Система мониторинга состояния аккумуляторов

В статье дано краткое описание си­стемы мониторинга состояния свинцово-кислотных аккумуляторов, разработанной компанией LEM.

А. Мельниченко

Современное общество немыслимо без мно­жества электронных устройств, к надежности функционирования которых предъявляются достаточно высокие требования. В ряде случа­ев это обеспечивается резервированием систем электропитания с использованием аккумуля­торов.

Для резервирования электропитания ис­пользуются, главным образом, свинцово-кис­лотные герметизированные аккумуляторы (VRLA) или сходные с ними гелевые аккуму­ляторы, получившие широкое распростране­ние благодаря их надежности и невысокой стоимости. Однако срок службы таких акку­муляторов ограничен в среднем 12 годами. За­мена их в системах резервного электропитания производится, как правило, в соответствии с установленным графиком.

Для поддержания аккумуляторов в заряжен­ном состоянии через них пропускают неболь­шой зарядный ток. Его величина не должна превышать некоторый предел, чтобы давление газов внутри аккумулятора не было слишком большим. Если напряжение ячейки аккумуля­тора превысит 2.27 В, интенсивность образова­ния газов повысится и их избыток вместе с па­рами электролита выйдет наружу через предо­хранительный клапан. Кроме того, потеря электролита может быть вызвана повышением температуры аккумулятора.

Причинами отказа аккумуляторов (кроме потери электролита) являются преждевремен­ная сульфатация и ускоренная коррозия пла­стин, ухудшение контакта между клеммами и пластинами, а также неравномерность плотно­сти электролита по высоте аккумулятора. Изредка в герметизированных и гелевых аккумуляторах наблюдается такой дефект, как не­контролируемый рост температуры, который может вызвать их воспламенение или взрыв. Единственный способ обнаружения начала этого процесса – контроль температуры внутри ячеек аккумулятора.

Измеряя напряжение ячеек аккумулятор­ной батареи, невозможно сделать вывод об из­менении их емкости. Его можно обнаружить, лишь подключив к ячейке нагрузку и измеряя время, в течение которого напряжение умень­шится до минимального значения. При ис­пользовании герметизированных аккумулято­ров невозможно даже измерить плотность электролита, как это делается в обслуживае­мых аккумуляторах. Единственным способом обнаружения дефектного аккумулятора яв­ляется измерение интервала времени, за кото­рый происходит его разрядка заданным током до минимального напряжения. Глубокая раз­рядка также уменьшает срок службы свинцо­во-кислотных аккумуляторов. Поэтому основ­ным критерием надежности аккумуляторов в резервных источниках питания может слу­жить лишь их емкость, измеренная в процессе проведения контрольных тестов.

Выпускавшиеся ранее системы мониторин­га измеряли, как правило, напряжение от­дельных ячеек или всей батареи аккумулято­ра, его зарядный и разрядный токи, а также окружающую температуру. Некоторые систе­мы измеряли (более или менее точно) внутрен­нее сопротивление ячеек. В настоящее время для выявления ячеек аккумуляторов с повы­шенной вероятностью отказа используются новые методы, позволяющие уменьшить за­траты на техническое обслуживание и обеспечить непрерывную готовность резервного ис­точника питания.

Компания LEM разработала систему монито­ринга состояния аккумуляторов. В ней впервые осуществлен переход от простых аналоговых из­мерений параметров аккумуляторов к аналого­во-цифровым методам обработки информации, реализованным в заказной микросхеме, выпол­ненной по технологии SoC (System-on-Chip). На ее основе создан измерительный модуль Sen­tinel — основной элемент системы, позволяю­щий с высокой точностью измерять напряжение аккумулятора, его импеданс и температуру. Мо­дуль может быть установлен на аккумуляторы, используемые в большинстве систем резервного электропитания.

Признаками, свидетельствующими о высо­кой вероятности отказа ячейки аккумулятора, могут служить экспоненциальный рост ее тем­пературы и внутреннего сопротивления (рис. 1). Для их обнаружения служит система регистрации данных, осуществляющая мони­торинг параметров аккумулятора в течение длительного времени. Каждый из модулей Sentinel содержит температурный датчик, установленный на корпусе ячейки или батареи для измерения ее температуры.

Рис. 1. Изменение внутреннего сопротивления электрохимической ячейки в процессе эксплуатации

Согласно общепринятой методике внутрен­нее сопротивление аккумуляторной ячейки можно оценить во время ее работы или заряд­ки. Для этого на постоянное напряжение ячейки накладывается небольшое переменное напряжение. На основании измеренных пере­менных составляющих напряжения и тока вычисляется внутреннее сопротивление акку­мулятора. Однако данный способ не отличает­ся высокой точностью. Ячейки, вероятность отказа которых по результатам диагностирования оказалась высокой, могут иметь боль­шой разброс по сроку службы.

Компанией LEM в сотрудничестве с учены­ми был разработан сложный алгоритм, позво­ляющий обнаружить снижение эффективно­сти работы ячеек на ранней стадии. В резуль­тате появился чрезвычайно надежный метод диагностики, отличающийся высокой точ­ностью. В его основу положена эквивалентная схема электрохимической ячейки (рис. 2).

Рис. 2. Эквивалентная схема электрохимической ячейки

Rm – сопротивление металлических про­водников и соединений между компонентами

Re – сопротивление электролита (поте­ря электролита может быть одной из ос­новных причин преждевременного отказа аккумулятора)

Cdl – емкость двойного слоя (функция площади пластин и диэлектрической посто­янной электролита)

Rct – сопротивление переноса, возникаю­щее из-за ограниченной скорости химиче­ской реакции на границе между пластинами и электролитом

Wi – импеданс Варбурга – низкочастот­ный компонент, отражающий процесс диф­фузии ионов из пластин в электролит и об­ратно (в процессе разрядки не учитывается).

Источник напряжения, показанный на схеме, при измерении параметров ячейки не учитывается.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ

Изменение параметров аккумулятора в про­цессе эксплуатации показано на рис. 3. Видно, что на ранней стадии отказа или потери емко­сти аккумулятора сопротивления эквивалент­ной схемы почти не изменяются. Рост сопро­тивлений становится заметным лишь тогда, ко­гда потеря емкости составит не менее 25-30 %. Так как в соответствии с отраслевыми стандартами аккумуляторы, емкость которых умень­шается до уровня ниже 80%, подлежат заме­не, их возможный отказ должен быть иденти­фицирован гораздо раньше. Единственным па­раметром эквивалентной схемы, изменение которого проявляется на ранней стадии умень­шения емкости ячейки, является емкость двойного слоя Cdl (нижняя кривая на рис. 3).

Рис. 3. Изменение параметров эквивалентной схемы электрохимической ячейки в процессе эксплуатации

ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ

Система мониторинга аккумуляторов (рис. 4) представляет собой легко инсталли­руемый набор компонентов, включающих:

• модуль Sentinel для измерения напряже­ния, импеданса и температуры аккумуля­торной батареи или отдельной ее ячейки и передачи этих данных по отдельной шине (S-шине) в регистратор (S-блок)
• преобразователь тока для мониторинга со­стояния батареи (зарядка, разрядка или холостой ход)
• конвертер, преобразующий протокол S-ши­ны в последовательный формат данных
• S-блок для регистрации данных, поступаю­щих из каждого модуля Sentinel (с возмож­ностью подключения к сети Ethernet)
• программное обеспечение Cellview Net для визуализации данных, выдачи сигналов тревоги и генерации отчетов.

Модули Sentinel обеспечивают измерение параметров как отдельных ячеек, так и всей аккумуляторной батареи. Результаты измере­ний с выхода модулей (до 250 точек измере­ния) могут быть переданы по шине данных в регистратор. Если число аккумуляторов вели­ко, то несколько потоков данных могут быть объединены и переданы в систему управления более высокого уровня через стандартную шину или сеть Интернет с использованием web-сервера, встроенного в регистратор. По ре­зультатам измерений система определяет ре­альное состояние каждой ячейки аккумулято­ра.

Предсказание возможных отказов аккуму­ляторов является не единственным преимуще­ством системы. Имеется возможность про­граммирования и других функций. Например, часто наблюдается большой разброс внутрен­него импеданса ячеек аккумулятора, что с течением времени может создать проблемы. Интеллектуальная система управления может быстро выявить такие ячейки, а система опти­мизации – направить ток подзарядки в обход полностью заряженной ячейки.

Рис. 4. Система мониторинга состояния аккумуляторов

Подзарядка импульсным током продле­вает срок службы аккумулятора. Ток подза­рядки герметизированных аккумуляторов превышает ток обычных обслуживаемых ак­кумуляторов при одном и том же конечном на­пряжении. Протекание постоянного тока ускоряет коррозию положительных электро­дов, сокращая срок службы ячеек. Замена по­стоянного тока подзарядки импульсным поз­волит ослабить этот эффект и продлить срок службы аккумуляторов. При этом также уменьшается вероятность неконтролируемого роста температуры.

Измерительный модуль, установленный на аккумуляторе, позволяет получать информа­цию об изменении его напряжения и темпера­туры в течение всего срока службы.

Защита аккумуляторов от глубокой раз­рядки. Системы бесперебойного питания и устройства мониторинга аккумуляторов имеют, как правило, защиту от глубокой разрядки, от­ключающую нагрузку при уменьшении напря­жения аккумуляторной батареи ниже заданно­го предела. Однако для некоторых ячеек батареи глубокая разрядка может наступить гораздо раньше, чем будет отключена нагрузка. В ре­зультате эти ячейки могут выйти из строя. Для исключения подобных ситуаций был разработан алгоритм «Time to Run», обеспечивающий вы­дачу предупредительного сигнала в случае опас­ности глубокой разрядки какой-либо ячейки.

Чтобы иметь наиболее точную информацию о состоянии аккумулятора, необходимо осу­ществлять мониторинг возможно большего числа его параметров. Важно не только свести к минимуму случаи отказа аккумуляторов, но и предотвратить преждевременную замену ак­кумуляторов, еще не выработавших свой ре­сурс. Кроме измерения напряжения, импедан­са и емкости каждой ячейки аккумуляторной батареи в систему мониторинга в качестве стандартной функции впервые заложена воз­можность контроля температуры ячейки. Компания LEM также разработала преобразо­ватель для измерения тока аккумулятора, от­личающийся высокой разрешающей способ­ностью (погрешность не более ±10 мА) и край­не малым температурным дрейфом.

Появление современных систем монито­ринга, подобных описанной выше системе, мо­жет изменить отношение к ним. Вместо того, чтобы считать их дорогой игрушкой, пользова­тели, наконец, смогут убедиться в их необхо­димости благодаря рентабельности этих си­стем, способствующих продлению срока служ­бы аккумуляторов.