充電機充電蓄電池的智能監(jiān)控和維護系統(tǒng)
2019-1-9 10:06:00??????點擊：
人們通常將充電機充電蓄電池比喻為UPS供電系統(tǒng)的心臟,而UPS故障有多達50%是由充電機充電蓄電池故障引發(fā)的,充電機充電蓄電池故障是UPS事故發(fā)生率居高不下的一個重要原因。由此可見,提高充電機充電蓄電池運行安全可靠的必要性和迫切性。各行業(yè)用戶應(yīng)從確保運行質(zhì)量、生產(chǎn)安全和財產(chǎn)安全的角度來重視充電機充電蓄電池的維護工作,因此購置充電機充電蓄電池維護儀表不是消費性的開支,而是一種對安全的長期投資。目前UPS業(yè)內(nèi)普遍使用的都是閥控式鉛酸充電機充電蓄電池,對充電機充電蓄電池的監(jiān)控和維護是本文探討的中心。
鉛酸充電機充電蓄電池介紹
閥控式鉛酸充電機充電蓄電池的英文名稱為Valve Regulated Lead Battery(簡稱VRLA電池),其基本特點是使用期間不用加酸加水維護,電池為密封結(jié)構(gòu),不會漏酸,也不會排酸霧,電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥(也叫安全閥),閥的作用是當電池內(nèi)部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示),即當電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時,排氣閥會自動打開,排出
氣體,然后自動關(guān)閥,防止空氣進入電池內(nèi)部。鉛酸電池誕生于20世紀70年代,到1975年時,在一些發(fā)達國家已經(jīng)形成了相當?shù)纳a(chǎn)規(guī)模,很快就形成了產(chǎn)業(yè)化并大量投放市場。因為其具有成本低,浮充性能好,免維護,易于回收等多種優(yōu)點,而倍受用戶歡迎。
UPS充電機充電蓄電池的安全隱患
UPS如今應(yīng)用行業(yè)和場景越來越復(fù)雜多樣,實際應(yīng)用場景沒有一個統(tǒng)一的管理標準,大部分維護人員也沒有形成科學(xué)的維護理念或者具備有效地維護設(shè)施和手段。致使常常UPS安裝完后,充電機充電蓄電池組就長期處于無人值守的狀況,以致于這類UPS的充電機充電蓄電池組都可能存在很大的安全隱患。在UPS的應(yīng)用場景中,數(shù)據(jù)中心(中心機房)往往配備大量的充電機充電蓄電池組,本文以這類UPS應(yīng)用的典型代表為例,列舉三點充電機充電蓄電池組可能存在的安全隱患。
導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷事故
數(shù)據(jù)中心的供電保障系統(tǒng)是保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電不中斷的核心系統(tǒng),后備充電機充電蓄電池組是網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急供電能源之所在。充電機充電蓄電池組能夠在市電停電或交流側(cè)發(fā)生電氣短路中斷時,通過逆變給后端設(shè)備提供足夠的后備電能,以便數(shù)據(jù)的保存和通信的延展,不會直接導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)的供電中斷。在UPS系統(tǒng)中,只要逆變器及后續(xù)電路正常工作,就可以給后端負載供電。在設(shè)計之初，UPS的后備時間就在機房建設(shè)考慮中。然而，若充電機充電蓄電池組不良，極有可能在后備供電過程中發(fā)生機器宕機，造成負載設(shè)備掉電，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷故障，造成通訊故障，帶來直接巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，金融行業(yè)的數(shù)據(jù)中心每宕機1min，即可能造成約150萬美元的損失。
短路危害大
一般情況下,發(fā)現(xiàn)電氣短路起火時,首先要切斷電源。對于交流電源而言,由于電能自上而下地來源于市電電網(wǎng)或柴油發(fā)電機組,當發(fā)生電氣短路故障時,總會有一級保護器件產(chǎn)生動作,及時切斷短路的電氣電路。而當充電機充電蓄電池組位于電源供電系統(tǒng)的末端,電能是自下而上提供的,只要越過了充電機充電蓄電池組的保護斷路器,則不會再有其它的保護。發(fā)生短路故障時,往往無法有效地切斷短路的電氣電路。加上直流電流不像交流正弦波,它沒有過零點時的瞬間電動勢為零的過程,一旦發(fā)生電氣短路不能快速切除電弧,極易造成故障的蔓延,對負載和機房的其他設(shè)備,甚至值守人員帶來危害。
引發(fā)機房火災(zāi)
充電機充電蓄電池充電過程中會有氫氣的產(chǎn)生,氫氣是易燃易爆的甲類物質(zhì),當室內(nèi)氫氣濃度達到爆炸極限(4%～75%)時,一遇火源就會發(fā)生氣爆。另外電池因為材質(zhì)、安裝工藝、熱失控等多種原因,發(fā)生充電機充電蓄電池組電氣短路后,若不能及時發(fā)現(xiàn)和切斷回路,則必然引起火災(zāi)。充電機充電蓄電池組的電量越足,危害性也越大,且火災(zāi)中會產(chǎn)生大量煙,迅速蔓延整個機房,即使機房配有單獨的電池室,但因通道連通的關(guān)系,機房也有可能迅速被煙覆蓋。造成更大的人員財產(chǎn)損失。
電池監(jiān)控系統(tǒng)的必要性
鉛酸電池的使用壽命號稱有5～8年,不過在實際應(yīng)用過程中,往往3～5年就面臨需要更換的境地,盡管電池壽命的減短跟實際使用的很多因素有關(guān),但在鉛酸電池技術(shù)未有重大突破的前,電池壽命的延長主要還是依靠電池的日常維護和保養(yǎng),而UPS的充電機充電蓄電池普遍缺乏正確的日常維護和科學(xué)的運維管理。部分客戶通常是等到事故發(fā)生的時候,才知道電池出現(xiàn)故障了,不僅沒法保證充足的后備時間,可能造成負載掉電。而且電池故障的解決方法只能通過換電池來處理。這不經(jīng)濟也不環(huán)保,無疑會降低數(shù)據(jù)中心的MTBF。而且最近還發(fā)生了幾起機房電池火災(zāi)爆炸事故,譬如:北郵網(wǎng)絡(luò)機房起火事故,導(dǎo)致了北京地區(qū)多所高校網(wǎng)絡(luò)中斷。所以,導(dǎo)入一款能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控,均衡充電,提前報警的電池監(jiān)控設(shè)備,從而達到延長充電機充電蓄電池的使用壽命,提高UPS充電機充電蓄電池的安全可靠性是目前困擾客戶亟待解決的問題。
智能電池監(jiān)控儀的總體結(jié)構(gòu)
智能電池監(jiān)控儀一般由一個主機模塊和若干個檢測及主動均衡模塊構(gòu)成,具有在線監(jiān)測,異常告警,自動維護,遠程控制4大功能。普遍都是用智能模塊采集數(shù)據(jù),當然各個廠商的數(shù)據(jù)測量方法多樣,采集完數(shù)據(jù)后都會傳輸給主機,主機內(nèi)部有接收數(shù)據(jù)的模塊,通過處理和分析,來判斷電池的好壞,來決定是否進行異常報警,處理后的數(shù)據(jù)通過LCD顯示,并在主機內(nèi)數(shù)據(jù)模塊存儲,系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1在線監(jiān)測
電池狀態(tài)有幾個參數(shù)可以作為重要參考。以便我們對充電機充電蓄電池好壞有一個比較準確的判斷。所以智能監(jiān)控儀采集的數(shù)據(jù),其主要內(nèi)容一般都要包含電壓、內(nèi)阻、溫度。
1
電池電壓的監(jiān)測及硬件思路
電壓是充電機充電蓄電池當前狀態(tài)的最直接的表征,也是最容易檢測到能反饋電池當前狀態(tài)的參數(shù),而且電池過充或者過放都會造成電池永久性損壞。確保充電電壓在一個合理范圍內(nèi),能延長充電機充電蓄電池的使用壽命。為監(jiān)測單個電池電壓,電壓的采樣模塊可采用分壓電路+電壓跟隨器+A/D采樣模塊的硬件思路來實現(xiàn)(見圖2)。
2
溫度的檢測及硬件思路
電池充放電過程中一般都會產(chǎn)生熱量,如果電池沒有辦法及時的導(dǎo)走,會在充電機充電蓄電池內(nèi)部堆積,皆可能導(dǎo)致充電機充電蓄電池過熱,從而引發(fā)電池熱失控等后果,充電機充電蓄電池的最佳應(yīng)用環(huán)境溫度在15～25℃。據(jù)試驗測定,環(huán)境溫度一旦超過25℃,每升高10℃,電池的壽命就要縮短一半,實際測量時,因為電池內(nèi)部溫度無法測量,測量模塊一般將電池箱體的周邊溫度作為溫度采集的數(shù)據(jù)。目前市面上常用硬件設(shè)計思路都是采用美國DALLAS公司推出的單線數(shù)字化智能集成溫度傳感器DS18B20來構(gòu)成溫度采樣電路，該元件具有體積小，硬件開銷低，抗*能力強，精度高等優(yōu)點。且可以直接跟CPU相連，三個引腳分別接地、工作電源和CPU即可完成溫度偵測。且數(shù)據(jù)最高精度可達到±0.5℃(見圖3)。
3
電池內(nèi)阻的檢測及設(shè)計思路
內(nèi)阻檢測一般都是各廠商的核心技術(shù),多數(shù)廠商也以內(nèi)阻的測量的結(jié)果來作為判斷電池的重要手段之一,市面上現(xiàn)有兩種電池常見的內(nèi)阻檢測方法是直流放電法和交流注入法。交流注入法是在電池端子兩端施加一個低頻交流恒流信號,然后通過取樣電路獲取交流信號的交流電流值,計算公式為r=U/I(1)
而直流放電法則是通過對電池進行瞬間大電流放電,測量電池上的瞬間電壓降,然后通過歐姆定律來得到電池內(nèi)阻值,即
(2)
在線式內(nèi)阻監(jiān)測采用交流注入法會更方便,直流放電法會對電池造成一定的損害。
2自動維護
電池組的自動維護,是指在監(jiān)測時能夠使得電池組內(nèi)的所有單體電池與相鄰電池的電壓趨近相等。使得整個電池組所有電池的電壓相近或相等。盡可能的讓每節(jié)電池都處于最佳活性狀態(tài),當相鄰電池的電差大于控制電壓差時,會啟動均衡控制,控制充電過程中所有電池組中的所有電池同時達到充電限制電壓。放電過程,所有電池同時達到放電截止電壓,徹底解決落后電池的“木桶效應(yīng)”。保證整組電池的電壓一致性,提高電池組的綜合利用率,有效的保護電池,保障電池組的運行穩(wěn)定性。
3異常報警
電池的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過采集后,傳輸?shù)街鳈C,主機內(nèi)部會進行檢測分析,對充電機充電蓄電池組的運行狀況進行評估,如果確實有運行狀態(tài)不良的充電機充電蓄電池,會給予異常告警,以便及時處理異常電池。
4遠程監(jiān)控
遠程控制,電池監(jiān)控儀內(nèi)置WEB服務(wù)器,通過匹配合適的IP地址,即可實現(xiàn)遠程通訊。達到監(jiān)測和控制的功能,通訊框圖如圖4所示。
結(jié)束語
END
在UPS行業(yè),隨著BMS的成熟,且電池應(yīng)用數(shù)量的增長,對于充電機充電蓄電池安全性,穩(wěn)定性和可靠性的需求也會越來越迫切。可以預(yù)見,充電機充電蓄電池的智能監(jiān)控和維護設(shè)備在UPS電池管理方面的應(yīng)用會更普及,這是技術(shù)發(fā)展,社會進步的必然結(jié)果。
鉛酸充電機充電蓄電池介紹
閥控式鉛酸充電機充電蓄電池的英文名稱為Valve Regulated Lead Battery(簡稱VRLA電池),其基本特點是使用期間不用加酸加水維護,電池為密封結(jié)構(gòu),不會漏酸,也不會排酸霧,電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥(也叫安全閥),閥的作用是當電池內(nèi)部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示),即當電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時,排氣閥會自動打開,排出
氣體,然后自動關(guān)閥,防止空氣進入電池內(nèi)部。鉛酸電池誕生于20世紀70年代,到1975年時,在一些發(fā)達國家已經(jīng)形成了相當?shù)纳a(chǎn)規(guī)模,很快就形成了產(chǎn)業(yè)化并大量投放市場。因為其具有成本低,浮充性能好,免維護,易于回收等多種優(yōu)點,而倍受用戶歡迎。
UPS充電機充電蓄電池的安全隱患
UPS如今應(yīng)用行業(yè)和場景越來越復(fù)雜多樣,實際應(yīng)用場景沒有一個統(tǒng)一的管理標準,大部分維護人員也沒有形成科學(xué)的維護理念或者具備有效地維護設(shè)施和手段。致使常常UPS安裝完后,充電機充電蓄電池組就長期處于無人值守的狀況,以致于這類UPS的充電機充電蓄電池組都可能存在很大的安全隱患。在UPS的應(yīng)用場景中,數(shù)據(jù)中心(中心機房)往往配備大量的充電機充電蓄電池組,本文以這類UPS應(yīng)用的典型代表為例,列舉三點充電機充電蓄電池組可能存在的安全隱患。
導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷事故
數(shù)據(jù)中心的供電保障系統(tǒng)是保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電不中斷的核心系統(tǒng),后備充電機充電蓄電池組是網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急供電能源之所在。充電機充電蓄電池組能夠在市電停電或交流側(cè)發(fā)生電氣短路中斷時,通過逆變給后端設(shè)備提供足夠的后備電能,以便數(shù)據(jù)的保存和通信的延展,不會直接導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)的供電中斷。在UPS系統(tǒng)中,只要逆變器及后續(xù)電路正常工作,就可以給后端負載供電。在設(shè)計之初，UPS的后備時間就在機房建設(shè)考慮中。然而，若充電機充電蓄電池組不良，極有可能在后備供電過程中發(fā)生機器宕機，造成負載設(shè)備掉電，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷故障，造成通訊故障，帶來直接巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，金融行業(yè)的數(shù)據(jù)中心每宕機1min，即可能造成約150萬美元的損失。
短路危害大
一般情況下,發(fā)現(xiàn)電氣短路起火時,首先要切斷電源。對于交流電源而言,由于電能自上而下地來源于市電電網(wǎng)或柴油發(fā)電機組,當發(fā)生電氣短路故障時,總會有一級保護器件產(chǎn)生動作,及時切斷短路的電氣電路。而當充電機充電蓄電池組位于電源供電系統(tǒng)的末端,電能是自下而上提供的,只要越過了充電機充電蓄電池組的保護斷路器,則不會再有其它的保護。發(fā)生短路故障時,往往無法有效地切斷短路的電氣電路。加上直流電流不像交流正弦波,它沒有過零點時的瞬間電動勢為零的過程,一旦發(fā)生電氣短路不能快速切除電弧,極易造成故障的蔓延,對負載和機房的其他設(shè)備,甚至值守人員帶來危害。
引發(fā)機房火災(zāi)
充電機充電蓄電池充電過程中會有氫氣的產(chǎn)生,氫氣是易燃易爆的甲類物質(zhì),當室內(nèi)氫氣濃度達到爆炸極限(4%～75%)時,一遇火源就會發(fā)生氣爆。另外電池因為材質(zhì)、安裝工藝、熱失控等多種原因,發(fā)生充電機充電蓄電池組電氣短路后,若不能及時發(fā)現(xiàn)和切斷回路,則必然引起火災(zāi)。充電機充電蓄電池組的電量越足,危害性也越大,且火災(zāi)中會產(chǎn)生大量煙,迅速蔓延整個機房,即使機房配有單獨的電池室,但因通道連通的關(guān)系,機房也有可能迅速被煙覆蓋。造成更大的人員財產(chǎn)損失。
電池監(jiān)控系統(tǒng)的必要性
鉛酸電池的使用壽命號稱有5～8年,不過在實際應(yīng)用過程中,往往3～5年就面臨需要更換的境地,盡管電池壽命的減短跟實際使用的很多因素有關(guān),但在鉛酸電池技術(shù)未有重大突破的前,電池壽命的延長主要還是依靠電池的日常維護和保養(yǎng),而UPS的充電機充電蓄電池普遍缺乏正確的日常維護和科學(xué)的運維管理。部分客戶通常是等到事故發(fā)生的時候,才知道電池出現(xiàn)故障了,不僅沒法保證充足的后備時間,可能造成負載掉電。而且電池故障的解決方法只能通過換電池來處理。這不經(jīng)濟也不環(huán)保,無疑會降低數(shù)據(jù)中心的MTBF。而且最近還發(fā)生了幾起機房電池火災(zāi)爆炸事故,譬如:北郵網(wǎng)絡(luò)機房起火事故,導(dǎo)致了北京地區(qū)多所高校網(wǎng)絡(luò)中斷。所以,導(dǎo)入一款能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控,均衡充電,提前報警的電池監(jiān)控設(shè)備,從而達到延長充電機充電蓄電池的使用壽命,提高UPS充電機充電蓄電池的安全可靠性是目前困擾客戶亟待解決的問題。
智能電池監(jiān)控儀的總體結(jié)構(gòu)
智能電池監(jiān)控儀一般由一個主機模塊和若干個檢測及主動均衡模塊構(gòu)成,具有在線監(jiān)測,異常告警,自動維護,遠程控制4大功能。普遍都是用智能模塊采集數(shù)據(jù),當然各個廠商的數(shù)據(jù)測量方法多樣,采集完數(shù)據(jù)后都會傳輸給主機,主機內(nèi)部有接收數(shù)據(jù)的模塊,通過處理和分析,來判斷電池的好壞,來決定是否進行異常報警,處理后的數(shù)據(jù)通過LCD顯示,并在主機內(nèi)數(shù)據(jù)模塊存儲,系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1在線監(jiān)測
電池狀態(tài)有幾個參數(shù)可以作為重要參考。以便我們對充電機充電蓄電池好壞有一個比較準確的判斷。所以智能監(jiān)控儀采集的數(shù)據(jù),其主要內(nèi)容一般都要包含電壓、內(nèi)阻、溫度。
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電池電壓的監(jiān)測及硬件思路
電壓是充電機充電蓄電池當前狀態(tài)的最直接的表征,也是最容易檢測到能反饋電池當前狀態(tài)的參數(shù),而且電池過充或者過放都會造成電池永久性損壞。確保充電電壓在一個合理范圍內(nèi),能延長充電機充電蓄電池的使用壽命。為監(jiān)測單個電池電壓,電壓的采樣模塊可采用分壓電路+電壓跟隨器+A/D采樣模塊的硬件思路來實現(xiàn)(見圖2)。
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溫度的檢測及硬件思路
電池充放電過程中一般都會產(chǎn)生熱量,如果電池沒有辦法及時的導(dǎo)走,會在充電機充電蓄電池內(nèi)部堆積,皆可能導(dǎo)致充電機充電蓄電池過熱,從而引發(fā)電池熱失控等后果,充電機充電蓄電池的最佳應(yīng)用環(huán)境溫度在15～25℃。據(jù)試驗測定,環(huán)境溫度一旦超過25℃,每升高10℃,電池的壽命就要縮短一半,實際測量時,因為電池內(nèi)部溫度無法測量,測量模塊一般將電池箱體的周邊溫度作為溫度采集的數(shù)據(jù)。目前市面上常用硬件設(shè)計思路都是采用美國DALLAS公司推出的單線數(shù)字化智能集成溫度傳感器DS18B20來構(gòu)成溫度采樣電路，該元件具有體積小，硬件開銷低，抗*能力強，精度高等優(yōu)點。且可以直接跟CPU相連，三個引腳分別接地、工作電源和CPU即可完成溫度偵測。且數(shù)據(jù)最高精度可達到±0.5℃(見圖3)。
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電池內(nèi)阻的檢測及設(shè)計思路
內(nèi)阻檢測一般都是各廠商的核心技術(shù),多數(shù)廠商也以內(nèi)阻的測量的結(jié)果來作為判斷電池的重要手段之一,市面上現(xiàn)有兩種電池常見的內(nèi)阻檢測方法是直流放電法和交流注入法。交流注入法是在電池端子兩端施加一個低頻交流恒流信號,然后通過取樣電路獲取交流信號的交流電流值,計算公式為r=U/I(1)
而直流放電法則是通過對電池進行瞬間大電流放電,測量電池上的瞬間電壓降,然后通過歐姆定律來得到電池內(nèi)阻值,即
(2)
在線式內(nèi)阻監(jiān)測采用交流注入法會更方便,直流放電法會對電池造成一定的損害。
2自動維護
電池組的自動維護,是指在監(jiān)測時能夠使得電池組內(nèi)的所有單體電池與相鄰電池的電壓趨近相等。使得整個電池組所有電池的電壓相近或相等。盡可能的讓每節(jié)電池都處于最佳活性狀態(tài),當相鄰電池的電差大于控制電壓差時,會啟動均衡控制,控制充電過程中所有電池組中的所有電池同時達到充電限制電壓。放電過程,所有電池同時達到放電截止電壓,徹底解決落后電池的“木桶效應(yīng)”。保證整組電池的電壓一致性,提高電池組的綜合利用率,有效的保護電池,保障電池組的運行穩(wěn)定性。
3異常報警
電池的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過采集后,傳輸?shù)街鳈C,主機內(nèi)部會進行檢測分析,對充電機充電蓄電池組的運行狀況進行評估,如果確實有運行狀態(tài)不良的充電機充電蓄電池,會給予異常告警,以便及時處理異常電池。
4遠程監(jiān)控
遠程控制,電池監(jiān)控儀內(nèi)置WEB服務(wù)器,通過匹配合適的IP地址,即可實現(xiàn)遠程通訊。達到監(jiān)測和控制的功能,通訊框圖如圖4所示。
結(jié)束語
END
在UPS行業(yè),隨著BMS的成熟,且電池應(yīng)用數(shù)量的增長,對于充電機充電蓄電池安全性,穩(wěn)定性和可靠性的需求也會越來越迫切。可以預(yù)見,充電機充電蓄電池的智能監(jiān)控和維護設(shè)備在UPS電池管理方面的應(yīng)用會更普及,這是技術(shù)發(fā)展,社會進步的必然結(jié)果。
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