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摘 要：分析电导与蓄电池容量之间的相关性，介绍一种基于电导测试的蓄电池在线监测系统，并对蓄电池的运行维护现状提出改善建议
关键词：电导测试 蓄电池在线监测 蓄电池维护
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（a）-0046-03
在过去的20年里，欧姆测试技术作为一种能够快速判定电池老化情况的解决方案得到了深入的研究，有许多重要研究结果在专业杂志上发表，IEEEStd 1188-1996（1）在“IEEE关于后备式阀控密闭铅酸电池的保养、测试和更换的推荐方法”中将欧姆测试列为蓄电池的维护工具之一。在电导/内阻值（Conductance）与蓄电池容量呈现良好的相关性。在北美、欧洲以及亚洲许多国家，越来越多的通信运营商开始使用电导内阻来进行蓄电池维护，并开始要求在蓄电池制造商在新电池供货时候提供这些电池的电导（内阻）值。
将电导/内阻测试应用于蓄电池在线实时监测系统中，将有利于提高后备电源系统的保障度，延长蓄电池的使用寿命，节约运营成本，同时为蓄电池系统管理提供可靠有效的管理方法，并将断电所引起的供电中断的危险降到最低。
本文通过对蓄电池电导与蓄电池容量及健康状态进行分析，提出了一种基于B/S结构的蓄电池电导在线监测系统解决方案，并在变电站内对多组蓄电池进行了集中监测，成功的找出了多节落后蓄电池。
1 蓄电池电导与容量之间的相关性介绍
电池电导的测量是将已知频率和振幅的交流电压加到电池的两端，然后测量所产生的电流。交流电导值就是与交流电压同相的交流电流分量与交流电压的比值。
根据IEEEStd 1188-1996（1），明显的欧姆值变化（下降大于20%）就意味着电池性能的变化。
电导测试法是通过测量电池极板表面情况，判定其化学反应能力，从而确定蓄电池的健康状况的方法。
电导和电池的容量很很好的一致性。 对应关系如下：
（1）电导值下降小于20%：电池容量>80%，电池健康
（2）电导值下降大于40%：电池明显落后，需要更换
（3）电导值下降在20～40%之间：电池容量可能<80%，建议进行放电试验
2 基于电导测试的电池监测系统架构
将电导测试应用于蓄电池监测系统中，使直流系统中的每一节蓄电池均处于可监测状态，并在出现故障后有及时的反馈信息。
该系统由三个基础部分组成，其系统拓扑图如图1所示：
系统的核心部分是测试传输模块，在图中，在每一只蓄电池极柱部位，测试传输模块包含了专有的电导测试线路、电压和温度电子测试线路等，同时能够通过无线方式将测试结果传输出去。
电池组电压、温度和电流测试模块测试获取系统总电压 （可测高至 600V）、环境温度，以及充电（浮充）/放电电流值：环境温度测量确保蓄电池的温度、或机房环境温度处于正常水平；放电电流和组电压测量使用户能够及时了解电池放电能力状况。当测试结果超出预置标准值，发出系统告警，以确保系统处于正常水平。
数据采集器的作用是从测试传输模块及电池组电压、电流环境温度采集模块上获取测试数据，并将获取的数据通过以太网或串口传输出去，最后，通过一个基于网络的数据库管理软件蓄电池管理系统对蓄电池健康状况进行管理、预警和报告等等。用户可在任何地点登陆了解蓄电池信息。
2.1 测试传输模块原理
2.1.1 测试传输模块电导测试原理
根据电导测试的定义：电池电导的测量是将已知频率和振幅的交流电压加到电池的两端，然后测量所产生的电流。交流电导值就是与交流电压同相的交流电流分量与交流电压的比值。
设在蓄电池两端施加的信号频率为V（f），该信号经过蓄电池后产生的电流信号为I（f），如下图2所示：
设V（f）信号幅值为A，频率为f，I（f）信号幅值为B，与电压信号具有相同的频率，I（f）與V（f）之间的相位差为θ，则有关系式：
根据欧拉公式变换有：
所以：
因此，测量电压与电流信号的幅值以及其相位差即可计算出蓄电池电导值。
2.1.2 负极柱温度测试原理
温度与蓄电池容量有着密切关系，测试每节蓄电池温度对于掌握蓄电池的健康状态有着很重要意义。测试传输模块通过将温度传感器封装在连接片上来实现每节电池的负极柱温度测试。
2.1.3 连接条内阻测试原理
连接条内阻以微欧为单位，在对蓄电池进行电导测试的同时，完成对连接条内阻的测试，为了避免测试导线对测试精度造成影响，每个测试模块有六条线采用开尔文连接方式与蓄电池连接，如下图3为测试传输模块与蓄电池的连接示意图：
在进行电导与连接条内阻测试时，1、6号线为信号生成连接线，2、3号线为连接条内阻采样线，3、4号线为蓄电池电导采样线，5号线为温度采样线。
连接条内阻测试流程如图4。
测试传输模块接收到连接条内阻测试指令后，处理器即控制信号源对单体蓄电池及其连接条施加电流源信号，该电流源信号会在连接条上产生相同频率的电压变化信号，该电压信号通过带通滤波并放大之后进入AD采样系统，采样数据交由处理器计算分析。处理器根据输出信号辐值与反馈信号幅值计算出连接条内阻。
2.2 数据采集器原理
数据采集器内置ZigBee无线通信模块与测试传输模块及电压电流采集模块通信，将数据通过TCP/IP传输给服务器，其工作流程图如图5所示。
每个数据采集器有一个独立的IP地址，服务器通过该IP地址来识别其所监测的蓄电池组位置。该地址可通过串口进行设置。
3 电池监测系统应用
电池监测系统是基于B/S的三层结构，应用服务基于Java/JSP构建，Tomcat5作为web容器，用户可以在任何能够访问服务器地点通过WEB浏览器使用此系统，系统数据采用Microsoft SQL server 2005，服务器的操作系统采用Microsoft Windows server 2003。 通过该系统可以很方便的实现对站内每一节蓄电池的管理，用户登陆后可以通过浏览器树形结构快速查看所关心的蓄电池组整组及单个信息。
该系统人机交互界面直观、丰富， 电池信息可以以表格、曲线、柱状图的形式进行展现，如图6所示，一旦有蓄电池出现告警信息后，将以黄色或红色的警示图形提醒用户，并可通过email向用户发送告警邮件。
使用该系统对梧州运行维护局220kV变电站内的四组直流电源进行了持续监测，其中包括两组220V直流电流系统和两组48V通信电源系统。通过该系统的持续监测、数据对比及综合分析，对站内每只蓄电池的运行状态有了清楚的认识，明确了蓄电池的维护方向。
该系统提供了两个重要的数据对比手段。
3.1 监测系统电导横向对比
横向对比的含义为将同一组蓄电池中的某一只蓄电池的电导值与其它蓄电池电导测试值进行对比，其意义表现为：
（1）反映蓄电池的一致性好坏
一组蓄电池中，蓄电池一致性好坏是反映蓄是组性能好坏的重要指标，电导差异较大的电池组成一组蓄电池组，由于其特性差异，在长期的浮充均充过程中，会造成电压分配不均导致部分电池提前失效，最后造成整组电池的提前失效。
图6为该系统所监的一组蓄电池中的电导值与浮充电压的对比曲线图。
从图6可以看出，电导值较低的电池其浮充电压较高，反之亦然。因此，将蓄电池一致性要求纳入新入网蓄电池的一项考核标准相当重要。
（2）反映蓄电池健康状态
在对蓄电池电导值的横向对比过程中，如果出现某节蓄电池与其它蓄电池的电导值明显低于其它电池电导值，则可判断该蓄电池为落后蓄电池。
图7为该系统所监测的一组蓄电池电导值横向对比图。
图7中，46号电池的电导值明显低于其它电池，在对整组电池放电维护过程中，其放电容量已不足80%，因此运行中的蓄电池电导值的持续监测非常必要。
3.2 监测系统电导纵向对比
蓄电池电导纵向对比是通过对蓄电池电导的长时间监测，对其在不同时间段的电导值进行对比，从而判断其健康状态的一种方法。
建立蓄电池运行管理数据库，将蓄电池长期运行的电导数据存储于数据库，通过对其变化趋势的分析是判断蓄电池好坏的重要手段。
图8为该系统所监测的一组蓄电池电导值纵向对比图。
图8为该系统所监测的一组蓄电池一个季度内蓄电池电导变化趋势图，通过该趋势图形可以很方便的发现电导值有明显下降的蓄电池。
4 蓄电池维护标准的建立
国内外已经有大量的实验数据证明了蓄電池电导值与容量之间存在密切的相关性，在在线监测系统的实施过程中也得到了证实，因此围绕电导测试来完善蓄电池现有的维护方法将大大提高蓄电池维护的有效性。
该系统为指导电力系统的蓄电池选型配置及蓄电池入网、运行维护、退出运行等蓄电池全寿命管理的技术要求提供了重要的参考依据；为实现蓄电池从传统的定期维护向状态检修的转变奠定了基础。
4.1 新入网蓄电池验收标准
a）新电池组单体电导值的偏差不超过±10%；
b）核对性放电试验，对电导值偏差满足±10%以内的蓄电池进行核对性放电试验；（放电试验参照新电池验收核容放电标准）
c）提供蓄电池初始电导值，建立每节蓄电池从入网到退运的管理档案。
4.2 运行中的蓄电池维护标准
对于运行中的蓄电池除日常的外观检测、电压测试外，需增加电导测试，有针对性的进行放电测试，从而实现蓄电池定期维护向状态检修的转变。具体包括
a）蓄电池电导测试间隔每俩个月一次
●单体电导纵向比较下降5%进行告警
●电导值下降小于20%：电池容量> 80%，电池健康
●电导值下降大于40%：电池明显落后，退出落后电池
*电导值下降在20%～40%之间：电池容量可能<80%
b）核容放电测试
●电导值下降小于20%：电池容量> 80%，电池健康，不用进行核容放电试验
●电导值下降在20%～40%之间：电池容量可能<80%
◆如果电导值处于此区间的蓄电池数量超过3只（包括3只）应对整组电池进行核容放电试验，将容量不足80%电池逐一退出。
◆如果电导值处于此区间的蓄电池数量小于3只，针对单只蓄电池（活化仪）进行在线充放电试验，对容量不足80%电池予以退出；
●电导值下降大于40%：退出落后电池后对其它蓄电池组成的电池组进行核容放 电，容量>80%即为合格；
c）建立蓄电池数据网络管理平台
测试数据上传至数据库平台，实现对于现网数量庞大的蓄电池系统性的运行性能统计、趋势分析、预警和质量管理，数据有效性管理，维护主动、具备预防性。
4.3 蓄电池退运标准
4.3.1 单节蓄电池退运标准
a）蓄电池运行过程中，测试其电导值下降大于40%，需退出落后电池，将剩余电池组成电池组；
b）电导值下降在20%～40%之间的，进行核容放电试验，如果存在容量<80%的电池需退出，将剩余电池组成电池组；
4.3.2 蓄电池组退运标准
根据单节蓄电池的退运标准，由2V蓄电池组成的220V直流系统，当整组电池中合格电池数量不足最少充许数量时，整组电池年限已到，需进行更换。
5 结语
基于电导的蓄电池监测系统总结了国内外多年对蓄电池电导测试技术的研究，并将其应用到蓄电池在线监测系统中，以其独有的准确、安全、快速、全面为蓄电池的健康长寿及直流电源安全稳定运行提供了有效的保障，并为新的蓄电池运行维护标准的建立提供了重要的参考依据。
关键词：电导测试 蓄电池在线监测 蓄电池维护
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（a）-0046-03
在过去的20年里，欧姆测试技术作为一种能够快速判定电池老化情况的解决方案得到了深入的研究，有许多重要研究结果在专业杂志上发表，IEEEStd 1188-1996（1）在“IEEE关于后备式阀控密闭铅酸电池的保养、测试和更换的推荐方法”中将欧姆测试列为蓄电池的维护工具之一。在电导/内阻值（Conductance）与蓄电池容量呈现良好的相关性。在北美、欧洲以及亚洲许多国家，越来越多的通信运营商开始使用电导内阻来进行蓄电池维护，并开始要求在蓄电池制造商在新电池供货时候提供这些电池的电导（内阻）值。
将电导/内阻测试应用于蓄电池在线实时监测系统中，将有利于提高后备电源系统的保障度，延长蓄电池的使用寿命，节约运营成本，同时为蓄电池系统管理提供可靠有效的管理方法，并将断电所引起的供电中断的危险降到最低。
本文通过对蓄电池电导与蓄电池容量及健康状态进行分析，提出了一种基于B/S结构的蓄电池电导在线监测系统解决方案，并在变电站内对多组蓄电池进行了集中监测，成功的找出了多节落后蓄电池。
1 蓄电池电导与容量之间的相关性介绍
电池电导的测量是将已知频率和振幅的交流电压加到电池的两端，然后测量所产生的电流。交流电导值就是与交流电压同相的交流电流分量与交流电压的比值。
根据IEEEStd 1188-1996（1），明显的欧姆值变化（下降大于20%）就意味着电池性能的变化。
电导测试法是通过测量电池极板表面情况，判定其化学反应能力，从而确定蓄电池的健康状况的方法。
电导和电池的容量很很好的一致性。 对应关系如下：
（1）电导值下降小于20%：电池容量>80%，电池健康
（2）电导值下降大于40%：电池明显落后，需要更换
（3）电导值下降在20～40%之间：电池容量可能<80%，建议进行放电试验
2 基于电导测试的电池监测系统架构
将电导测试应用于蓄电池监测系统中，使直流系统中的每一节蓄电池均处于可监测状态，并在出现故障后有及时的反馈信息。
该系统由三个基础部分组成，其系统拓扑图如图1所示：
系统的核心部分是测试传输模块，在图中，在每一只蓄电池极柱部位，测试传输模块包含了专有的电导测试线路、电压和温度电子测试线路等，同时能够通过无线方式将测试结果传输出去。
电池组电压、温度和电流测试模块测试获取系统总电压 （可测高至 600V）、环境温度，以及充电（浮充）/放电电流值：环境温度测量确保蓄电池的温度、或机房环境温度处于正常水平；放电电流和组电压测量使用户能够及时了解电池放电能力状况。当测试结果超出预置标准值，发出系统告警，以确保系统处于正常水平。
数据采集器的作用是从测试传输模块及电池组电压、电流环境温度采集模块上获取测试数据，并将获取的数据通过以太网或串口传输出去，最后，通过一个基于网络的数据库管理软件蓄电池管理系统对蓄电池健康状况进行管理、预警和报告等等。用户可在任何地点登陆了解蓄电池信息。
2.1 测试传输模块原理
2.1.1 测试传输模块电导测试原理
根据电导测试的定义：电池电导的测量是将已知频率和振幅的交流电压加到电池的两端，然后测量所产生的电流。交流电导值就是与交流电压同相的交流电流分量与交流电压的比值。
设在蓄电池两端施加的信号频率为V（f），该信号经过蓄电池后产生的电流信号为I（f），如下图2所示：
设V（f）信号幅值为A，频率为f，I（f）信号幅值为B，与电压信号具有相同的频率，I（f）與V（f）之间的相位差为θ，则有关系式：
根据欧拉公式变换有：
所以：
因此，测量电压与电流信号的幅值以及其相位差即可计算出蓄电池电导值。
2.1.2 负极柱温度测试原理
温度与蓄电池容量有着密切关系，测试每节蓄电池温度对于掌握蓄电池的健康状态有着很重要意义。测试传输模块通过将温度传感器封装在连接片上来实现每节电池的负极柱温度测试。
2.1.3 连接条内阻测试原理
连接条内阻以微欧为单位，在对蓄电池进行电导测试的同时，完成对连接条内阻的测试，为了避免测试导线对测试精度造成影响，每个测试模块有六条线采用开尔文连接方式与蓄电池连接，如下图3为测试传输模块与蓄电池的连接示意图：
在进行电导与连接条内阻测试时，1、6号线为信号生成连接线，2、3号线为连接条内阻采样线，3、4号线为蓄电池电导采样线，5号线为温度采样线。
连接条内阻测试流程如图4。
测试传输模块接收到连接条内阻测试指令后，处理器即控制信号源对单体蓄电池及其连接条施加电流源信号，该电流源信号会在连接条上产生相同频率的电压变化信号，该电压信号通过带通滤波并放大之后进入AD采样系统，采样数据交由处理器计算分析。处理器根据输出信号辐值与反馈信号幅值计算出连接条内阻。
2.2 数据采集器原理
数据采集器内置ZigBee无线通信模块与测试传输模块及电压电流采集模块通信，将数据通过TCP/IP传输给服务器，其工作流程图如图5所示。
每个数据采集器有一个独立的IP地址，服务器通过该IP地址来识别其所监测的蓄电池组位置。该地址可通过串口进行设置。
3 电池监测系统应用
电池监测系统是基于B/S的三层结构，应用服务基于Java/JSP构建，Tomcat5作为web容器，用户可以在任何能够访问服务器地点通过WEB浏览器使用此系统，系统数据采用Microsoft SQL server 2005，服务器的操作系统采用Microsoft Windows server 2003。 通过该系统可以很方便的实现对站内每一节蓄电池的管理，用户登陆后可以通过浏览器树形结构快速查看所关心的蓄电池组整组及单个信息。
该系统人机交互界面直观、丰富， 电池信息可以以表格、曲线、柱状图的形式进行展现，如图6所示，一旦有蓄电池出现告警信息后，将以黄色或红色的警示图形提醒用户，并可通过email向用户发送告警邮件。
使用该系统对梧州运行维护局220kV变电站内的四组直流电源进行了持续监测，其中包括两组220V直流电流系统和两组48V通信电源系统。通过该系统的持续监测、数据对比及综合分析，对站内每只蓄电池的运行状态有了清楚的认识，明确了蓄电池的维护方向。
该系统提供了两个重要的数据对比手段。
3.1 监测系统电导横向对比
横向对比的含义为将同一组蓄电池中的某一只蓄电池的电导值与其它蓄电池电导测试值进行对比，其意义表现为：
（1）反映蓄电池的一致性好坏
一组蓄电池中，蓄电池一致性好坏是反映蓄是组性能好坏的重要指标，电导差异较大的电池组成一组蓄电池组，由于其特性差异，在长期的浮充均充过程中，会造成电压分配不均导致部分电池提前失效，最后造成整组电池的提前失效。
图6为该系统所监的一组蓄电池中的电导值与浮充电压的对比曲线图。
从图6可以看出，电导值较低的电池其浮充电压较高，反之亦然。因此，将蓄电池一致性要求纳入新入网蓄电池的一项考核标准相当重要。
（2）反映蓄电池健康状态
在对蓄电池电导值的横向对比过程中，如果出现某节蓄电池与其它蓄电池的电导值明显低于其它电池电导值，则可判断该蓄电池为落后蓄电池。
图7为该系统所监测的一组蓄电池电导值横向对比图。
图7中，46号电池的电导值明显低于其它电池，在对整组电池放电维护过程中，其放电容量已不足80%，因此运行中的蓄电池电导值的持续监测非常必要。
3.2 监测系统电导纵向对比
蓄电池电导纵向对比是通过对蓄电池电导的长时间监测，对其在不同时间段的电导值进行对比，从而判断其健康状态的一种方法。
建立蓄电池运行管理数据库，将蓄电池长期运行的电导数据存储于数据库，通过对其变化趋势的分析是判断蓄电池好坏的重要手段。
图8为该系统所监测的一组蓄电池电导值纵向对比图。
图8为该系统所监测的一组蓄电池一个季度内蓄电池电导变化趋势图，通过该趋势图形可以很方便的发现电导值有明显下降的蓄电池。
4 蓄电池维护标准的建立
国内外已经有大量的实验数据证明了蓄電池电导值与容量之间存在密切的相关性，在在线监测系统的实施过程中也得到了证实，因此围绕电导测试来完善蓄电池现有的维护方法将大大提高蓄电池维护的有效性。
该系统为指导电力系统的蓄电池选型配置及蓄电池入网、运行维护、退出运行等蓄电池全寿命管理的技术要求提供了重要的参考依据；为实现蓄电池从传统的定期维护向状态检修的转变奠定了基础。
4.1 新入网蓄电池验收标准
a）新电池组单体电导值的偏差不超过±10%；
b）核对性放电试验，对电导值偏差满足±10%以内的蓄电池进行核对性放电试验；（放电试验参照新电池验收核容放电标准）
c）提供蓄电池初始电导值，建立每节蓄电池从入网到退运的管理档案。
4.2 运行中的蓄电池维护标准
对于运行中的蓄电池除日常的外观检测、电压测试外，需增加电导测试，有针对性的进行放电测试，从而实现蓄电池定期维护向状态检修的转变。具体包括
a）蓄电池电导测试间隔每俩个月一次
●单体电导纵向比较下降5%进行告警
●电导值下降小于20%：电池容量> 80%，电池健康
●电导值下降大于40%：电池明显落后，退出落后电池
*电导值下降在20%～40%之间：电池容量可能<80%
b）核容放电测试
●电导值下降小于20%：电池容量> 80%，电池健康，不用进行核容放电试验
●电导值下降在20%～40%之间：电池容量可能<80%
◆如果电导值处于此区间的蓄电池数量超过3只（包括3只）应对整组电池进行核容放电试验，将容量不足80%电池逐一退出。
◆如果电导值处于此区间的蓄电池数量小于3只，针对单只蓄电池（活化仪）进行在线充放电试验，对容量不足80%电池予以退出；
●电导值下降大于40%：退出落后电池后对其它蓄电池组成的电池组进行核容放 电，容量>80%即为合格；
c）建立蓄电池数据网络管理平台
测试数据上传至数据库平台，实现对于现网数量庞大的蓄电池系统性的运行性能统计、趋势分析、预警和质量管理，数据有效性管理，维护主动、具备预防性。
4.3 蓄电池退运标准
4.3.1 单节蓄电池退运标准
a）蓄电池运行过程中，测试其电导值下降大于40%，需退出落后电池，将剩余电池组成电池组；
b）电导值下降在20%～40%之间的，进行核容放电试验，如果存在容量<80%的电池需退出，将剩余电池组成电池组；
4.3.2 蓄电池组退运标准
根据单节蓄电池的退运标准，由2V蓄电池组成的220V直流系统，当整组电池中合格电池数量不足最少充许数量时，整组电池年限已到，需进行更换。
5 结语
基于电导的蓄电池监测系统总结了国内外多年对蓄电池电导测试技术的研究，并将其应用到蓄电池在线监测系统中，以其独有的准确、安全、快速、全面为蓄电池的健康长寿及直流电源安全稳定运行提供了有效的保障，并为新的蓄电池运行维护标准的建立提供了重要的参考依据。