摘 要 閥控鉛酸蓄電池的維護與故障預(yù)防，消耗了運維人員大量精力與費用。本文結(jié)合閥控鉛酸蓄電池故障機理，分析現(xiàn)行電池監(jiān)測和維護方法存在的問題。利用電池單體在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對于單體電池阻抗的測量及蓄電池相關(guān)參數(shù)綜合分析，提高電池組安全性、有效降低運行維護工作量。本文分析了基于蓄電池阻抗測試的在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性、經(jīng)濟性和不足，并結(jié)合相關(guān)的測試數(shù)據(jù)探討可替代全電池組容量試驗方法。

關(guān)鍵詞 閥控鉛酸蓄電池 電池在線內(nèi)阻/電壓監(jiān)控 故障預(yù)測 維護成本 有效性 經(jīng)濟性

前言

閥控鉛酸蓄電池組（VRLA，以下簡稱蓄電池）是通信系統(tǒng)中采用最廣泛的備用電源蓄電池，是UPS電源系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)在正常供電中斷時穩(wěn)定可靠運行的最后保障。 科學(xué)有效的維護是保障蓄電池系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。目前對于蓄電池的維護工作普遍存在維護工作不到位；流程復(fù)雜、針對性差；維護手段匱乏等問題。蓄電池系統(tǒng)已經(jīng)成為電源系統(tǒng)中最不可靠的部分。在重大的電源事故中，由于電源自身故障引發(fā)的事故占10%、開關(guān)切換故障引發(fā)事故占20%，而其余70%的事故都是與蓄電池故障相關(guān)的。

有效的監(jiān)控和科學(xué)的維護對于提高蓄電池組穩(wěn)定性至關(guān)重要。發(fā)現(xiàn)和解決蓄電池系統(tǒng)中的隱患、提高蓄電池組的安全性是目前對于蓄電池維護工作的重點。通過科學(xué)的指導(dǎo)，降低蓄電池維護工作的強度也是運維工作所追求的。

目前，大部分運營商普遍采用的蓄電池監(jiān)控和維護的標準流程是：

? 現(xiàn)網(wǎng)電池浮充電壓、浮充電流的日常巡檢 （每月1次）；

? 樞紐機房蓄電池組核對性放電試驗，放出容量的30％～40％（每年1次）；

? 蓄電池全容量放電試驗（每年1次）

? 有條件的地區(qū)對于部分UPS 電源和通信電源還配備了電壓巡檢設(shè)備，實時檢測單體蓄電池電壓、電池組電流和溫度，并通過動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)集中監(jiān)控。

從實際效果來看，以上的維護措施并沒有杜絕蓄電池故障的發(fā)生，甚至并沒有實現(xiàn)大幅度提高蓄電池系統(tǒng)可靠性的目的。究其原因，應(yīng)該主要在于以上措施缺乏足夠的科學(xué)性和有效性。

科學(xué)、有效的蓄電池監(jiān)測和維護手段應(yīng)具有以下功能:

1、避免蓄電池故障特別是嚴重故障的發(fā)生。

保障蓄電池具有合理的容量和避免由于蓄電池嚴重劣化造成的爆炸和燃燒是對于蓄電池日常維護工作的重點。由于蓄電池的容量損失造成的電源系統(tǒng)整體備用時間不足是目前比較普遍存在的現(xiàn)象。蓄電池的熱失控現(xiàn)象是非常危險的故障，一旦發(fā)生蓄電池的爆炸和燃燒所造成的損失和危害將是非常巨大的。蓄電池的熱失控現(xiàn)象往往發(fā)生在具有嚴重劣化的蓄電池上。

2、能夠簡化蓄電池維護的流程和降低維護工作量。

對于電源系統(tǒng)的維護工作中，最消耗時間和精力的部分就是對于蓄電池的檢測和維護。有效的蓄電池監(jiān)測和維護手段應(yīng)該能大大降低蓄電池日常維護工作量。借助于有效的監(jiān)控，能夠直觀了解各單體電池的使用狀態(tài)和劣化狀態(tài)，使維護工作做到有的放矢。

3、能使蓄電池達到設(shè)計要求的使用壽命，降低蓄電池更換成本。

結(jié)合以上三個方面，本文將對現(xiàn)有的維護手段進行分析，結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，探討通過在線單體電池阻抗測試和分析技術(shù)，提高蓄電池維護科學(xué)性和有效性的方法。

閥控鉛酸蓄電池維護測試方法

1） 傳統(tǒng)的蓄電池維護方法

國際電工學(xué)會鉛酸蓄電池檢測和維護規(guī)范IEEE1188-1996中對于蓄電池維護規(guī)定，對于鉛酸蓄電池的維護應(yīng)做到以下4點：實時、準確的單體蓄電池電壓、電池組電流和環(huán)境溫度的監(jiān)控；每月1－2次的單體蓄電池內(nèi)阻測試并跟蹤蓄電池內(nèi)阻變化趨勢；每年2次的核對性放電；對現(xiàn)場使用時間超過2年的蓄電池，應(yīng)做到每3個月進行一次核對性放電。

該標準在提高了蓄電池系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性的同時，也大大提高了對于蓄電池日常維護的要求，很難在我們的日常維護中得到充分的執(zhí)行。結(jié)合我們自身的實際情況，大部分運行維護工作采用了相對簡化的維護流程：

? 現(xiàn)網(wǎng)電池浮充電壓、浮充電流的日常巡檢 （每月1次）；

? 樞紐機房蓄電池組核對性放電試驗，放出容量的30％～40％（每年1次）；

? 基站電池全容量放電試驗（每年1次）

簡化了的維護流程在降低了蓄電池維護工作量的同時，也提高了蓄電池組的安全隱患。即便是按照簡化后的流程執(zhí)行，對于蓄電池的日常巡檢和定期放電仍需要大量的人力、物力才能完成。一年一次的全容量放電的測試密度仍然不能做到及時發(fā)現(xiàn)電池性能的劣化狀況；進一步加大放電試驗密度將使蓄電池維護所牽扯的人力、物力投入過大，缺乏可操作性；對于現(xiàn)網(wǎng)的數(shù)量龐大的蓄電池，缺乏系統(tǒng)性的運行性能統(tǒng)計、趨勢分析、預(yù)警和質(zhì)量管理的支撐平臺，維護管理手段落后。維護工作缺乏主動性、預(yù)防性?！?』

2） 蓄電池運行參數(shù)監(jiān)控

蓄電池運行參數(shù)包括蓄電池的單體電壓；電池組電壓、電流和環(huán)境溫度等參數(shù)。目前，對于這些參數(shù)的測量主要依靠人工定期巡檢和在線式電壓檢測儀來完成。電壓、電流和環(huán)境溫度是蓄電池的運行參數(shù)指標，也是蓄電池穩(wěn)定運行的最基本的保障。保證蓄電池具有合理的電壓和電流指標，是蓄電池系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。

惡劣的運行環(huán)境將大大縮短蓄電池的使用壽命，加大蓄電池的安全隱患。環(huán)境溫度過高，會加速蓄電池失水，造成蓄電池失效加速。在35℃時運行蓄電池的劣化將加速一倍；在55℃時，對于蓄電池浮充一個月所造成的劣化相當于在25℃時浮充一年的等級。同樣，過高的充電電壓也將大大加速蓄電池的劣化速度。當充電電壓或環(huán)境溫度過低時，蓄電池的容量飽和度很難達到100%，也直接體現(xiàn)為蓄電池放電容量不足。過放電對于蓄電池的損害是非常大的。對于串聯(lián)使用的蓄電池組，由于蓄電池個體之間的差異，放電過程中不同蓄電池達到終止電壓的時間差異很大。電池組中的某些劣化蓄電池達到放電終止電壓的時間往往大大提前于其他蓄電池。以電池組電壓為單位計算放電終止電壓，易造成蓄電池組中部分劣化蓄電池過放電甚至是深度過放電，加速蓄電池組中故障蓄電池的出現(xiàn)。放電過程中，當電池組中出現(xiàn)達到終止電壓的單體蓄電池時應(yīng)停止放電，而不是以電池組電壓為參考標準。

但是，僅僅對于蓄電池的電壓、電流和環(huán)境溫度進行監(jiān)測還無法達到有效維護蓄電池的目的。蓄電池運行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的意義更多體現(xiàn)在對于蓄電池運行環(huán)境的合理性檢測，而不是蓄電池故障的排查。性能很差的蓄電池在浮充狀態(tài)時，端電壓的變化并不明顯，甚至有“浮充電壓正常但放電時出現(xiàn)嚴重故障”的情況『1』。而等到蓄電池放電時發(fā)現(xiàn)異常，往往為時已晚。

3）蓄電池阻抗/電導(dǎo)在線監(jiān)測

    蓄電池的阻抗/電導(dǎo)測試技術(shù)是目前國際公認的蓄電池故障快速檢測方法，也是蓄電池在線監(jiān)測管理的發(fā)展方向。該技術(shù)在民用中已經(jīng)得到了較好的普及，對于手機電池和汽車電瓶的故障快速檢測都是基于蓄電池的阻抗/電導(dǎo)進行判斷的。在工業(yè)電源蓄電池檢測領(lǐng)域中，除國際電工學(xué)會IEEE1188將蓄電池阻抗測試列為日常檢測內(nèi)容外，美國的TIA-92 (數(shù)據(jù)中心通用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)范 2005年版)和我國的GB50174-2008(電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范)也將蓄電池阻抗在線監(jiān)測列為數(shù)據(jù)中心蓄電池的重要監(jiān)測指標。

    目前采用的電池的內(nèi)阻測試設(shè)備主要分為在線式與離線式兩種。在線式測試系統(tǒng)，能自動化的、持續(xù)的監(jiān)測各單體蓄電池參數(shù)，實現(xiàn)對于蓄電池的生命周期全過程管理。離線式測試系統(tǒng)（如手持式儀表），偏重于電池篩選過程，可確保電池使用前的一致性。從實現(xiàn)手段看，分為直流放電法和交流注入法。直流放電法（專利U.S.Patent No:5,744,962）通過對蓄電池瞬時大電流放電，并測試蓄電池端電壓跌落獲得蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)。交流注入法采用，向蓄電池注入一定頻率的交流信號實現(xiàn)阻抗的測試。

    關(guān)于蓄電池的阻抗和電導(dǎo)的區(qū)別一直以來有一定的爭論。國際電工學(xué)會對于蓄電池的阻抗和電導(dǎo)的測試方法進行了如下的定義：將已知頻率的恒定電流注入到蓄電池，通過對蓄電池端電壓反饋進行測試，獲得的數(shù)據(jù)為蓄電池的阻抗；將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端，測量所產(chǎn)生的電流，獲得的數(shù)據(jù)為蓄電池的電導(dǎo)。即通過施加恒流信號，測試蓄電池電壓反饋的方法為阻抗測試法；通過施加恒壓信號，測試蓄電池電流反饋的方法為電導(dǎo)測試法。經(jīng)過對于目前世界市場主流的蓄電池測試設(shè)備分析和比較，以MIDTRONIC、BTECH、GRANDPOWER等為代表的主流蓄電池監(jiān)控設(shè)備生產(chǎn)廠家均采用恒流方式進行蓄電池的阻抗測試。也就是說，市場上主流的蓄電池阻抗測試設(shè)備，不管顯示的是蓄電池的阻抗或是電導(dǎo)，實際上都是基于國際電工學(xué)會定義的蓄電池阻抗測試方法實現(xiàn)的。因此，目前對于阻抗/電導(dǎo)的提法，主要針對于采用直流大電流放電法測量蓄電池內(nèi)阻而提出的。蓄電池的阻抗/電導(dǎo)測試的實質(zhì)是針對于蓄電池在一定頻率下復(fù)頻阻抗的測量，除了應(yīng)體現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻的歐姆內(nèi)阻之外，還要綜合考慮蓄電池的極化內(nèi)阻等復(fù)頻阻抗。在很多研究方法中『3』，采用下圖作為電池阻抗分析的等效電路。從等效電路，能夠看出對于蓄電池進行復(fù)頻阻抗綜合分析而不是單純的內(nèi)阻分析的必要性。

圖2：電池內(nèi)阻等效電路模型

圖3中Lp、Ln為正負極電感；

Rt.p和Rt.n是電極離子遷移電阻；

Cdl.p、Cdl.n是極板雙電層電容；

Zw.p、Zw.n為Warburg阻抗，是由離子在電解液和多孔電極中擴散速度決定的；

RHF為上文提到的歐姆電阻。

阻抗測試技術(shù)雖然被大多數(shù)人認可，但是在產(chǎn)品化的過程中也存在一些不足。通過對于目前市場中的蓄電池阻抗的監(jiān)測設(shè)備的綜合分析。我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題：

1、 各廠家設(shè)備測量出的參數(shù)不相同。由于各廠家采用的信號頻率存在差異，采用不同廠家的設(shè)備測量相同狀態(tài)下的蓄電池時，顯示的內(nèi)阻值不相同，甚至存在較大的差異。

2、 阻抗數(shù)據(jù)非常抽象，需要使用者具有一定的專業(yè)知識才能進行判斷。很少有廠家能夠提供嚴謹、完整的判斷標準

3、 部分廠家的測試結(jié)果與蓄電池實際容量劣化狀態(tài)相關(guān)性差。由于缺乏有效的界定標準，很難判斷某些設(shè)備阻抗數(shù)據(jù)的真實性。

針對以上問題，以下一些判斷標準可以作為評價阻抗測試設(shè)備的關(guān)鍵：

    能否通過該設(shè)備提供的阻抗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)嚴重劣化蓄電池？作為故障蓄電池的快速檢測方法，有效的測試設(shè)備應(yīng)該能夠準確檢知蓄電池組中的嚴重劣化蓄電池。 能否通過設(shè)備提供的阻抗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)早期劣化蓄電池？ 當蓄電池處于早期劣化狀態(tài)時，其阻抗的變化率將大大提高。通過連續(xù)、有效地監(jiān)控應(yīng)能夠發(fā)現(xiàn)蓄電池組中的早期劣化蓄電池。 通過該技術(shù)測試獲得的蓄電池阻抗與容量的相關(guān)性如何？蓄電池的阻抗和容量的關(guān)系是離散相關(guān)的。有效的阻抗測試設(shè)備提供的阻抗數(shù)據(jù)，對于早期劣化蓄電池識別的準確性應(yīng)該能達到80%以上；對于嚴重劣化蓄電池或故障蓄電池應(yīng)達到95%以上。 依照監(jiān)控廠家提供的標準是否能夠達到以上3點要求？ 設(shè)備的生產(chǎn)廠家應(yīng)能提出一套完整的蓄電池劣化判斷標準，而不是簡單提供阻抗數(shù)值。

4）蓄電池阻抗在線監(jiān)測系統(tǒng)實例

以下列舉了一些采用巨成科技GRANDPOWER U400系列UPS蓄電池監(jiān)測管理系統(tǒng)和SUM系列通信電源監(jiān)測管理系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)該用實例，說明并驗證各種典型狀態(tài)下蓄電池阻抗與容量的關(guān)系。

l 蓄電池組中故障蓄電池的識別

本組電池為300AH蓄電池，共24只，單體2V。通過浮充內(nèi)阻數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，蓄電池組中第15號蓄電池的浮充內(nèi)阻明顯高于其他蓄電池，超過正常值 40%，應(yīng)屬劣化較嚴重的蓄電池。內(nèi)阻分布圖如下所示：

圖3：各單體電池浮充阻抗分布

    采用40A對標稱容量300Ah的蓄電池進行放電，放電4小時后，第15號蓄電池端電壓為1.856V，低于其他蓄電池70-100mV。該蓄電池容量不足70%，屬于故障蓄電池。下圖為放電終止時各單體電池端電壓分布。

圖4：各單體電池放電電壓分布

1 蓄電池組中部分劣化蓄電池的識別 
500AH蓄電池共24只，單體2V。通過浮充數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其中有3只蓄電池內(nèi)阻與蓄電池組中其他蓄電池存在一定偏差。

圖5，用浮充內(nèi)阻判斷出3只電池內(nèi)阻偏離

l 容量嚴重劣化的蓄電池組 
UPS蓄電池單體12V，每組24只，2組并聯(lián)共48只。以下數(shù)據(jù)為該組蓄電池在更換前測試獲得的，該組電池已不具備放電能力。從數(shù)據(jù)中可以看出，由于蓄電池組的嚴重劣化，電池組中各單體電池在阻抗數(shù)據(jù)上偏差非常大。另外，在浮充電壓的均衡性上也存在較大的差異。

l 實例分析

通過以上的測試實例可以看出，當同組中個體蓄電池的阻抗超過正常值40%時，一般可認定為故障蓄電池，應(yīng)及時更換。當蓄電池阻抗超過正常值20%以上時，應(yīng)密切關(guān)注。故障蓄電池組的典型表現(xiàn)是電池組中各單體電池阻抗分布不均勻。在嚴重劣化的蓄電池組中，各單體電池的浮充電壓表現(xiàn)也是不均衡的。

以上實例中只是列舉了部分時間點的阻抗測試數(shù)據(jù)，通過連續(xù)的跟蹤測試，能大大提高阻抗與容量的相關(guān)性和分析的準確性。另外，在不具備阻抗測試條件的場合應(yīng)密切關(guān)注蓄電池組中各單體電池浮充電壓的均衡程度，及時發(fā)現(xiàn)存在嚴重故障的蓄電池組。

蓄電池在線阻抗測試技術(shù)的經(jīng)濟指標

電池單體阻抗/電壓測試系統(tǒng)的經(jīng)濟性，是除安全性之外運維工作的第二項主要要求。通過有效的蓄電池阻抗監(jiān)測的引入，能夠大大降低蓄電池維護的工作量與成本。

1） 電池單體內(nèi)阻監(jiān)測對運維成本的節(jié)省

在部分基站的測試中，初步測算，對蓄電池組采用在線內(nèi)阻/電壓檢測系統(tǒng)后，可減少維護人工、物料成本60%『4』。

浙江移動的研究『3』表明，電池電導(dǎo)在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠幫助維護人員快速發(fā)現(xiàn)故障電池，全面、及時掌控電池組的實際運行狀況，從而徹底改變傳統(tǒng)的電池維護測試模式，有效提高維護管理效率60％以上。

2） 電池單體內(nèi)阻監(jiān)測對電池更換的成本節(jié)省

在傳統(tǒng)的電池運維方法中，定期按規(guī)范對電池組進行放電以核對容量。當放電容量小于設(shè)計容量的80%時候，通常采取電池組整組更換的方法。而電池組放電容量下降主要的罪魁禍首是少數(shù)的弱化、落后電池，而整組電池的報廢與更換，無疑浪費了“好”電池，增加了用戶的成本投入，導(dǎo)致全社會的浪費，也與當前節(jié)能減排工作背道而馳。

有運營商對電池電導(dǎo)檢測『3』，可實現(xiàn)相對準確地掌控電池組中每個單體的容量范圍，避免電池的盲目報廢，預(yù)計可使電池報廢數(shù)量降低30％以上，節(jié)能減排效益明顯。

3） 電池單體內(nèi)阻檢測系統(tǒng)的投資回報ROI

管理者通常關(guān)注的是資本回報或投資回報ROI（Return of invest）。

早期的電池單體內(nèi)阻檢測系統(tǒng)昂貴，今天仍有不少國外品牌價格高昂，他們通常一套電池單體內(nèi)阻監(jiān)控系統(tǒng)，其價格遠比被監(jiān)測的電池組貴，所以投資回報ROI通常為5～8年（按簡單回本期計算）『4』，其經(jīng)濟性是比較差的。

最新的電池單體內(nèi)阻檢測系統(tǒng)成本大幅下降，當然不同廠家的不同系統(tǒng)的投資回報有一定差異，但是不少性能優(yōu)異的廠家，其ROI已經(jīng)降到1.5～3年（按簡單回本期計算），部分系統(tǒng)已經(jīng)降低到1.5～2年回報，已完全具備大規(guī)模應(yīng)用的條件。

參考文獻：

『1』 劉希禹 《閥控鉛酸蓄電池的監(jiān)控和故障預(yù)測》

『2』 朱松然 《鉛蓄電池技術(shù)》

『3』 浙江移動 《電池容量與電導(dǎo)（內(nèi)阻）咬合度研究報告》

『4』 北京巨成測試與試驗數(shù)據(jù)