LEM（萊姆）蓄電池失效預警系統解決方案

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幾乎沒有發生過任何重大改變。唯一的改變不外乎是在添加材料方面有一些改動，在有些特種的極板中少量加入了各種金屬，不過，即使在今天，純鉛極板蓄電池仍然是使用壽命最長、最可靠的鉛酸蓄電池類型之一。

在過去150年里，最大的進展無疑是大約三十多年前出現的密封式單體蓄電池Cell或整體蓄電池(Monobloc )。SLA（密封鉛酸）類型、VRLA（閥控式鉛酸）類型、AGM類型和凝膠類型都具有一個共同特征，即這些類型均為密封類型，并采用氣體再復合技術，使得氣體能夠在充電后重新復合成電解液。VRLA、AGM和SLA類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、滲透創造了條件。這些蓄電池中不存在液態電解液，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型能夠方便的應用在包括辦公室或公共區域等在內的非專業受控環境（無需專門的蓄電池室）場合，可隨意疊放而無需制冷；不需要特別的環境控制或排風裝置等，很少或根本不需要進行任何維護。

電池廠家的宣傳大概就是以上這樣。當然，實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部壓力過大（通常是過度充電或不利環境引發的結果）時逸出。如果沒有足夠的制冷條件，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，則應安裝風扇。現在，所有這些要求都已經是一般性常識了，而不是最早引入密封蓄電池時所宣稱的那樣“無需特別維護”。

另外，已經被實踐證明的是，新型蓄電池比傳統的富液蓄電池對充電和環境問題更敏感。即使輕微的長期過充都可能導致電解液損失，并且要達到聲稱的使用壽命，環境溫度必須穩定在大約25攝氏度。

多年來，蓄電池行業已經意識到，為了確保密封蓄電池能夠達到其最大可靠使用壽命，必須小心維護，并進行定期測試，以便在某些小問題影響到整個蓄電池組前被及時發現，以防在電網供電故障時蓄電池組不能向負載供電。

圖1列出了在密封蓄電池的使用壽命中會遇到的各種問題。有些問題是設計缺陷，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）將最終導致所有鉛酸蓄電池徹底失效。盡管如此，監控蓄電池組的浮充電和溫度從而避免過早出現硫化或正極板腐蝕仍然是很重要的。

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

作為UPS系統的一個必要組成部分，蓄電池組的故障率與UPS或充電機的故障率不同，UPS或充電部分的電子器件的壽命可能會超過25年。大多數蓄電池組廠商都承認，對于一個設計壽命為10到12年的蓄電池，前五年內的故障率為0.3%-0.4%是很合理的，對于電化學設備而言這樣的故障率已經是很低的了。換句話說，這意味著每安裝1000個單體蓄電池（Cell）或整體蓄電池(Monobloc)，就會有3到4個會出現故障。

不幸的是，由于無法檢測到電池組中僅有的幾個蓄電池缺陷，以至于很多的備用蓄電池組甚至無法達到6到7年的使用壽命，與設計壽命相差甚遠。實際上，大多數故障條件都可以被及時檢測到，從而避免災難性故障的發生。在最早引入整體單元時，廠商聲稱無需維護，實際上，也確實沒有什么辦法可以測試和檢測這些密封、不透明的單元。在經過許多年后，大量的實踐證據才迫使整個行業重新考慮這種免維護聲稱的合理性。

要了解為什么維護或監控這些系統如此至關重要 ，必須了解以下事實：因為這些蓄電池以串聯方式連接成蓄電池組，一旦某個蓄電池發生故障而導致開路，整個蓄電池組就會徹底無法工作。每年都會有成百上千的備用蓄電池發生故障，而只有在出現電網供電故障時才會真正發現這些故障，為時已晚！這也相應地會對重要負載造成數以百萬英鎊計的資金損失。

另外，在實際使用中可以發現，存在早期缺陷的蓄電池也會“傳染”周圍的蓄電池，如果不采取補救措施，這種缺陷蓄電池會大大加速整個蓄電池組的惡化，這會比在發現問題后立即替換缺陷蓄電池的惡化速度要快得多。

良好的計劃性維護是確保備用蓄電池組裝置達到其設計使用壽命的最起碼的手段和措施。至少建議對蓄電池組及其電氣連接進行外觀檢查，并每六個月（最好每三個月）利用一個優質阻抗測試儀測試一次所有蓄電池及其連接線。由于充電器決定了整個蓄電池組的充電電壓，蓄電池端電壓不會與標準參考值有太大差別，因此除非蓄電池已經出現災難性故障，否則僅僅測量蓄電池的端電壓不大可能檢測到任何潛在故障。

應該至少每年對蓄電池組進行一次核對性放電測試。如果蓄電池組3-4年都不進行一次充/放電，蓄電池組電解液就會出現分層現象，即電解液會分解為酸溶液濃度各不相同的液體層，這會影響到蓄電池在斷電時的供電能力。這種現象會最終導致在硫酸濃度較高的區域出現極板腐蝕。

計劃性維護的問題是，像汽車的年檢一樣，計劃維護實際上只針對當時有效。另外，因為測量或測試參數的不同，以及維護是否操作正確，有時甚至連當時有效都做不到。

許多失效模式可以在很短的時間內發展成蓄電池徹底失效，有時候也就幾個星期。那么定期維護的方式能夠在蓄電池發生如上圖所示的故障的概率會有多大呢？

甚至I.E.E.E.所建議的維護，以及電阻或阻抗測試（即使更為全面），仍然無法讓用戶了解在定期維護期間到底會發生什么，這也就是定期維護的最大弱點。

實際上，除了電阻測試外，蓄電池單獨放電測試是維護中唯一真正有用的一件事。

這是判定蓄電池組是否能夠達標的唯一絕對有效的方法。不幸的是，電池組單獨測試與季度檢查會同樣遇到同一個基本問題：用戶在測試完成后的第二天就不敢說蓄電池組是否將會正常運行下去，實際上，在放電測試后進行充電常常會加速落后蓄電池的失效，這種現象并不少見，而這種失效通常在出現下一次電網供電故障時才會被檢測到。另外，獨立放電測試（通常會消耗幾個小時）是一個高成本、具有破壞性的過程（包括重新充滿電），大型系統甚至耗費1到2天才能完成此類測試。

監控數據的質量在很大程度上取決于被監控的是什么參數。在十幾年前，廉價的監控系統通常只會監控蓄電池組的總電壓，有時會把蓄電池組一分為二進行比較。采用分別測量兩部分的電壓然后進行比較的方式對蓄電池組進行監控，這種方式可以算得上是最不成功的方法了，因為此類系統不大可能敏感到可以檢測到因為一個缺陷蓄電池而導致的在半個蓄電池組的230伏電壓上出現的千分之幾伏的變化，同時，來自整流器/逆變器的大量系統噪音也會大大增加檢測難度。

有些連續監控系統監控單個蓄電池的電壓，以及表示放電性能的電池組電流。如前所述，因為充電器/整流器決定了蓄電池組的總電壓，所以除非電池已經發生災難性故障，否則蓄電池或整體單元電壓僅會發生微小變化。因此，監控單個蓄電池電壓的主要優點是在發生電網供電故障后的放電過程中或獨立放電測試過程中收集數據。

這種數據當然是非常有用的數據，如果對之加以合理記錄，可以幫助檢測到失效蓄電池。不過，這種監控具有與定期維護相同的缺點，只有在放電過程中才會可靠地檢測到缺陷蓄電池（在實際使用中正常放電，或在每年一次的測試中放電）。

不過，多年來，更昂貴的蓄電池組監控系統一直提供對單個蓄電池的內部電阻或阻抗進行監控的功能，這些功能屬于系統的標準功能。已經有很多人針對此問題完成了許多測試，也過很多文章，就蓄電池劣化與內部電阻或阻抗值之間的關系進行了對比。盡管兩者之間沒有直接關系，但通常與“新蓄電池”為基準，內阻偏差的確可以指示出蓄電池存在潛在故障。

盡管阻抗已經使用多年，而且看起來是一個無需進行昂貴的放電測試即可檢測蓄電池潛在失效故障的好辦法，不過某些行業人士對內阻測試的方式還有疑問，認為這種這種方法不是非常可靠。稍后會對產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控系統能夠測量所有關鍵參數。為確保最高的供電可靠性需要監控蓄電 池組供電系統系統的五個關鍵參數，這些參數包括：

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

l 單個蓄電池溫度：是潛在蓄電池問題（包括熱失控）早期檢測中的關鍵參數。工作溫度對于密封蓄電池組尤其重要；過長時間處于不利溫度將顯著影響使用壽命。

對于溫度是可以補償的，不過有時候這會導致其自身出現問題，稍后會詳細討論這些問題。

l 單個蓄電池阻抗或電阻：該參數與單個蓄電池溫度參數大概是針對蓄電池失效模式進行檢測的兩個最有效的參數，不過這里有所保留，稍后進一步討論。

l 充電和放電電流（電池組）：用于正常放電電流檢測或對表現不良蓄電池組的即時放電檢測，也用于檢測在放電過程中同時也在吸收電流的蓄電池組（放電的同時也在充電），這是一個危險的狀態。

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

如果所有這些參數都被有效的監控起來，您的蓄電池組基本上就擁有了當今最全面、最可靠（在檢測潛在蓄電池失效方面）的系統，不過在這些參數的測量方式上或許還存在著這樣或那樣的問題。

盡管蓄電池“簡單”阻抗（單一頻率時的VAC/IAC）或電阻（復數的直流“實部”，與“虛部”相對應）值在失效蓄電池檢測過程中是一個非常強大的工具，不過通常認為這種方法提供的信息不是特別可靠。在實際應用中，經常會出現電阻或阻抗監控無法檢測到劣化蓄電池的事例，或者電阻值表明存在一個劣化蓄電池而在隨后的放電測試中被證明是好蓄電池的事例。某些事例可能是杜撰、沒有根據的，不過很多這樣的傳言確實影響到該參數監控有效性和可靠性的推廣。

電阻或阻抗監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下，采用小電流測試或不太可靠的測量方法測量內阻或電阻，會得到各種非常戲劇性的測試結果。

圖4示意圖圖解說明了小測試電流和/或不良測試技術下得到的內阻結果。充滿狀態下的蓄電池開路電壓大約為每個蓄電池(Cell) 2.1-2.15伏（VPC）。在進行浮充時，該數值提高到大約2.27 VPC。對在浮充電狀態下的蓄電池進行測試時必須采用足夠電流以確保被測試的蓄電池的電壓響應來自于蓄電池本身“能量層”（Cell energy layer），而不是來自于可以被稱為“視在能量層”(Apparent energy layer)的區域，浮充時的過壓和電化學反應的反電動勢（Back EMF）導致生成這種視在能量層。1-2安培的低測試電流通常無法從蓄電池吸引足夠能量以穿透蓄電池能量層，從而會得出誤導性數據。

圖5示意圖說明了一個在浮充狀態下測試蓄電池內阻的有效方法。這種方法采用一個持續幾秒鐘的單電流脈沖放電。這種方法采用40A或更高的測試電流，利用測試電流（N）剛剛停止后的初始恢復電壓除以點P處的測試電流，就可以得到穩定的內阻數據。這種方法是最安全的內阻測試方法之一，在實際運用中也得到了可靠的測試結果。但是該方法的缺點也很明顯，就是制造和安裝成本非常高，因為必須把承載著較高電流的連接電纜連接到監控柜上，不夠安全。

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

因為要在一個很小體積的模塊內實現電流測試，出于溫升方面的考慮，需要對測試電流做一些限制（最大12A）。為保證此類系統的可靠性，可以配合采用某種算法與測試電流相匹配的方式進行，該算法可以保證蓄電池電壓的響應來源于蓄電池本身的能量層（而不是來自視在能量層），并且可以保證充電機以及蓄電池形成的該視在能量層不會對返回值的精確性造成影響。