莱姆蓄电池在线监测解决方案

北京莱姆电子有限公司 安云良

1 蓄电池监控的必要性

随着我国通讯、电力、UPS等行业的迅猛发展，蓄电池的用量也在快速增加。就目前蓄电池的使用条件，经常会发生一些意想不到的状况，例如看似正常的蓄电池不能正常放电。这种状况的发生主要原因在于蓄电池的运行状态没有得到有效的监测，一旦由多个蓄电池串联构成的蓄电池组中出现某一块蓄电池失效，就会导致整个蓄电池组不能正常放电。

图1 木桶理论示意图

蓄电池作为安全不间断供电的最后一道保障措施，同时也是不间断供电系统里最不安全的因素。从系统理论了解到，系统安全程度取决于系统中最不安全的因素，也就是人们经常引用的“木桶理论”。

2 蓄电池监控的现状

2.1 计划性维护

目前就蓄电池的维护而言最常规的做法是至少每年对蓄电池组进行一次核对性放电测试。因为如果蓄电池组3～4 年都不进行一次充/放电，蓄电池组电解液就会出现分层现象，即电解液会分解为酸溶液浓度各不相同的液体层，这会影响到蓄电池在断电时的供电能力。这种现象会最终导致在硫酸浓度较高的区域出现极板腐蚀。

但是采取这种计划性的维护，由于两次维护间隔时间太长而并不能连续监测蓄电池的状态；同时用户在进行过放电测试后的第二天并不能确保蓄电池组是否会正常运行；另外，放电测试通常会消耗几个小时甚至几天的时间，这是一个高成本、对电池具有破坏性、不安全的过程（包括重新充满电）。

图2

2.2 通过监控电池电压来监测蓄电池

针对蓄电池的运行机理和失效模式，国内已经有相关的标准出台，在直流供电的场合安装对蓄电池监测的必要装置，例如电压巡检仪等。但是根据后备蓄电池的工作条件，有可能长期不放电，在两次定期核对性放电测试期间，同样有可能失效，而电池的端电压是完全正常的。如图2所示（摘自IEEE）。

由此可以看出仅检测电压是完全不够的，且还容易误导用户，将坏电池作为好电池来使用，这种危害相当大。

那么有无好的办法能够更加有效地监测蓄电池的状态，并且能够在蓄电池性能下降到一定程度时给出预警信号，使用户能够在蓄电池失效之前将电池更换或进行维护，从而避免灾难性的断电情况的发生呢？答案是肯定的。通过测量蓄电池内部电阻的状态可以有效地预测蓄电池的劣化程度，也就是能够准确地监测蓄电池的健康状态SOH(Status Of Health)。如图3所示。

图3 蓄电池监测曲线

图中加重的曲线显示蓄电池的内阻在10～11月期间因为各种原因急剧上升，因此可以判断出蓄电池的状态已经严重劣化，经过对电池的放电，证实的确是电池已经失效。

3 LEM蓄电池监控模块介绍

从以上的分析中可以归纳出监控蓄电池的几个必备条件，分别为：需要进行连续监控；需要对单个蓄电池监控；需要监控蓄电池的内阻。

LEM公司针对蓄电池的运行机理及失效模式开发了世界上体积最小且高度集成各种功能的智能蓄电池传感器Sentinel，能准确测量单体蓄电池的内阻、温度以及电压等参数，通过串口通讯协议对其进行操作，实现对蓄电池的连续监控。如图4所示。

图4 LEM智能蓄电池传感器Sentinel

该器件的常规参数如下：

（1）测量电压1.5～15V，精度+/- 0. 5% ；

（2）温度误差，+/- 2℃ ；

（3）内阻的测量重复度+/- 2% ；

（4）全部采用接插件，安装极为快捷；

（5）省电模式下<3mA；

（6）5年质量保证。

比较市场同类蓄电池监控产品简单来说主要有以下4个优点：

（1）分布式安装，模块与蓄电池一一对应，现场布线简单且工程成本低；

（2）独立的模块使得监控非常灵活，相对于集中式监控产品来说在蓄电池数量少的地方更凸显优势；

（3）模块采用脉冲电流放电法测量内阻（如图5所示），放电电流小（12V蓄电池放电电流小于2A），不但安全且对蓄电池不易造成伤害；

图5 采用脉冲电流放电法测量内阻曲线图

（4) 瑞士总部与RWTH亚琛大学合作多年潜心研究的测量算法，测量的阻值可靠（如图6所示），抗干扰能力强，质保期5年。

图6 瑞士LEM总部在德国AACHEN工业大学进行了长期测试，图中经由LEM模块测量出的内阻与实验室设备EISmeter分析仪测量出的阻值基本一致

4 LEM蓄电池监控系统介绍

LEM的电池监控解决方案是一个完整的解决方案，包括一系列组件，能够简单快速的安装，该方案包括以下组件：

（1）Sentinel：可以测量单个VRLA电池或富液式电池的电压、温度和内阻，通过专属总线S-BUS传送给数据记录器S-BOX；

（2）电流传感器：电流传感器检测电池组的状态（充电、放电或者浮充状态）；

（3）S-BUS Converter：该模块将S-BUS协议转换成标准的串行输出协议；

（4）S-BOX：带有Ethernet接口的数据记录装置，用来记录每一个Sentinel的趋势和报警；

（5）Cellview Net：和S-BOX配合使用的可视化软件，用于图形化显示各种数据，报警以及生成各种报告。

如图7所示。

当然OEM厂商也可以仅使用LEM提供的Sentinel模块，与其自身的系统配合形成具有自身特色的蓄电池监控系统。这些厂家既可以是UPS制造商，也可以是专门开发蓄电池监控系统的集成商。

图7 LEM蓄电池监控系统图

LEM的sentinel模块目前已经在国内尤其是电力行业得到了很好的应用。

总之，该套解决方案非常适合目前的通讯、电力以及UPS后备蓄电池的监控，相信LEM的蓄电池监控产品必将对我国的安全用电系统做出应有的贡献。