对于蓄电池的维护工作普遍存在维护工作不到位;流程复杂、针对性差;维护手段匮乏等问题。蓄电池系统已经成为电源系统中最不可靠的部分。在重大的电源事故中,由于电源自身故障引发的事故占10%、开关切换故障引发事故占20%,而其余70%的事故都是与蓄电池故障相关的(见图1)。有效地监控和科学地维护对于提高蓄电池组稳定性至关重要。发现和解决蓄电池系统中的隐患、提高蓄电池组的安全性是目前蓄电池维护工作的重点。也是提高数据中心供电系统可用性的有效手段之一。
1阀控铅酸蓄电池维护测试方法
(1)传统的蓄电池维护方法
国际电工学会铅酸蓄电池检测和维护规范IEEE1188-1996中对于蓄电池维护规定,对于铅酸蓄电池的维护应做到以下4点:
①实时、准确的单体蓄电池电压、电池组电流和环境温度的监控;
②每月1～2次的单体蓄电池内阻测试并跟踪蓄电池内阻变化趋势;
③每年2次的核对性放电;
④对现场使用时间超过2年的蓄电池,应做到每3个月进行一次核对性放电。
该标准在提高了蓄电池系统的稳定可靠性的同时,也大大提高了对于蓄电池日常维护的要求,很难在我们的日常维护中得到充分的执行。结合我们自身的实际情况,大部分运行维护工作采用了相对简化的维护流程:
①现网电池浮充电压、浮充电流的日常巡检(每月1次);
②枢纽机房蓄电池组核对性放电试验,放出容量的30%～40%(每年1次);
③基站电池全容量放电试验(每年1次);
④发电机启动电池(半年1次)。
简化了的维护流程在降低了蓄电池维护工作量,也提高了蓄电池组的安全隐患。即便是按照简化后的流程执行,蓄电池的日常巡检和定期放电仍需要大量的人力、物力才能完成。一年一次的全容量放电的测试密度仍然不能做到及时发现电池性能的劣化状况;进一步加大放电试验密度将使蓄电池维护所牵扯的人力、物力投入过大,缺乏可操作性;对于现网的数量庞大的蓄电池,缺乏系统性的运行性能统计、趋势分析、预警和质量管理的支撑平台,维护管理手段落后。维护工作缺乏主动性、预防性[3]。
(2)蓄电池运行参数监控
蓄电池运行参数包括蓄电池的单体电压、电池组电压、电流和环境温度等参数。目前,对于这些参数的测量主要依靠人工定期巡检和在线式电压检测仪来完成。电压、电流和环境温度是蓄电池的运行参数指标,也是蓄电池稳定运行的最基本的保障。恶劣的运行环境将大大缩短蓄电池的使用寿命,加大蓄电池的安全隐患。环境温度过高,会加速蓄电池失水,造成蓄电池失效加速。在35℃时运行蓄电池的劣化将加速一倍;在55℃时,对于蓄电池浮充一个月所造成的劣化相当于在25℃时浮充一年的等级。同样,过高的充电电压也将大大加速蓄电池的劣化速度。当充电电压或环境温度过低时,蓄电池的容量饱和度很难达到100%,也直接体现为蓄电池放电容量不足。过放电对于蓄电池的损害是非常大的。对于串联使用的蓄电池组,由于蓄电池个体之间的差异,放电过程中不同蓄电池达到终止电压的时间差异很大。电池组中的某些劣化蓄电池达到放电终止电压的时间往往大大提前于其他蓄电池。以电池组电压为单位计算放电终止电压,易造成蓄电池组中部分劣化蓄电池过放电甚至是深度过放电,加速蓄电池组中故障蓄电池的出现。放电过程中,当电池组中出现达到终止电压的单体蓄电池时应停止放电,而不是以电池组电压为参考标准。
但是,仅仅对于蓄电池的电压、电流和环境温度进行监测还无法达到有效维护蓄电池的目的。蓄电池运行环境参数监测的意义更多体现在对于蓄电池运行环境的合理性检测,而不是蓄电池故障的排查。性能很差的蓄电池在浮充状态时,端电压的变化并不明显,甚至有“浮充电压正常但放电时出现严重故障”的情况[1]。而等到蓄电池放电时发现异常,往往为时已晚。
(3)蓄电池阻抗/电导在线监测
蓄电池的阻抗/电导测试技术是目前国际公认的蓄电池故障快速检测方法,也是蓄电池在线监测管理的发展方向。该技术在民用中已经得到了较好的普及,对于手机电池和汽车电瓶的故障快速检测都是基于蓄电池的阻抗/电导进行判断的。
在工业电源蓄电池检测领域中,除国际电工学会IEEE1188将蓄电池阻抗测试列为日常检测内容外,美国的TIA-92(数据中心通用基础设施建设规范2005年版)和我国的GB50174-2008(电子信息系统机房设计规范)也将蓄电池阻抗在线监测列为数据中心蓄电池的重要监测指标。
目前采用的电池内阻测试设备主要分为在线式与离线式两种。在线式测试系统,能自动化的、持续的监测各单体蓄电池参数,实现对于蓄电池的生命周期全过程管理。离线式测试系统(如手持式仪表),偏重于电池筛选过程,可确保电池使用前的一致性。从实现手段看,分为直流放电法和交流注入法。
直流放电法(专利U.S.PatentNo:5,744,962)通过对蓄电池瞬时大电流放电,并测试蓄电池端电压跌落获得蓄电池内阻数据。如图2所示。
直流放电法有以下几个主要的缺点:需要对电池进行大电流放电;不能测量蓄电池的极化内阻即电化学内阻;与蓄电池连续放电容量相关性差。
但是,直流放电法由于采用了瞬时大电流放电的方式,对于在实际使用中需要使用电池瞬时大电流放电的场合(如发电机启动电池),这种方式还是具有一定使用意义的。
交流注入法采用向蓄电池注入一定频率的交流信号实现阻抗的测试。交流法测试原理图如图3所示,将一定幅度的交流电流信号注入到蓄电池中,同时捕捉蓄电池的电压反馈。
交流法测试的蓄电池内阻,能在很大程度上体现出蓄电池的电化学特性,其测试方式的科学性较强。同时,由于采用交流注入的方式,会对电池系统中的纹波造成一定影响。对于直流系统特别是对于纹波要求较高的场合,直接采用交流法会对电源质量造成一定的影响。
脉动直流法,是介于交流法和直流法之间的一种方式。该方法是目前国际上对于铅酸蓄电池内阻的主流测试方式。脉动直流法采用的电流激励信号为直流脉动信号,这样既克服了交流激励中的纹波问题,同时也无需使用像直流法那样的大电流进行放电。采用脉动直流对蓄电池进行放电后,通过交流监测回路对蓄电池端电压的反馈进行测量。此时,测量的是蓄电池端电压对于脉动激励信号的交流反馈。或者说,对于蓄电池端电压中负荷激励频率的反馈信号进行提取,从而获得蓄电池的交流阻抗。脉动直流法,在技术实现上相对于前两种方式难度较大。
