系統(tǒng)概述
鉛酸蓄電池作為世界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的化學(xué)電池，具有電壓平穩(wěn)、安全可靠、價(jià)格低廉、回收利用率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，是通訊機(jī)房、UPS電源等直流系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。
由于鉛酸蓄電池的化學(xué)特性，其剩余容量、壽命等關(guān)鍵狀態(tài)無(wú)法直接觀測(cè)，且電池組通常采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，單個(gè)蓄電池故障可能導(dǎo)致整個(gè)電池組失效。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。內(nèi)阻是蓄電池的核心參數(shù)之一，與容量密切相關(guān)。實(shí)際數(shù)據(jù)表明，內(nèi)阻增加通常伴隨著容量下降，當(dāng)內(nèi)阻增大30%~50%時(shí)，電池容量往往已低于額定容量的80%，進(jìn)入失效區(qū)間（依據(jù)《DL/T 724-2000》規(guī)程）。通過(guò)對(duì)內(nèi)阻、溫度等參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，可準(zhǔn)確評(píng)估蓄電池健康狀態(tài)，預(yù)警潛在故障，避免系統(tǒng)中斷。
蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集電壓、內(nèi)阻、溫度等數(shù)據(jù)，分析并推算電池剩余容量與壽命，在異常時(shí)及時(shí)告警，輔助維護(hù)人員掌握電池狀態(tài)，提升供電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。
HTBM蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)，包括安裝在電池側(cè)的分布采集單元、集中監(jiān)控單元及上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。采集單元將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸至集中監(jiān)控單元。相比集中式結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)具備接線簡(jiǎn)單、安裝靈活、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，大幅減少接線復(fù)雜度與安裝工作量，同時(shí)降低了短路等故障風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)由集中監(jiān)控單元、蓄電池分布采集單元和上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)三部分構(gòu)成，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的智能化監(jiān)測(cè)與管理。
集中監(jiān)控單元
集中監(jiān)控單元通過(guò)串口與蓄電池分布式采集單元通信，實(shí)時(shí)采集各蓄電池的電壓、電流、內(nèi)阻、溫度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯總、分析與處理。該單元能夠計(jì)算每節(jié)蓄電池的荷電量（SoC）與健康狀態(tài)（SoH），在荷電量過(guò)低或健康狀態(tài)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警并保存記錄；同時(shí)可對(duì)其他異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。
系統(tǒng)支持通過(guò)RS485、RJ45網(wǎng)口等多種上行通信方式，以MODBUS等協(xié)議將蓄電池組信息上傳至上級(jí)監(jiān)控平臺(tái)。此外，可通過(guò)外接顯示屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地查看。單臺(tái)集中監(jiān)控單元最多支持對(duì)256節(jié)蓄電池的電壓、溫度及內(nèi)阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
蓄電池分布采集單元
蓄電池分布采集單元與蓄電池一一對(duì)應(yīng)，負(fù)責(zé)采集各蓄電池的電壓、溫度等信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與分析。采集單元通過(guò)總線與集中監(jiān)控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池狀態(tài)的集中監(jiān)測(cè)。
該單元采用小電流、短時(shí)脈沖放電技術(shù)（電流小于0.1C，持續(xù)時(shí)間1~2秒），結(jié)合先進(jìn)的濾波控制算法，將內(nèi)阻重復(fù)計(jì)算精度控制在遠(yuǎn)低于±2%的水平，從而實(shí)現(xiàn)高精度的內(nèi)阻測(cè)量。
在安全方面，單元具備多重保護(hù)機(jī)制：當(dāng)放電電流過(guò)大時(shí)，自動(dòng)切斷放電回路；當(dāng)檢測(cè)到回路溫度異常時(shí)，可降低電流或切斷回路，確保蓄電池組安全運(yùn)行。
此外，通過(guò)可選硬件模塊設(shè)計(jì)，該單元還可監(jiān)測(cè)電池間連接條的阻抗，從而判斷連接是否緊固。該功能有助于預(yù)防因連接松動(dòng)導(dǎo)致的阻抗升高、發(fā)熱乃至火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)，顯著提升系統(tǒng)整體的安全性。
上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)
通過(guò)在上位機(jī)部署集中監(jiān)控平臺(tái)，用戶可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該平臺(tái)提供直觀的人機(jī)交互界面，支持實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、查詢歷史記錄與全部參數(shù)，并通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬畫面清晰呈現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行實(shí)景。此外，工作人員還可直接在上位機(jī)上實(shí)時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)與功能設(shè)置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。
HTBM蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要特點(diǎn)：
支持實(shí)時(shí)采集單體電池電壓與電池組電流
通過(guò)被動(dòng)直流放電法實(shí)現(xiàn)在充放電過(guò)程中的無(wú)損內(nèi)阻測(cè)量
支持主動(dòng)直流放電法以滿足用戶靈活的主動(dòng)激勵(lì)測(cè)量需求
在蓄電池側(cè)進(jìn)行就近溫度檢測(cè)，提升測(cè)量準(zhǔn)確性
采用先進(jìn)算法精準(zhǔn)計(jì)算每節(jié)電池的剩余電量（SoC）與健康狀態(tài)（SoH）
具備電池組充放電電流監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)記錄功能，可記錄故障信息，并在電池狀態(tài)異常時(shí)及時(shí)告警
配備豐富的網(wǎng)絡(luò)通信接口，支持遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)上傳。
電池內(nèi)阻檢測(cè)工作原理：
圖中，Rm稱為金屬阻抗，包括電池內(nèi)部的電極、隔膜、連接條和極柱等全部零部件的電阻。
Re稱為電解液阻抗。Re和Rm統(tǒng)稱為歐姆內(nèi)阻。
Rct稱為極化內(nèi)阻，該值大小是由化學(xué)反應(yīng)的離子濃度的變化和電化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)所決定的。
Cdl稱為極板電容，該值大小與極板面積、電解液特性相關(guān)。
WI稱為Warburg阻抗，是由離子在電解液和多孔電極中擴(kuò)散速度決定的。WI阻抗為低頻復(fù)阻抗，在充放電過(guò)程中不體現(xiàn)。
通過(guò)Randles等效電路可以得出，蓄電池內(nèi)阻由歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻組成。
HTBM蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合了直流放電法與交流注入法的優(yōu)勢(shì)，采用直流脈沖放電法進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測(cè)量。在檢測(cè)單節(jié)蓄電池時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)控制器閉合開關(guān)電路，使蓄電池對(duì)放電電阻進(jìn)行脈沖式放電，并由測(cè)量電路實(shí)時(shí)捕捉電池端電壓的變化。
該方法既避免了向直流系統(tǒng)引入交流干擾信號(hào)，也顯著提升了放電過(guò)程的安全性。系統(tǒng)在確保測(cè)試精度的前提下，可將放電電流幅值有效控制在0.1C以內(nèi)，不僅大幅提高了操作安全性，也降低了對(duì)蓄電池及相關(guān)設(shè)備的潛在影響。
通過(guò)配置分布采集單元硬件模塊，HTBM蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)電池內(nèi)阻變化的基礎(chǔ)上，新增了對(duì)帶連接條的電池內(nèi)阻的同步測(cè)量功能。一旦連接條發(fā)生松動(dòng)，其內(nèi)阻會(huì)急劇上升，甚至可能引發(fā)火災(zāi)。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶連接條電池的內(nèi)阻，可及時(shí)檢測(cè)連接條的緊固狀態(tài)，從而有效預(yù)防此類惡性事故的發(fā)生。
技術(shù)參數(shù)表
目前已獲得CE的EMC和LVD認(rèn)證
