)題。

l 單個(gè)蓄電池阻抗或電阻：該參數(shù)與單個(gè)蓄電池溫度參數(shù)大概是針對(duì)蓄電池失效模式進(jìn)行檢測(cè)的兩個(gè)最有效的參數(shù)，不過(guò)這里有所保留，稍后進(jìn)一步討論。

l 充電和放電電流（電池組）：用于正常放電電流檢測(cè)或?qū)Ρ憩F(xiàn)不良蓄電池組的即時(shí)放電檢測(cè)，也用于檢測(cè)在放電過(guò)程中同時(shí)也在吸收電流的蓄電池組（放電的同時(shí)也在充電），這是一個(gè)危險(xiǎn)的狀態(tài)。

l 電池組浮充電流（LEM正在研發(fā)中）：盡管尚需生產(chǎn)出一種可靠的浮電流傳感器，可以肯定的一點(diǎn)是，處于失效狀態(tài)的蓄電池在浮充電流方面與正常狀態(tài)不同。

如果所有這些參數(shù)都被有效的監(jiān)控起來(lái)，您的蓄電池組基本上就擁有了當(dāng)今最全面、最可靠（在檢測(cè)潛在蓄電池失效方面）的系統(tǒng)，不過(guò)在這些參數(shù)的測(cè)量方式上或許還存在著這樣或那樣的問(wèn)題。

盡管蓄電池“簡(jiǎn)單”阻抗（單一頻率時(shí)的VAC/IAC）或電阻（復(fù)數(shù)的直流“實(shí)部”，與“虛部”相對(duì)應(yīng)）值在失效蓄電池檢測(cè)過(guò)程中是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具，不過(guò)通常認(rèn)為這種方法提供的信息不是特別可靠。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電阻或阻抗監(jiān)控?zé)o法檢測(cè)到劣化蓄電池的事例，或者電阻值表明存在一個(gè)劣化蓄電池而在隨后的放電測(cè)試中被證明是好蓄電池的事例。某些事例可能是杜撰、沒(méi)有根據(jù)的，不過(guò)很多這樣的傳言確實(shí)影響到該參數(shù)監(jiān)控有效性和可靠性的推廣。

電阻或阻抗監(jiān)控的可靠性被懷疑的主要原因可能是：在蓄電池組處于浮充狀態(tài)下，采用小電流測(cè)試或不太可靠的測(cè)量方法測(cè)量?jī)?nèi)阻或電阻，會(huì)得到各種非常戲劇性的測(cè)試結(jié)果。

圖4示意圖圖解說(shuō)明了小測(cè)試電流和/或不良測(cè)試技術(shù)下得到的內(nèi)阻結(jié)果。充滿(mǎn)狀態(tài)下的蓄電池開(kāi)路電壓大約為每個(gè)蓄電池(Cell) 2.1-2.15伏（VPC）。在進(jìn)行浮充時(shí)，該數(shù)值提高到大約2.27 VPC。對(duì)在浮充電狀態(tài)下的蓄電池進(jìn)行測(cè)試時(shí)必須采用足夠電流以確保被測(cè)試的蓄電池的電壓響應(yīng)來(lái)自于蓄電池本身“能量層”（Cell energy layer），而不是來(lái)自于可以被稱(chēng)為“視在能量層”(Apparent energy layer)的區(qū)域，浮充時(shí)的過(guò)壓和電化學(xué)反應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)（Back EMF）導(dǎo)致生成這種視在能量層。1-2安培的低測(cè)試電流通常無(wú)法從蓄電池吸引足夠能量以穿透蓄電池能量層，從而會(huì)得出誤導(dǎo)性數(shù)據(jù)。

圖5示意圖說(shuō)明了一個(gè)在浮充狀態(tài)下測(cè)試蓄電池內(nèi)阻的有效方法。這種方法采用一個(gè)持續(xù)幾秒鐘的單電流脈沖放電。這種方法采用40A或更高的測(cè)試電流，利用測(cè)試電流（N）剛剛停止后的初始恢復(fù)電壓除以點(diǎn)P處的測(cè)試電流，就可以得到穩(wěn)定的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。這種方法是最安全的內(nèi)阻測(cè)試方法之一，在實(shí)際運(yùn)用中也得到了可靠的測(cè)試結(jié)果。但是該方法的缺點(diǎn)也很明顯，就是制造和安裝成本非常高，因?yàn)楸仨毎殉休d著較高電流的連接電纜連接到監(jiān)控柜上，不夠安全。

另一種方法（圖6所示，安裝要簡(jiǎn)單得多，電纜用量極少）是在每個(gè)蓄電池上連接一個(gè)很小的本地模塊，以吸收小測(cè)試脈沖電流。

因?yàn)橐谝粋€(gè)很小體積的模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流測(cè)試，出于溫升方面的考慮，需要對(duì)測(cè)試電流做一些限制（最大12A）。為保證此類(lèi)系統(tǒng)的可靠性，可以配合采用某種算法與測(cè)試電流相匹配的方式進(jìn)行，該算法可以保證蓄電池電壓的響應(yīng)來(lái)源于蓄電池本身的能量層（而不是來(lái)自視在能量層），并且可以保證充電機(jī)以及蓄電池形成的該視在能量層不會(huì)對(duì)返回值的精確性造成影響。