蓄电池在线维护系统技术

技术

目录

一我国蓄电池使用的现状 (3)

1蓄电池使用方面的五大认识误区 (4)

1.1 简单地串联使用 (4)

1.2人为“均衡充电” (6)

1.3免维护问题 (6)

1.4新旧电池混用 (7)

1.5经常进行核容放电 (7)

2影响蓄电池使用寿命的四大因素 (7)

2.1过充电 (7)

2.2欠充电 (8)

2.3过放电 (8)

2.4环境温度影响 (9)

二蓄电池在线维护解决方案 (9)

1 方案：分布式在线维护方案 (9)

2 分布式在线维护方案的优点： (10)

三分布式蓄电池组在线维护系统 (11)

1概述: (11)

2 工作原理 (12)

2. 1在线充电过程： (12)

2.2在线放电过程： (12)

3主要功能特点： (13)

4 技术条件： (14)

5 技术指标： (14)

6 外形尺寸： (14)

四蓄电池在线维护的意义 (15)

1 环保 (16)

1.1降低原材料消耗 (16)

1.2降低处理费用，减少污染 (17)

1.3 降低有害气体排放 (17)

2 省钱 (17)

3 省事 (18)4 安全 (18)

一我国蓄电池使用的现状

铅酸蓄电池组的应用已有百年之久，最初使用的是开口式铅酸蓄电池，到上世纪50年代，世界上才出现了密封式铅酸蓄电池，80年代密封式铅酸蓄电池得到了飞速发展，1988 年阀控式密封铅酸蓄电池进入我国。

随着我国经济和技术的快速发展，有大量的设备和装备都要求7X24小时连续的不间断供电；由于电是清洁能源，一些传统的以内燃机为动力的设备和装备也在不断地加速改为电力驱动的进程（例如：电动汽车），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，每年需要新增、更换蓄电池超过2000万节以上。

据相关部门初步统计，目前全国每年报废铅酸蓄电池约5000多万只，其中含铅重量达 30多万吨。产生如此大量蓄电池报废的原因是：蓄电池的实际使用寿命远远小于设计使用寿命。蓄电池厂家设计的蓄电池使用寿命一般为10〜20年。由于受蓄电池的特性和目前维护手段的，实际使用寿命只有承诺使用寿命的10%〜30%,绝大多数在20%左右，远远小于厂家设计的使用寿命。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，造成了大量的资源浪费、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，但这些问题都是设计寿命之前的事，而造成比设计寿命还短得多的原因主要是使用方面的认识误区和维护管理方面的问题。

1蓄电池使用方面的五大认识误区

1.1 简单地串联使用

从1859年法国人发明了蓄电池至今近一个半世纪的时间里，蓄电池组都是这样简单串联使用的（如图1所示）。但是这一常规而经典应用，却是造成蓄电池组实际使用寿命短的主要原因：蓄电池简单地串联使用时，由于各单体电池之间存在容量和自放电差异，造成个别单体电池长期过充电或长期充电不足，从而影响蓄电池寿命。

图1 串联使用的蓄电池组

为了便于理解，将蓄电池的等效电路进行简化，它由理想电池Vb 和一个串联内阻Rd和一个并联电阻Rz组成，如图2所示（实际上，蓄电池内阻等效模型要复杂得多）。其中，Rd 为蓄电池欧姆电阻，俗称内阻，这已经为广大用户所熟知；Rz是蓄电池内部存在局部小电池产生放电效应的等效放电电阻，正是这个电阻使得蓄电池存在自放电现象。下面，我们将这个简化的蓄电池等效电路放到蓄电池组中进行分析。

图2简化的蓄电池等效电路

当蓄电池组处于浮充状态时（实际应用中蓄电池大部分时间工作在浮充状态），假设蓄电池组的浮充电流为I f ，理论上该电流是用来抵销蓄电池的自放电

电流I 2的。但由于制造工艺等因素的，同组蓄电池中各蓄电池之间的Rz 不可

能相等，因此其自放电电流I z 自然不会相等，为了区别用I Zn 表示。

由于蓄电池组各单体电池之间是串联关系，因此流到每一节单体电池的电流是相等的，即浮充电流I f 。流进每个理想电池Vb 的实际电流为I fn =I f -I Zn ，由于给

蓄电池提供浮充电流的电源是以蓄电池组两端的电压作参考，因此，必然存在一些单体电池的I fn 〈0，一些单体电池的I fn >0。如果I fn <0，相应的单体电池必然

处于放电状态（虽然电流非常小）， 随着时间的积累，这样的单体电池将处于欠充电状态；反之，如果I fn >0，相应的蓄电池必 然处于充电状态（虽然电流非

常小），随着时间的积累，这样的单体电池将处于过充电状态。

图3 蓄电池失效示意图

因此，新出厂的一组蓄电池，正常投入使用一段时间以后，各单体电池之间的电压差异开始增大。如果不采取有效措施，这种差异会越来越大，直至整组蓄电池容量减低甚至报废。

1.2人为“均衡充电”

传统的“均衡充电”是指蓄电池组浮充工作一段时间以后（厂家规定90天〜180天为一个周期），将充电器输出电压提高到一定值（2V单体电池提高到2.35V 左右），并保持充电几小时。其目的是使浮充时处于欠充电状态的单体电池容量得到补充，但同时却使其它单体电池产生过充电。当“均衡充电”完成后，将充电器输出调回浮充电压，这样在一段时间由蓄电池为负载提供电流，达到对蓄电池放电的目的，在一定程度上起到活化蓄电池的作用。如果仅仅为了考虑活化目的，采用降压放电的方法进行蓄电池的活化处理更为合理。

当然，不能否定“均衡充电”对蓄电池维护所起的作用，但这无疑是“饮鸩止渴”！因为，每做一次“均衡充电”，为了把欠充电池的电压稍微向上拉一些，而让已经过充的电池进一步过充（漏电流会增大），这实际上是牺牲一些电池的寿命弥补另外一些电池的寿命，最终牺牲整个蓄电池组的性能，因此是错误的。

鉴于此，一些厂家建议用户将“均衡充电”的周期尽量延长，甚至不建议用户采用“均衡充电”。即使这样，目前大部分用户仍在沿用这种简单的蓄电池维护方法。

1.3免维护问题

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。因为这种电池是贫液电池，是密封的，电解液浓度是不需要调节的，也是调节不了的，而其它的所有维护工作是一定不能免的。一些用户在理解上

出现偏差，减少了对阀控式密封蓄电池的常规维护，因此影响蓄电池的使用寿命。

1.4新旧电池混用

当用户发现蓄电池组中有个别单体电池性能严重下降（比如电压异常，或者内阻增大等），一般有两种处理方法：一是将有问题的单体电池单独离线进行维护，重新投入蓄电池组继续使用；一是为了保证供电安全，干脆用同型号的新电池直接进行替换。虽然有用户也考虑到重新进行配组，但由于蓄电池组这种简单串联使用固有存在的问题，因此，不可能彻底把问题解决。

结果可想而知，由于换上去的电池与原来的电池参数差异较大，很快蓄电池组又出现问题。原因是，这时整组蓄电池中大部分单体电池的性能己经出现不同程度的降低，单体电池之间的性能差异较大，无论采用哪种处理方法都是治标不治本的！除非将整组蓄电池离线，一只一只地单独进行维护，仔细测试，保证各单体电池的性能趋近一致，再重新投入使用。这样维护将耗费较大的精力，也需要较长的时间，要求维护人员具备专业素质，具有专用设备，有备用电池。

1.5经常进行核容放电

由于常规维护效果不甚理想，蓄电池实际使用寿命不长，一些用户为了准确了解蓄电池容量,经常进行核容放电。而核容放电一次电池充放电循环寿命就减少一次，经常核容放电将直接减少蓄电池使用寿命。

2影响蓄电池使用寿命的四大因素

2.1过充电

2V铅酸蓄电池浮充电压一般为2. 25V/25°C,根据各厂家的设计和生产工艺不同而稍有不同，超过此值即为过充电。

蓄电池过充电影响其使用寿命的原因：

●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。

●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。

●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电对蓄电池使用寿命的影响做了

大量的研究，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%。可见过充电对蓄电池的危害非常大。

2.2欠充电

2V铅酸蓄电池浮充电压一般为2.25V/25°C，根据各厂家的设计和生产工艺不同而稍有不同，长期低于此值即为欠充电。

蓄电池长期欠充电会在负极产生难以还原的硫酸盐，使阴极硫酸盐化，使蓄电池内阻增加，容量降低。最主要的是蓄电池组的容量是以整组电池中容量最低的电池决定的，如果长期充电不足，即使蓄电池性能没有降低，但实际放电容量将低于额定容量。

2.3过放电

蓄电池过放电会在极板表面形成大颗粒的硫酸铅结晶层，久而久之会造成极板不可逆硫化，降低极板活性物质的孔率，影响电池放电性能。

如果蓄电池长期充电不足，一旦市电停电时间较长，容易使落后电池产生过放电，从而影响蓄电池组寿命。

2.4环境温度影响

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°C，表示的就是一个理想的化学活性。保持温度为 25°C时，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时，温度高于 25°C就是过充，温度低于25°C就是欠充。

国内外研究表明，保持电压不变，在25C环境温度之上，温度每增加10°C，长期工作将使蓄电池容量约减小5%，在25°C环境温度之下，温度每降低10°C,长期工作将使蓄电池容量约减小1%。

二蓄电池在线维护解决方案

通过上面论述影响蓄电池寿命的各种因素，我们找到了问题的根源——蓄电池组各单体电池的一致性差异（包括容量、内阻等差异）。针对这个问题，一方面要选择容量和自放电差异较小的蓄电池进行配组使用，但最根本的解决办法是根除自放电对蓄电池组应用带来的危害。既然我们知道自放电是蓄电池的固有特性，无法根除它，我们能否采用某种方法降低它对蓄电池组的影响呢？答案是肯定的！

1 方案：分布式在线维护方案

图4 分布式蓄电池组在线维护方案组成示意图

分布式在线维护技术是在现有蓄电池组的充电系统基础上，增加简单的设备消除蓄电池自放电对其寿命影响。如图4所示，在原有的电源充电系统中，给每节单体电池增加一只在线维护模块，模块经总线连接后接入维护主机，由主机统一管理。

如果单体电池自放电电流较大，模块为其补充充电，防止电池长期充电不足，保证单体电池容量长期稳定；反之，如果单体电池自放电电流较小，模块为其旁路一部分电流，防止电池长期过充电，保证单体电池容量长期稳定。

2 分布式在线维护方案的优点：

●可以解决蓄电池组各单体之间自放电不同影响蓄电池使用寿命的问题；

●可以解决己投入使用多年的蓄电池寿命问题；

●不改变现有的电池充电结构，电源系统的安全性得到保证；

●系统组建灵活，安装方便，安全性好。

三分布式蓄电池组在线维护系统

1概述:

图5分布式蓄电池组智能在线监测维护系统组成示意图

分布式蓄电池在线维护系统（以下简称电池维护系统）是本公司拥有自主知识产权的专利产品（专利号：ZL200720103569. 6)。电池维护系统除了具有蓄电池在线监测功能外，还增加了对蓄电池在线进行实时维护的功能，从而解决了蓄电池组因单体电池之间的差异造成电池容量下降，缩短电池使用寿命的主要问题。

主机采用19英寸2U标准机箱，320X240大屏彩色液晶显示，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600V、400V (用于UPS系统）、220V (用于电力操作系统）、48V (用于各类通信系统）三种型号；模块有2V、6V、12V三种型号；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 工作原理

2. 1在线充电过程：

首先，主机通过蓄电池组总电压变送器检测到一组由24只标称为2V的蓄电池组总电压VB,假定检测值为VB=52.8V (这里为了举例说明作出假定，实际应用中，本系统支持单体电池的个数可达128只，单体电池的标称电压可以是6V、12V或者其它数值，蓄电池组的总电压可以为其它值，下同），通过计算蓄电池组单体电池平均电压V

=52.8V÷24= 2.2V；并且假定使用者设置系统维护操作电压

P

门限为Vr=30mV (这里为了举例说明作出假定，实际上使用者可以将Vr设置为其它值，下同）。

接着，模块检测到某单体电池的电压为Vn = 2. 15V。主机通过RS485总线读出该单体电池电压，经比较该单体电池电压低于平均电压Vp，并计算其差值ΔVn = Vn-Vp = 2.15V—2.2V =—0.05V =—50mV。当主机根据结果判断到Δ Vn 〈0，且|ΔVn| = 50mV > Vr (Vr=30mV)，因此主机将发出指令到相应的模块，使其对这一只单体电池单独进行充电维护，模块接到充电指令后，控制启动隔离充电电源，并通过充电输出控制电路对充电电流进行控制，从而向单体电池在线充电，直到主机检测到该单体电池的电压恢复到Δ Vn = 0 即Vn = 2.2V时，主机将发出命令停止对该单体电池的充电维护，模块进入低功耗待机状态，减少系统损耗。

2.2在线放电过程：

首先，主机通过蓄电池总电压变送器检测到一组由24只标称为2V的蓄电池组总电压 VB,假定检测值为VB=52.8V，通过计算蓄电池组单体电池平均电压Vp=52.8V÷24=2.2V；并且假定使用者设置系统操作电压门限为Vr=30niV。

接着，模块检测到某单体电池的电压为Vn =2.25V。主机通过RS485总线读出该单体电池电压，经比较该单体电池电压低于平均电压Vp,并计算其差值ΔVn = Vn-Vp = 2.25V—2.2V = 0.05V = 50mV。当主机根据结果判断到ΔVn>0,且|ΔVn| =50mV > Vr(Vr=30mV)，主机将发出指令到相应的模块，使其通过放电控制电路对该单体电池单独进行放电维护。直到主机检测到该单体电池的电压恢复到ΔVn =0即Vn =2.2V时，主机将发出指令停止对该单体电池的放电维护，模块进入低功耗待机状态。放电维护过程中，模块处于低功耗状态。

在上述的充电维护过程当中，主机通过电压变送器实时监测蓄电池组总电压，模块通过单片机实时监测单体电池电压，再通过通信接口电路把结果传输到主机，主机实时地对结果进行比较和判断，并将指令和单体电池平均电压Vp实时发送到相应的模块；如果模块判断到|ΔVn|较大，则通过充电输出控制电路增大充电电流，尽快为落后较多的单体电池补充容量；如果模块判断到|ΔVn|较小，则通过充电输出控制电路减小充电电流，保证对单体电池进行充电维护的过程比较平稳，最大限度地为相对落后的单体电池补充容量，以保证整个蓄电池组的一致性和稳定性。

3主要功能特点：

●在线监测每只单体电池的电压和温度，以及电池组总电压；

●自动对电压超出设定范围的单体电池进行在线维护，消除蓄电池自放电

影响，保证蓄电池组容量长期稳定；

●320X240彩色液晶显示，实时显示单体电池电压及直方图；

●可保存不少于1年的历史数据，便于对无法组网的基站进行数据分析；

●自动保存蓄电池组充放电曲线，便于对电池容量及寿命进行预测和分析；

●每台主机最多可同时维护同组128只单体电池；

●通信协议满足YD T1363-2005标准，便于与其它系统集中监控连接；

●提供RS232/485、TCP/IP、GSM/GPRS/CDMA等不同组网模式；

●对所有监测信号超限作出告警，用户可自行设定各种参数的告警门限；●模块化分布式结构设计，减少安全隐患、提高施工速度、节约工程费用；

4 技术条件：

●供电电压：

主机：36Vdc〜72Vdc, 176Vac〜2Vac可选

●工作温度：一20℃〜70℃

●相对湿度：≤90% （40℃土2℃）

●大气压力：86 kpa〜106 kpa

5 技术指标：

●电池组总电压检测精度：±0.2%

●单体电池电压检测精度：

12V单体电池：±20mV (9V〜15V)；

6V单体电池:土 10mV (4.5V〜7.5V)；

2V单体电池:士5mV (1.5V〜2.5V)；

●电池电流检测精度：±5%:

●电池温度检测精度：士2℃ (0℃〜70℃)

●蓄电池组容量：±5%

●模块之间隔离电压： 2500Vdc

6 外形尺寸：

●主机:19英寸2U标准机箱：

模块:84mm x 47mm x 23mm(长、宽、高)：

四蓄电池在线维护的意义1 环保

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。

采用分布式蓄电池在线维护技术，可以为环保事业带来以下好处：

1.1降低原材料消耗

分布式蓄电池在线维护技术可以有效延长蓄电池使用寿命，根据现有蓄电池充电理论和蓄电池的使用现状，保守估算至少可以将现有的蓄电池实际使用寿命提高5倍。

蓄电池的寿命延长后，每年产生的报废蓄电池数量降大大降低。蓄电池实际使用寿命提高5倍，相当于每年报废的蓄电池数量降低80%!实际每年只有1000万蓄电池报废，意味着每年可以少用蓄电池4000万只，相当于10个中大规模蓄电池生产厂商的年产量！仅原材料铅的消耗一项，每年可节省铅资源二十多万吨（据统计，2004年我国铅的年产量约为135 万吨）；同时还大大降低稀硫酸、塑料等资源的消耗。

1.2降低处理费用，减少污染

分布式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。蓄电池实际使用寿命提高5倍，按我国蓄电池使用现状，相当于每年报废的蓄电池减少4000万只，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。减少4000万只废旧蓄电池，相当于每年减少铅尘排放3. 2万吨，减少二氧化硫排放6000 吨，节约用水150万立方，少产弃渣3. 6万吨（其中含铅4800吨，砷480吨，锑1600吨）！

1.3 降低有害气体排放

分布式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邮箱。

2省钱

据统计，我国现行的蓄电池组实际平均使用寿命不到4年，大部分只有3〜

5年，低的甚至只有1〜2年。而用户每年投入的维护费用占蓄电池的20%以上。

采用分布式蓄电池在线维护技术，根据蓄电池的充电理论至少可以将蓄电

池的寿命延长5倍！这将为广大的蓄电池用户节约一笔不小的开支。同时，还

可以减少维护设备以及维护人员的开支，节约大笔的维护费用。

3 省事

现有的蓄电池维护，要求维护人员定期对蓄电池进行各种检测，既费时间，又不及时，结果是维护质量无法保证。

采用分布式蓄电池在线维护技术，系统24小时实时在线监测，一旦蓄电池出现异常，可以及时进行在线维护，既及时可靠，还保证了蓄电池的维护质量。

4 安全

使用蓄电池的目的就是为了保障设备的用电安全，但由于现有的蓄电池使

用寿命普遍较低，加之维护不力，严重威胁设备安全！

采用分布式蓄电池在线维护技术，系统24小时实时在线监测，一旦蓄电池出现异常，可以及时进行在线维护。这是人工维护难以达到的，蓄电池维护到位，设备安全自然得到充分保障。