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幾乎沒有發(fā)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(jìn)展無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(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(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)的非專業(yè)受控環(huán)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(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)部壓力過大（通常是過度充電或不利環(huán)境引發(fā)的結(jié)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(yīng)安裝風(fēng)扇。現(xiàn)在，所有這些要求都已經(jīng)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(hù)”。

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

多年來，蓄電池行業(yè)已經(jīng)意識到，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)行定期測試，以便在某些小問題影響到整個蓄電池組前被及時發(fā)現(xiàn)，以防在電網(wǎng)供電故障時蓄電池組不能向負(fù)載供電。

圖1列出了在密封蓄電池的使用壽命中會遇到的各種問題。有些問題是設(shè)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(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超過25年。大多數(shù)蓄電池組廠商都承認(rèn)，對于一個設(shè)計壽命為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(xiàn)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(dá)到6到7年的使用壽命，與設(shè)計壽命相差甚遠(yuǎn)。實(shí)際上，大多數(shù)故障條件都可以被及時檢測到，從而避免災(zāi)難性故障的發(fā)生。在最早引入整體單元時，廠商聲稱無需維護(hù)，實(shí)際上，也確實(shí)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(jīng)過許多年后，大量的實(shí)踐證據(jù)才迫使整個行業(yè)重新考慮這種免維護(hù)聲稱的合理性。

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，一旦某個蓄電池發(fā)生故障而導(dǎo)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(fā)生故障，而只有在出現(xiàn)電網(wǎng)供電故障時才會真正發(fā)現(xiàn)這些故障，為時已晚！這也相應(yīng)地會對重要負(fù)載造成數(shù)以百萬英鎊計的資金損失。

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“傳染”周圍的蓄電池，如果不采取補(bǔ)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(fā)現(xiàn)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(hù)是確保備用蓄電池組裝置達(dá)到其設(shè)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(jìn)行外觀檢查，并每六個月（最好每三個月）利用一個優(yōu)質(zhì)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(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，否則僅僅測量蓄電池的端電壓不大可能檢測到任何潛在故障。

應(yīng)該至少每年對蓄電池組進(jìn)行一次核對性放電測試。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出現(xiàn)分層現(xiàn)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(xiàn)象會最終導(dǎo)致在硫酸濃度較高的區(qū)域出現(xiàn)極板腐蝕。

計劃性維護(hù)的問題是，像汽車的年檢一樣，計劃維護(hù)實(shí)際上只針對當(dāng)時有效。另外，因?yàn)闇y量或測試參數(shù)的不同，以及維護(hù)是否操作正確，有時甚至連當(dāng)時有效都做不到。

許多失效模式可以在很短的時間內(nèi)發(fā)展成蓄電池徹底失效，有時候也就幾個星期。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)，以及電阻或阻抗測試（即使更為全面），仍然無法讓用戶了解在定期維護(hù)期間到底會發(fā)生什么，這也就是定期維護(hù)的最大弱點(diǎn)。

實(shí)際上，除了電阻測試外，蓄電池單獨(dú)放電測試是維護(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)的唯一絕對有效的方法。不幸的是，電池組單獨(dú)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(yùn)行下去，實(shí)際上，在放電測試后進(jìn)行充電常常會加速落后蓄電池的失效，這種現(xiàn)象并不少見，而這種失效通常在出現(xiàn)下一次電網(wǎng)供電故障時才會被檢測到。另外，獨(dú)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(tǒng)甚至耗費(fèi)1到2天才能完成此類測試。

監(jiān)控數(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，廉價的監(jiān)控系統(tǒng)通常只會監(jiān)控蓄電池組的總電壓，有時會把蓄電池組一分為二進(jìn)行比較。采用分別測量兩部分的電壓然后進(jìn)行比較的方式對蓄電池組進(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)榇祟愊到y(tǒng)不大可能敏感到可以檢測到因?yàn)橐粋€缺陷蓄電池而導(dǎo)致的在半個蓄電池組的230伏電壓上出現(xiàn)的千分之幾伏的變化，同時，來自整流器/逆變器的大量系統(tǒng)噪音也會大大增加檢測難度。

有些連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)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?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發(fā)生微小變化。因此，監(jiān)控單個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程中或獨(dú)立放電測試過程中收集數(shù)據(jù)。

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

不過，多年來，更昂貴的蓄電池組監(jiān)控系統(tǒng)一直提供對單個蓄電池的內(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)有很多人針對此問題完成了許多測試，也過很多文章，就蓄電池劣化與內(nèi)部電阻或阻抗值之間的關(guān)系進(jìn)行了對比。盡管兩者之間沒有直接關(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，而且看起來是一個無需進(jìn)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(yè)人士對內(nèi)阻測試的方式還有疑問，認(rèn)為這種這種方法不是非常可靠。稍后會對產(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)的五個關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)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(shù)。

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(guān)鍵參數(shù)。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(bǔ)償?shù)模贿^有時候這會導(dǎo)致其自身出現(xiàn)問題，稍后會詳細(xì)討論這些問題。

l 單個蓄電池阻抗或電阻：該參數(shù)與單個蓄電池溫度參數(shù)大概是針對蓄電池失效模式進(jìn)行檢測的兩個最有效的參數(shù)，不過這里有所保留，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或?qū)Ρ憩F(xiàn)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(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，您的蓄電池組基本上就擁有了當(dāng)今最全面、最可靠（在檢測潛在蓄電池失效方面）的系統(tǒng)，不過在這些參數(shù)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(fù)數(shù)的直流“實(shí)部”，與“虛部”相對應(yīng)）值在失效蓄電池檢測過程中是一個非常強(qiáng)大的工具，不過通常認(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)常會出現(xiàn)電阻或阻抗監(jiān)控?zé)o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(jù)的，不過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，采用小電流測試或不太可靠的測量方法測量內(nèi)阻或電阻，會得到各種非常戲劇性的測試結(jié)果。

圖4示意圖圖解說明了小測試電流和/或不良測試技術(shù)下得到的內(nèi)阻結(jié)果。充滿狀態(tài)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(jìn)行浮充時，該數(shù)值提高到大約2.27 VPC。對在浮充電狀態(tài)下的蓄電池進(jìn)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(yīng)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(qū)域，浮充時的過壓和電化學(xué)反應(yīng)的反電動勢（Back EMF）導(dǎo)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(dǎo)性數(shù)據(jù)。

圖5示意圖說明了一個在浮充狀態(tài)下測試蓄電池內(nèi)阻的有效方法。這種方法采用一個持續(xù)幾秒鐘的單電流脈沖放電。這種方法采用40A或更高的測試電流，利用測試電流（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)阻測試方法之一，在實(shí)際運(yùn)用中也得到了可靠的測試結(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?yàn)橐谝粋€很小體積的模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(jìn)行，該算法可以保證蓄電池電壓的響應(yīng)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(jī)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。