电池检测技术方案

电池检测技术方案1/10蓄电池直流内阻测试技术方案上海卓佑计算机技术有限公司2013年7月电池检测技术方案1/101.背景随着社会的进步和信息化、自动化程度的不断提高，人们对电力行业的依赖程度进一步加深，也就对供电系统的可靠性提出了更高的要求。无论在电力变电站、通信机房还是UPS系统中，蓄电池作为备用电源在系统中起着极其重要的作用。平时蓄电池处于浮充电备用状态，由交流市电经整流设备变换成直流向负荷供电，而在交流电失电或其它事故状态下，蓄电池是负荷的唯一能源供给者，一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及重大运行事故。变电站蓄电池多采用阀控式铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池俗称“免维护”蓄电池，它的应用大大减少了开口式铅酸蓄电池繁琐复杂的维护工作，然而，其“免维护”的优点，正是运行管理的缺点和难点。除了正常的使用寿命周期外，由于电池本身的质量如材料、结构、工艺的缺陷及使用不当等问题导致一些蓄电池早期失效的现象时有发生。所谓“免维护”仅仅指无需加水、加酸、换液等维护，而日常维护仍是必不可少的，开口式铅酸蓄电池运行检测维护方法已不再适用于阀控式铅酸蓄电池，这就对蓄电池测试设备提出了新的要求。蓄电池检测目前仍然停留在简单的定期测量蓄电池浮充电压及核对性放电阶段，而浮充电压与蓄电池容量无对应关系，核对性放电费工、费时，且无法实时反映蓄电池平时运行状态及其性能变化趋势，也不能进行远方监测，无法保证及时发现隐患、消除缺陷，无法保证蓄电池组运行在良好状态。电力行业由于蓄电池故障导致的事故也时有发生。因此，如何快捷有效地检测出早期失效电池、预测蓄电池性能变化趋势以保证直流系统的可靠运行已成为蓄电池运行管理的重中之重。目前，国际上已将内阻测试法广泛应用于电池的日常维护而取代过去的电压检测法。因为内阻是反映电池内部的参数，电池的内阻已被公认是准确而快速的判断电池健康状况的重要参数。2.蓄电池内阻的组成电池内阻包括：欧姆内阻、电极化内阻（浓差极化和电位极化）。其中欧姆内阻包括：极柱、汇流排、板栅、板栅和涂膏层、隔膜、电解液等。显然，当由于栅板腐蚀、硫化或电解液干涸引起电池性能劣化时，将导致电池内阻的增加。电池检测技术方案2/103.内阻测试方法的重要性及两种测试方法的比较蓄电池组的故障主要表现在两个方面：蓄电池自身故障和连接故障。测量方法不同，测量结果的真实性、精度和可对比性也不同。（1）蓄电池自身故障蓄电池的早期失效主要表现在由于失水、腐蚀、硫化、热失控、工艺缺陷等引起的短路、断路、虚短、虚断、容量不足等，这些现象都可以通过蓄电池内阻的变化反应出来。其中，“虚短”、“虚断”属于“隐性”故障，平时很难发现。虚短：电池内部正负极板的某处由于某种原因导致距离很近，处于直接接触和非接触之间，浮充状态下表现“正常”，通过测量浮充电压很难发现，而在大电流放电/充电时，由于内部温度变化而引起结构的变化，导致“短路”；虚断：电池内部正极/负极（尤其是内部汇流排与极柱的连接处）由于腐蚀或其他原因导致“开裂”甚至“断裂”，但断裂后还接触在一起，同样，在浮充状态下表现“正常”，通过测量浮充电压很难发现，而在大电流放电/充电时，连接处会“断裂”，从而导致“断路”。当前的蓄电池内阻测量仪器采用的测试方法主要有两种：交流注入测试法和直流测试法。①交流注入测试法（如电导仪）：将已知频率和振幅的交流电压加到电池电池检测技术方案3/10的两端，然后测量所产生的电流，与交流电压同相的交流电流分量与交流电压的比值即为交流电导值。这种测试方法的优点是：激励信号由仪器自身产生，无需对电池进行放电；设备体积小、重量轻，使用方便。缺点是：测量值受电池自身容抗影响较大；测量值会随测试频率不同而变化，且易受充电器输出纹波和噪声源的干扰，测量精度不高，重复性不好；由于只是注入微弱的交流信号，很难发现“虚短”、“虚断”等“隐性”故障。②直流测试法：对电池进行短时间的放电，同时高速采集电池电压变化，通过电压变化和放电电流计算出蓄电池内阻。这种方法的优点是：采用直流放电方式，真实模拟蓄电池实际使用情况，测量数据真实、准确；自动滤除充电机纹波、电磁干扰和电池容抗影响，可以在高噪声环境下对蓄电池进行测试，测量精度高，一致性好，在线、离线均可使用；由于采用大电流放电，可及时发现“虚短”、“虚断”等“隐性”故障；缺点是：由于电池电压变化小、电压阶越速度快，因此需要高速、高精度电压测量，技术要求高；设备体积、重量相对偏大。直流内阻测试法因其具有突出的优势，能够准确、全面的发现蓄电池的故障和存在的隐患，已得到广泛认可。（2）连接故障的重要性蓄电池自身故障已引起业内人士重视，但是，蓄电池组的另一个重要安全隐患——连接故障却往往被忽略。连接故障主要包括：紧固螺栓松动、连接条氧化腐蚀、连接线与接线端子间接触不良、老化等。由此在放电过程中引起的端子过热、烧红甚至断裂的现象频繁发生，且连接端子温度过高会加速电池老化和腐蚀，形成恶性循环，极电池检测技术方案4/10易导致电池内部汇流排融化、断裂；连接电阻过大还会导致电池组组端电压下降，给蓄电池组的安全运行带来巨大隐患。（3）测试电流/测试信号对测量结果的影响由于电池容量的不同，电池对测试电流/测试信号的“敏感度”就不同。交流注入测试法由于采用单一的测试频率和测试信号，对不同容量的电池测量结果影响很大，测量结果缺乏可对比性。4.产品性能描述蓄电池组监护模块BMM：可实现在线自动监测每节电池电压、内阻、电池组组端电压、充放电电流和温度功能。在BMM设备的CPU中，内嵌了电池分析的数学模型，可以通过对电池电压、电压离散度和内阻的分析，得出电池当前的容量估算，也可以分析电池变化趋势，及时作出充电电压的调整，达到在线维护的目的。一只BMM模块最多可以同时监测24节电池，最多可连接两路电流传感器和两路温度传感器，蓄电池组监测模块BMM之间以及与监控主机之间采用RS485连接。4.1内阻测试原理1、内阻测试与电池电压接线说明电池检测技术方案5/10电池电池电池电池电池电池电池电池GOLD051008BMM_FUSE内阻测试线内阻测试电压采集线电池BMM(9-9-9)1F11F21F31F4B1+B1-B27+B27-图2说明：2、电池内阻测试线为1F1、1F2、1F3、1F4，分别对应1#电池正极、9#电池负极、18#电池负极、27#电池负极连接，每根线上使用BMM_FUSE保险丝。3、电池电压采集线为（B1+、B1-）、（B2+、B2-）………（B27+、B27-），依次对应与“1#～27#电池的正负极连接；同时，B1+和B27-同时为组端电压采集线。电池电压采集线使用12*0.3mm2的护套线，并在所有引线上串接GOLD051008保险丝。4、内阻测试线接线方式采用“9-9-9”。备注：采用(24节类型)的BMM-**设备，对应24节/组的接线法类似，只是内阻测试线接法采用“8-8-8”。图3为采用(27节类型)的BMM-**设备，对应25节/组的接线示意图。电池检测技术方案6/10图3说明：1、电池内阻测试线为1F1、1F2、1F3、1F4，分别对应1#电池正极、9#电池负极、17#电池负极、25#电池负极连接，接线方式采用“9-8-8”。2、电池电压采集线为（B1+、B1-）、（B2+、B2-）………（B25+、B25-），依次对应与“1#～25#电池的正负极连接；此外，将“内阻测试”端口的第四脚（1F4）与设备“26#+”接口连接，以及短接设备的“25#-”与“27#-”端口。备注：针对电池组实际电池节数少于模块最大接入节数（24节或27节）的接线方式与图3类似，具体内阻测试线的接法。实时监测单体电池内阻采用四线制方式测试电池内阻，保证测量精度，也减少了人工测试的误差内阻测量范围：0.1mΩ—100mΩ内阻测量精度：±(2.5%+25μΩ)4.2蓄电池性能分析数学模型解决方案大量的电池运行数据统计表明，电池电压的变化与电池性能变化有相关性。经验告诉我们，随着电池使用时间的增加，电池性能不断劣化，电池容量不断下降，而此时电池电压的离散性也会变得愈来愈大。这是不容置疑的，也是有理论依据的。找出其中规律，并以一种可用的数学模型表达，即可成为可用的电池测试分析手段。基于以上经验，我们对大量的电池组运行数据进行了长时间的跟踪分析，证明了这一规律的存在，并在此基础上我们建立了分析的数学模型。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；电池检测技术方案7/10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。显然，面对不断采集到的大量电池电压数据，要快速分析这些数据，理出有用的信息是非常复杂的，并非可以通过简单的函数关系计算所能得到。在电池失效分析数学模型中，我们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。这一数学分析模型，是某公司经过近5年、约二万节电池数据的分析研究成果，已申请二项发明专利。上述的数学分析模型是非常复杂的，一般在网络化的蓄电池监测系统中由远程数据服务器来完成处理。在BMM内嵌的分析程序中，由于受到CPU处理能力的限制，我们对分析模型进行了简化，给出蓄电池状态趋势的分析，提供程序做出是否需要维护及如何维护，同时也对蓄电池电压及离散性、内阻做出综合的判断，给出蓄电池失效的告警，较之其它单一的仅仅测试电压或测试内阻的方法，BMM分析模型给出的结果将更完善，更有效，更准确。电池检测技术方案8/10蓄电池失效分析软件实例（5）蓄电池动态放电内阻报表电池检测技术方案9/105.主要技术指标及参数输入电源：AC/DC220V±15％、DC110V±15％、DC48V±15％电压检测范围：1.5V～3.0V(适用于2V蓄电池)4.5V～7.8V(适用于6V蓄电池)9.0V～16.0V(适用于12V蓄电池)电压检测精度：≤±0.2%内阻检测范围：0.1mΩ—100mΩ内阻检测一致性精度：±（2.5%+25μΩ）电流检测精度：≤±1.0%温度测量精度：±0.5℃输入绝缘电阻：500M1000V数据输出接口及设置方式：RS485/RS232环境温度：-10℃～+55℃；相对湿度：40％～70％；环境磁场：400A/m；尺寸：19英寸1U标准机架安装，或壁挂安装（根据用户要求）重量：2.5Kg