高可靠電力保障領(lǐng)域的最后一道防線 - 全文

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　　1、 引言

　　蓄電池作為直流電源系統(tǒng)的核心組成部分，起著儲備電能、應付電網(wǎng)異常和特殊工作情況、維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵作用，是需要高可靠電力保障領(lǐng)域的最后一道防線。當前，蓄電池在線監(jiān)測及狀態(tài)評估逐漸被人們所重視，在電力、通信等行業(yè)應用越來越廣泛，然而，蓄電池在線監(jiān)測及狀態(tài)評估所采用關(guān)鍵技術(shù)—內(nèi)阻測量技術(shù)，并不被人們所了解，還存在模糊的認識。

　　2、 蓄電池狀態(tài)在線評估

　　目前對蓄電池(落后)狀態(tài)在線評估有浮充電壓監(jiān)測法和蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測法。

　　浮充電壓監(jiān)測法過去曾廣泛采用，但是理論分析和大量實驗證明，浮充電壓與蓄電池的(落后)狀態(tài)及預計使用壽命無關(guān)，因此現(xiàn)在已不在用于對蓄電池的狀態(tài)進行評估。

　　理論分析和大量實驗證明，蓄電池(落后)狀態(tài)及預計使用壽命與其內(nèi)阻具有密切的關(guān)系，目前國內(nèi)外使用的蓄電池監(jiān)測設(shè)備及蓄電池狀態(tài)分析設(shè)備都是以蓄電池內(nèi)阻為主要指標，結(jié)合蓄電池內(nèi)阻的變化速率及歷史數(shù)據(jù)，建立專家系統(tǒng)，對蓄電池(落后)狀態(tài)進行在線評估，預計其使用壽命。

　　電站蓄電池往往采用大容量蓄電池，其內(nèi)阻極其微小，為幾十到數(shù)百微歐，甚至接頭的緊固的松緊程度都會對測量結(jié)果不影響，并且蓄電池在線工作是因為充電裝置產(chǎn)生一定的紋波干擾，因而傳統(tǒng)的電阻測量技術(shù)難以達到要求，應采用微電阻精密測量技術(shù)進行蓄電池內(nèi)阻測量，以對蓄電池內(nèi)阻微歐級這樣微小的變化做出的反映。

　　3、蓄電池的內(nèi)阻模型

　　圖1(a)為蓄電池簡化等效電路，圖中RC1和RC2分別為正負電極的極化電阻，C1和C2是正負電極的雙電層電容，RΩ是蓄電池的歐姆電阻。圖(a)還可以進一步簡化為(b)，圖中R和為蓄電池的極化電阻，C為兩電極雙電層電容等效值。蓄電池連接部分主要是歐姆電阻，而電極活性物質(zhì)部分既有歐姆電阻又有極化電阻。

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　　(1)歐姆電阻：由極板、匯流排、極柱、電解液、隔膜等的電阻組成，它們服從歐姆定律。

　　(2)極化電阻：包括濃差極化電阻和電化學極化電阻，它們由擴散極化電阻、電荷傳遞電阻組成，是由電極動力學過程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移引起，它們不服從歐姆定律。

　　濃差極化：電流通過蓄電池后，引起正負電極表面附近的電解液濃度變化，進而產(chǎn)生濃極化電動勢η+、η-，其大小與電流大小、溫度、電極反應速率、電遷移、擴散速度有關(guān)。

　　電化學極化：當電流通過蓄電池時，由于電極過程某一步的遲緩，阻礙了電極過程的進行，使電極電位離開平衡電極電位。其大小與電流大小、溫度、電極真實有效表面積等因素有關(guān)。

　　4、影響蓄電池內(nèi)阻的因素

　　影響蓄電池內(nèi)阻的因素主要有：

　　(1) 蓄電池的落后程度：隨著蓄電池使用時間的增加，由于電池失水、極板及連接條的腐蝕、極板的硫酸化、極板的變形及活性物質(zhì)的脫落等因素，造成蓄電池容量減小，蓄電池的內(nèi)阻逐漸變大。

　　(2) 蓄電池的荷電量：同一只蓄電池，放電程度不同，由于蓄電池電解液深度、電極表面反應物質(zhì)的厚度、電極表面的孔隙率明顯不同，而使蓄電池的內(nèi)阻差異很大。放電程度越深，蓄電池的內(nèi)阻越大。

　　因而在對蓄電池落后狀態(tài)進行評估時，同一生產(chǎn)廠家同一型號的蓄電池應建立統(tǒng)一的內(nèi)阻標準，應將電池充滿電后再進行內(nèi)阻測量，對照標準對蓄電池落后狀態(tài)進行評估，如果未充滿電，由于無法區(qū)分是蓄電池落后狀態(tài)引起的內(nèi)阻增加，還是蓄電池荷電狀態(tài)引起的內(nèi)阻增加，而使評估失去意義。

　　(3) 溫度：隨著溫度的升高，反應物質(zhì)的擴散、電荷傳遞、電極動力學過程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移更容易進行，因而蓄電池內(nèi)阻減小。

　　(4) 蓄電池的型號：不同生產(chǎn)廠家、不同種類、不同型號的蓄電池，由于電極、電解液、隔膜的材料配方不同、電池的結(jié)構(gòu)不同、裝配工藝不同而使蓄電池內(nèi)阻產(chǎn)生差異。

　　(5) 測量信號頻率：目前許多蓄電池內(nèi)阻測量實際上測的是蓄電池的阻抗，而蓄電池并非純電阻特性，還包含電容，因而其阻抗大小和測量信號頻率有關(guān)，使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果不具有客觀性。

　　為使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果具有客觀性，應根據(jù)測量信號電流和電壓的相位關(guān)系，用解析的方法去除蓄電池電容對測量結(jié)果的影響，使測量結(jié)果和測量信號頻率無關(guān)，即在任何測量信號頻率下，內(nèi)阻測量結(jié)果具有唯一性。

　　(6) 測量時間和測量電流大?。涸诓捎幂^大測量電流的情況下，在施加測量信號和關(guān)閉測量信號的瞬間，由于極化和建立和穩(wěn)定是個變化的過程，不同的測量電流，不同的測量時間，極化是不同的，使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果不具有客觀性。

　　為使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果具有客觀性，應盡量用較小的信號電流進行內(nèi)阻測量，根據(jù)實驗，測量電流應≤0.05C10,其中C10為10小時放電率下蓄電池的容量。使內(nèi)阻測量結(jié)果與測量時間及測量電流大小無關(guān)，內(nèi)阻測量結(jié)果具有唯一性。

　　5、交流放電法蓄電池的內(nèi)阻測量技術(shù)

　　交流放電法蓄電池測量技術(shù)，是在交流注入法蓄電池內(nèi)阻測量技術(shù)的基礎(chǔ)上的更進一步發(fā)展，該方法綜合了交流注入法和直流放電法的優(yōu)點。其原理是CPU通過D/A控制智能負載，使蓄電池向智能負載放電，產(chǎn)生一個低頻(頻率小于100Hz)，幅值約為0.01C10～0.05C10的正弦波交流信號(有效信號，頻率為f0，角速度ω0=2πf0)：I=I0Sin(ω0t)，其中C10為10小時放電率下蓄電池的容量。相應地，在電池上產(chǎn)生的電壓響應為：U=U0Sin(ω0t+φ)， 阻抗為：Z(ω)= U0/I0×ejφ。

　　交流放電法蓄電池內(nèi)阻測量原理圖、測量信號波形圖見圖2、圖3。

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　　(1) MOS管：MOS管的作用是由CPU通過D/A控制MOS管，使蓄電池向負載放電，產(chǎn)生特定頻率的、幅值穩(wěn)定的正弦波激勵信號。

　　(2)多路開關(guān)：多路開關(guān)由CPU控制，進行信號的切換，以實現(xiàn)蓄電池組中每節(jié)蓄電池內(nèi)阻的測量。

　　(3)耦合電容：耦合電容作用是隔離直流，而使交流信號順利通過。為保證測量電路的精度，耦合電容要保證嚴格的匹配性。

　　(4)可編程帶通濾波器：蓄電池在線工作時，充電裝置紋波電流可能相當大，一些UPS電源的紋波電流有幾安甚至幾十安，遠大于測量信號，如果不采用濾波，后級的放大器將會飽和。帶通濾波器的設(shè)計可以使頻率接近為測量信號頻率的信號可以通過，而其他頻率的信號不能通過。這樣后級的放大器可以將微弱的測量信號進行有效放大。

　　(5)高速同步A/D轉(zhuǎn)換器：該器件為高速同步A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)電流信號和電壓信號的高速同步采樣，確保電流信號和電壓信號的嚴格的相位關(guān)系前提下，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

　　(6)DSP：雖然經(jīng)過前級的濾波去除了大部分干擾信號，但仍有相當?shù)母蓴_信號和有效信號一起被采樣進來，如不進行處理，將會嚴重影響測量精度。由于只有頻率為f0的信號為有效信號，利用DSP的數(shù)字運算能力，對采樣信號用FFT算法分別提取電流、電壓采樣信號中頻率為f0的信號部分進行運算。

　　電流、電壓采樣信號送入DSP后，DSP對信號進行如下處理：

　　(a) 對電流和電壓采樣信號進行FFT變換，分別計算出電流信號及電壓 信號的頻譜分布;

　　(b) 分別提取頻率為f0的電流信號和電壓信號：

　　電流信號：I=I0Sin(ω0t+φ1)

　　電壓信號：U=U0Sin(ω0t+φ2)

　　(c) 計算蓄電池的阻抗、內(nèi)阻及相位差：

　　阻抗為：Z(ω)= U0/I0×ejφ。

　　相位差為：φ=φ2-φ1

　　蓄電池內(nèi)阻R=|Z(ω)|×Cosφ

　　(d) 將結(jié)果送入CPU，并進一步顯示、存貯，以有進行其他分析。

　　(7) CPU：采用Philip公司ARM芯片LPC2478，對各個單元進行控制管理，以及和其他設(shè)備進行通訊。

　　交流放電法蓄電池內(nèi)阻測量的特點：

　　(1) 安全可靠。蓄電池工作主回路不接入任何器件，測量回路設(shè)計有10KΩ限流電阻和保險管，測量回路為高阻設(shè)計，蓄電池工作回路和測量回路安全獨立，互不影響，可以在蓄電池在線工作時更換蓄電池監(jiān)測設(shè)備。

　　(2) 放電電流小，對蓄電池無損害。放電電流為0.01C10～0.05C10，不對蓄電池產(chǎn)生沖擊，不會造成柵板變形及活性物質(zhì)脫落，對蓄電池壽命無影響。

　　(3) 抗干擾性強，適應于對工作中的蓄電池進行實時在線監(jiān)測。采用可編程帶通濾波器進行濾波，并數(shù)字信號處理技術(shù)對信號進行處理，有效地消除了直流充電裝置紋波對測量的影響，具有很好的抗干擾性能，適應于對工作中的蓄電池進行實時在線監(jiān)測。

　　(4) 測試精度高，狀態(tài)評估和奉命預測準確。帶通濾波器+多級高精度運算放大器+數(shù)字信號處理，使蓄電池內(nèi)阻測試精度遠高于傳統(tǒng)的直流放電法和交流注入法蓄電池內(nèi)阻測量技術(shù)。準確的蓄電池(老化)狀態(tài)在線評估及壽命預測要求對蓄電池內(nèi)阻微歐級這樣微小的變化做出的反映，蓄電池內(nèi)阻在線測試精度要在2%以內(nèi)，重復精度在1%以內(nèi)，目前傳統(tǒng)的直流放電法和交流注入法是無法達到的。

　　(5) 測試結(jié)果是蓄電池的真實內(nèi)阻，和測量時間、信號頻率、測試電流大小無關(guān)，具有客觀性，也便于數(shù)據(jù)的橫向比較。