蓄电池在线监测技术探讨

赵娟娟

摘要：本文首先分析了蓄电池故障产生的机理，通过对故障产生机理的分析，提出了蓄电池在线监测方法的原理。通过对蓄电池在线监测技术三个发展阶段的介绍，结合对部分关键技术的深入探讨，对蓄电池在线监测技术进行了总结探讨。

关键词：蓄电池，在线监测，技术探讨

0引言

当前，电力系统广泛采用电池密闭封装，运行中无需进行传统的电解液控制维护的阀控铅酸蓄电池。然而，电池密封在使用方便的同时，也使得观测和维护更加困难，不合理的工作条件导致电池的使用寿命缩短，更为严重的是由于缺乏有效的监测维护手段，不能及时、准确地掌握电池状态，无法消除电池问题带来的隐患。通过对蓄电池进行在线监测可以有效地对蓄电池故障进行诊断预防，对系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。

1蓄电池故障机理分析

1.1电池失水

铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高、电池正极栅板腐蚀，使电池的活性物质减少，从而造成电池容量降低而失效。

充电时水的电解是长期以来困扰铅酸蓄电池密封化的难点，当充电达到一定电压时，蓄电池正极放出氧气，负极放出氢气。一方面释放气体造成酸雾污染；一方面电解液中水分减少，必须隔一段时间进行补加水维护。

1.2负极板硫酸化

当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时，在电池的正负级栅板上就会有PbSO4存在，PbSO4长期存在会失去活性，不能再参与化学反应。这一现象称为活性物质的硫酸化。

硫酸化使电池的活性物质减少，降低电池的有效容量，也影响电池的气体吸收能力，久之将导致电池失效。为防止硫酸化的形成，电池必须经常保持在充足电的状态。

1.3正极板腐蚀

由于电池失水，造成电解液比重增高，过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀。防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。

1.4热失控

热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损坏蓄电池。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气，电池容量下降，电池失效。选择合理的浮充电压，是减少热失控发生，延长电池使用寿命的重要因素。

2蓄电池在线监测技术

从发展的过程来看，蓄电池在线监测技术经历了三个阶段。

2.1第一个阶段的蓄电池在线监测技术主要实现现场显示蓄电池电压和充放电电流，温度，蓄电池过、欠压报警等。

此时的蓄电池在线监测技术能实现实时采集监测蓄电池的电流、电压、温度等蓄电池特征信息，对蓄电池实时性能进行分析判断，为蓄电池故障做出监测及预警。在线监测通过监测设备与电池连接，实时采集和报告电池组电压、单体电压、充放电电流、温度等运行参数，并进行充、放电管理，有效地弥补了人工检查的弱点。电池组电压测量可以发现充电机的参数设置是否正确；单电池电压测量可以发现单电池浮充电压是否正确，单电池是否被过充电、过放电；温度测量主要用于发现电池的工作环境是否通风不良、温度过高。

2.2第二个阶段的蓄电池在线监测技术在第一个阶段的基础上，实现了在线内阻测试功能和容量测试功能。

2.2.1在线内阻测试技术

备用场合使用的VRLA电池一般容量很大，在几十到数千安时，电池的内阻值很小。由于阻值低，电池正负极输出感应的电压幅值很小，尤其是在线测量时电池端存在充电纹波和负载变动时的动态变化，要准确测量内阻是有一定难度的。常见的内阻测试方法有以下几种：

a.直流方法

直流方法是在电池组两端接入放电负载，根据在不同电流(I1、I2)下的电压变化(U1一U2)来计算内阻值。

由于内阻值很小，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确测量带来困难，由于放电过程电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值。实际测最中，直流方法所得数据的重复性较差，准确度很难达到10％以上。

b.交流方法

从理论上讲，向电池馈入一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻。

在实际使用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧级，因此，产生的电压变化幅值也在微伏级，信号容易受到干扰。尤其是在线测量时，受到的影响更大。

2.2.2.容量测试技术

为了检验蓄电池组的可备用时间及实际容量，保证系统的正常运行，需要对蓄电池组进行核对性放电测试，一般每年一次。这时的蓄电池在线监测技术采用放电设备对蓄电池进行放电。这个过程中用到的放电设备包括可变电阻、电阻盘、碳棒、水槽等，这些设备需要人工调节放电电流，控制精度低，劳动强度大。随后部分厂家推出的负载测试仪器可连续调控放电电流，实现定电流恒流放电。在放电时，当组端电压或单体电压跌至设定下限值，或设定的放电时间到，仪器自动停止放电，在放电过程中，显示放电电流、电压、时间及放电曲线并将数据保存在设备中。设备配有计算机管理分析软件，可下载放电数据进行查询、分析和报表输出。蓄电池组负载测试设备可根据需要与无线蓄电池测试系统配套使用，实现对单体电池电压的监测，并自动对设备进行控制。加上这类设备体积小、重量轻、使用简单、安全可靠、恒流精度高，使蓄电池在线监测技术在容量测试方面能达到一个相当高的应用水平。

2.3第三个阶段的蓄电池在线监测技术则在前两个阶段的技术基础上实现了在线均衡维护技术并可以通过蓄电池失效判断数学模型判断电池性能变化趋势。

2.3.1.在线均衡维护技术

均衡技术采用间歇式优先充电的双闭环控制模型，内部采用固态开关而非触点继电器，无拉弧、无明火、寿命长。每个模块分散并联安装在每节蓄电池上，实现长期在线动态均衡，利用开关电源技术，以能量转移方式将高电压电池的电量转移到低电压电池，电量转移是双向并行进行，即任何一节高电压电池的电量，都可以同时并行转移到任何一节低电压电池，从而达到电池电压均衡。

2.3.2.蓄电池失效判断数学模型

电池失效数学模型的判定依据有以下几点：

●伴随着电池性能的劣化，该电池相对于自身的电池电压离散度将逐步变大；

●伴随着电池性能的劣化，该电池相对于整组电池的电池电压离散度将逐步变大；

●伴随着电池性能的劣化，该电池相对于自身的内阻值将逐步变大；

●伴随着电池性能的劣化，该电池的充放电曲线电压之差相对于电池组其它电池的值将逐步变大。

在电池失效分析数学模型中，采用了模糊数学和人工神经网络的诊断原理，以一种非线性处理方式，以某种拓扑结构对各种数据进行关联，并得出判断结论。其最大特点就是它的自适应功能，网络权值可以通过学习算法不断地调整，从而不断提高判断的精度。一般通过3-6个月的数据积累，模型即可给出分析结果，随着时间增加和测试结果的反馈，模型将不断学习改进，分析精度也会得到提高。

蓄电池失效判断数学模型为电池的失效预测和电池容量估算提供了有效手段。较之单一的测试电导或测试电压，而相互数据没有关联，模型提供的分析更完善，更有效，更准确。

应用软件根据蓄电池组各单体电池纵向、横向的变化趋势，利用人工智能分析模型，预测各电池的内在容量和性能百分比，对蓄电池组的维护和检修给出非常直观的指导意见。

3总结

本文通过对蓄电池故障机理进行了分析，并介绍了蓄电池在线监测技术发展的三个阶段，对其中的一些关键技术进行了深入的分析。虽然蓄电池故障机理复杂，但经过不断的总结分析，当前的在线监测技术对蓄电池故障诊断已经具有一定的使用价值，相信随着科学技术的不断提高，各种新方法原理的出现，必然会大力推动蓄电池在线监测技术的发展，实现蓄电池全面准确的监测将会成为现实。

作者简介：赵娟娟（1981-），女，云南曲靖人，研究生。主要从事电气自动化科研教学工作。