联系电话:029-88329053

蓄电池在线监测技术白皮书

发布时间:2021-11-08 13:42:11

、背景:

        现代社会不能停电的场合越来越多,很多关键设备都配置了应急后备电源,防止市电突然中断时关键设备断电而造成事故。目前常用的后备电源主要有通信电源、UPS、EPS、直流操作电源、高压直流电源等,基本都还是采用阀控式密封铅酸蓄电池作为应急储能设备。
        阀控式密封铅酸蓄电池属于危险化学品,使用过程中容易发生火灾甚至爆炸。
        阀控式密封铅酸蓄电池是电能和化学能的转化装置,对使用环境的温度、充放电电压、电流、时间、频率、电池组的一致性及安装和存放等都有严格的要求,实际使用中很容易发生电池故障。包括:硫化、干涸、爬酸、漏液、鼓胀变形、内部短路、开路、连接松动、热失控等。最终导致电池容量下降,寿命缩短。严重时还可能引起火灾和爆炸。
        后备电源中蓄电池一般都是成组使用,并采用长期在线浮充方式运行,电池组本身为非智能哑设备几乎没有任何故障预警、告警和自我保护功能。被动接受充电和放电。目前几乎所有类型的后备电源都只对整组电池进行简单的充放电管理,电源本身并不了解电池组的具体情况,尤其是单体电池状况。而电池组是串联结构,其中任何一节电池发生故障轻则会逐步拖垮整组电池,严重时会使电池组提前退出运行而导致失电事故,甚至还可能导致火灾和爆炸事故。为了确保关键设备的供电安全,必须针对后备电源中的蓄电池组进行严格的日常检测和维护。蓄电池在线监测系统就是为了代替和减少人工巡检工作量,提高蓄电池日常检测和维护水平而慢慢发展起来的。
        随着智能社会的快速发展,应急后备电源市场每年都在快速增长,越来越多的蓄电池组需要检测和维护。到目前为止还有大量的蓄电池缺乏智能检测和维护手段,需要大量的人工巡检和维护,由于人工巡检的及时性和准确性无法保证,还有很多电池组虽然安装了电池监测系统但监测的指标不全面,检测精度不符合要求无法及时准确发现故障电池,存在安全隐患,每年都有很多由于电池故障而引发的供电安全事故。因此有很多行业都在制定蓄电池在线监测产品的技术标准,积极推动蓄电池在线监测产品向更准确、更智能、更高效的方向发展。

二、蓄电池在线监测系统的作用:

       1、 实现蓄电池的智能管理;
       2、 掌控安全风险;
       3、 简化蓄电池日常维护工作;
       4、 减少电池故障,延长电池寿命。

三、蓄电池在线监测系统的发展阶段:

       1、蓄电池组智能巡检仪(阶段)

        早期加装在后备电源蓄电池组上对电池组总电压、充放电电流和各单体电压进行监测,可以大量减少人工巡检过程中对单体电压测量工作,同时在电池充放电过程中对过充电和过放电进行告警。
主要是作为人工巡检工作的辅助工具存在。
       实现方式是在电池组上加装单体电压采集模块、霍尔电流传感器和具有液晶显示的现场监控主机,总电压一般采用单体电压累加方式获取。监测数据就地显示,现场声光告警。一般不统一组网监测,有些也会接入到动力环境监控系统中。
       存在的问题主要是功能过于简单,智能化程度不高,误告警较多,单体监测模块基本都采用集中式模块(一组电池一个集中模块或一个集中模块监测多节电池),电压采集线缆必须采用耐压等级足够的阻燃线,并且在线缆前端5公分处采用一次性过流保险进行隔离,防止短路。使用安装和后期维护比较复杂。
这个产品存在的时间很长到现在有十几年时间了,目前还有很多后备电源设计上都带有蓄电池智能巡检仪。

        2、蓄电池内阻监控系统(阶段)

        蓄电池内阻监控系统是从蓄电池巡检仪升级发展起来的,在原来总电压、电流、各单体电压监测的基础上增加了蓄电池单体内阻和温度指标的监测,并实现了统一组网监测功能。单体电池监测的实现方式上也由原来的集中模块发展到单节电池监测模块(每节电池一个监测模块),在现场安装和后期维护方面简化了很多,总电压一般也是采用单体电压累加方式获取。
        电池内阻是判断电池故障和容量可靠性的重要指标,可以在浮充状态下进行测试,对长期浮充电池而言电池内阻监测非常重要,同时实现了单体温度监测可以监测电池发热现象,有效预防电池热失控,防止因电池过热而引起火灾事故。该系统提供后台监控分析软件,可以对被测电池进行统一监控、智能管理和数据分析。实现了远程告警和电池故障分析功能。
       因此蓄电池内阻监控系统也就成为了蓄电池巡检和维护的重要辅助决策工具。
       但是蓄电池内阻监测系统发展比较缓慢,主要原因是内阻属于微小参数,需要进行高精密测量,尤其在电池组浮充时测量内阻会受到充电机纹波干扰,内阻监测的难度大大增加。实际上真正能准确测量电池内阻的在线监测系统非常少。大多数内阻监控系统内阻测量精度不符合要求,不能真实测量电池内阻。反而影响维护决策。同时由于抗干扰能力不足经常发生误告警。
        采用单节电池监测模块虽然简化了安装,但是通信时间大大增长,整组电池数据刷新率下降,数据的及时性变差,在监测的电池数据较多时,会产生延迟告警现象,尤其是在充放电时由于数据采集不同步,无法进行有效的数据分析。
        大多数单节电池监测模块采用被测电池供电,会导致电池一致性变差,还会使电池长期小电流放电而损伤,没有浮充的电池更会因长期小电流放电而报废。在内阻测试时需要对电池进行放电操作,监测模块本身需要做过压、过流、短路和过温保护,否则容易引发安全事故。
        基本上还需要进行放电或容量试验来最终判断电池故障和容量的可靠性。

        3、蓄电池在线监测及自动维护系统(阶段)

       蓄电池在线监测及自动维护系统是目前蓄电池智能监测和维护产品发展的最新阶段,在解决蓄电池内阻监控系统存在的诸多问题的基础上增加了危害比较大极柱漏液(容易引起火灾)监测功能,鼓胀变形监测功能、在线自动均衡维护功能、远程放电维护功能,智能专家分析软件系统,自动提供维护建议功能。监测指标更加全面,性能更加稳定。并进一步向自动化维护方面进行发展。
        逐渐成为蓄电池巡检和维护不可缺少的重要手段。
        蓄电池在线监测及自动维护系统监测功能更加全面包括电池组充放电状态、总电压、充放电电流、环境温度、各单体电池电压、内阻、极柱温度、极柱漏液、鼓胀变形、剩余容量(SOC)、放电可持续时间(SOH)、电池均衡度(电压、内阻、温度),总电压不再采用单节累加方式,而是直接采集总电压。
采用电子高精密测量技术,基础电压测量精度可以达到微伏级别,能真正准确测量电池内阻,针对性的抗干扰电路设计结合多种内阻测试模式,解决了浮充状态下内阻测试难题。内阻测量精度可以通过千分之一的标准电阻进行验证。
        单节电池监测模块不再采用被测电池供电,而是采用不间断电源手拉手独立供电,和通信线缆一起采用六芯阻燃线连接。
        配置高速集中采集模块来提高数据的刷新率,保证整组数据的实时性和同步性。
        具有过压、过流、过温、短路、反接保护功能,确保系统本身安全可靠。
        实现了在线自动均衡维护功能,在浮充状态下对电池组进行在线自动均衡维护,对欠充电池自动进行限压小电流补偿充电,使每节电池始终处于最佳活性状态,保持电池组电压均衡,防止电池长期欠充硫化或长期过充失水。从而减少电池故障,延长电池寿命。
        可以在电池极柱周围安装布置电池极柱漏液传感器,准确监测并定位漏液故障电池,并能定位到漏液极柱。
        可以在电池表面安装鼓胀变形传感器,监测电池鼓胀变形情况。
        配置远程放电设备,可以实现远程在线放电维护和核容试验。目前远程放电技术主要有三种方案,第1种是配置假负载,通过控制假负载进行放电,充电仍然采用后备电源本身充电模块,这种方案放电时需要将电池组脱离系统离线进行,还会产生大量热释放,现场需要有人监督,安全风险很高。第2种是配置全在线充放电设备,采用实际负载放电,充电采用后备电源本身充电模块,需要将设备串入主回路,原理是抬升或降低直流母线电压,使电池组对实际负载放电或使充电模块对电池组充电。相对第一种方案要安全些并且发热小,电能不损失。但成本比较高,并且采用实际负载放电,所以不能实现恒流放电测试。由于设备需串入主回路也存在较高的安全隐患。第3种是采用逆变技术将电池的放电能量逆变成交流电回馈到电网,充电也是采用电源本身充电模块,这种技术现场基本没有发热情况,但放电时也需要将电池组脱离系统,仍然存在安全隐患。成本也很高。综上所述远程充放电维护技术目前还不够成熟,处于研究探讨阶段,建议用户在选择时注意评估安全风险。同时注意的是放电测试主要是通过分析电池电压数据分析,充放电时电压数据变化比较快,必须解决好数据的实时性问题。如果电压采集速度不够,数据同步性差,容易产生掉电事故,数据分析结果的可靠性差。现阶段蓄电池在线监测及自动维护系统现阶段还是要加强专家分析系统的功能,对监测数据进行科学分析,准确判断电池故障和健康状况。尽量减少放电测试工作。
云平台架构的监控分析软件,可以实现对被测电池的统一监控和智能管理,并配有手机APP,支持微信、短信、邮件方式进行告警推送,更加智能高效。该软件还具备智能专家分析系统,对监测数据进行自动分析并提供维护建议,指导下一步的电池维护工作(加固、充放电、更换、淘汰等)。

         4、蓄电池在线监测系统的未来发展方向

       专家分析系统进一步完善并前置,开发更多的自动维护功能,进一步提高电池检测和维护的自动化水平。
增加蓄电池组充放电管理功能,实现电池组真正科学智能管理,成为后备电源的不可缺少的部分。使电池组的充放电过程更加科学合理,让电池组使用过程更加安全、可靠、长寿。让后备电源真正成为货真价实的智能电源。

四、蓄电池在线监测及自动维护系统组成

现场监控主机:每个主机可监控1~4组电池。不小于7寸彩色触摸液晶显示。支持现场对监控参数进行设置、更改、及删除,现场手动内阻测试操作,具有电源、通讯、设备故障、越线报警指示灯。具备1路环境温度监测接口,负责环境温度监测。蓄电池组对外放电时能估算并给出电池的百分比容量(SOC)和放电可持续时间(SOH)。配备SD卡实现大容量数据存储。具有声光告警(可消音),通信接口:1路RJ45、1路上行RS485,4路下行RS485,1路干接点,标准MODBUS通信协议。工作电源DC12V。
高速集中采集模块:每组电池配置一个,用加速集中收集各单节采集维护模块数据,并负责向现场监控主机传送。不管多少节电池保证可以在5秒时间内全部实现数据刷新,保证数据的实时性和同步性。具有1路电流监测接口,可以监测电池组充放电电流。具有1路上行RS485接口。工作电源12V。
单体监测维护模块:每个模块监测1节电池,采集电池单体电压、内阻、极柱温度、极柱漏液和自动均衡维护。模块之间采用手拉手环形通信方式,具有自动编号功能,安装时无需逐一手动编号。采用不间断电源手拉手独立供电,和通信线缆一起采用六芯阻燃线连接。
采集维护线缆:标准配件(阻燃),每个单体监测维护模块配置1束。
极柱温度传感器:监测电池极柱温度。
霍尔电流传感器:监测电池组充放电电流。
极柱漏液传感器:布置安装在电池极柱周围,负责监测电池极柱漏液。
鼓胀变形传感器:布置安装在电池外壳表面,负责监测电池鼓胀变形。
电源适配器:AC220V/DC12V或DC48/DC12V或DC220/DC12V;根据现场情况选择配置。
监控平台软件:采用B/S结构设计,网页方式浏览,支持云服务,响应速度快,人机界面友好。监控分析软件功能强大,可对历史数据进行查询、分类、自动生成柱状图、趋势图,并可自定义生成报表,具备智能专家分析系统,对监测数据进行自动分析并提供维护建议。

五、 蓄电池在线监测及自动维护系统的功能要求

1、 组网:将蓄电池组纳入动力环境监控系统,同时也能独立组网,实现对蓄电池组的全面监测和统一智能管理。
2、 告警和预警:及时发现电池故障并发出告警,智能分析提前预警。
3、 在线自动均衡维护:在浮充状态下对电池组进行在线自动均衡维护,对欠充电池自动进行限压小电流补偿充电,使每节电池始终处于最佳活性状态,保持电池组电压均衡,防止电池长期欠充硫化或长期过充失水。从而减少电池故障,延长电池寿命。
4、 实时监测电池组充放电状态、总电压、充放电电流、环境温度、各单体电池电压、内阻、极柱温度、极柱漏液、鼓胀变形、剩余容量(SOC)、放电可持续时间(SOH)、电池均衡度(电压、内阻、温度),总电压直接采集。
5、 现场液晶显示、监测数据查询、声光告警、参数设置、手动内阻测试、现场大容量数据存储。
6、 通信接口及协议:1路上行RS485,1路干接点、1路以太网口、4路下行RS485 开放式标准MODBUS协议
7、 B/S架构的后台监控软件,网页方式浏览、配置手机AAP。
8、 告警推送:支持邮件、短信、微信方式。
9、 软件的实时数据展示方式:列表(数据表格)和图表(柱状图和趋势图),选择任何一节电池参数可自动生成24小时内的历史曲线图。软件具有权限管理、资产管理、告警管理、历史数据查询、分析、报表功能。具有智能专家分析系统,对监测数据进行自动分析并提供维护建议。
10、 高精度:采用电子高精密测量技术,基础电压测量精度可以达到微伏级别,能真正准确测量电池内阻,针对性的抗干扰电路设计结合多种内阻测试模式,浮充状态下准确测量电池内阻。内阻测量精度可以通过千分之一的标准电阻进行验证。和福禄克或日置内阻仪测试结果基本一致。
11、 高速集中采集:不管多少节电池保证可以在5秒时间内全部实现数据刷新,保证数据的实时性和同步性。
12、 独立供电:采用不间断电源手拉手独立供电,和通信线缆一起采用六芯阻燃线连接。
13、 安全保护:具有过压、过流、过温、短路、反接保护功能,确保系统本身安全可靠。
14、 采用分布式架构,每个现场监控主机可同时监控1~4组电池,每组最多300节;每节电池配置一个单体电池监测维护模块,模块之间采用手拉手环形通信方式,能自动编号,方便安装和后期维护。

六、蓄电池在线监测及自动维护系统技术指标要求

1、 蓄电池组充放电状态监测:(充电、放电、浮充)
2、 蓄电池组总电压监测:范围0~600V 精度<0.2%
3、 充放电电流监测:范围0~1000A 精度<1%
4、 各单体电池电压:范围2V 1.5~3V 12V 8~16.5V 精度<0.05%
5、 各单体电池内阻:范围0~65535μΩ 测量精度<2% 重复精度<2%
6、 各单体电池温度:-35℃~+125℃ 精度<0.5℃
7、 SOC精度:<10%
8、 SOH 精度:<10%
9、 数据刷新频率<5S
10、 输入绝缘电阻:≥10MΩ,600V
11、通讯参数:波特率(4800/9600/19200/38400bps)可设
12、 工作电源:外接 DC12V
13、 温度:-20℃~60℃,湿度10%~80%,无冷凝
14、 各单体电池的漏液监测:每个极柱周围布置电池漏液传感器,准确定位极柱漏液电池。
15、 鼓胀变形监测(选配):每个电池表面配置一个电池鼓胀变形传感器,监测定位鼓胀变形电池。
16、 自动均衡维护效果:电压均衡度<20mV

七、 蓄电池在线监测及自动维护系统网络拓扑图

蓄电池在线监测

八、 蓄电池在线监测及自动维护系统供电设计

蓄电池在线监测系统供电设计

九、 蓄电池在线监测及自动维护系统通信设计
蓄电池在线监测系统通信设计
 


向您推荐

029-88329053

客服