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    中宜通信
    蓄電池在線監測方案

    1. 概述

    由于閥控鉛酸電池性能穩定、自放電少、密封、經濟等優點而迅速代替其他類型電池。閥控鉛酸電池銷售承諾至少十年使用壽命,然而很多用戶驚訝的發現電池在使用了三到四年后就會出現故障,很少有電池使用壽命超過八年的,這主要是由于閥控蓄電池長期浮充運行后出現電池失水、負極板硫酸化、正極板腐蝕、熱失控等,導致容量衰退。廠商大力宣傳“免維護”電池和用戶維護麻痹,使得不少用戶得到慘痛的教訓。在目前也很少有電池用戶對自己的后備電源系統有絕對的信心。

    目前,對蓄電池組的管理主要采用定期維護的方式。一般定期人工對電池的電壓、內阻進行測量,每一年或幾年對電池組進行一次核對性放電。

    這種維護方式主要存在下面的缺點:

    · 維護工作量大,導致維護人員不堪重負

    · 無法即時掌握蓄電池組運行真實數據及數據無法進行系統的分析

    · 維護風險較高

    為了能徹底解決以上問題,必須組建一個蓄電池在線監測系統,對蓄電池的單體電壓、組壓、單體內阻、電池負極溫度等重要參數進行在線監測,一旦發現某個參數有異?;蚱渥兓厔萦挟惓r立即告警,使管理維護人員及時發現問題或潛在的隱患,及時進行處理,保證UPS系統的可靠性與安全性。

    本方案實施后可以達到下面的效果:

    - 及時發現電池著火的潛在風險并提前告警;

    - 提前預警即將失效的蓄電池,排除潛在的隱患,確保機房及UPS系統安全;

    - 無需進行定期的內阻、電壓手工測量,節約人力物力;

    - 即時發現充電故障,延長蓄電池組壽命。

    - 通過對數據的系統分析,積累不同品牌型號設備及蓄電池的實際運行經驗,作為選型參考。

                                

    2. 監控內容

    項目要求在線監測蓄電池組,監測內容包括電池的單體電壓、單體內阻、單體電池負極溫度、組壓、環境溫度及充放電電流,并配置監測軟件,遠程讀取并顯示數據,同時數據可接入到第三方監控系統中。

     

    3. 設備配置(12V321組1套)

    3.1 監控中心

    名稱

    規格

    數量

    監控電腦

    雙核2.0、內存2G、硬盤500G

    1

    蓄電池監測系統軟件

    內置蓄電池采集軟件中,無需安裝,通過WEB瀏覽

    0

     

    3.2 現場設備

    地點

    電池情況

    設備配置

    每套包含內容

    鼓樓

    一共32組 每組32節

    分別放置在3個房間

    一個大房間放16組

    另外兩個小房間各放8組

    蓄電池采集器:7臺;

    單電池內阻監控模塊:1024塊;

    電流互感器:32個;

    電池溫度電流采集模塊:32臺

    單節內阻監、溫度、電壓監控,組電壓、組電流監控

    江寧

    一共28組 每組34節

    分別放置在兩個房間

    一個房間放19組

    一個放9組

    蓄電池采集器:6臺;

    單電池內阻監控模塊:952塊;

    電流互感器:28個;

    電池溫度電流采集模塊:28臺

    單節內阻、溫度、電壓監控,組電壓、組電流監控

     

    4. 系統組成

    ZY-BAT蓄電池在線監測系統由蓄電池采集器、單電池內阻檢測模塊、電流檢測模塊以及相應安裝附件組成,詳情如下:


    主要模塊:

    外觀

    名稱

    說明

     

    蓄電池采集

    一個模塊最多監測六組電池、單組最多支持300節、最多監測960節電池

     

    單電池內阻監控模塊

    每節電池配一個,監測單體電池的電壓、內阻及溫度

     

    電池溫度電流采集模塊

    每組電池配一個,監測蓄電池組充放電電流和環境溫度

     

     

    主要附件

    外觀

    名稱

    說明

     

    單節監測模塊測試線

    用于連接電池極柱至單節監測模塊,包括內阻線、電壓線、溫度線及溫度探頭

     

    電流互感器

    開口式霍爾傳感器,測量電池組充放電電流

     

    電池溫度電流采集模塊模塊測試線

    用于連接電池溫度電流采集模塊至電流互感器,帶環境溫度檢測探頭

     

    通信線

    單電池內阻監控模塊/溫度電流采集模塊間通信級連用

     

    5. 監控示意圖

    根據項目需求,本方案采用:ZY-BAT蓄電池在線監測系統+蓄電池監測數據管理軟件,方案拓撲圖如下:

     

    ZY-BAT蓄電池在線監測系統具有技術先進、功能完善、配置齊全、穩定可靠、抗干擾性強等特點。系統主要功能為:實時監測總電壓、總電流、單體電池電壓、單體電池內阻、單體電池負極溫度、環境溫度等,任何參數超出閥值后自動告警,并預警性能劣化的電池。

    每節電池配置一個單節監測采集模塊,監測電池的電壓、內阻與溫度,每組電池配置一個組壓組流組溫監測采集模塊,監測蓄電池組環境溫度和充放電電流,單節監測采集/組壓組流組溫監測采集模塊間通過一根通信總線相互連接后以環形接法接到電池采集器上,電池采集器輪巡讀取每個單節監測采集/組壓組流組溫監測采集模塊監測到的數據,并進行分析、處理、保存與顯示,通過通信口上傳到監控中心。

     

    6. 監測功能

    1、 實時在線監測每節電池的電壓、每節電池的負極柱溫度、每節電池的內阻;電池組總電壓、充放電電流、環境溫度;。

    2、 具備電池單體內阻、單體電壓、電池負極溫度、組壓、充放電電流、環境溫度超限時自動告警功能,告警閥值可設置,可通過設備查詢具體告警內容。

    3、 具備本地聲光告警,告警發生時,紅色告警燈點亮,告警蜂鳴器啟動。

    4、 自動定期測量電池的內阻,無需人工干預。能自動獲取每節電池的基準內阻值固化,通過自動內阻橫向與縱向分析比較來判斷電池的好壞。

    5、 LCD顯示屏及操作按鍵,可以查詢顯示所有監測數據以及歷史數據。能對設備運行參數進行修改,進入修改菜單有授權密碼保護。

    6、 自動智能識別蓄電池組當前狀態,電池組放電時,能自動記錄放電曲線。

    7、 自動記錄設備運行過程中的各種事件,包括設備重啟、發生告警、內阻自動測試等, 可在LCD顯示屏上查詢。

    8、 能保存一定量的數據,其中告警為100條、內阻為一年、組壓電流為一個月、放電記錄為每組一次。

    9、 RS485口、網絡口及USB口,支持MODBUS/RTU、MODBUS/組壓組流組溫監測采集P、SNMP、組壓組流組溫監測采集P/IP協議。帶有兩個干接點,一個為設備故障接點,另一個為電池告警接點。

    1、內置WEB SERVER,可直接通過遠程網頁查看所有數據以及調整運行參數

    2、模塊帶有濾波電路,能夠阻檔UPS產生的2次、4次與6次等紋波,防止干擾模塊正常工作。已經在Emerson、Schneider與Eaton等品牌的大型UPS系統上有實際應用實例。

    1、能承受以下抗干擾試驗,試驗后產品能正常工作:

           1)靜電放電,嚴酷等級3級,執行標準GB/T17626.12;   

           2)射頻場感應的傳導騷擾,嚴酷等級3級,執行標準GB/T17626.6;    

           3)電快速瞬變脈沖群振蕩波,嚴酷等級3級,執行標準GB/T17626.4;

    4)工頻磁場,嚴酷等級3級,執行標準GB/T17626.8;

    7. 測量方法

    7.1 單體電壓&電池組總電壓

    單體電壓測量采用16位并行A/D轉換技術,無開關或繼電器切換,實現了高速及高穩定采集,精度可高達0.1%。采集單元前后級采用了光電隔離,避免前端對后端電路的干擾,保證系統安全可靠。

     

    總電壓檢測默認采用單壓疊加方式獲得,如需實測,可選總電壓監測模塊。

     

    7.2 單體內阻

    單體內阻測量采用小電流循環激勵專利技術檢測單體電池內阻,使電池產生一個小于5A的負載電流,通過負載接通時的瞬間電壓降和斷開負載時的瞬間電壓恢復便可推導出相應的內阻,目前的A/D 轉換器能在有效地測量直流參數的同時將流經電池的交流信號忽略掉,因此這種類型的儀器甚至可在高噪聲的環境下對電池進行在線測試。

    內阻測試回路設有保護裝置,當放電電流異?;蚍烹姇r間超過10秒時,放電回路的PDC保險自動切斷回路,保證內阻測試安全。

    小電流具有更高的安全性與可靠性,設備體積更小,設計更靈活;目前該技術已經被國際與國內的主流電池監測廠家應用于產品中。

     

     

    7.3 單體電池溫度&環境溫度

    采用數字化高精度溫感元件,檢測單體電池的負極柱溫度及環境溫度,運用智能電池溫度告警系統,杜絕了因環境溫度變化而引起的電池溫度誤告警現象。

    7.4 充放電電流

    采用開口式(可拆卸式)霍爾電流互感器,安裝維護方便,多量程可選。

     

    7.5 SOC&SOH估算(選配功能)

    SOC估算:

    對于閥控密封鉛酸(VRLA)蓄電池,使用者很希望通過蓄電池監測設備來直接測量蓄電池的容量狀態(SOC)和健康狀態(SOH),容量狀態是指蓄電池組及單體的剩余容量,這決定了電源故障時蓄電池組能帶載多少時間。

    模塊內置數據分析模型,根據測得的放電曲線、內阻、抬升曲線來估算出容量。另外,當實際負載或外接假負載對蓄電池組進行放電時,模塊會自動記錄放電數據,對數據進行分析后修正估算的容量。

    實現框圖如下:

     

    SOH估算:

    模塊循環定時采集電池實時數據,并從電池實時數據中提取出單體電壓、單體內阻、電池溫度、充放電電流及充放電電量以及當前電池SOC值,結合電池的額定參數,通過一種數據分析模塊來分別估算電池SOH;

    估算得到的電池SOH通過歷史數據修正法綜合計算出一個SOH系數模型,該系數模型可用于后續每次SOH分析計算。其次,根據歷史記錄的電壓極限值、電量極限值、SOC極限值等參數診斷當前SOH,以減少誤差。該SOH估算模型可以適應不同的電池組,精度可達5%左右。

    8. 后臺軟件

    1、 采用C/S和B/S構架,通過客戶端或IE瀏覽器即可查詢監測數據。采用SQL-SERVER來存儲數據,并通過數據波動保存技術,剔除無用的歷史數據,提高數據的有效性。

    2、 采用大數據并發處理技術,能在10秒內更新一次所有采集數據。

    3、 采用可視化界面設計,利用曲線、柱狀圖等直觀的展示出任何時間段的數據變化趨勢,能完整的記錄放電事件及整組與每節的放電曲線。

    4、 能對多個電池數據曲線顯示在同一圖上進行相互比較。

    5、 有告警時能自動產生告警記錄并保存告警開始時間與結束時間,所有告警記錄可以查詢。

    6、 后臺軟件能生成以下曲線電池組的總電壓電流變化曲線、所有電池的單體電壓充放電曲線、電池內阻的相對變化曲線、電池負極溫度與環境溫度變化曲線。

    7、 所有歷史數據及報表可以按時間、類型等分類查詢。

    8、 所有數據及報告可以直接打印或以EXCEL的方式導出。

    9、 能遠程硬件設備進行運行參數的修改與同步。

    1、帶分級登錄/權限控制功能。

    2、帶二次開發接口及協議,可集成至動環系統或其他第三方監控平臺。

     

    9. 產品技術參數

    工作環境

    工作溫度: -10℃~50℃

    相對濕度: 5%~95%

    大氣壓強: 80~110kPa

    監測能力

    每組最大為300節,一個電池采集器最多管理六組電池,最大可監測總電池數為960節

    監測范圍

    2V、6V、12V電池,容量小于3000AH

    電源要求

    單節監測采集模塊:從被測電池取電,2V模塊正常工作時吸收電流為7mA,最大不大于13mA,6V、12V模塊正常工作時吸收電流為3mA,最大不大于7mA,不同模塊吸收電流一致性極高

    組壓組流組溫監測采集模塊:DC8~13V供電(電池采集器供電),0.2W

    電池采集器:85~264VAC,100V~370VDC或48VDC, 最大功耗15W

    保護

    測量回路與電源回路帶保險絲

    測量范圍及精度

    測量內容

    范圍

    精度

    分辨率

    電池組總電壓

    20~800V

    ±0.5%

    0.1V

    單體電壓

    2V、6V、12V電池

    ±0.1%

    0.001V

    單體內阻

    50~65535μΩ

    ±2%

    1μΩ

    單體溫度

    -5~+99.9℃

    ±1℃

    0.1℃

    充放電電流

    0~1000A(可選)

    ±1%

    0.1A

    環境溫度

    -5~+99.9℃

    ±1℃

    0.1℃

    通信接口

    單節監測采集/組壓組流組溫監測采集模塊:UART口,MODBUS協議

    電池采集器:RS485及RJ45 口,支持MODBUS/RTU、MODBUS/組壓組流組溫監測采集P及SNMP協議

    絕緣耐壓    

    2000VAC

    安裝方式

    單節監測采集模塊/組壓組流組溫監測采集模塊:直接粘貼到電池上或安裝到固定條上

    電池采集器:19英寸機柜或電池架上固定

        

    重量

    單節監測模塊80g,組壓組流組溫監測采集模塊75g ,電池采集器 1.8Kg

    可靠性

    自動重啟觸發器:內置WDT

    MTBF:100,000小時

    尺寸

    電池采集器

     

    單節監測采集模塊                                      組壓組流組溫監測采集模塊

                

    10. 安規&認證

    產品通過EMC防電磁干擾等相關安規檢測與認證,詳情如下:

    CE(EMC): EN61000-4-6:2014+AC:2015,EN61000-4-8:2010

    ROHS認證:IEC 62321-4:2013:A1:2017,IEC 62321-5:2013,IEC62321-7-2:2017

    IP等級認證:IEC 60529:1989+A1:1999+A2:2013

          

     

    11. 主要模塊介紹

    11.1  單節監測采集模塊

    單節監測采集模塊能監測單只電池的電壓、內阻與溫度,并通過通信口將數據上傳給電池采集器,單節監測采集模塊本身不具備告警判斷功能。單節監測采集模塊由電池供電,2V模塊最大工作電流小于13mA,6V、12V模塊最大工作電流小于7mA。

    需要注意的是,2V模塊只能用在監測2V的電池上,12V也一樣,否則會損壞模塊,接口說明如下圖。

     

    11-1-1

    11.2 電池采集器

    電池采集器定時讀取每個子模塊的監測數據,并進行分析處理與顯示,一個電池采集器最多可以監測六組電池,具體功能如下:

    a、輪巡讀取每個子模塊測得的電池數據;

    b、帶LCD顯示,可查詢實時監測數據及歷史告警記錄;

    c、可設置上下限值與運行參數;

    d、自動告警功能,告警時LED燈亮,蜂鳴器響,同時對應干接點閉合;

    e、帶一個RS485口與一個網絡,可接入到上位機。

    F、內阻WEB SERVER,可通過網頁直接讀取所有數據和調整運行參數

     

     

    11-2-1

     

    11.3 組壓組流組溫監測采集模塊

    組壓組流組溫監測采集模塊能監測一組電池的充放電電流與一個環境溫度,可通過UART口與電池采集器進行通信,一組電池需要一個組壓組流組溫監測采集模塊,接口說明如下圖。

     

    11-3-1

      

    12. 產品技術優勢

    12.1 高穩定性

    產品的穩定性設計需要實際應用經驗的積累,所以應用時間不長或應用不廣的產品往往會不穩定。中宜通信擁有十多年數以萬套設備的實際應用經驗,我們把這些經驗與技術應用到產品中,從設計上確保了產品的高穩定性。

    中宜通信還擁有完整的質量保證體系,確保產品在各個生產環節的質量得到有效的保證。

     

    12.2 高安全性

    (1)系統對充電系統和工作回路無任何干擾,測試線不與被監測電池直接連接,中間由保險裝置連接,徹底杜絕了測量電纜自身短路或模塊的故障帶來的電池自放電、現場出現火花、人員觸電、蓄電池的傷害等危險;采集單元各檢測通道采用高阻抗輸入方式,檢測回路的電流小于微安級,對蓄電池無不良影響。

    2)系統能完全獨立于被監測設備而正常工作,功耗低,對供電系統要求不高,不影響用戶正常供電線路。

    (3)具有防過壓、過流、反接、高頻磁場干擾特性,系統工作電壓范圍寬,防過流、過壓能力強,系統設計有防浪涌電路,可在高頻強磁場工作環境下正常運行。

    (4)系統采用模塊化設計,模塊間的獨立性良好,在線可維護性強,在線維護時不影響被監測設備的正常工作。

    (5)系統采用阻燃特性良好的元器件,使得系統本身的短路過流等原因造成的故障不會引起明火燃燒。

     

    12.3 抗干擾性強

    目前大型UPS及高頻UPS應用越來越普遍,在電池上出現很強的紋波干擾非常常見。在一個UPS系統中,逆變器在逆變過程中會產生2次、4次與6次等紋波電流,這種紋波電流會倒灌到蓄電池上,干擾蓄電池監測設備的正常工作。

    我們專為此種應用設計了一個特殊的濾波電路,采用DSP+自動塌陷電路,這種電路能夠阻檔UPS產生的2次、4次與6次等紋波,而幾乎不影響有用的信號。這種產品已經在Emerson、Schneider與Eaton等品牌的大型UPS系統上有數以千計的應用。

    12.4 在線自動內阻測試技術

    中宜通信擁有多循環在線內阻測試技術,此種技術可以實現完全自動在線測試內阻,無需電池組離線或在電源回路中串入其他裝置,測試過程無需人工干預,內阻測試重復精度高達2%。

     

    12.5 高精度電壓采集技術

    電壓檢測采用16位并行A/D轉換技術,無開關或繼電器切換,實現了高速及高穩定采集,精度高達0.1%。采集單元前后級采用了光電隔離,避免前端對后端電路的干擾,保證系統安全可靠。

     

    12.6 大容量數據存儲空間

    監測設備可以對保存電壓、內阻、報警記錄及分析報告等,一旦后臺服務器出故障,也可確保關鍵數據不會丟失。

     

    12.7 接入性好

    監測設備可以完全獨立運行,無需后臺軟件支持,并能直接對數據進行分析生成分析報告,這些數據通過通訊口可以直接上傳給第三方監測系統,并提供RS485及網絡口同時支持MODBUS、SNMP協議,使系統接入變得極為簡單。



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