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基于多频点技术的蓄电池内阻在线检测及蓄电池内阻与蓄电池容量相关度研究项目
技术总结报告
“基于多频点技术的蓄电池内阻在线检测及
蓄电池内阻与蓄电池容量相关度研究项目”项目小组
2012年12月
目录
9．1．7 充放电过程全过程记录功能（蓄电池组核容和交流停电）.... 66
10．4 核容放电均充及停电放电/均充全过程记录.... 72
根据上级部门下达的研究项目《基于多频点技术的蓄电池内阻在线检测及蓄电池内阻与蓄电池容量相关度研究项目》科技项目小组与深圳市普禄科智能检测设备有限公司共同研制开发了“基于多频点技术的蓄电池内阻在线检测及蓄电池内阻与蓄电池容量相关度研究系统”。该系统在广州移动西华机楼一楼电池机房UPS电池上投入运行半年多以来，性能稳定可靠，达到了预期的效果。
该系统采用*的交流放电法多频点在线监测蓄电池的内阻，结合电压、电流等数据，判定电池的容量，使维修及管理人员及时掌握蓄电池的真实状态。系统还具有连线电阻及充电机综合特性测试功能，有危险状况出现时，系统可提前预警，维护管理人员可根据预警信息及时处理，消除安全隐患。
本项目管理系统可以指导对蓄电池的维护方式进行创新，将以往的定期检测，逐渐转变为以蓄电池实际工作状态为基础的状态检测，确保供电系统的安全，因而具有十分重要的现实意义。
2．1 概述
*，电力系统中有三大设备，即一次设备（如主变压器等）、二次设备（如保护、测量等）与直流设备。
直流设备的核心是蓄电池组，它与充电整流、直流网络构成直流系统。
蓄电池组是一个独立于变电后交流电源的直流电源，是电力系统中zui后一道防线。在正常状态下，它为断路器提供合闸电源；在故障状态下，当机房交流用电中断时，发挥其“独立电源”的作用，为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、拖动机械设备的整流设备、通信提供电源。可见，直流电源是机房通信安全运行的可靠保证，发挥着不可替代的作用。直流电源本身的安全可靠是保证系统正常运行的重要条件。其中，蓄电池组作为后备电源，无疑是生产中的zui后动力保障。因而，被人把蓄电池组比喻为变电站的心脏。
阀控铅酸蓄电池采用阴极吸收技术，电池密闭封装，运行中无需进行传统的电解液控制维护，在业界得到广泛应用。然而，电池密封在使用方便的同时，也使得检测和维护更加困难，“免维护”又导致用户放松了对电池的日常维护管理，在实际应用中暴露了越来越多的问题，而不合理的工作条件又导致电池的使用寿命缩短。更为严重的是由于缺乏有效的监测维护手段，不能及时、准确地掌握电池状态，无法消除电池问题带来的隐患。经统计因电池问题造成的事故或停机的损失，往往远比电池本身价值要高得多。2011年3月11日在日本东北地区发生的大地震并由此引起的海啸，而导致的福岛*核电站1～4#反应堆因冷却系统瘫痪，zui终相继发生爆炸而产生核泄露的灾难性事件，再次为人们敲响了警钟。
实践证明，VRLA电池端电压与放电能力无相关性，VRLA电池和电池组在运行过程中，随着使用时间的增加，必然会有个别或部分电池因内阻变大，呈退行性老化现象。实践证明，整组电池的容量是以状况zui差的那一块电池的容量值为准，而不是以平均值或额定值（初始值）为准，当电池的实际容量下降到其本身额定容量的90% 以下时，电池便进入衰退期；当电池容量下降到原来的80%以下时，电池便进入急剧的衰退状况。衰退期很短，这时电池组已存在极大的事故隐患。
过去的维护和管理人员，往往只重视备用电源的设备部分的维护和管理，而忽视电池组的重大作用。殊不知，断电的危险很大程度上就潜伏在电池组。整组电池充电的特性是，若电池组中有一节或几节内阻变大的老化电池，其容量必然变小。充电器给电池组充电时，老化电池因容量小，将很快充满，并导致电池电压急剧升高，充电器会误以为整组电池已充满而停止充电，造成其余状态良好的电池不可能充满，长期未充满的电池会因硫酸盐化而使容量降低及寿命缩短。电池放电时，容量不足电池的电压短时间就会急剧降低，整组电池提前达到截止电压。因而电池组将以老化电池的容量为标准进行充放电，经多次浮充--放电--均充--放电--浮充的恶性循环，容量就会不断整体下降，电池后备时间缩短。因此，如不及时检测，找出老化电池给予调整，电池组的容量将变小，电池寿命缩短，继而影响整个供电系统的安全运行。
受当前诊断技术水平的制约，目前我国对蓄电池的维护管理方式还主要采用以产品寿命理论为基础的定期检修和定期更换模式。然而，影响电池寿命因素众多，即使同一厂家同一批次的蓄电池，实际寿命差别也相当大，甚至有新电池几个月就失效的案例。几十节串联的电池，只要一节过早损坏，如不及时发现，时间一长，整组电池即会失效。如果失效正好发生在两次定期检修之间，在停电或设备故障时，将会产生灾难性的后果。因此，目前的定期检修模式实际上是存在安全隐患的，也是电力系统迫切需要解决的问题。
2．2 蓄电池维护管理目前存在的问题
从实际运行情况看，这个“通信机房的心脏”并没有*得到安全可靠的运行维护，仍然存在很大的安全隐患，主要表现在：
2．2．1 电网运行存在安全隐患
根据有关规程要求，对蓄电池在投入运行前验收时进行核对性容量试验，正常运行期间每1～2年进行核对性容量试验。而两次核容试验之间的这一两年内，由于有多种因素会影响蓄电池的状况，蓄电池的实际状况可能发生变化，而维护人员对这些变化一无所知。一旦发生停电或故障需要蓄电池发挥作用，蓄电池状态不良，就可能影响到电网的安全运行。
2．2．2 定期检修无法实现安全
目前的检测维护制度是建立在定期检测维护的理论基础上的，即“定期检测”的概念。“定期检测”是在没有很好的检测技术和手段的情况下，人们基于概率统计的原理提出的一种检测制度。这种制度虽然可以避免事故的发生，但是从理论上不能保证系统安全，这对具有高度可靠性要求的系统来说，其可靠性是无法满足人们要求的。
2．2．3 检修维护人员劳动强度大，工作效率低。
由于检测维护人员少，而要维护的站点数量多，每天需要派人、派车，开票、下站，大量时间要花在路上。检测得到的数据，进行数据处理也要花费大量的时间，造成检测维护人员劳动强度大，工作效率低。
2．2．4 蓄电池寿命无法达到设计要求
蓄电池往往在使用一年后就开始有劣化的情况出现，使用超过5年的蓄电池一般会有比较严重的劣化现象，达到额定容量的很少。主要原因有二，一是蓄电池生产厂家对蓄电池的使用寿命年限是在理想运行环境下做的预测，实际系统都是对整组电池进行充放电管理，电池间的差异会越来越大，造成电池失水、硫化；二是在蓄电池的实际运行过程中，没有得到有效的管理与维护，无法及时发现落后蓄电池，导致蓄电池劣化加剧，过早报废。
2．2．5 运行人员无法评价蓄电池的性能状态
由于缺乏良好的技术管理手段，运行维护人员无法充分了解并评价整个地区、各个站点蓄电池的运行情况以及性能状况，没有对蓄电池历史数据的整理与分析，对蓄电池的内阻、剩余容量等都无法及时清楚地了解。
2．2．6 无法掌握充电机特性参数
过去，对充电机特性参数没有真正意义上做过检测，更无法远程监测，假如要对充电机特性参数的检测必须到现场采用专门设备进行测试，耗时长，劳动强度大。
2．2．7 接头松动、锈蚀无法及时掌握，存在严重安全隐患
过去，接头松动、锈蚀甚至接近断线，*无法掌握，一旦停电，直流系统将立即崩溃。另外，接头松动锈蚀极易造成火灾。这些安全隐患的存在，都将危及通信机房的安全。
2．2．8 蓄电池管理维护的理念需要改进
由于受到“免维护”的误导，运行人员认为“免维护”就是不维护。这样的维护理念，使得蓄电池的维护工作展开起来比较困难。
2．3 蓄电池在线监测管理系统的作用
本项目在线监测管理系统的投入使用，可以产生以下作用：
2．3．1 提高供电系统的安全性和可靠性
本项目管理系统可以对各单节蓄电池的内阻、电压、充放电电流、温度等参数进行在线监测，维护管理人员可以随时在计算机上查询蓄电池的各项数据，全面掌握蓄电池的状况。可以检测蓄电池连线电阻，当接头松动、锈蚀、即将断线时，系统可以及时检测出来。可检测充电机特性参数，出现异常可及时发现。一旦有危险隐患出现，系统将以声光形式发出预警，提醒维护管理人员及时处理，避免事故的发生，极大地提高了供电系统的安全性和可靠性。
2．3．2 延长蓄电池的使用寿命
项目管理系统可以及时发现个别劣化的蓄电池，提醒维护人员及时处理，从而减小了因个别蓄电池劣化而造成整组蓄电池损坏的可能，相应延长了蓄电池的使用寿命。
2．3．3 节约成本
维护管理人员在各自权限范围内进入在线监测系统，可以及时掌握各各机房（站）蓄电池的状态，大大减少了现场检测工作量、人工费用和车辆费用。
VRLA电池采用粉末多孔电极，即正负极板采用粉末状多孔活性物质与其他组份配制后和基板（板栅）构成。板栅是活性物质的载体，同时传导电流，负极板或正极板与硫酸溶液接触后，便构成了铅电极或二氧化铅电极。
VRLA电池负极活性物质为绒状铅，与硫酸溶液构成难溶盐电极；正极活性物质为PbO2，与硫酸溶液构成氧化—还原电极。
铅酸蓄电池电极平衡电势可用Nernst方程计算。
3．1．1铅电极电势
铅电极可用PbSO4/Pb电对表示，其平衡电极反应为：
Pb+HSO4-=PbSO4+H++2e
铅电极平衡电势为：
E（-）= -0.356－0.02955lg（[SO42-]）
其中[SO42-]为电解液中SO42-离子的浓度，公式表明，铅电极的电势随着SO42-离子浓度的增加向负值方向增加。
3．1．2 氧化铅电极电势
氧化铅电极可用Pb4+/Pb2+电对表示，其平衡电极反应为：
PbO2+3H++HSO4-+2e=PbSO4+2H2O
氧化铅电极平衡电势为：
E（+）=1.685+0.02955lg（[H+]4*[SO42-]）
其中[H+] 、[SO42-]分别为电解液中H+离子、SO42-离子的浓度，公式表明，氧化铅电极的电势随着H+离子、SO42-离子浓度的增加向正值方向增加。
3．1．3铅酸蓄电池的电动势
E池= E（+）－E（-）
=2.041+0.02955lg（[H+]4·[SO42-]2）
公式表明,在一定温度下,铅酸蓄电池的电动势仅与电解质溶液浓度有关。
当铅酸蓄电池进行放电，或进行充电，由于电流流过两电极，使两电极电势离开平衡电极电势而变化，则电极或电池便发生的极化。铅酸蓄电池的极化，分为浓差极化、电化学极化和欧姆极化。
3．2．1浓差极化
（1）浓差极化电势
铅酸蓄电池中有电流流过之后，正负极表面附近的电解液浓度都要发生变化。这个变化除由于电极反应外，还有电迁移和扩散的影响。
在充电时，正极反应的生成物中，有H+离子、SO42-离子，负极的反应生成物中有SO42-离子。因此，电极表面附近的电解液浓度都要增大。而在放电时，两电极反应中都要H2SO4分子参加，正极消耗H+离子、SO42-离子，而负极消耗SO42-离子，则电极表面附近电解液浓度要减小。
正极浓差极化超电势：
ηC（+）=0.02955lg（（[H+]c4·[SO42-]c）/ （[H+]r4·[SO42-]r））
负极浓差极化超电势：
ηC（－）=-0.02955lg（[SO42-]c/ （[SO42-]r））
式中：
[H+]c、[SO42-]c、充放电过程中电极表面附近H+离子、SO42-离子摩尔体积浓度；
[H+]r、[SO42-]r、大体积溶液中H+离子、SO42-离子摩尔体积浓度。
（2）电极反应及电迁移对浓差极化的影响
在充电时，由于[H+]c＞[H+]r，[SO42-]c＞[SO42-]r，所以正极浓差超电势ηC（+）是正值，而负极浓差超电势ηC（－）是负值。在放电时，由于[H+]c＜[H+]r，[SO42-]c＜[SO42-]r，所以正极浓差超电势ηC（+）是负值，而负极浓差超电势ηC（－）是正值。由于正极电势受[H+]c4、[SO42-]两项因此限制，而负极仅受[SO42-]一项因此限制，所以正极极化超电势比负极极化超电势大。
电迁移对浓差极化也有很大的影响，以电池充电为例，自正极迁移到负极表面的H+离子数目，远多于从负极表面迁移到正极周围的SO42-离子数目，伴随差充电过程正极还要耗水析氧，所以正极浓差极化的作用，大于负极浓差极化的作用。
因此，在充电及放电过程中，由以上两项产生的浓差极化电势ηC（+）＞ηC（－）。
（3）扩散对浓差极化的影响
电极反应及电迁移作用产生了浓差极化，而扩散是要消除浓度的差别，即减缓电极表面附近的浓度极化。若扩散作用大，这种减缓作用就大，浓差极化便不严重，电极浓度超电势就小。扩散速度受大体溶液浓度与电极表面附近浓度差、扩散面积、扩散距离所控制。浓度差越大、扩散面积越大、扩散距离越小，越容易扩散。
电池放电开始，由于浓差极化的结果，电极电势很快离开平衡电势。此过程扩散速度仅由电极外面和附近电解液浓度差决定。放电初期，时间很短，电极外面电解液浓度变化很小，因而扩散速度随电极表面附近电解液浓度迅速下降而增加，但总小于电极反应与电迁移的综合速度，所以浓差极化作用大，两极电极电位迅速离开平衡电极电位，说明电极电位移动迅速。
在放电中期，随着放电的进行，电极表面附近的浓度降低越来越慢，到某一程度时，扩散速度等于电极反应及电迁移的综合速度，则放电消耗了多少H2SO4分子，从电极外面就有多少H2SO4分子扩散进来，因而电极附近电解液浓度维持不变，电极电位也维持在稳定阶段。在此阶段，电极电位仍存在变化的趋势，其原因是放电时间增长，大体电解液浓度减小了，使扩散速度减小。同时PbSO4和Pb的数量都变小了，所以扩散面积也变小了，都使扩散速度减小。还有随着放电的进行，扩散距离要增加，致使扩散速度又有减小的倾向。为了维持扩散速度不变，电极表面附近电解液浓度要减小，使电极电势有减小的趋势。
到了放电后期，电极表面附近电解液浓度降到了zui小值，大体电解液浓度也降到了zui低值。此时扩散面积已很小，而且扩散距离相应增加，此时扩散速度便很小了，使电极电势又急剧变化。
降低浓差极化的方法，主要是提高扩散速度，以消除电极反应所引起的大体溶液浓度与电极表面附近电解液浓度的差别。如增加电极的真实表面积，减小极板的厚度，以缩短扩散距离等方法，以改善扩散性能。
3．2．2电化学极化
铅酸蓄电池在充电或放电过程中，由于电极过程某一步的迟缓，阻碍了电极过程的进行，使之引起电极电势的变化，称为电化学极化。
电化学极化电势和电流密度的关系：
|η|=a+b×lg（i）
式中，i为真实电流密度，即电流密度与电极真实表面积的比值。
铅酸蓄电池在放电初期和中期真实表面积很大，故真实电流密度不大。当放电终期时，电极真实表面积已很小，所以真实电流密度很大，由于电化学极化引起的超电势远大于前期。
3．2．3内阻极化
电池内阻分为两种，即欧姆内阻和非欧姆内阻，前者用RΩ表示，它由极板、极柱、电解液、隔膜等的电阻组成。它们服从欧姆定律。后者用Rc表示，它由电荷传递电阻、扩散极化电阻组成，这种电阻是由电极动力学过程和物质转移引起，它们不服从欧姆定律。电池连接部分主要是欧姆电阻，而电极活性物质部分既有欧姆电阻，又有非欧姆电阻（极化电阻）。
当电流流过电池时，要消耗一部分电压来克服电池的内阻，所产生的电位差为内阻极化。其大小由电流强度与电池内阻决定。
铅酸蓄电池在充电及搁置期间，会有氢氧气体的产生。
3．3．1 负极氢气的产生
铅酸蓄电池在充电期间，负极除了充电反应：
PbSO4+2e→Pb+HSO4-
还有如下副反应：
2H+2e→H2
在充电前期，负极极化电位很小，析氢速率很小，但在充电后期，负极的电极电位向负方向增加，提高了析氢速率。
3．3．2 正极氧气的产生
铅酸蓄电池在充电期间，一些电流用于电极反应：
PbSO4+2H2O-2e→PbO2+3H++HSO4-
另一些电流用于氧气的产生。正极在充电的初期，正极电极电位低，氧气产生较慢。而充电后期，正极电极电位升高，氧气产生较快。
3．3．3 氢氧气产生与电池端电压的关系
普通铅酸蓄电池采用10小时率电流持续充电，当电池端电压达到2.3～2.35V/只之后,便在电池槽可见氢氧气体的窜动所形成的电解液“沸腾”现象,电压再升高时,冒气更为激烈,通常定义2.3V/只为发气点。若充电到后期，端电压可提升到2.65V/只，流入电池的电流几乎全部用于水解。
VRLA蓄电池在接近*充电时，电池内部有少量水被电解，少量的氧气从正极上析出：
2H2O-4e→4H++O2
氧气自正极透过吸液隔膜扩散至负极绒状态铅的表面，而与之化合，zui终复合为水。氧气复合历经如下步骤：
Pb+O2+2H++HSO4-→PbSO4+2H2O
影响氧气阴极吸收的因素：
（1）氧气扩散速率
由于VRLA蓄电池为贫液式结构，即一定浓度的电解液全部被隔膜小孔所吸附，电池内无游离的电解液，由于正极板上产生的氧气可形成较高的气压，使之以足够的速度扩散到阴极，保证氧在铅电极表面复合。实验证实，氧的输送速率与铅电极有效表面积成正比，与隔膜厚度成反比，因此，增加铅电极有效表面积，减小隔膜厚度，有利于提高氧扩散速率。
（2）正极析氧速率
在充电初期，正极析氧速率极小。随着充电的进行，当正极充电到PbSO4数量占70%开始析氧。采用恒流限压充电，以控制正极析氧的速率和负极氧还原的速率。
（3）铅电极上氢所析出的速率
当铅电极电位较低时，会有氢气的析出，并使氧气的分压降低，在一定程度上抑制了阴极吸收动力过程。铅电极析氢，还意味着水的分解，使电解液随时间的延长而损耗，加速了失水过程，zui终引起电池失效。为了减小VRLA电池氢气析出速率，应控制充电电压。
3．5．1 充放电过程放热或吸热现象
电池放电或充电过程中产生的放热或吸热的原因，其一是电池内产生的焦尔热；其二是电化学反应的可逆放热或吸热。
焦尔热因电池内存在内阻，当通电后而产生：Q1=I2Rt，显然降低电池内阻，有利于减小电池内焦尔热。
电化学反应的可逆放热或吸热：Q2=-T×dE/dT
式中dE/dT是电池的电动势温度系数，放电时为正值表示吸热，充电时为负值表示放热。
铅酸蓄电池充电时放出的热量为焦尔热Q1和反应热Q2的总和，所以电池温度升高。
铅酸蓄电池放电时，若Q1 ＞Q2，则电池温度上升；若Q1 ＜Q2，则电池温度降低。
3．5．2 过充放电时放出的热量
VRLA电池以一定的充电方法补足电池容量后，持续充电称为过充电。在过充电过程中，蓄电池起到了水解槽的作用，从而产生了热量。
实验表明，铅酸蓄电池工作温度降低到0℃以下，在充电初期负极板就会产生严重的浓差极化，使充电能力被限制。
（1）温度对电极电势的影响
温度对电极电势也有明显的影响，在一定浓度下，PbO2电极电势随温度升高而降低，而Pb电极电势随温度的升高向负的方向增加。
项目 | H2SO4浓度 | 温度 | ||||
mol/L | 0℃ | ℃25 | 30℃ | 40℃ | 50℃ | |
PbO2电极 | 7 | 1.75608 | 1.75012 | 1.74902 | 1.74690 | 1.74400 |
6 | 1.73861 | 1.73279 | 1.73171 | 1.72970 | 1.71780 | |
5 | 1.72003 | 1.71428 | 1.71325 | 1.71120 | 1.70930 | |
4 | 1.70009 | 1.69499 | 1.69348 | 1.69153 | 1.68970 | |
3 | 1.69360 | 1.67378 | 1.67276 | 1.67147 | 1.66960 | |
2 | 1.65728 | 1.65145 | 1.65040 | 1.64841 | 1.64657 | |
1 | 1.63214 | 1.62502 | 1.62370 | 1.62121 | 1.61886 | |
Pb电极 | 7 | -0.39463 | -0.40920 | -0.40700 | -0.41120 | -0.41592 |
6 | -0.38049 | -0.39089 | -0.39300 | -0.39726 | -0.40153 | |
5 | -0.36499 | -0.37546 | -0.37756 | -0.38189 | -0.38623 | |
4 | -0.34780 | -0.35840 | -0.36504 | -0.36489 | -0.36929 | |
3 | -0.32938 | -0.34002 | -0.34219 | -0.34594 | -0.35100 | |
2 | -0.30909 | -0.31954 | -0.32167 | -0.32968 | -0.33030 | |
1 | -0.28523 | -0.29443 | -0.29632 | -0.30013 | -0.30502 | |
（2）温度对负极活性物质利用率的影响
通常，电池在低温度状态下放电，负极活性物质利用率极低，例如VRLA蓄电池在-10℃下放电时，负极容量仅能达到35%的额定容量。
在低温下放电，负极板上的海绵状铅极易变成小尺寸的晶粒，且小孔又易被冻结和堵塞，从而减小了活性物质的利用率。若电池处于大电流、高浓度、低温恶劣条件下放电，负极活性物质中小孔会更严重地被堵塞，海绵状态铅变成致密PbSO4层，使电池终止放电。
电池在放电过程，两电极上活性物质逐渐形成PbSO4，这种PbSO4随着放电时间增加逐步向电极深处发展，造成活性物质中的微孔变窄，同时电极区至反应区距离增大，又使扩散速度变小。这样部分小孔被堵塞，被堵塞的小孔内部电解液很快变稀，在低温下这种小孔容易发生冻结。温度越低，小孔堵塞现象加剧，导致活性物质利用率降低。
（3）温度对正极活性物质利用率的影响
VRLA蓄电池在-10℃下放电，正极板活性物质利用率约为75%。正极板温度系数为负值，使在低温下具有较高的电极电位，因而在低温下正极放电速率大于负极。
（4）高温对电池容量的影响
在环境温度10～45℃范围内，铅酸蓄电池容量随温度升高而增加。因为在较高温度下，电解液粘度降低，从而减小了浓差极化的影响。同时电池电动势也升高，在两者综合作用下，使电池放电量增加。
若在环境温度45～50℃条件下放电，则电池容量明显减小。因为正极活性物质β-PbO2达到极限破坏温度，结构遭到破坏，变为大孔的孔洞相分割的粒子聚合体。这种物质若放电转变为PbSO4，其颗粒间形成了电气绝缘，容量反而减小。
在0～30℃环境温度下放电，电池内阻随温度升高而逐渐降低。见图1。
图1：温度对蓄电池内阻的影响
当环境温度降到0℃以下，温度每降低10℃，内阻约增加15%左右，因为电解液粘度变大，增大了比电阻，而且加重了电极极化的影响。
在低温下充电，浓差极化加剧，引起充电效率降低。另一方面，上次放电的PbSO4，在低温下溶解速率小，溶解度也很小。在这种PbSO4微细小孔中，很难使电解液维持饱和度，又使电池放电反应阻力增加，进一步降低了充电效率。
若电池在10℃以上的环境温度下充电，极化作用将明显减小，PbSO4溶解速率和溶解度都可提高，加之在较高的温度下氧扩散的速率也增大，这些因素使电池充电效率提高。
在直流系统中，蓄电池采用浮充工作方式，市电正常时，蓄电池与充电机并联运行，蓄电池自放电引起的容量损失在浮充过程中得到补足。在市电中断或其他特殊场合，由蓄电池单独向负荷供电。
（1）浮充电流设定的依据
电池中若浮充电流仅满足自放电的需要，浮充电流约为42mA/100Ah，实际工作中还应考虑氧循环的需要。
（2）浮充电流与浮充电压的关系
VRLA蓄电池内析出气体的电流与电压关系服从TAFEL公式，浮充电流随电压增大而增大。实际上，浮充电流密度随正极电位的升高而急剧变大。由于VRLA蓄电池正极析出的氧气扩散到负极后进行氧复合起到了去极化作用，因而负极析氢电位停留在近于开路的平衡条件电位，负极析氢的电流密度在浮充状态极小，且不受负极电位与温度变化的影响。
（3）浮充电流与温度的关系
在同一浮充电压下，浮充电流随温度升高而增大。VRLA蓄电池的浮充电流对温度变化极为敏感，温度每变化10℃，浮充电流成倍变化。VRLA蓄电池温度系数为3～4mV/℃，即若维持浮充电流不变，温度每增加1℃，浮充电压应减小3～4mV。
（4）浮充电流与蓄电池新旧程度的关系
VRLA电池浮充电流随电池使用年限的增长而加大，其原因是多方面的，如正极板栅腐蚀严重，电池各组成部分有害杂质增多，都导致电池循环寿命后期浮充电流变大。
图2：VRLA蓄电池的充电特性曲线
图2是VRLA蓄电池的充电特性曲线。图中示出充电过程的电流—时间曲线、电压—时间曲线。在充电过程中，电池电流在充电前期（*阶段）恒定不变，保持电流为0.1C10,而电池端电压逐渐上升至2.3V/只, 之后充电电压恒定不变,进入第二阶段。在第二阶段，充电电流按指数规律衰减，zui后，电流衰减速率变慢，充电结束前几个小时起，充电电流不再改变。
（1）在电池充入电量至70～80%之前：利用充电机的限流特性使充电电流不变，电池端电压几乎呈直线上升，用下式表明：
U=（φ+-φ-）+IY
上式中φ+和φ-是电池充电电流的正极或负极极化电势，其中包含平衡电极电势E+或E-， 还包含了电化学极化及浓差极化产生的过电位η+或η-。恒流充电过程E+或E-，随电极表面活性物质小孔内电解液浓度增加而提升或变得更负。η+或η-随电流密度增大所产生的电化学极化与欧姆极化的加剧，其值向正或负方向增加。又受浓差极化的作用有维持η+被提升和η-继续变负的趋势。直到充电机从稳流工作方式转变为稳压工作方式，电池端电压才被限制到设定点。
（2）当电池的端电压上升到稳压点附近时，由于充电过程已到后期，此时正极板上PbSO4数量已不多，使交换电流密度随反应面积的变小而增大，所以电化学极化作用已经变小，而电池内阻也明显变小。但是充电的真实表面积已经变小了，故引起了电极真实电流密度的增大。继而使电极表面附近电解液浓度增高，导致浓差极化影响严重，造成电池内电流迅速衰减。
（3）当充电至后期，电池充电电流已经明显变小，所以浓差极化作用随之减小。而电化学极化作用影响又增加，所以电池电流继续衰减，只是衰减速度变慢。
（4）充电终了，充入电池的电流大部分用于维持电池内氧循环，仅有极小的电流用于维持活性物质的恢复，因而电池电流稳定不变。
在恒压限流充电方法中，若提高电压设定值，则充电过程电流变化速率变大，充电提前终了。
以不同的充电电压对VRLA电池充电时，电压低时（如2.2V/只），气压增长较缓慢，充电后期的气压也较平稳。若采用高电压充电（如2.4V/只）者气压明显升高。由于气压主要来自氢气，数量增多后导致氧循环失效，所以忌用高电压长期充电。
蓄电池内阻分为欧姆电阻和极化电阻，前者由极板、极柱、溶液、隔膜组成，后者由电化学极化电阻和浓差极化电阻组成。蓄电池在*充足电时内阻zui小，内阻随着放出电量的增多而变大。因而可通过检测电池内阻了解电池的荷电量及电池的老化状况。
电池是一个极为复杂的系统，放电及充电反应是复杂的化学及电化学过程，真正决定蓄电池容量的是电池的化学和电化学状态。不同的研究者提出了不同的电池模型，其中得到实验验证并被大家普遍认可的是如下电池模型，见图3。
图3：电池电路模型
图6电池电路模型中，各符号的含义：
E：蓄电池电动势；
R1：蓄电池欧姆电阻，包括极板、极柱、溶液、隔膜的电阻及接触电阻；
R2：蓄电池极化电阻，包括电化学极化和浓差极化的电阻；
C2：电极双电层电容。
蓄电池复阻抗计算公式：
式中：f为测试信号频率。
从蓄电池复阻抗计算公式可以看出，蓄电池的阻抗和测量频率有关，不同的蓄电池测试设备，测试频率有很大的不同，因而测试结果会有很大的不同，见图4。
图4是项目组在蓄电池放电过程中测试的一组数据：
图4：测试信号分别为5Hz、15Hz条件下阻抗（单位为微欧）与荷电量的关系
下图是应用基于模型的多频点蓄电池测试技术，测量蓄电池欧姆电阻、极化电阻、双电层电容，分析与量电的关系如下：
如图：蓄电池在放电及充电过程中欧姆电阻、极化电阻、双电层电容的变化
R1：蓄电池欧姆电阻，包括极板、极柱、溶液、隔膜的电阻及接触电阻；
R2：蓄电池极化电阻，包括电化学极化和浓差极化的电阻；
C2：电极双电层电容。
从图中可以，综合利用R1、R2、C2，比单独用R1，测量蓄电池容量，要得多。
（1）隔膜的内阻
VRLA蓄电池的电解液已被具有高孔率、高吸附性、可压缩的超细玻璃纤维隔膜全部存贮，又由于隔膜在电池内部被紧密装配，所以VRLA蓄电池内阻比普通铅酸蓄电池内阻小。隔膜内阻受下列因素影响：
当蓄电池放电电流增大时，两电极上PbSO4层迅速增厚，使组成电池内阻的欧姆内阻和极化内阻都变大，所以蓄电池内阻随着工作电流增大而变大。
在日常工作中，总希望了解充电保存后蓄电池容量，或在线运行电池的荷电状态。可通过测量电池内阻达到这个要求。图7是实测的蓄电池阻抗与荷电量的关系。
图7：测试信号分别为5Hz、15Hz测试阻抗（单位为微欧）与荷电量的关系
图7表明，荷电量大的蓄电池，内阻较小。
图8是采用本研制项目系统监测到的广州移动西华机楼其中一节蓄电池的数据。
图8：蓄电池内阻变化与容量的关系
从图8可以看出，蓄电池浮充状态下，蓄电池端电压*正常，而蓄电池内阻出现了明显的变化；其蓄电池容量随各自的内阻变化而发上了改变，所以，蓄电池内阻与蓄电池容量有直接的相关性，而且相关性很大。其关系如下：
测量电池的内阻： ; 标准电池的内阻： 内阻比值： ＝
测量电池的电压： ; 标准电池的电压： 电压比值： ＝
蓄电池内阻与容量关系算法：
当电池状态显示为异常时，容量C＝0;
当 <1.2 , 容量C＝100;
当 <2.0： 容量C＝100－（ －1.2）/0.8*20.0;
当2.0 <5.0 ： 容量C＝80－（ －2.0）/3.0*50.0;
当5.0 <10.0 ： 容量C＝30－（ －5.0）/10.0*30.0;
当10.0 ： 容量C＝0;
蓄电池状态判断：
当 <1.15 , 则电池显示为；
当1.15 <1.5, 则电池显示为良好；
当1.5 <2.0 , 则电池显示为中等；
当2.0 , 则电池显示为更换；
当 < 0.9 或 > 1.2* , 则电池显示为异常；
系统检测出蓄电池内阻异常变化，并发出报警信息，维护人员及时进行处理，更换该节电池，消除事故隐患，保证变电站的安全。
目前，大中型电源中广泛使用密封阀控铅酸蓄电池（VRLA蓄电池）。VRLA 电池和电池组在运行过程中，随着使用时间的增加必然会有个别或部分电池因内阻变大，呈退行性老化现象，整组电池的容量是以状况zui差的那一块电池的容量值为准，而不是以平均值或额定值（ 初始值） 为准。阀控式铅酸（VRLA）蓄电池由于采用贫液式设计，直流电源（模块）的特性指标对其的影响要比对湿式电池的影响大得多，许多蓄电池不是用坏的，而是充坏的。当电池的实际容量下降到其额定容量的90%以下时，电池便进入衰退期；当电池容量下降到额定容量的80%以下时，电池便进入急剧衰退期。衰退期很短，这时电池组已存在极大的安全隐患。
对于VRLA电池，通常的失效原因有：电池失水、极板硫酸化、极板腐蚀、热失控等，以下是几种失效原因分析。
铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高及电池正极栅板的腐蚀，使电池的活性物质减少，从而使电池的容量降低而失效。
阀控式铅酸蓄电池充电后期，正极释放的氧气与负极接触，发生反应，重新生成水，即
O2+2Pb=2PbO
PbO+H2SO4=H2O+PbSO4
使负极由于氧气的作用处于欠充电状态，因而不产生氢气。这种正极的氧气被负极铅吸收，再进一步化合成水的过程，即所谓阴极吸收。
在上述阴极吸收过程中，由于产生的水在密封情况下不能溢出，因此阀控式密封铅酸蓄电池可免除补加水维护，这也是阀控式密封铅酸蓄电池称为免维护电池的由来。但在充电过程中，当充电电压超过2．35V时就有可能使气体逸出。因为此时电池体内短时间产生了大量气体来不及被阴极吸收，压力超过某个值时，便开始通过单向排气阀排气，排出的气体虽然经过滤酸垫滤掉了酸雾，但必竟使电池损失了气体，也等于损失了水。所以阀控式密封铅酸蓄电池对充电机的要求是非常严格的，充电机的稳压精度、稳流精度、纹波电压系数等特性指标要严格满足要求。
电池负极栅板的主要活性物质是海绵状铅，电池充电时正负极栅板发生如下化学反应：
负极上发生还原反应：PbSO4+2e=Pb+SO4-
正极上发生氧化反应：PbSO4+2H2O=PbO2+4H++SO4-+2e
放电过程发生的化学反应是这一反应的逆反应，当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时，在电池的正负极栅板上就有PbSO4存在，PbSO4长期存在会因晶粒长大而失去活性，不能再参与化学反应，这一现象称为活性物质的硫酸化，为防止硫酸化的形成，电池必须经常保持在充足电的状态，并有蓄电池不能过度放电。
由于电池失水，造成电解液比重增高，过强的电解液酸性加剧极板腐蚀，防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。
热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损坏蓄电池。造成热失控的根本原因是浮充电压过高。
一般情况下，浮充电压定为2.23～2.28V/单体（25℃）比较合适。如果不按此浮充范围工作，而是采用2.35V／单体（25℃），则连续充电4个月就可能出现热失控；或者采用2.30V/单体（25℃），连续充电6～8个月就可能出现热失控；如果是采用2．28V／单体（25℃），则连续 12～18个月就会出现严重的容量下降，进而导致热失控。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气，电池容量下降，zui后失效。
电池是一个极为复杂的系统，放电及充电反应是复杂的化学及电化学过程，真正决定蓄电池容量的是电池的化学和电化学状态。电池的等效电路如图9所示。
图9：电池电路模型
图6电池电路模型中，各符号的含义：
E：蓄电池电动势；
R1：蓄电池欧姆电阻，包括极板、极柱、溶液、隔膜的电阻及接触电阻；
R2：蓄电池极化电阻，包括电化学极化和浓差极化的电阻；
C2：电极双电层电容。
蓄电池复阻抗计算公式：
式中：f为测试信号频率。
目前，市场上对蓄电池检测的方法主要有测量浮充电压法、直流放电法和交流注入法。测量浮充电压法是市场上早期的产品，对判断蓄电池的容量没有太大的作用。而对蓄电池内阻的测试方法主要是直流放电法与交流注入法。
4．2 测量浮充电压法
浮充电压的设置对电池的寿命具有相当重要的影响。在理论上要求浮充电压产生的电流量足以补偿电池的自放电。浮充电压过高会引起电池正极腐蚀和失水，使电池容量下降，而浮充电压过低，也会使电池充电不足，引起电池落后，严重时会出现电极硫酸盐化。浮充电压的选择可以根据厂家说明书的要求而设定。
虽然测量浮充电压并及时做出调整是蓄电池日常维护的一项重要工作，但是，国内外大量的实践证明，浮充电压和蓄电池的容量不具有相关性。也就是说，光靠测量浮充电压并不能发现落后的单体电池。上图8的曲线也得出这一结论；
根据电池的等效电路模型，用一个恒定电流对电池通电，则电池两端电压随时间t的变化而变化：
ΔV=IR2[1-exp（-1/R2C2）]+ IR1
式中：前项为极化电阻上电压的变化，该项在充电初始因对双电层充电，所以较迟产生压降。后项为欧姆电阻上的压降，充电初始已经产生。当时间t小于时间常数τ时（τ=R2C2），极化电阻上的电压变化相对较小，如果精度要求不高时可以忽略，所记录下的电池端电压的变化可以认为时欧姆内阻上的压降，电池内阻计算公式可简化为：
R=ΔV/I
直流放电法是在电池组两端接入放电负载，在不同电流（I1、I2）变化瞬间测量蓄电池端电压变化（U1一U2）来计算内阻值，见图11所示。常采用如下公式计算：
R=（U1-U2）/（I2-I1）
图11：蓄电池直流放电法电压电流曲线
图12：实测到的蓄电池直流放电法电压电流曲线
由于内阻值很小，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，并且由于放大器零漂的影响，准确测量微弱的直流信号极为困难，给准确测量带来困难。由于放电过程电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值。实际测量中，直流方法所得数据的重复性较差，准确度很难达到10％以上。为了提高测量准确性，往往采用很大的放电电流（40～150A），过大的放电电流对蓄电池产生损害，由于应力作用造成极板变形、龟裂及活性物质脱落，严重降低电池奉命。还可能对直流系统和继电保护设备产生干扰，造成安全隐患。
直流放电法的特点：
直流放电法测试蓄电池内阻时，由于大电流放电引起电池电压变化，充电机输出电压电流会因此而变化。监测设备由于无法采用滤波技术及现代数字信号处理技术对测量信号进行处理，无法消除直流充电模块的充电电流纹波对测量的影响，因而需要在蓄电池工作主回路上串入接触器，由蓄电池监测设备进行控制，在蓄电池内阻测量时断开主回路，测量后再复原，见图2。由于在蓄电池工作主回路中加了控制器件（如二极管、接触器），在二极管、接触器故障时或监测设备故障时，如果出现停电，蓄电池组可能因断路而造成直流系统崩溃，从而产生重大安全事故。
图13：直流放电法蓄电池内阻测量时蓄电池工作主回路控制
由于运算放大器零漂的影响，对微伏级直流信号的准确测量极为困难，因而需要很大的测量电流，以获得较大的电压信号幅值。大电流反复冲击，造成蓄电池栅板变形，活性物质脱落，对蓄电池产生损害，降低蓄电池寿命。
（3）对继电保护系统产生干扰，产生安全事故。
大电流瞬间冲击，将产生很大的电磁干扰，造成继电保护系统误动作，产生安全事故。
（4）测量精度低，影响蓄电池监测效果。
目前对蓄电池监测分析和容量预估，主要是基于内阻测量和分析。在大电流放电瞬间，由于ⅰ）蓄电池由于双电层电容及浓差极化、电化学极化等因素的影响，蓄电池电压是不稳定的，处于不断变化之中，因而大电流放电瞬间Δt内，测量的V1和V2也是变化的，造成测量误差；ⅱ）由于运算放大器零漂的影响，对微伏级直流信号的准确测量极为困难；ⅲ）无法采用滤波技术及现代数字信号处理技术对测量信号进行处理，因而内阻测量精度较低，重复性差，影响蓄电池监测效果。
4．4 交流注入法
交流注入法的原理是，利用电池等效于一个有源电阻的特点,给电池施加一个固定频率的电流（目前一般使用1kHz频率，50mA），对其电压进行采样滤波等一系列处理从而测量其阻值。
图14：蓄电池内阻交流注入测量原理图
当使用受控电流时，△I=ImaxSinωt，产生的电压响应为
即阻抗是与频率有关的复阻抗，其相角为φ，而其模|Z|=Vmax/Imax。
从理论上讲，向电池馈入一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻。即
R=Vav/av （6）
式中：Vav为检测到交流信号的平均值；
Iav为馈入的交流信号的平均值。
交流注入法的优缺点：
4．5 交流放电法
交流放电法综合了直流放电法和交流注入法的优点。其原理是CPU通过D/A控制智能负载，使蓄电池向智能负载放电，产生一个3Hz～35Hz低频的3～（有效值）正弦波交流激励电流信号（特征激励信号），由于蓄电池阻抗的存在，每节蓄电池上也产生相应的特征电压信号，由于蓄电池内阻极小，一般为微欧级，相应地，特征激励电流信号产生的特征电压信号非常小，也为微伏级。因此需要采用高精度、低零漂的多级放大器进行放大。
蓄电池内阻交流放电法测量原理图、信号波形图见图15、图16。
图16：交流放电法特征激励电流及特征电压波形图
低频交流激励电流信号和蓄电池上感应电压信号经放大、滤波后，送入同步高速A/D转换器转变为数字信号。由于蓄电池组在线工作时还存在较大的工作电流，而工作电流存在各种频率的谐波成分，相应在蓄电池上也感含有应出各种频率的谐波成分的电压信号。这些干扰信号的幅值较大，往往大于测量信号，测量电路需要采用多级带通滤波器对测量信号进行处理。由于理想的带通滤波器是不存在的，因此，实际采样的电流和电压的数字信号除有效成分外，还夹杂着大量的各种频率的非有效成分，需要用数字信号分析处理方法对实际采样的电流和电压的数字信号进行分析处理，提取出有用信号。
设电流信号和电压信号经高速同步采样后得到u（t）、i（t）。DSP分别对电流信号和电压信号在复平面内进行付利叶变换：
式中an电流（电压）信号n次谐波的实部；
bn电流（电压）信号n次谐波的虚部；
通过付利叶变换，分别计算出某个频率下的电压信号i1和该频率下的电流信号u1，注意，经付利叶变换得到的信号都为复平面上的复信号。根据欧姆定律，z=u/i，计算出该频率下的复阻抗z1，其实部和虚部分别是X1、Y1。
由于UPS、常规整流设备、高频开关电源输出信号除直流以外，主要是50Hz以上工频和高频信号，因此课题组将测试频率选择在3～35Hz范围内。
经过带通滤波器滤波及数字信号处理，UPS、常规整流设备、高频开关电源的纹波干扰信号*可以被滤除，因而采用多频点交流放电法测试技术抗*力非常高，经实验，几安培至几十安培的纹波干扰信号对内阻测试结果都不会产生影响。在本项目中，对在线工作的蓄电池组，在浮充、均充、放电条件下均可进行内阻测试。
类似地，通过CPU控制蓄电池在线监测设备，改变测试信号的频率，在其他频率下进行测试，可以得到不同频率下的复阻抗X2、Y2；X3、Y3；…；Xn、Yn。根据蓄电池的等效电路模型：
图17：电池电路模型
蓄电池复阻抗计算公式：
式中：f为测试信号频率。
通过解联立方程组，可以分别计算出蓄电池的欧姆电阻R1、极化电阻R2、双电层电容C2。
交流放电法的特点：
蓄电池工作主回路不接入任何设备，并且测量回路设计有10kΩ限流电阻和保险管，并且测量回路为高阻设计，电流为μ*。因此蓄电池工作回路和测量回路安全独立，互不影响，可以在蓄电池工作时更换蓄电池监测设备。
交流放电法测量蓄电池阻放电电流为3～（有效值），不对蓄电池产生冲击，不会造成栅板变形及活性物质脱落，对蓄电池寿命无影响。
放电电流小，且放电电流为纯正弦波，产生电磁干扰小，不会对继电保护系统产生干扰，。
交流放电法可以采用强编程带通波器进行滤波，并运用当代的数字信号处理技术（如FFT信号分析技术、小波信号变换技术、数字锁相技术）对信号进行处理，有效地消除了直流充电模块纹波对测量的影响，具有很好的抗干扰性能，适应于对工作中的蓄电池进行实时在线监测。
交流放电法可以采用高精度仪表运算放大器对极其微弱的低频交流信号进行放大，采用强编程带通波器进行滤波，运用当代的数字信号处理技术（如FFT信号分析技术、小波信号变换技术、数字锁相技术）对信号进行处理，确保蓄电池内阻测试精度。高精度的内阻测量，为蓄电池分析和预测打下了良好的基础。
在通信机房（站）直流系统中，对蓄电池影响zui大的是充电机，充电机的特性如稳压精度、稳流精度、纹波系数等技术指标对蓄电池的寿命影响极大。对电站VRLA电池来讲，由于采用贫液式设计，电池失效的主要形式为失水、硫化、极板腐蚀，其中失水是限制蓄电池寿命的关键，实际上，对于电站VRLA电池，对充电机的特性更加敏感，许多电池是充坏的，而不是用坏的。充电机在使用过程中，由于电气元件参数的漂移，或由于充电机工作参数人为设置错误，都可能对蓄电池产生不利的影响。因此，只对蓄电池进行监测，而不对充电机特性及充电程序进行监测，是不全面的。
正因为如此，在电力系统中，南方电网和*都加大了对充电机特性的管理力度，广东电网09年以后相继出台了一系列直流系统定检、年检、验收的技术规范，要求各单位严格按标准执行。但是由于各*直流维护管理人员少，工作量大，实际执行起来有相当大的难度。
项目组对此展开了技术攻关，已经实现了对充电机特性及充电程序的监测功能，只要通信机房（站）蓄电池核容放电或停电放电，本项目监测系统就可以监测到完整的放电充电过程，并可以计算出充电机的稳压精度、稳流精度、纹波系数，并判断充电程序是否异常。
图18：充电机充电程序监测及稳压精度、稳流精度、纹波系数监测
充电装置稳压精度对直流电源系统，特别是对蓄电池安全性、可靠性和寿命有极为重要的影响。标准要求其稳压精度δu≤±0.5%。计算公式：
式中：δu：稳压精度； UM：输出电压波动极限值； Uz：输出电压整定值；
充电装置纹波系数对直流电源系统，特别是对蓄电池安全性、可靠性和寿命有极为重要的影响。标准要求其纹波系数δpp≤±0.5%。计算公式：
式中：δpp：纹波电压峰值系数； Upp：纹波电压峰—峰值； Udc：直流电压平均值；
充电装置稳流精度对直流电源系统，特别是对蓄电池安全性、可靠性和寿命有极为重要的影响。标准要求其稳流精度δI≤±1%。计算公式：
式中：δI：稳流精度； IM：输出电流波动极限值； Iz：输出电流整定值；
6．项目主要内容及技术路线
变电站是电网的枢纽，直流电源系统是变电站的重要组成部分，它为通信信号设备、继电保护、自动装置、事故照明及断路、合闸操作提供直流电源，并在外部交流故障的情况下，保证由后备电源继续提供直流电源，是继电保护、自动装置和断路器等设备正确动作的基本保证。其稳定运行对防止系统破坏、事故扩大和设备严重损坏至关重要。
通信机房直流电源系统由直流电源、蓄电池、直流断路器、防雷器等组成，“基于多频点技术的蓄电池内阻检测系统”的研制及投入使用，可以实现对通信机房直流电源系统（直流电源及蓄电池）进行在线监测，及时发现直流电源系统中存在的隐患，保障供电的安全。采用在线监测技术和手段获取的直流电源系统的信息，不仅科学、准确，更重要地是能够保证信息的连续性和完整性。当前，通信机房（站）直流电源系统（直流电源及蓄电池）采用状态监测技术，实现从定期维护到状态维护的转变，已成为通信行业设备维护的现实选择和必然趋势，对提高电源的可靠性和安全性，对提高供电企业效率具有极为重要的意义。
“本项目系统”，是一套智能化、网络化的通信机房（站）蓄电池在线监测、分析、管理系统。该监测系统由若干个用户终端、一个监测中心、若干个安装在现场的在线监测装置组成。用户终端可以随时随地在计算机上，远程实时监控各个现场变电站直流电源系统的状态。监测中心软件采用B/S架构及SQL-SERVER数据库，接收安装在各通信机房（站）在线监测装置传来的数据，响应用户终端的请求上传数据。现场的在线监测装置硬件采用一主多从式构架，实时监测直流电源、蓄电池等的各项参数，发现异常情况时自动发出报警信号。同时，将报警信息上传至监测中心及用户终端，通知维修人员及时处理，防止事故的发生，保障供电系统的安全。
“本项目系统”，可广泛应用于通信、政府机关、金融、证券、保险、广播电视、交通运输、制造、*、教育、科研、公共设施的UPS系统等所有使用蓄电池，作为后备电源的重要场所。也可应用于电力变电站直流系统（直流电源及蓄电池）；
本项目系统拓扑图见图19。
管理网络 |
…… |
1#用户终端 2#用户终端 3#用户终端 …… n#用户终端 |
以太网/RS458/GPRS |
监测中心 |
1#蓄电池组 |
现场网络 |
在线监测装置 |
2#蓄电池组 |
n#蓄电池组 |
图19： 本项目监测系统拓扑图
该“项目在线监测系统”，是一套智能化、网络化的变电站直流电源系统在线监测、分析、管理系统。系统由若干个IE用户、一个监测中心、若干个安装在现场的在线监测装置组成。IE用户可随时随地在远程计算机上使用IE浏览器，实时监测现场直流电源及蓄电池的状况。监测中心软件采用B/S架构及SQL-SERVER数据库，接收在线监测装置传来的数据，响应IE用户的请求上传数据。
该系统以监测中心为核心。监测中心以上为管理网络；监测中心以下为现场网络。在线监测装置从现场检测到的各项数据，经现场网络送到监测中心，并以数据库形式贮存。管理人员在用户终端计算机，通过IE浏览器，经管理网络向监测中心发送各种请求；监测中心响应用户请求，以图形、表格、文字等形式，经管理网络向用户终端返回存贮的各种数据及各种分析结果。用户终端向现场发送的各种命令经管理网络送到监测中心，监测中心对命令，处理后经现场网络送到在线监测装置执行。
（1） 采用多频点交流放电法测量蓄电池内阻，进一步减小对蓄电池工作的影响，提高安全性、测量的准确性和稳定性。
（2） 引入新的数学模型，采用多频点测量蓄电池状态参数，更加准确地反映蓄电池的状态，为蓄电池检修方式从定期检修向状态检修转变打下了基础。
（3） 和蓄电池放电装置等其他蓄电池监测和维护设备进行连接和通信，综合完成直流电源及蓄电池在线监测、蓄电池充放电全程监控等综合监测与维护功能。
（4） 在线监测直流电源稳压精度、稳流精度、纹波电压系数等多项参数，准确地反映了直流系统的状态；
（5） 统计、查询、分析、管理功能，根据站点、直流电源及蓄电池生产厂家、生产日期、投入使用时间、电池的好坏程度等不同的组合条件，自动进行统计分析，为对维修人员的考核、直流电源及蓄电池的管理、购买决策提供了量化的数据，使管理水平上一个新的台阶。
（6） 实现以太网、GPRS、线、载波、USB等多种通讯方式，可以完成系统远程维护及远程自动程序升级功能。
本项目研制的蓄电池在线监测管理系统，旨在开发一套针对通信机房（尤其是无人值守通信机房）蓄电池运行维护管理的技术解决方案，以降低或杜绝因蓄电池故障而导致的直流系统事故发生率，从而提高变电站安全运行的可靠性。
该在线监测管理系统，能够实时监测蓄电池组的总电压、总电流、正负极温度；能够实时监测蓄电池的单体电压、单体内阻、连线电阻等参数，计算蓄电池的容量，评估蓄电池的状态。网络化的蓄电池在线监测管理系统采用基于Internet/Intranet的SQL SEVER数据库对监测数据进行管理，方便随时调用数据，并对其进行分析。系统具有蓄电池性能状态评价体系，发现劣化电池时能够及时报警，为蓄电池组的精细化维护提供依据。系统采用B/S结构，方便各级相关人员在允许的权限内随时调阅相关数据，有利于提高蓄电池维护技术管理水平。
该在线监测管理系统作为一套蓄电池运行维护技术管理系统，我们的设计遵循以下的原则：
1）能够取代传统的蓄电池人工检测手段，不需要大量人工，*实现智能化、网络化的管理。
2）对蓄电池的运行情况能够做到实时监测，对于可能发生的问题，做提前判断。系统对蓄电池运行进行全程监测。
3）对蓄电池的性能健康状态能够进行即时诊断，及时发现蓄电池运行异常，提前发现蓄电池性能落后，提前发现蓄电池寿命终止，评价蓄电池劣化或失效的趋势，防止蓄电池引发重大事故。
4）确保不影响蓄电池原有的工作，对于蓄电池的测量，不应增加任何不安全的因素，不能对设备的运行安全构成任何威胁。
该项目管理系统以监测中心为核心。监测中心以上为管理网络；监测中心以下为现场网络。
该项目设备从现场检测到的各项数据，经现场网络送到监测中心，以数据库形式存贮。
维护管理人员在用户终端计算机上，通过IE浏览器，经管理网络，向监测中心发送各种请求。监测中心响应用户请求，并以图形、表格、文字等形式通过管理网络向用户终端返回存贮的各种数据及各种分析结果。终端用户向现场发送和各种命令通过管理网络送到监测中心，监测中心对命令处理后，经现场网络，送到项目设备执行。
本项目管理系统具有强大的功能，具备自动将数据采集、存贮、上传功能。自身带有接线端子插座，通过线缆与蓄电池连接，可以测试到单节蓄电池以及整组蓄电池组的状态参数。
PITE3920在线监测仪，内置以太网接口、GPRS接口及USB接口，通过这些接口可以用不同的组网形式，把检测到的数据实时上传到监测中心，实现对蓄电池的在线监测。
监测中心软件则采用基于B/S结构的模式，系统管理员可以给各维护管理人员分配用户名、密码与访问权限，这些人员作为IE用户，在规定的权限内通过局域网以图形、表格、文字等形式查看蓄电池的各种数据，随时可了解蓄电池组的情况。
监测中心采用SQL-SERVER数据库，方便对各蓄电池组的数据进行管理、查询与调用。
本项目管理系统具有如下的特色：
本项目管理系统网络结构清晰，组网简单。系统运行中如现场出现故障，几分钟内能够直接通过可热插拔接线插头，更换现场设备，不会对直流设备产生任何影响，维护起来简单、快捷、安全、可靠。
软件主界面是简易GIS（地理信息系统）管理模式。具有如下特点：
A）界面简洁，没有繁琐的数据堆积；操作简洁，甚至不需要操作即可了解电池组的运行状况。当监测的电池组数量较多时候，本系统采用的管理方式相对于树状的资源管理器操作更加简洁。
B）在每一级的监测界面中，不需要繁琐的点击查询，就可以总览所有电池组的运行状况。
C）采用图例 ， ， ， 标识电池组的运行状况，不需要查询，详细数据就可以了解当前电池组的运行状况。
D）迅速定位有报警信息的电池组，方便工作人员的管理。
利用SQL-SERVER商用数据库的*性，对监测数据管理，可以方便用户随时对数据的调用、分析与打印。
软件采用B/S结构，方便各相关人员在各自的机器上，就可以在权限范围内随时调阅相关数据，这样，蓄电池维护的技术管理工作层次分明，便以管理。
B/S（Browser/Server）结构即浏览器/服务器结构，它是随着 Internet技术的兴起，对C/S结构（客户/服务器结构）的一种改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，但是主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，形成所谓三层3-tier结构。这样就大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本。
监测中心采用B/S结构模式，具有如下特点：
A）安装部署与升级维护简单：只需要在服务器端安装，安装以后仅需要定期（比如3个月、半年）维护一次即可。二次开发可以简单到只升级替换一个ASP页面，或更换一个DLL动态链接库，而且只需在服务器更换。
B）数据安全性好：客户端不保存任何业务数据，数据一致性好。所有数据（包括原始料单和统计报表）都保存在中心服务器中，不需要数据同步，不需要报表上传下载，随时随地看到的都是实时数据。可以全国一个服务器，而不需要在各个分支机构建立区域服务器，可以极大地节约投资和人力资源。
C）数据可溯源：任何报表都可以追踪到它zui原始的料单数据。
D）硬件投资保护：如果服务器负载增加，可以通过增加新的服务器，并将B/S软件的各个组件分布到多个服务器上执行。原有服务器继续使用，不浪费。
E）客户端配置要求低：客户端只要能运行IE就行。
F）报表分析优势：报表分析速度极快，而且可以根据客户不同时段，不同角度定制开发各种实际工作中使用的统计报表。
G）对计算机操作人员要求低：维护人员只需会上网，不需要接收专门培训即可操作。
8．5 特点
1）*的多频点交流放电法蓄电池内阻测试技术，减少对电池损坏和系统冲击。
2）在线放电时，通过测量电池电压，电流计算出放电容量，根据设定放电要求自动提示用户结束放电。
3）全自动巡检电池内阻、端电压，自动记录监测数据。
4）受控单检、巡检电池内阻、端电压，自动记录测试数据。
5）自动监测电池组性能均衡性，诊断电池故障，电池故障自动报警。
6）即可现场查看单体电池和电池组性能状态，也可以在远程用户终端观测，标志明确，显示直观。
7）现场检测无须人工介入，避免了因人工检测误操作引起的短路、触电和负载断电风险。
8）全隔离独立测试回路，既不受用户设备干扰，也不影响用户设备和电池组的正常运行。
8．6 安全性
本项目在设计上充分考虑了通信机房（站）的运行环境条件，采用多种抗冲击、高容错的技术手段，采用高性能的元器件，使设备具有很高的安全特性。
1）阻燃性
硬件设备采用阻燃特性良好的电子元器件与金属外壳，万一因短路过流等原因造成的故障，都不会引起明火燃烧。
2）电磁兼容性
在设计上充分考虑了电磁兼容性，电磁辐射量符合国家标准。金属外壳则具有很好的屏蔽效果。仪器本身则对外界没有任何电磁干扰。
3）容错性
4）防过压过流特性
设备设计采用防浪涌技术，采用*的电源变换技术，工作电压范围宽，防过流过压特性强。
5）可维护性
设备采用热插拔式接线座，接插简单，便于维护。
9. 系统的主要功能和技术指标
本研究项目采用本项目开发的多频点交流放电法，来测量蓄电池的内阻，综合蓄电池电压、电流、温度等因素，结合蓄电池历史趋势及充放电情况，评价蓄电池的状况。
9．1 主要功能
9．1．1 预警功能
系统一直监测着每节蓄电池的内阻、电压、充放电电流、温度等参数，判断电池的状况，一旦有危险隐患出现，系统将以声光形式发出预警，提醒维护管理人员及时处理，避免事故的发生。
9．1．2 管理决策功能
利用其功能强大的管理数据库，可以实现对蓄电池状态（优、良、中、差）、生产厂家、投入运行时间、所属部门和位置等条件，随时随地进行查询统计，帮助管理者极大地提高了管理效率和决策质量。
9．1．3 内阻检测功能
系统可设定对全部蓄电池的单体内阻的自动定时检测，zui低设定为20分钟一次。也可以人工发布命令，随时检测全部蓄电池的单体电池内阻。在服务器上可对整组电池或单个电池的内阻进行点测。在测试内阻的同时，全部蓄电池的单体电池电压值也同时测量。
9．1．4 连线电阻检测功能
蓄电池连接线及接头松动、断裂、锈蚀破坏蓄电池主回路的连续性，可引起蓄电池直流系统失电，可能引起火灾等一系列严重事故，因而对蓄电池连线电阻的测量是极为必要的，以确保直流系统的安全可靠。
系统可设定对每节蓄电池的连线电阻的自动定时检测，zui低设定为20分钟一次。也可以人工发布命令，随时检测每节蓄电池的连线电阻。在服务器上可对整组电池或单个电池的内阻进行点测。在测试内阻的同时，全部蓄电池的单体电池电压值也同时测量。
9．1．5充电机特参数检测功能
系统可对充电机稳压精度、稳流精度、纹波系数等特性参数进行检测，出现异常时及时报警。
9．1．6巡检功能
系统可对蓄电池组总电压、总电流、正负极温度、单体电池电压等参数进行巡检。巡检的间隔可设定。zui短间隔为20秒。
9．1．7 充放电过程全过程记录功能（蓄电池组核容和交流停电）
可以对蓄电池组自动均充过程、放电过程及核容过程进行过程记录。记录内容包括蓄电池单体电压、充放电电流、电池组总电压和正负极温度；充、放电安时数。如交流停电、自动补充电时，电池组进行放电或充电时，系统可自动进行容量测试。配合每年的核容试验，系统可全过程监测充、放电过程中每一时刻电池组的电压、充、放电电流以及各电池的电压变化曲线，并可自动生成蓄电池组核容报告。
9．1．8 报警及记录功能
可对电池组电压、单体电池电压、单体电池内阻、电极温度等设定上下限极值。当监测系统监测到有参数超出报警值时，系统可以进行声、光等报警，并把这一事件记录下来，维护管理人员在IE终端上可以看到电池组工作状态的异常。
9．1．9 电池质量分析及报表分析功能
对电池的内阻和电压进行长期跟综监测，并可形成每月、每季、每年的监测报表，全面掌握蓄电池的运行维护状况，提醒维护管理人员用时更换落后的蓄电池。
| 项目 | 参数 |
|---|---|
通信方式 | RS485/RS232、GPRS、USB、以太网 |
总电压测量 | 0-1000V，精度0.2%rdg±6dgt |
单体电压测量 | 2V：0-3V，精度0.2%rdg±6dgt |
4V：0-6V，精度0.2%rdg±6dgt | |
6V：0-8V，精度0.2%rdg±6dgt | |
12V：0-16V，精度0.2%rdg±6dgt | |
单体内阻测量 | 范围0 ～9999μW |
精度2%rdg±6dgt | |
充放电电流测量 | 0～2000A（可选传感器），精度1.0%rdg±6dgt |
温度测量 | -50-200℃，精度±0.5℃ |
报警方式 | 现场：声光报警+ LCD显示报警内容 远端：声音报警+报警界面显示报警内容+报警日志 |
充电模块特性测试 | 稳压精度、稳流精度、纹波系数 |
控制方式 | 自动控制+手动控制+远程计算机控制 |
存贮器 | 128M FLASH，可记录≥10000次检测数据 |
工作环境 | 温度：-10~40℃ 相对湿度：≤85%RH，不结露 |
工作电源 | 85~265VAC，50±1Hz |
绝缘电阻 | 500MΩ,1000V |
绝缘强度 | 1500VAC，50Hz |
蓄电池在线监测仪尺寸 | 19″标准机箱，高度为3U 长×宽×高：482×353×135（mm） 重量：10.0kg |
可以控制放电设备 | 放电仪、充电机综合测试仪等 |
10．1 主界面
图23 主界面
主界面采用基于简易GIS（地理信息系统）的管理方式。
图24 实时监测界面
10．2 用户权限管理
登录蓄电池在线监测管理系统软件时，需要通过身份验证。可分为用户和监测用户2种，各自的权限不同。用户是系统管理员，可以行使用户管理、局维护、站维护、组维护、设置组报警阀值、实时监控、数据分析、趋势分析、报表分析、导入仪表数据功能。监测用户是一般用户，只可以行使实时监控、数据分析、趋势分析、报表分析、导入仪表数据、设置组报警阀值功能。
10．3 历史数据查询及分析
历史数据查询及分析模块可以可监测及显示控各路电池的电压、内阻、容量。可以根据需要选择电池编号排序、电压从大到小排序、电压从小到大排序、内阻从大到小排序、内阻从小到大排序。
数据查询及分析模块可以：
图26 单体电压、单体内阻历史趋势图
10．4 核容放电均充及停电放电/均充全过程记录
核容放电、均充及停电放电/均充模块，在用户对蓄电池组进行核容放电均充及停电放电/均充过程中，以每1～2分钟一次的频率监测电池组总电流、总电压、正负极温度、各节电池的单体电压。
每节蓄电池的特性是存在差异的，根据研究这些特性在浮充过程中并没有*体现出来，而在蓄电池放电及随后的充电过程中这些特性得到了充分的体现。下面图27～图34反映的就是凌屋110kV变电站1#蓄电池组在核容放电及随后的恒流、恒压、涓流补充过程中蓄电池单体电压变化情况。从图中可以看出，在浮充时没有差异的蓄电池，在充放电时表现出了明显的差异。过去由于技术条件的限制，没有办法把蓄电池放电及随后的充电过程的数据*记录下来。蓄电池在线监测管理系统，可以将电池放电及随后的充电过程的数据*记录下来，大量数据的积累为今后蓄电池的研究提供了基础，以此基础建立数学模型，从而建立新的蓄电池维护管理体制。
图27 蓄电池核容放电2小时单体电压及电池组电流电压曲线图
图28 蓄电池核容放电结束时单体电压及电池组电流电压曲线图
图29 核容放电后恒流充电6.5小时单体电压及电池组电流电压曲线图
图30 核容放电后恒流充电结束时单体电压及电池组电流电压曲线图
图31 核容放电后恒压充电结束时单体电压及电池组电流电压曲线图
图32 18#蓄电池核容放电及恒流、恒压、涓流补充过程中单体电压曲线图
图33 50#蓄电池核容放电及恒流、恒压、涓流补充过程中单体电压曲线图
图34 39#蓄电池核容放电及恒流、恒压、涓流补充过程中单体电压曲线图
蓄电池在线监测管理系统对于蓄电池维护工作具有如下的指导意义：
系统除定时测量外，还可随时响应具有相应权限的用户的即时测量命令。具有相应权限的用户可以向系统发出即时测量命令，系统可自动对全部数据进行测量，测量过程对用户的其他操作无任何影响，测量结果返回时系统会提示用户。即时测量的结果可以以表格形式显示，也可以以图形形式显示。测量结果可以按电池编号、电压大小和内阻大小排序。
若监测到异常情况，电池组的状态指示图标将由 变为 ，并发出“嘟嘟…嘟嘟…”的报警声音，并且产生报警记录。
系统管理模块具有以下功能：
系统可以自动生成月报，核容放电时可以自动生成核容报表。参阅附件。
查询统计模块具有以下功能
图35 查询统计报表
蓄电池在线监测管理系统，采用*的计算机检测技术、现代通信技术，采用交流放电法，在线检测变电站蓄电池内阻、电压、电流、温度等参数；软件采用基于B/S结构的模式，利用SQL-SERVER数据库，以图形、表格、文字等形式提供蓄电池的各种数据，使维护管理人员随时随地掌握蓄电池的状况。系统的投入使用，为供电系统的安全运行提供了技术保障，极大地提高了供电系统的安全性和可靠性，产生巨大的社会效益和经济效益。
通过“蓄电池在线监测管理系统”在凌屋变电站的安装和应用，其意义体现在如下几个方面：
a、省略了以往核对性容量试验时繁琐的接线工作量。
b、解决了以往核容试验后不能准确知道均充电（即恒流、恒压到转浮充）全过程的参数和容量。
c、大大降低了工作人员的劳动强度。
随着数据的积累，结合国内外研究成果，逐步建立起数学模型，并对各项参数进行优化，在此基础上诊断分析软件的精度也会不断提高，对蓄电池状态的诊断也会越来越准确。模型建立的依据是：
3、变电站直流电源系统运行中的异常情况如交流失电、过充、欠充、温度等；采集上述数据后，通过一种非线性处理方式及特殊的拓扑结构，对各项数据进行关联，得出判断结论。
蓄电池的管理是一个系统工程，涉及的人员、部门、环节很多。除了蓄电池在线监测管理系统的数据以外，还可以将平时采集到的信息（单体电压变化、内阻变化、容量变化和运行数据等）纳入到蓄电池在线监测管理系统，利用这个系统，各个部门，各级相关人员可以得到自己希望的数据，为各自的工作提供服务。
蓄电池在线监测和管理系统的建立，使我们可实时掌握蓄电池、接头及连接线、充电机等直流系统关键环节的准确状态，出现安全隐患可以及时报警，使直流系统的安全性和可靠性得以提高。
问题是，是否可以在直流系统现出异常或安全隐患时，可不可以做到自动处理这此问题，从而实现远程在线维护呢？这就是本课题组下一步需要解决的问题。这一问题一旦得到解决，将产生革命性突破，直流系统关键环节的寿命、安全性、可靠性将得到极大地提高，也将产生巨大的经济效益和社会效益。
变电站蓄电池组是串联工作的，充电时由充电机向蓄电池整组进行充电，放电时蓄电池组整组放电向负荷放电。由于蓄电池本身在制造、使用过程中存在着差异，即使差异极其细微，随着时间的积累，电池特性的差异将会越来越大，具体将表现在电池电压、内阻、容量上的不同，导致电池的不均衡。在电池组整组充放电的使用条件下，电池不均衡的存在，将导致电池由于过充而失水，由于欠充而硫酸盐化，从而使整组电池迅速衰退，显著减小电池使用寿命，造成巨大的经济损失。
蓄电池在线监测设备增加均衡功能后，将实时检测电池的电压、内阻、容量的差异，对过充的蓄电池以安全电流放电，对欠充的电池以安全电流充电，使出现不均衡的串联蓄电池组逐渐达到均衡状态，从而极大地提高蓄电池的使用寿命。
铅酸蓄电池在放电过程中产生硫酸盐，充电结束时仍会有少量硫酸盐保留下来，另外电池由内部的杂质等原因，也会产生硫酸盐，并且硫酸盐晶体硫酸溶液中有不断长大的趋势。粗大的硫酸盐晶粒在充电时难以溶解而失去活性。电池的硫酸盐化将减少活性物质的含量，阻塞微孔，使电池容量减小。
蓄电池在线监测设备增加除硫功能后，将实时检测蓄电池的硫化状态，发现硫化的蓄电池，将通过高频放电和高频充电，使粗大的硫酸盐晶粒溶解，增加电池活性物质的含量，使阻塞的微孔畅通，从而增加电池的容量。
串联的铅酸蓄电池组在使用一段时间后，会出现部分落后的电池。很多落后的蓄电池可以通过活化而恢复其容量。如果落后的电池不进行及时处理，会造成整组电池迅速失效。
传统上人工活化电池的办法由于变电站数量多、分布广，使工作量非常大，且费时费力。
蓄电池在线监测设备增加在线活化功能后，将对蓄电池进行实时检测，发现落后的蓄电池后，将自动对蓄电池进行在线活化，使落后电池的容量得到恢复，从而提高整组蓄电池的容量，并显著延长电池组的使用寿命。
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