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基于模型的多频点交流放电电池测试技术-在高铁车站UPS蓄电池监测中的应用
发布时间：2016-10-9
点击量：4967
关键词：电池模型、欧姆电阻、极化电阻、过充、漏液、在线均衡
摘要：对高铁车站UPS蓄电池运行过程中存在的问题进行了分析，指出像UPS这样工作于浮充/均充状态的蓄电池，电池自放电差异导致的不均衡使部分电池长期处于过充状态，是电池鼓胀、漏液、干涸的主要原因。基于模型的多频点交流放电电池测试技术，通过在线监测电池的电压、电流、温度、欧姆电阻、极化电阻、极化电容，不但可以发现落后电池及电池内部的开路故障，还可以及时发现过充、鼓胀、漏液的蓄电池，通过对电池进行在线均衡，可以有效防止甚至校正电池组的上述问题，提高电池使用寿命。
一、 前言
为了保证铁路行车安全,某*铁集团**线及##线的是S1南站、S2南站、S3东站、H1站、H2站、s4东站、jx1南站、jx2口站共8个高铁车站，采用了深圳市普禄科智能检测设备有限公司的PITE-3923绿盾智慧电池云管理系统，对电池的电压、电流、温度、欧姆电阻、极化电阻、极化电容进行在线监测。结果发现有7个车站蓄电池监测数据完全正常，而S3东站电压、欧姆电阻数据正常，但极化电阻数据异常（正常值应小于30 mΩ）。
S3东站电池监测数据及现场漏液\鼓胀情况统计见表1所示，发现极化电阻明显偏大，并且凡是极化电阻大于100 mΩ的电池，都存在鼓胀现象。
表1：S3东站UPS蓄电池监测数据而及现场漏液\鼓胀情况统计
|
电池小组 |
U(V) |
R1(mΩ) |
T(℃) |
R2(mΩ) |
C2(F) |
鼓胀统计 |
|
Ⅰ |
55.10 |
19.9 |
22 |
479 |
0.85 |
1#、4# |
|
Ⅱ |
54.02 |
21.7 |
22 |
328 |
1.46 |
1#、2#、3#、4# |
|
Ⅲ |
54.83 |
21.0 |
23 |
640 |
0.82 |
2#、3#、4# |
|
Ⅳ |
54.11 |
22.1 |
22 |
290 |
1.21 |
1#、2#、3#、4# |
|
Ⅴ |
54.54 |
20.8 |
22 |
426 |
0.79 |
1#、2#、3#、4# |
|
Ⅵ |
54.32 |
20.9 |
23 |
308 |
0.84 |
1#、2#、3#、4# |
|
Ⅶ |
54.57 |
21.1 |
23 |
286 |
0.98 |
2#、3#、4# |
|
Ⅷ |
53.49 |
21.6 |
23 |
138 |
1.02 |
1#、2#、3#、4# |
|
Ⅸ |
54.75 |
20.8 |
23 |
407 |
0.94 |
1#、2#、4# |
|
Ⅹ |
55.43 |
21.0 |
23 |
155 |
1.03 |
1#、2#、3#、4# |
说明：表1中，红色表示异常数据（极化电阻明显偏高）。
通过大数据分析，与S3东站同时安装的其他车站的电池组，如S2南站、H1站、H2站，欧姆电阻数据正常（平均20mΩ左右），极化电阻正常（小于30mΩ），并且未发现鼓胀漏液现象，例如S2南站电池监测数据如表2所示。
表2：S2南站UPS蓄电池监测数据
|
电池小组 |
U(V) |
R1(mΩ) |
T(℃) |
R2(mΩ) |
C2(F) |
|
Ⅰ |
54.23 |
20.3 |
25 |
25.9 |
2.00 |
|
Ⅱ |
54.11 |
21.0 |
25 |
23.2 |
2.27 |
|
Ⅲ |
54.23 |
20.0 |
25 |
20.6 |
2.23 |
|
Ⅳ |
54.20 |
22.1 |
25 |
20.9 |
2.80 |
|
Ⅴ |
54.20 |
21.2 |
25 |
22.9 |
2.20 窗体底端 |
|
Ⅵ |
54.16 |
22.3 |
25 |
23.0 |
2.11 |
|
Ⅶ |
54.39 |
23.9 |
25 |
20.8 |
2.42 |
|
Ⅷ |
54.15 |
21.7 |
25 |
22.7 |
2.33 |
|
Ⅸ |
54.12 |
23.5 |
25 |
19.1 |
2.51 |
|
Ⅹ |
54.20 |
23.3 |
25 |
23.1 |
2.23 窗体底端 |
以上表明：电池的鼓胀、漏液与极化电阻有关，通过设定极化电池的阈值，可以实现故障电池的自动检测。
二、 分析
1、电池模型及各参数物理含义
电流在电池内部的传导包括欧姆路径及电化学路径。电池的Thevenin电路模型如图1所示。其中欧姆电阻R1反映了电流的欧姆路径，极化电阻R2反映了电流的电化学路径，极化电容Cp反映了并联的极板与它们之间的介电物质构成的双电层电容。
图1：电池的Thevenin电路模型
欧姆电阻R1：反映了电流的欧姆路径，包括了极柱(R_terminal)、汇流排(R_strap)、板栅(R_grid)、板栅与涂膏间 (R_grid_to_paste) 的电阻。
极化电阻R2：反映的电流的电化学路径，包括涂膏（R_paste）、电解质(R_electrolyte)、隔膜(R_seperator)的电阻。
极化电容C2：并联的极板与它们之间的介电物质构成了双电层电容。
电池欧姆电阻、极化电阻、极化电容的构成见图2。
图2：电池的欧姆电阻、极化电阻、极化电容
从图2可以看到，由于较大的极化电容所产生的阻抗掩盖了极化电阻所发生的变化，而该路径恰好包含了储存能量的涂膏和电解质。
欧姆电阻存在问题，预示着电池在放电时可能会在总线电压没有警告的情况下瞬间下降或完全中断。另外，落后的蓄电池欧姆电阻会增加，因此，通过监测欧姆电阻的变化，可以提前发现落后的蓄电池。
极化电阻反映了电池的电化学问题，极化电阻明显变大，预示着电池处于过充状态，电解液中的水会发生明显的水解反应而变成氢气、氧气而产生失水，电池会因内部压力增加而鼓涨，并且可能存在漏液、干涸等故障。
以美国阿尔伯及密特为代表的传统的蓄电池检测设备，检测的是蓄电池的欧姆电阻，可以发现出常规的落后电池，以及电池内部的开路故障，但是无法检测出电池的漏液、干涸故障。
以深圳普禄科公司“基于模型的多频点交流放电电池测试技术”为代表的蓄电池检测设备，可以检测蓄电池的欧姆电阻、极化电阻、极化电容，不但可以检测出常规的落后电池以及电池内部的开路故障，还可以检测出电池的鼓胀、漏液等故障。
S3东站为例，UPS电池仅投入运行一年时间，通过大数据分析发现：欧姆电阻正常（正常值为20 mΩ左右），说明欧姆路径没有问题；而极化电阻明显偏大（正常值应小于30 mΩ），现场查看，极化电阻大于100 mΩ的电池都存在鼓胀现象。
2、电池故障与漏液原因分析及预防
铅酸蓄电池在充电期间，电解液中的水会因为水解反应而产生气体。其中负极除了充电反应：PbSO4+2e→Pb+HSO4-，还有如下副反应：2H+2e→H2↑；正极除了充电反应：PbSO4+2H2O-2e→PbO2+3H++HSO4-，还有如下副反应：2H2O-4e-=O2↑+4H+。
对于控铅酸蓄电池，如果充电电压控制得好，产生的气体很少，正极产生的氧气会从隔膜间的微孔扩散到负极表面而被吸收，转化为液态的水（阀控铅酸蓄电池的氧循环及阴极吸附），因此不会产生水份的流失。但是如果充电电压过高，水解反应会更加剧烈而产生大量气体，因来不及扩散及吸收，电池内部压力会持续升高，到一定程度，电池的安全阀会打开，气体会扩散到周围的空气中，从而产生失水现象。电池内部压力过高，如果电池密封不良，电解液还会从壳体的缝隙流到电池外部，产生漏液现象。
蓄电池正极电位较高，负极电位较低，在电解液的作用下，会自动地产生化学反应而自放电；另外，电池的正极活性物质、负极活性物质、电解液中难免存在一定杂质，从而形成局部微电池，这也是电池自放电的重要原因。电池在使用过程中，环境温度也会对电池的自放电速率产生影响。电池在制造过程中，无法保证电池内部正负极板、电解液杂质含量完全一致，使用过程中，电池所处的环境温度也无法保证完全相同，因而，每节电池自放电速率或多或小地存在一定差异。
为补偿电池自放电的影响，蓄电池通常采用浮充电运行方式，使电池始终处于满电状态。一般情况下，充电机对一串电池的浮充电流是完全相同的。这样，虽然电池安装时都经过了严格的匹配，但是经过长时间的浮充后，部分自放电速率小的电池将处于过充状态，另一部分自放电速率大的电池将处于欠充状态。如不采取措施，电池的不均衡性将会越来越严重，过充的电池将会由于电解液中水的电解而早期失效，欠充电的电池则由于自放电产生的硫酸盐晶体逐渐长大而早期失效，从而造成电池实际寿命显著小于理论寿命。
分析表明，蓄电池的鼓胀甚至漏液的主要原因，是部分蓄电池长期处于过充状态。而过充电的原因是充电过程中蓄电池的自身不均衡造成的。
PITE-3923绿盾智慧电池云管理系统通过对蓄电池的早期过充电检测, 对各节蓄电池的实际充电电流进行控制，使每节电池都以其所需的电流进行充电，避免电池的长期过充和欠充，从而解决了电池组的充电不均衡造成的电池故障问题，延长了电池使用寿命——电池在线均衡。
表3是jx1南站UPS蓄电池均衡前后监测数据对比,从表中可以看到,均衡后,该电池组过充电池的极化电阻恢复正常，过充情况得到了明显改善。
表3：jx1南站UPS蓄电池均衡前后监测数据对比
|
均衡前 |
||||||
|
电池小组 |
U(V) |
R1(mΩ) |
C(%) |
T(℃) |
R2(mΩ) |
C2(F) |
|
Ⅰ |
51.99 |
30.1 |
84 |
25 |
55.0 |
2.24 |
|
Ⅱ |
52.36 |
24.0 |
98 |
25 |
149 |
1.30 |
|
Ⅲ |
52.45 |
23.7 |
98 |
25 |
105 |
1.39 |
|
Ⅳ |
52.46 |
24.2 |
97 |
25 |
64.5 |
1.52 窗体底端 |
|
均衡后 |
||||||
|
电池小组 |
U(V) |
R1(mΩ) |
C(%) |
T(℃) |
R2(mΩ) |
C2(F) |
|
Ⅰ |
51.94 |
30.4 |
83 |
25 |
43.4 |
2.83 |
|
Ⅱ |
52.38 |
24.6 |
96 |
25 |
45.5 |
1.90 |
|
Ⅲ |
52.45 |
24.2 |
97 |
25 |
39.8 |
1.84 |
|
Ⅳ |
52.48 |
24.6 |
96 |
25 |
31.1 |
1.98 窗体底端 |
三、 结论
1、 常规电池监测方法，通过监测电池的欧姆电阻可以发现一些落后蓄电池，但解决不了是否能及时发现由于电池的电化学问题（例如电池的鼓胀、漏液问题）而出现的电池故障的时效性问题。基于普禄科公司所组建的计算模型的多频点蓄电池测试技术的电池检测设备，可以同时检测电池的欧姆电阻和极化电阻，从而解决上述技术性难点问题。
2、 蓄电池的鼓胀甚至漏液的主要原因，是部分蓄电池长期处于过充状态。通过对蓄电池的早期过充电检测,采用在线均衡技术解决上述问题，可延长电池使用寿命。
实际使用案例：3923电池云管理系统——某机务段和谐号机车项目
