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蓄电池组在线维护系统
蓄电池组在线维护系统

一、蓄电池组使用现状
随着经济和技术的快速发展，设备的供电要求越来越高，生活的环保要求也越来越高；有大量的设备和装备都必须保证不间断供电，一些以内燃机为动力的设备和装备改为电力驱动的进程正在不断加速，因此需要大量使用蓄电池组。以中国移动通信行业为例，基站、机房和数据处理系统，共使用蓄电池在5000万节以上。
但由于受蓄电池的特性和目前维护手段的限制，使得蓄电池组的实际使用寿命远远小于厂家承诺使用寿命。蓄电池厂家的承诺使用寿命一般为12～20年，而实际使用寿命往往只有承诺使用寿命的10-30%，绝大多数在20%左右。
蓄电池组使用寿命短，给系统供电构成了重大的安全隐患，同时形成了大量的蓄电池提前报废，造成了巨大的资源浪费、资金浪费和严重的环境污染。
造成蓄电池组实际使用寿命如此之短的原因是多方面的，有设计问题，有材料问题，有生产质量问题，但这些问题都是承诺寿命之前的事，而比承诺寿命还短得多的原因主要是维护管理造成的。主要有四个方面，即过充、欠充、过放和环境温度影响。

二、影响蓄电池组使用寿命的主要原因
1、过充电
铅酸蓄电池浮充电压一般为2.25V/25℃（以2V电池为例）根据各厂家的设计和生产工艺不同而稍有不同，超过此值即为过充。
过充影响蓄电池使用寿命可从三个方面认识，即
l 过充使得正极氧析出增加而形成气泡，气泡强力冲击二氧化铅，使得活性物质与板栅结合力变差，甚至脱落。
l 过充析氧分解的是水，因此氢离子浓度增加，从而加速了板栅腐蚀。
l 过充造成蓄电池内部压强增加，从而会有气体从安全阀逸出，造成蓄电池失水。
国内外蓄电池研究者和使用者都对过充对蓄电池使用寿命的影响做了大量研究，研究表明，过充5%，持续工作120天，铅酸蓄电池使用寿命减少50%。
2、 欠充电
欠充会在负极产生难以还原的硫酸盐。
3、过放电
过放电会在极板表面形成大颗粒的硫酸铅结晶，降低极板活性物质的孔率，使阴极硫酸盐化，致使蓄电池内阻增加。
4、 环境温度
蓄电池要保持的荷电状态，事实上是保持蓄电池内部一个理想的化学活性，它是由电压和温度共同确定的，比如说2.25V/25℃（以2V电池为例），表示的就是一个理想的化学活性，保持25℃电压高于2.25V是过充，电压低于2.25V是欠充。而保持电压为2.25V，温度高于25℃就是过充，温度低于25℃就是欠充。
国内外研究表明，保持电压不变，在25℃环境温度之上，温度每增加1℃，蓄电池容量约减小5%，在25℃环境温度之下，温度每降低1℃，蓄电池容量约减小1%。

三、蓄电池组在线维护系统原理
针对如上影响蓄电池使用寿命主要原因的分析，各行各业对蓄电池工作环境，特别是环境温度都有严格规定，对充电器输出电压和温度补偿都有严格要求，并规定要有蓄电池组过放电保护。
但是这些措施只解决了温度影响和过放电保护，以及解决了电池组的过充欠充问题，但是即使保证了蓄电池组的充电电压和浮充电压，仍然解决不了蓄电池组个别电池的过欠充问题，原因主要有两个方面。
1、 蓄电池组中每节电池的容量不一致
一组蓄电池每节电池的容量完全一致是不可能的，那么在充电时，容量较大的电池电压就较低，容量较小的电池电压就较高，电压较高的电池就处于过充状态，电压较低的电池就处于欠充状态。
2、蓄电池组中每节电池的自放电不一致
一组蓄电池每节电池的自放电完全一致也是不可能的，在浮充工作时，自放电大的电池电压越来越低，进入欠充状态，自放电小的电池电压越来越高，进入过充状态。
铅酸蓄电池组的应用已有百年之久，许多问题已得到重视和解决，比如温度控制和补充，过放电保护等。但是，因为蓄电池组各节电池容量不一致和自放电不一致引起的电池过欠充问题，虽已为人们认识到，但至今没有有效的解决办法，成了世界难题。
要解决这些问题，就是要想办法使得蓄电池组每节电池电压一致。这是蓄电池组使用者不懈的追求。
早在使用开口式铅酸蓄电池年代，人们就认识到了要保持蓄电池组各节电池电压一致的重要性，因此经常检测各节蓄电池的电压，发现某节电池电压高于平均电压一定值就单独给它放电，发现某节电池电压低于平均电压一定值就单独给它充电，并经常检测电池电解液浓度，不时的调节，使之保持在期望值范围内。
上世纪50年代，世界上出现了密封式铅酸蓄电池，80年代得到了飞速发展，1988年阀控式密封铅酸蓄电池进入我国。
阀控式密封蓄电池，有人也叫它免维护蓄电池，免在哪里，只免在电解液浓度调节，这种电池是贫液电池，维护得好电解液浓度是不需要调节的，因为是密封的，所以也调节不了。但其它维护工作是一定不能免的。
为了追求蓄电池组电池电压的平衡，现在世界范围常用的一种自动维护技术是均衡充电，但是这是一种没有办法的办法，甚至于可以说是一种错误的办法。它是将整组蓄电池电压提高，让已经过充的电池进一步过充，使得它的漏电流增大，把欠充的电池的电压稍微向上拉一些，这是牺牲一些电池的寿命来弥补另一些电池的寿命。
当然，均充工作还有另外一个作用，就是活化作用，防止蓄电池组长期浮充。但是，这项工作完全可以用其它方法解决。
诸如以上问题，迫切需要一套科学的方法和先进的技术来解决，蓄电池组在线维护系统应运而生。
这套蓄电池组在线维护系统，主要是在每节电池上装一个维护模块，该维护模块检测到自身对应的电池的电压，并与本蓄电池组的平均电压比较，当测得的电池电压高于平均电压时就对这节电池进行放电，当测得的电池电压低于平均电压时就对这节电池进行充电，最终获得整组电池电压的均衡。系统框图如图1所示。

图1 蓄电池组在线监测维护系统组成示意图

该电池组在线维护系统，同时据有蓄电池组在线监测功能和蓄电池在线实时维护功能，从而彻底解决了蓄电池组因单体电池之间的容量和自放电不一致造成的蓄电池组电池电压不平衡问题，防止了蓄电池组浮充工作时的过欠充。
从前面的分析可见，该系统的工作原理，事实上是人工维护的设备化。由人工维护对延长蓄电池组使用寿命的作用，可见该系统对延长蓄电池组使用寿命的有效性。而且，该系统与人工维护相比，据有本质上的进步，主要表现在以下几个方面。
l 实时性
人工检测和维护是不及时的，目前国内人工检测最小时间间隔是8小时，一般是数日或数周。而该系统是时时刻刻在检测和维护。
l 精确性
人工维护不可能是很精确的，一般至少不平衡度达到几十甚至于到达上百毫伏才进行充放电维护。而该系统，可以在不平衡度为几个毫伏就进行维护。
l 精细性
人工维护在充放电时，一般都是大电流充放电，而该系统是小电流充放电。
l 安全性
人工维护不可避免的会存在失误的不安全隐患，而该系统是完全自动化无人干预的，安全性得到了大大的提高。

四、蓄电池组在线维护系统简介
1、系统组成
该电池组在线维护系统由主机、单体电池维护模块、蓄电池组总电压变送器、充放电电流变送器组成，如图1所示。其中，单体电池维护模块完成对单体电池电压和温度（可选配）信号的检测，通过总线传送到主机，并根据主机下达的命令对单体电池进行在线充放电维护。
主机采用19英寸2U标准机箱，240×64大屏液晶显示，单体电池维护模块不到烟盒大小，便于现场安装。在工程施工中无须将许多单体电池电压信号线引入主机，从而大幅度降低系统安全隐患。蓄电池组总电压变送器、充放电电流变送器均采用隔离设计，从而保证进入主机的都是安全的弱电信号，进一步提高整个蓄电池系统的安全性和可靠性。
其中，主机有400V（用于UPS系统）、220V（用于电力操作系统）、48V（用于程控交换机系统）三种型号；模块有2V、12V两种型号；用户可以根据自己的需要选择模块类型和数量，组合出多种蓄电池组监测维护系统
2.主要功能特点：
l 在线监测每只单体电池的电压和温度，以及电池组总电压；
l 自动对电压超出设定范围的单体电池进行在线充/放电维护，消除蓄电池自放电影响，保证蓄电池组容量长期稳定；
l 自动记录在线充/放电维护的起始时间，及期间充/放电的容量；
l 可扩展蓄电池组容量在线监测功能；
l 240×64液晶显示，可实时显示单体电压、温度分布曲线；
l 模块化结构设计，减少安全隐患、提高施工速度、节约工程费用；
l 每台主机最多可同时维护同组128只单体电池；
l 提供RS232或者RS485通讯接口；
l 对所有监测信号超限做出告警，用户可自行设定各种参数的告警门限；
l 告警信息可通过通讯接口输出，重要告警可以通过干接点输出；

3.技术条件
l 供电电压：
主机：36Vdc～72Vdc，176Vac～264Vac可选；
模块：20V～24Vdc（主机提供，待机≤25mA，充电≤100mA）；
l 工作温度：－20℃～40℃
l 相对湿度：£90％（40℃±2℃）
l 大气压力：86 kpa～106 kpa

4.技术指标：
l 电池组总电压检测精度：±0.2%
l 单体电池电压检测精度：
12V单体电池：±20mV（9V～15V）；
2V单体电池：±5mV（1.5V～2.5V）；
l 电池电流检测精度：±5%；
l 电池温度检测精度：±2℃（0℃～70℃）
l 蓄电池组容量：±5%；
l 模块在线充电电流：0～200mA自适应；
l 模块在线放电电流：≤100mA；
l 模块之间隔离电压：2500Vdc。

5.外形尺寸：
主机：19英寸2U标准机箱；

模块：84mm×47mm×23mm（长、宽、高）。

五、蓄电池在线维护的意义
1、提高蓄电池的维护质量和维护效果
蓄电池在线维护系统，为蓄电池维护提供了一种全新的维护手段和方案，该系统实现了对蓄电池组的在线自动维护，可完全免除通过人工方式对每只单体电池进行端电压测量的繁琐工作和对个别落后或超前电池进行在线或离线维护的工作量，进而降低维护人员的劳动强度，提高蓄电池的维护质量和维护效果。使蓄电池的维护由目前的粗放、滞后型的人工维护模式，转变为实时、在线、自动、精细的维护模式，这无疑会大大提高蓄电池的维护质量和维护效果。
2、保证设备用电安全，提高服务质量
供电系统的正常运行是数据安全存储和通信畅通的基础和保证，在直流不间断供电系统中，整流器是心脏，而蓄电池则是不间断供电的基础。对蓄电池运行和维护的基本要求是：要使蓄电池经常处于充分充满的状态，而又不产生过充电，在单独向主机供电时，应放出额定容量的80%以上。
由于蓄电池维护质量和维护效果的提高，使电池的容量得到了保证，实际放电时间完全能够满足设计要求，有效地提升了蓄电池供电的安全性，这将为设备的用电安全提供保障，为各种数据的安全存储和通信的畅通奠定基础。
3、降低企业运维成本
第一，由于蓄电池在线维护系统能够有效提高蓄电池的维护质量和维护效果，可使蓄电池组的实际使用寿命接近或达到其设计寿命，从而延长更换蓄电池的周期，节省购买新电池的费用。
第二，该系统实现了对蓄电池组的在线自动维护，可有效降低维护人员的劳动强度，节省人工维护成本。
4、利于环保和节能减排
在铅酸蓄电池的组成中，大部分属于有毒或腐蚀性物质。其中，的稀硫酸（浓度为37%左右）占电池总重量的15%，含铅物质占75%以上，分别以金属铅（极柱、汇流排、板栅、负极板活性物质）和氧化铅（正极板活性物质）的形态存于电池之中。据环保专家介绍，铅酸电池对环境的污染要比汽车尾气严重得多。如果处理不当，不但严重污染土壤和水源，对空气、生态平衡造成破坏，还会引发人体代谢、生殖及神经等方面的疾病，人体铅含量一旦超标，会导致智力下降，诱发儿童的恶性肿瘤，甚至导致死亡。
据统计，我国平均每年大约有5000万只蓄电池报废，其中含铅重量达30多万吨。随着经济不断发展，蓄电池用量不断上升，报废量同样还会进一步上升。而报废蓄电池的回收处理对环境污染不容忽视，按我国目前废旧蓄电池的处理能力计算，年处理5000万只废旧铅酸蓄电池，能生产14万吨再生铅，同时年排放烟尘4.8万吨（其中铅尘4万吨），年排放二氧化硫7500吨，年产弃渣6万吨（其中含铅6000吨，含砷600吨，含锑2000吨），年耗水188万立方！
研究表明，不仅是废旧蓄电池对环境产生影响，在线使用的蓄电池同样会对环境造成影响。原因是，如果蓄电池长期处于过充电状态，蓄电池内氧循环很难达到100%，充电过程中将产生气体，使蓄电池内部压力增大，一部分气体通过安全阀排出，这些气体含有大量的“酸雾”，对环境会造成严重污染。采用蓄电池在线维护技术，可以为环保事业带来以下好处：
l 降低原材料消耗
蓄电池在线维护技术可以有效延长蓄电池使用寿命，蓄电池的寿命延长后，每年产生的报废蓄电池数量将大大降低。从而可以有效降低蓄电池制造过程中原材料铅的消耗，同时还大大降低稀硫酸、塑料等资源的消耗。
l 降低处理费用，减少污染
蓄电池在线维护技术可以有效延长蓄电池使用寿命，因此可以大大降低蓄电池报废数量。将节约大量的处理费用，同时减少处理废旧电池产生的遗留物，有效降低了废旧蓄电池处理对环境的污染。
l 降低有害气体排放
蓄电池在线维护技术可以有效遏制正在使用中的蓄电池出现过充电现象，从而有效减少了蓄电池工作工程中有害气体的排放，降低蓄电池正常使用过程中对环境的影响。
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