1. 概述

由于阀控铅酸电池性能稳定、自放电少、密封、经济等优点而迅速代替其他类型电池。阀控铅酸电池销售承诺至少十年使用寿命，然而很多用户惊讶的发现电池在使用了三到四年后就会出现故障，很少有电池使用寿命超过八年的，这主要是由于阀控蓄电池长期浮充运行后出现电池失水、负极板硫酸化、正极板腐蚀、热失控等，导致容量衰退。厂商大力宣传“免维护”电池和用户维护麻痹，使得不少用户得到惨痛的教训。在目前也很少有电池用户对自己的后备电源系统有绝对的信心。

目前，对蓄电池组的管理主要采用定期维护的方式。一般定期人工对电池的电压、内阻进行测量，每一年或几年对电池组进行一次核对性放电。

这种维护方式主要存在下面的缺点：

· 维护工作量大，导致维护人员不堪重负

· 无法即时掌握蓄电池组运行真实数据及数据无法进行系统的分析

· 维护风险较高

为了能彻底解决以上问题，必须组建一个蓄电池在线监测系统，对蓄电池的单体电压、组压、单体内阻、电池负极温度等重要参数进行在线监测，一旦发现某个参数有异常或其变化趋势有异常时立即告警，使管理维护人员及时发现问题或潜在的隐患，及时进行处理，保证UPS系统的可靠性与安全性。

本方案实施后可以达到下面的效果：

- 及时发现电池着火的潜在风险并提前告警；

- 提前预警即将失效的蓄电池，排除潜在的隐患，确保机房及UPS系统安全；

- 无需进行定期的内阻、电压手工测量，节约人力物力；

- 即时发现充电故障，延长蓄电池组寿命。

- 通过对数据的系统分析，积累不同品牌型号设备及蓄电池的实际运行经验，作为选型参考。

2. 监控内容

项目要求在线监测蓄电池组，监测内容包括电池的单体电压、单体内阻、单体电池负极温度、组压、环境温度及充放电电流，并配置监测软件，远程读取并显示数据，同时数据可接入到第三方监控系统中。

3. 设备配置（12V32节1组1套）

3.1 监控中心

3.2 现场设备

4. 系统组成

ZY-BAT蓄电池在线监测系统由蓄电池采集器、单电池内阻检测模块、电流检测模块以及相应安装附件组成，详情如下：

主要模块：

主要附件

5. 监控示意图

根据项目需求，本方案采用：ZY-BAT蓄电池在线监测系统+蓄电池监测数据管理软件，方案拓扑图如下：

ZY-BAT蓄电池在线监测系统具有技术先进、功能完善、配置齐全、稳定可靠、抗干扰性强等特点。系统主要功能为：实时监测总电压、总电流、单体电池电压、单体电池内阻、单体电池负极温度、环境温度等，任何参数超出阀值后自动告警，并预警性能劣化的电池。

每节电池配置一个单节监测采集模块，监测电池的电压、内阻与温度，每组电池配置一个组压组流组温监测采集模块，监测蓄电池组环境温度和充放电电流，单节监测采集/组压组流组温监测采集模块间通过一根通信总线相互连接后以环形接法接到电池采集器上，电池采集器轮巡读取每个单节监测采集/组压组流组温监测采集模块监测到的数据，并进行分析、处理、保存与显示，通过通信口上传到监控中心。

6. 监测功能

1、 实时在线监测每节电池的电压、每节电池的负极柱温度、每节电池的内阻；电池组总电压、充放电电流、环境温度；。

2、 具备电池单体内阻、单体电压、电池负极温度、组压、充放电电流、环境温度超限时自动告警功能，告警阀值可设置，可通过设备查询具体告警内容。

3、 具备本地声光告警，告警发生时，红色告警灯点亮，告警蜂鸣器启动。

4、 自动定期测量电池的内阻，无需人工干预。能自动获取每节电池的基准内阻值固化，通过自动内阻横向与纵向分析比较来判断电池的好坏。

5、 带LCD显示屏及操作按键，可以查询显示所有监测数据以及历史数据。能对设备运行参数进行修改，进入修改菜单有授权密码保护。

6、 自动智能识别蓄电池组当前状态，电池组放电时，能自动记录放电曲线。

7、 自动记录设备运行过程中的各种事件，包括设备重启、发生告警、内阻自动测试等, 可在LCD显示屏上查询。

8、 能保存一定量的数据，其中告警为100条、内阻为一年、组压电流为一个月、放电记录为每组一次。

9、 带RS485口、网络口及USB口，支持MODBUS/RTU、MODBUS/组压组流组温监测采集P、SNMP、组压组流组温监测采集P/IP协议。带有两个干接点，一个为设备故障接点，另一个为电池告警接点。

1、内置WEB SERVER，可直接通过远程网页查看所有数据以及调整运行参数

2、模块带有滤波电路，能够阻档UPS产生的2次、4次与6次等纹波，防止干扰模块正常工作。已经在Emerson、Schneider与Eaton等品牌的大型UPS系统上有实际应用实例。

1、能承受以下抗干扰试验，试验后产品能正常工作：

       （1）静电放电，严酷等级3级，执行标准GB/T17626.12；   

       （2）射频场感应的传导骚扰，严酷等级3级，执行标准GB/T17626.6；    

       （3）电快速瞬变脉冲群振荡波，严酷等级3级，执行标准GB/T17626.4；

（4）工频磁场，严酷等级3级，执行标准GB/T17626.8；

7. 测量方法

7.1 单体电压＆电池组总电压

单体电压测量采用16位并行A/D转换技术，无开关或继电器切换，实现了高速及高稳定采集，精度可高达0.1%。采集单元前后级采用了光电隔离，避免前端对后端电路的干扰，保证系统安全可靠。

总电压检测默认采用单压叠加方式获得，如需实测，可选总电压监测模块。

7.2 单体内阻

单体内阻测量采用小电流循环激励专利技术检测单体电池内阻，使电池产生一个小于5A的负载电流，通过负载接通时的瞬间电压降和断开负载时的瞬间电压恢复便可推导出相应的内阻，目前的A/D 转换器能在有效地测量直流参数的同时将流经电池的交流信号忽略掉，因此这种类型的仪器甚至可在高噪声的环境下对电池进行在线测试。

内阻测试回路设有保护装置，当放电电流异常或放电时间超过10秒时，放电回路的PDC保险自动切断回路，保证内阻测试安全。

小电流具有更高的安全性与可靠性，设备体积更小，设计更灵活；目前该技术已经被国际与国内的主流电池监测厂家应用于产品中。

7.3 单体电池温度＆环境温度

采用数字化高精度温感元件，检测单体电池的负极柱温度及环境温度，运用智能电池温度告警系统，杜绝了因环境温度变化而引起的电池温度误告警现象。

7.4 充放电电流

采用开口式（可拆卸式）霍尔电流互感器，安装维护方便，多量程可选。

7.5 SOC＆SOH估算（选配功能）

SOC估算：

对于阀控密封铅酸(VRLA)蓄电池，使用者很希望通过蓄电池监测设备来直接测量蓄电池的容量状态(SOC)和健康状态（SOH），容量状态是指蓄电池组及单体的剩余容量，这决定了电源故障时蓄电池组能带载多少时间。

模块内置数据分析模型，根据测得的放电曲线、内阻、抬升曲线来估算出容量。另外，当实际负载或外接假负载对蓄电池组进行放电时，模块会自动记录放电数据，对数据进行分析后修正估算的容量。

实现框图如下：

SOH估算：

模块循环定时采集电池实时数据，并从电池实时数据中提取出单体电压、单体内阻、电池温度、充放电电流及充放电电量以及当前电池SOC值，结合电池的额定参数，通过一种数据分析模块来分别估算电池SOH；

估算得到的电池SOH通过历史数据修正法综合计算出一个SOH系数模型，该系数模型可用于后续每次SOH分析计算。其次，根据历史记录的电压极限值、电量极限值、SOC极限值等参数诊断当前SOH，以减少误差。该SOH估算模型可以适应不同的电池组，精度可达5%左右。

8. 后台软件

1、 采用C/S和B/S构架，通过客户端或IE浏览器即可查询监测数据。采用SQL-SERVER来存储数据，并通过数据波动保存技术，剔除无用的历史数据，提高数据的有效性。

2、 采用大数据并发处理技术，能在10秒内更新一次所有采集数据。

3、 采用可视化界面设计，利用曲线、柱状图等直观的展示出任何时间段的数据变化趋势，能完整的记录放电事件及整组与每节的放电曲线。

4、 能对多个电池数据曲线显示在同一图上进行相互比较。

5、 有告警时能自动产生告警记录并保存告警开始时间与结束时间，所有告警记录可以查询。

6、 后台软件能生成以下曲线：电池组的总电压电流变化曲线、所有电池的单体电压充放电曲线、电池内阻的相对变化曲线、电池负极温度与环境温度变化曲线。

7、 所有历史数据及报表可以按时间、类型等分类查询。

8、 所有数据及报告可以直接打印或以EXCEL的方式导出。

9、 能远程硬件设备进行运行参数的修改与同步。

1、带分级登录/权限控制功能。

2、带二次开发接口及协议，可集成至动环系统或其他第三方监控平台。

9. 产品技术参数

工作环境

工作温度： -10℃～50℃

相对湿度： 5％～95％

大气压强： 80～110kPa

监测能力

每组最大为300节，一个电池采集器最多管理六组电池，最大可监测总电池数为960节

监测范围

2V、6V、12V电池，容量小于3000AH

电源要求

单节监测采集模块：从被测电池取电，2V模块正常工作时吸收电流为7mA，最大不大于13mA，6V、12V模块正常工作时吸收电流为3mA，最大不大于7mA，不同模块吸收电流一致性极高

组压组流组温监测采集模块：DC8～13V供电（电池采集器供电），0.2W

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

保护

测量回路与电源回路带保险丝

测量范围及精度

通信接口

单节监测采集/组压组流组温监测采集模块：UART口，MODBUS协议

电池采集器：RS485及RJ45 口，支持MODBUS/RTU、MODBUS/组压组流组温监测采集P及SNMP协议

绝缘耐压    

2000VAC

安装方式

单节监测采集模块/组压组流组温监测采集模块：直接粘贴到电池上或安装到固定条上

电池采集器：19英寸机柜或电池架上固定

重量

单节监测模块80g，组压组流组温监测采集模块75g ，电池采集器 1.8Kg

可靠性

自动重启触发器：内置WDT

MTBF：100,000小时

尺寸

电池采集器

单节监测采集模块                                      组压组流组温监测采集模块

10. 安规＆认证

产品通过EMC防电磁干扰等相关安规检测与认证，详情如下：

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

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

IP等级认证：IEC 60529:1989+A1:1999+A2:2013

11. 主要模块介绍

11.1  单节监测采集模块

单节监测采集模块能监测单只电池的电压、内阻与温度，并通过通信口将数据上传给电池采集器，单节监测采集模块本身不具备告警判断功能。单节监测采集模块由电池供电，2V模块最大工作电流小于13mA，6V、12V模块最大工作电流小于7mA。

需要注意的是，2V模块只能用在监测2V的电池上，12V也一样，否则会损坏模块，接口说明如下图。

图11-1-1

11.2 电池采集器

电池采集器定时读取每个子模块的监测数据，并进行分析处理与显示，一个电池采集器最多可以监测六组电池，具体功能如下：

a、轮巡读取每个子模块测得的电池数据；

b、带LCD显示，可查询实时监测数据及历史告警记录；

c、可设置上下限值与运行参数；

d、自动告警功能，告警时LED灯亮，蜂鸣器响，同时对应干接点闭合；

e、带一个RS485口与一个网络，可接入到上位机。

F、内阻WEB SERVER，可通过网页直接读取所有数据和调整运行参数

图11-2-1

11.3 组压组流组温监测采集模块

组压组流组温监测采集模块能监测一组电池的充放电电流与一个环境温度，可通过UART口与电池采集器进行通信，一组电池需要一个组压组流组温监测采集模块，接口说明如下图。

图11-3-1

12. 产品技术优势

12.1 高稳定性

产品的稳定性设计需要实际应用经验的积累，所以应用时间不长或应用不广的产品往往会不稳定。中宜通信拥有十多年数以万套设备的实际应用经验，我们把这些经验与技术应用到产品中，从设计上确保了产品的高稳定性。

中宜通信还拥有完整的质量保证体系，确保产品在各个生产环节的质量得到有效的保证。

12.2 高安全性

(1)系统对充电系统和工作回路无任何干扰，测试线不与被监测电池直接连接，中间由保险装置连接，彻底杜绝了测量电缆自身短路或模块的故障带来的电池自放电、现场出现火花、人员触电、蓄电池的伤害等危险；采集单元各检测通道采用高阻抗输入方式,检测回路的电流小于微安级,对蓄电池无不良影响。

（2）系统能完全独立于被监测设备而正常工作，功耗低,对供电系统要求不高,不影响用户正常供电线路。

(3)具有防过压、过流、反接、高频磁场干扰特性，系统工作电压范围宽,防过流、过压能力强,系统设计有防浪涌电路,可在高频强磁场工作环境下正常运行。

(4)系统采用模块化设计,模块间的独立性良好,在线可维护性强,在线维护时不影响被监测设备的正常工作。

(5)系统采用阻燃特性良好的元器件,使得系统本身的短路过流等原因造成的故障不会引起明火燃烧。

12.3 抗干扰性强

目前大型UPS及高频UPS应用越来越普遍，在电池上出现很强的纹波干扰非常常见。在一个UPS系统中，逆变器在逆变过程中会产生2次、4次与6次等纹波电流，这种纹波电流会倒灌到蓄电池上，干扰蓄电池监测设备的正常工作。

我们专为此种应用设计了一个特殊的滤波电路，采用DSP+自动塌陷电路，这种电路能够阻档UPS产生的2次、4次与6次等纹波，而几乎不影响有用的信号。这种产品已经在Emerson、Schneider与Eaton等品牌的大型UPS系统上有数以千计的应用。

12.4 在线自动内阻测试技术

中宜通信拥有多循环在线内阻测试技术，此种技术可以实现完全自动在线测试内阻，无需电池组离线或在电源回路中串入其他装置，测试过程无需人工干预，内阻测试重复精度高达2%。

12.5 高精度电压采集技术

电压检测采用16位并行A/D转换技术，无开关或继电器切换，实现了高速及高稳定采集，精度高达0.1%。采集单元前后级采用了光电隔离，避免前端对后端电路的干扰，保证系统安全可靠。

12.6 大容量数据存储空间

监测设备可以对保存电压、内阻、报警记录及分析报告等，一旦后台服务器出故障，也可确保关键数据不会丢失。

12.7 接入性好

监测设备可以完全独立运行，无需后台软件支持，并能直接对数据进行分析生成分析报告，这些数据通过通讯口可以直接上传给第三方监测系统，并提供RS485及网络口同时支持MODBUS、SNMP协议，使系统接入变得极为简单。