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摘 要 閥控鉛酸蓄電池的維護(hù)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(jī)理，分析現(xiàn)行電池監(jiān)測和維護(hù)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(hù)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(jì)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(hù)成本 有效性 經(jīng)濟(jì)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(hù)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(hù)工作普遍存在維護(hù)工作不到位；流程復(fù)雜、針對性差；維護(hù)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(hù)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(hù)工作的重點。通過科學(xué)的指導(dǎo)，降低蓄電池維護(hù)工作的強(qiáng)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(hù)的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(hù)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(hù)手段應(yīng)具有以下功能:

1、避免蓄電池故障特別是嚴(yán)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(yán)重劣化造成的爆炸和燃燒是對于蓄電池日常維護(hù)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(yán)重劣化的蓄電池上。

2、能夠簡化蓄電池維護(hù)的流程和降低維護(hù)工作量。

對于電源系統(tǒng)的維護(hù)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(hù)。有效的蓄電池監(jiān)測和維護(hù)手段應(yīng)該能大大降低蓄電池日常維護(hù)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(hù)工作做到有的放矢。

3、能使蓄電池達(dá)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(hù)手段進(jìn)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(hù)科學(xué)性和有效性的方法。

閥控鉛酸蓄電池維護(hù)測試方法

1） 傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)方法

國際電工學(xué)會鉛酸蓄電池檢測和維護(hù)規(guī)范IEEE1188-1996中對于蓄電池維護(hù)規(guī)定，對于鉛酸蓄電池的維護(hù)應(yīng)做到以下4點：實時、準(zhǔn)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(jìn)行一次核對性放電。

該標(biāo)準(zhǔn)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(hù)的要求，很難在我們的日常維護(hù)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(hù)工作采用了相對簡化的維護(hù)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(jī)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(hù)流程在降低了蓄電池維護(hù)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(jìn)一步加大放電試驗密度將使蓄電池維護(hù)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(hù)管理手段落后。維護(hù)工作缺乏主動性、預(yù)防性。『3』

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(biāo)，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(biāo)，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(dāng)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(dāng)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(dá)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(dá)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(dá)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(dāng)電池組中出現(xiàn)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。

但是，僅僅對于蓄電池的電壓、電流和環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測還無法達(dá)到有效維護(hù)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(yán)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(rèn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(biāo)。

    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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(kuò)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(rèn)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(jìn)行判斷。很少有廠家能夠提供嚴(yán)謹(jǐn)、完整的判斷標(biāo)準(zhǔn)

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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(zhǔn)確檢知蓄電池組中的嚴(yán)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(dāng)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(zhǔn)確性應(yīng)該能達(dá)到80%以上；對于嚴(yán)重劣化蓄電池或故障蓄電池應(yīng)達(dá)到95%以上。 依照監(jiān)控廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)是否能夠達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，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(yán)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(biāo)稱容量300Ah的蓄電池進(jìn)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(yán)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(yán)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(dāng)同組中個體蓄電池的阻抗超過正常值40%時，一般可認(rèn)定為故障蓄電池，應(yīng)及時更換。當(dāng)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(yán)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(zhǔn)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(yán)重故障的蓄電池組。

蓄電池在線阻抗測試技術(shù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

電池單體阻抗/電壓測試系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)測試模式，有效提高維護(hù)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(jìn)行放電以核對容量。當(dāng)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?zhǔn)资巧贁?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(dāng)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(zhǔn)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(yuǎn)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(jì)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(dāng)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(xiàn)：

『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)