萊姆蓄電池在線監測解決方案

北京萊姆電子有限公司 安云良

1 蓄電池監控的必要性

隨著我國通訊、電力、UPS等行業的迅猛發展，蓄電池的用量也在快速增加。就目前蓄電池的使用條件，經常會發生一些意想不到的狀況，例如看似正常的蓄電池不能正常放電。這種狀況的發生主要原因在于蓄電池的運行狀態沒有得到有效的監測，一旦由多個蓄電池串聯構成的蓄電池組中出現某一塊蓄電池失效，就會導致整個蓄電池組不能正常放電。

圖1 木桶理論示意圖

蓄電池作為安全不間斷供電的最后一道保障措施，同時也是不間斷供電系統里最不安全的因素。從系統理論了解到，系統安全程度取決于系統中最不安全的因素，也就是人們經常引用的“木桶理論”。

2 蓄電池監控的現狀

2.1 計劃性維護

目前就蓄電池的維護而言最常規的做法是至少每年對蓄電池組進行一次核對性放電測試。因為如果蓄電池組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。

但是采取這種計劃性的維護，由于兩次維護間隔時間太長而并不能連續監測蓄電池的狀態；同時用戶在進行過放電測試后的第二天并不能確保蓄電池組是否會正常運行；另外，放電測試通常會消耗幾個小時甚至幾天的時間，這是一個高成本、對電池具有破壞性、不安全的過程（包括重新充滿電）。

圖2

2.2 通過監控電池電壓來監測蓄電池

針對蓄電池的運行機理和失效模式，國內已經有相關的標準出臺，在直流供電的場合安裝對蓄電池監測的必要裝置，例如電壓巡檢儀等。但是根據后備蓄電池的工作條件，有可能長期不放電，在兩次定期核對性放電測試期間，同樣有可能失效，而電池的端電壓是完全正常的。如圖2所示（摘自IEEE）。

由此可以看出僅檢測電壓是完全不夠的，且還容易誤導用戶，將壞電池作為好電池來使用，這種危害相當大。

那么有無好的辦法能夠更加有效地監測蓄電池的狀態，并且能夠在蓄電池性能下降到一定程度時給出預警信號，使用戶能夠在蓄電池失效之前將電池更換或進行維護，從而避免災難性的斷電情況的發生呢？答案是肯定的。通過測量蓄電池內部電阻的狀態可以有效地預測蓄電池的劣化程度，也就是能夠準確地監測蓄電池的健康狀態SOH(Status Of Health)。如圖3所示。

圖3 蓄電池監測曲線

圖中加重的曲線顯示蓄電池的內阻在10～11月期間因為各種原因急劇上升，因此可以判斷出蓄電池的狀態已經嚴重劣化，經過對電池的放電，證實的確是電池已經失效。

3 LEM蓄電池監控模塊介紹

從以上的分析中可以歸納出監控蓄電池的幾個必備條件，分別為：需要進行連續監控；需要對單個蓄電池監控；需要監控蓄電池的內阻。

LEM公司針對蓄電池的運行機理及失效模式開發了世界上體積最小且高度集成各種功能的智能蓄電池傳感器Sentinel，能準確測量單體蓄電池的內阻、溫度以及電壓等參數，通過串口通訊協議對其進行操作，實現對蓄電池的連續監控。如圖4所示。

圖4 LEM智能蓄電池傳感器Sentinel

該器件的常規參數如下：

（1）測量電壓1.5～15V，精度+/- 0. 5% ；

（2）溫度誤差，+/- 2℃ ；

（3）內阻的測量重復度+/- 2% ；

（4）全部采用接插件，安裝極為快捷；

（5）省電模式下<3mA；

（6）5年質量保證。

比較市場同類蓄電池監控產品簡單來說主要有以下4個優點：

（1）分布式安裝，模塊與蓄電池一一對應，現場布線簡單且工程成本低；

（2）獨立的模塊使得監控非常靈活，相對于集中式監控產品來說在蓄電池數量少的地方更凸顯優勢；

（3）模塊采用脈沖電流放電法測量內阻（如圖5所示），放電電流小（12V蓄電池放電電流小于2A），不但安全且對蓄電池不易造成傷害；

圖5 采用脈沖電流放電法測量內阻曲線圖

（4) 瑞士總部與RWTH亞琛大學合作多年潛心研究的測量算法，測量的阻值可靠（如圖6所示），抗干擾能力強，質保期5年。

圖6 瑞士LEM總部在德國AACHEN工業大學進行了長期測試，圖中經由LEM模塊測量出的內阻與實驗室設備EISmeter分析儀測量出的阻值基本一致

4 LEM蓄電池監控系統介紹

LEM的電池監控解決方案是一個完整的解決方案，包括一系列組件，能夠簡單快速的安裝，該方案包括以下組件：

（1）Sentinel：可以測量單個VRLA電池或富液式電池的電壓、溫度和內阻，通過專屬總線S-BUS傳送給數據記錄器S-BOX；

（2）電流傳感器：電流傳感器檢測電池組的狀態（充電、放電或者浮充狀態）；

（3）S-BUS Converter：該模塊將S-BUS協議轉換成標準的串行輸出協議；

（4）S-BOX：帶有Ethernet接口的數據記錄裝置，用來記錄每一個Sentinel的趨勢和報警；

（5）Cellview Net：和S-BOX配合使用的可視化軟件，用于圖形化顯示各種數據，報警以及生成各種報告。

如圖7所示。

當然OEM廠商也可以僅使用LEM提供的Sentinel模塊，與其自身的系統配合形成具有自身特色的蓄電池監控系統。這些廠家既可以是UPS制造商，也可以是專門開發蓄電池監控系統的集成商。

圖7 LEM蓄電池監控系統圖

LEM的sentinel模塊目前已經在國內尤其是電力行業得到了很好的應用。

總之，該套解決方案非常適合目前的通訊、電力以及UPS后備蓄電池的監控，相信LEM的蓄電池監控產品必將對我國的安全用電系統做出應有的貢獻。