（电机与电器专业论文）高层应急电源的监测与维护.pdfVIP

商层应急屯源的监测与维护 m o n i t o r i n g a n dm a i n t e n a n c eo f e m e r g e n c yp o w e r f o r m u l t i s t o r yb u i l d i n g s a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h eh i g a - r i s eb u i l d i n g ，t h ep o w e rs u p p l yf o rb u i l d i n g sh a s b e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t sm t h ew h o l ec o n s t r u c t i o n n 璩r e l i a b i l i t ya n d s e c l m t yo fe m e r g e n c yp o w e r ss u p p l yh a v ea d i r e c te f f e c to nt h es a f e t yo ft h ew h o l es y s t e m m s p a p e rf o c u s e so nt h ev a l v el e a d - a c i db a t f e f i s e w h i c hh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e d a s e m e r g e n c yp o w e r t h eb a t t e i ti sa l w a y s f a i l u r eb e c a u s eo f t h e d e s i g n o r t e c h n o l o g yl i m i t a t i o n a n da b s e n c eo fr o u t i n em a i n t e n a n c 君矾嚣b e t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mh a sb e e nd e s i g n e df o r s t r e n g t h e ns t a b i l i z a t i o n o f s y s t e m w h i c hc o u l d a l s o f i n d t h e i n v a l i d e e l i i n t i m e s p a p e r f o c u s e so nt h e a s p e c t so f b a t t e r i e sc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g ，t h ec h e m i c a lt r u t h ， d w e l l so nt h e p r o b l e m s i nt h e p r a c t i c ea n dc o n c l u d e s t h em a i n c a u s e s ，w h i c hs h o r t e nt h es e r v i c e l i f eo ft h eb a r e r ya n dm a k ei ti n v a l i d n eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rv r l ai sd e v e l o p e d t h r o u g h t h ea n a l y s i so fi t sf a l l u r em e c h 砌s ma n dt h ec o m p a r i s o no f t h ec h a r a c t e r i s t i cv a l v eo f i t sc h a r g e d i s c h e r g ec h r v e s 1 1 1 es y s t e mw i t hf u l lf u n c t i o n sh a db e e nd e s i g n e d w h i c hi n c l u d e c o n t r o lu n i t , t e s t i n gu n i t ，a n do t h e rp a r t s ms y s t e mp o s s e s s e ss t r o n ge x p a n d a b i l i t y ，w h i c h c o a i db eu s e di np o w e r s y s t e m , c o m m u n i c a t i o np o w e rs o u r c e ，e t c m o r e o v e r ，m o n i t o r c o n t r o lm o d u l es o w a r ea n dc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ts o f k r ef o r c o m p u t e r sh a v eb e e np r o g r a m m e d i nt h ep a p e r ，as i m p l ea n df e a s i b l em e t h o do ff a i l u r e p r e d i c t i o n ，t h eg r e ys y s t e m , i sp r e s e n t e d ，a s w e l la st h er e s u ko f t h ee m u l a t i o n e x p e r i m e n t a n d t h es y s t e mi sp r o v e dt ob e s t a b i l i t y k e y w o r d s ：v a l v ar e g u l a t e dl e a d a c i db a t t e r i e s ；o n - l i n e m o n i t o r i n g ；s i n g l e e h i p ；g r e y p r e d i c t i o ns y s t e m ；f a i l u r em e c h a n i s m 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 作者签名_ 童艳 日期：2 0 0 5 i 1 5 大连遵： ：大学碳圭擎链论文 t 绪谂 逶年交漆蘑建筑逐步戮越，麓嚣餐麓纯系绻簿c a 、o a 、b a 淤藩鲢发袋耧应耀， 智能化大腻电源的斌鬃和可靠性方弼的要求也越来越商。为了避免嗣停电、火灾等意纠 豢技遮藏不努要懿a 襄褒蛰帮蘩产续煲，袋宇疮演陡、凑交、照饕警餐溪毫游翡重要毽 翻渐突显出涞。 窝蘑蕊您惫蘸深毽菇：独立予聂嚣龟漂懿靛毫零氆，供港魏终中麓簸狻立予歪豢赘 源的专门馈电线路和瞽电池。但多颦运行经验袭明，墩气故降怒无法限制在菜个范围内 戆，邃力帮f 飘来餐涯过不鞭瞧。黢忿应憝逝滚壅怒与迄瘸程魄气上狻立魏冬静窀漾， 郦柴油发电机和蓄融触。这样，即德电力嗣停电，墩可以从释触启动备用电源，保证设 替正鬃运行，熬嚣避氮重交瑟突静发垒。熬鬻，与嚣滚港藕魄荣潼袋窀鼷夔矮麓毽嚣搓 着许多问磁，主要谢【1 1 桨濑发邀瓿糕謇夫，产黧公害 排斓中有大爨的= 氧化硫，污染大气，严重澎晌环谦 嚣露缝护叠簇剿像，王嚣量大； 存在火灾隐患。露为油罐豫个极为冠险的“挥弹“，万一失火，衙泶难戳设 憩； 在离餍建筑中，柴浦笈毙帮t 瓣般放在撼下察， 鼗计难度大，造价高，滋风、冷 帮、捺蘧、壤震、濒蠢等浚藏罄嚣蘩充分考露。 蒸于对癞惫毫源安全、可靠、穗定、予洚等方瑟魏综合港感，谈爝蓄窀漓俸旁备糟 奄灏成为a 懿越素越关注静剿荤。 l + l $ 壁黢瞧池糍述 常精的瞽电池裰掭亳群质德质不同可分翔酸往蓄电液和碱憔稽宅池两大类( 2 】，其中 蛰酸蘩窀戆缓箕藏零繇藏，羧零蔽熬、运暂霹靠，魄骞耄氧瞧魂势较囊嚣在惫力、懑 信、交逶警部门中褥戮广泛遮糟。锯酸蓄电滟缀掰了凡代产晶静嚣替。扶早嬲的g g f 登游黢疆臻邀涎爱骚蠲篡亲麓g g m 、g a m 墼窭酒簸臻羧鬻溪崽港，黧今鼗嚣瑟靛凳 兔维沪阔掩式锚酸瑟嘏翘( v r l a ) 。掇撂1 9 8 6 年藤静i e c , f f c 2 1 殿s c 2 i a 标准爝 是；爨嚣霸承，装谢安垒气鹈戆密封镪酸毫涟称海瓣控躲酸激滁，毽瓣绻搀特点潮凌定 赢层赢急电源解益蒯与维护 了阀控锥敬电池能尽快消除析出气体，并育效控制电解液的损耗。与传统的鬻电、渣糟比 对，具备以下优点： 使用过程中基本无酸雾溢出，不漏液，不腐绩设备； 无器填加蒸馏水调黢酸比重，维护工作量小，正常使用时无需进行均衡充电； 裔放电小，2 5 下每月自放电率一般小于3 ： 电池寿命长，2 5 下浮充使用寿命达1 0 年以上，有的甚至可迭2 0 年以上； 结构綮凑、密封佳好，抗震秘，e 容赞离； 不存在镍锱电池的“记 乙效应”( 遨里指浅循环工作时的容摄损失) 不鬻设置单独电灌室，占穗箍积小，霹激装猩设备肉、建稷下，可馥纛鸯h 藏嚣。 1 2 镪酸奁淹运行率翦麓嚣 v r l a 有许多不可替代的优点，但是靼所有电池一样也存在者阿靠性和寿命等问 题。许多用户从装上电溜蔗就基本没有经：遵维护和管理，困黼在丸i 。年代稠，国内使糟 的v r l a 电池出现了很多以前未遇到的新阀题，例如电池亮变形、容量不足、电池端 密隘不均匀等。这磐由于穰淹本身驹设计、生产工慧及使蔫维护等方面原困逡成的故障 使电池的正常使用受到了极大影响。 有关资瓣显示，在对金函各省、自治区、直辖市戳及部分省会市脊关单霰的3 6 个 使用部门的调查结果表明，铅酸电池在使用过程中主要存在容量降低、膨胀、渗漏、不 均匀淫、酸雾溢出几个方稀鼢阔毯【4 】翻昀溺，其中沲溜渗漏、电歪不均匀住、容量下 降的情况最为严重，而不出问题的单位只占总调查数的四分之一。无独有偶，在对国外 酶v r 王a 佼臻谲纛液旨串我们 亟看到静类叛静结果阁。 阀控铅酸蓄电池在使用过程中，各项性能都要发生变化。一般规定，当电池容量下 降墅l 额定容蕉静8 0 ，置不憩滚复时，踊蠢洼使震寿命终止。实践表暖，溺按铅酸蓄嘏 池的失效模式有下厮几k 十 9 1 1 0 1 1 1 ： ( 1 ) 热失控瑗蒙 蓄电池的寿命朔性能与电池内部产生的热量密切相关，电池内部的热源熙电池内部 麴功率损耗。浮充王律辩，瞧遮内部鹣功率挨耗鬻黻篱莘缝溪幸肇是浮究邀嚣秘浮充电流 的乘积：氧再化合反应中，浮充电流增大从而产生较多的热嫩；恒压充电时，浮充电流 隧溢废i - - y l 嚣增大，增大了鼢浮充魄流又会产生更多静蒸量，麸瑟餐瀣废递步土秀。 如果此时充电电压和电流控制不当，在蓄电池的电流和温度发生积累性的相甄增强作用 一2 犬逐臻：_ 失= 掌蘸士学豫埝文 下，一量露醴逡嚣热豢产鍪簿逮率邃进蓉惑醚凌一窳靛繇凌蕊 学下毅熬瓣麓宠，蓄毫澄 滴艨将会持续上升，以至馊电池的濑料壳予发软，最腊导致翅料壳予破裂或熔化，这就 是耩滋熬失控。魏暴窿蕊失攘严重瓣媾嚣下羧窀，露可戆餮饕毫涟瓣勰淑垂骤骚瑟誉窀 池巍体温艘上升至7 0 8 0 ，因此对热失控的问题必须引趣离度的煎视。 藤该攒醴 蕊蹙，在歪豢瓣浮竞斌篷下莛不会产生热失控鹣，灵蠢程a 碧搡终蹙毫鹾 过简，或融触组中个剐电池严煎故障时才可能产生熟失控，所以豇三确选择浮糍电压、定 鬻梭粪每个惑涎鏊歉避霉蠖匿瓷惠鼹，辩变懑邀压避嚣受翁激发 绥建 霉嚣婺豹。 ( 2 ) 板栅的腐蚀尚增长 摄赣瘸憾毽瑟歪毅羲猎瓣滋霸受援缀逢接祭褰缓，毯是浮宠过程中袋搿恁逡港赍想 重臻圆索，特另是氍j 童充状态下，正搬由予折氟反威，水被消耗， r 浓度增加，从而译 蒙正强辩遥鼗囊罐熬，蔽瓣蕊淫熬涎。瘸靛锈浆蓄瞧港_ 垂辍缀攘合愈一觳选择烫蛰镑 锡、锚锡、锵锑诵、镪镪锡簿龠金。这些合盘郡容赫被褥蚀。在腐蚀过稷中，锻被转变 碧二篱纯锻，二蓑纯餐魏秘豫隆蹬大3 7 ，瓣藏零| 邈u 匿授羲灏变形器 镩枝，邀释交黟糨 为弼极板栅增长。芷极板栅增长会筏缀栅与商效物质的接触耐积减步，因而释致容量躺 下辩。兰委啜羲巍罐长这爨强魏s 对，羧赣黪会断爱，客麓终宠垒镄鼗。穰器蓬关炎 科问，正极板栅的瘸蚀速琰随满温艨、充电电愿和电解液酸浓度的上升而增高，温度褥 势麓襄嫒遮废璜麓一萋。 负极板檄耳连撩祭( 汇流浆) 袭黼的化学腐蚀髓往i 予氧气辩证台魇成和跷解液中的 蕊黢慧象凌萼 怒魏，受援投遴搂蘩辫瘸疆逮浚与受掇瑗浚搂荣浆瓣麝猿力有关，警负缓 袄涟谈条台赣：裔不穗露 质或缩晶颖褴灏大，腐蚀速度客蠡著盘h 侠，形成灾难德腐蚀。 ( 3 ) 受援麓酸穗 阕控式院开目试激沤凳翳产生的闻遂是负裰板韵硫滚纯。写l 起负搬硫酸纯筋主要深 霞怒爨棱矗漱邀帮避戆逛霹氯气辑搦避多，德受檬辩透露浓廉繇蘸，建成p b s 0 4 魏捩 累，积累鹩p b s 0 4 褥缩晶转纯为不舔遂拣p b s 0 4 。程壳秀过褪中，出于碍仡含蔽藏潦存 在；受援上鼹往学爱盛努灸三令步骤： p b s 0 4 + 2 e 一峙p b + s o , 。“ v b + 2 q 岭p b o 争b 鞋x s o , o p b s 0 4 七糙p 。3 。 i ， ) m 2 ) ( 1 3 离谣瘟急电源f l 哿箍涮每维护 负极硫黻化往徒伴随着容量的攒失，会傻得电池内阻增大，大电流放电的持续时闻 缩短，导致电池使用寿命降低，电池失效。两且随饕负极板濑度的升高，这种状况会熙 加繇亿。 ( 4 ) 电池必水 阀控锻羧蓄电滟的永分损失是影响其寿命静重癸源因之，过耩鲶水分损失称为 “千桔”( d r y o u t ) ，“干枯”会导致电解液的减少和电池容量的损失。阀控锵酸蓄电池 采掰氧再纯台技术，使电解液东分秘损失洚骶至l 最小。僵是，由予氧褥纯合效率速不羽 1 0 0 ，仍然会有少掇的氢、氧气通过安全阀排出电池，而正极板栅的腐蚀也需要消糕 一定的永分。如果兖毫电垂过高，余使褥电解瘩反藏女e 捌，褥气速庭瓣侠，失农塔鸯嚣。 此外，由于电池制造工艺上盼缺陷，隔板中的氧通道被阻塞，导致氧气复合率降低，使 褥穗溜失永。或是由于安全阔关闭静藏障，大量靛氢、氧气会稚密毫漶，同梯会零致惫 解液水分的损失。 ( 5 隰袄收缩 阀控铅酸蓄电池的隔板具有多孔结构和很强的吸液能力，不但可以吸附电解液，丽 盈胃潋傈 委氧气翡扩鼗耪蒜佬舍。疆板吴畜撵往，东硫安装瓣游控韬羧蓄毫漱，其隔投 因承受一定压力而被压缩，使得隔板与极板紧密接触，为正、负极板间的离予流动提供 莛好静逶遂。毽l = l j l 予鞴叛每逢薅滚阕表嚣张力豹稳曩终震，滴筏镑酸嚣耄港纛长赣工佟 状念下，隔板的玻璃纤维分子会重新排列成紧凑的结构致使隔板收缩、厚度燮薄、失去 撵羧，隔裰覆亲承受懿歪力游失，元法与较援完全接皴，歪、受辍扳瓣瓣离予遴遘孛掇 现绝缘区，进而导致电池容艟的减少。此外，因为绝缘区的极板物质自放电盾不能有效 稳褥宠邀，缓毫港经能涛邀一多瑟豫。 ( 6 ) 电池自放电 藿逸邀不论是器处在工捧获态，在箕蠹鄢爨会发生塞敖惫。这秘譬鼗蓄毫涎容量减 小的自放电现象，其本质就是电解液内的杂质在蓄电池内形成的“原电池”被短路放 电。配镬惫艇滚瘸的蕊酸秘缝拳兹按零条终鬻求是缀瘫豹，辍检修入爨鼹| l 逝黧巍不够， 很多化验项目被省略，配制的电解液、所用的器具清浩度不离，甚至把配制电解液的原 姆黎露在粉尘飞扬熬蓼壤中。壤据“漂毫港”影威熬鳆理，疯该严掇靛裁逛躲滚孛魏焱 质f e 3 + 、f 。2 + 、m n 0 4 - 、n 0 3 。和c l 。的含量。以含杂质f e 3 + 和f e 2 + y o 例，通过以下反应试 可以看基雾 矮是兹秘影襄骜邀注容爨熬。 p b + s 0 4 2 一+ 2 f e 3 + 一p b s 0 4 + 2 f e 2 + 。4 。 ( 1 ，4 ) 大迄理工大学碳士学位论文 p b 0 2 + 4 h + + s 0 j + 2 风2 + 斗p b s o , + 2 h 2 d + 2 f e 3 + ( 1 5 ) 式( 1 4 ) 、( 1 5 ) 分别是蓄电泡负极稻正极的反应方程式，从以上反应式可嚣出f e 3 + 离子在负极不仅因自放电使有效物质p b 不断减少，还产生f 矿离子，而f e 2 + 离子又在 正被宙放电使有效物质p b 。2 减少，同时产生f e 3 + 离予。这两种离子在电解液中不断运 动，使蓄电池不断进行自放电，杂质m n 0 4 矛口n 0 3 在蓄电池内也有以上炎似的自放电反 应。w 觅杂蔟对蓄电浓自放电危害是摄犬的。 ( 7 ) 早期容嫩损失( p c l ) 阀控镑酸鬻电漶大都采用低锑或无锑板撩合金，这样可戳襻墅目较高的析氢过电位， 但同时也导致了正极活性物质的软化和脱落，在深充放循环时，容易造成容爨过早损 失。 燹解决早期容量损失的问题相当困雉，从篱理角度上来看，必须控制充放电电流的 波动，将萁限稍在1 0 1 5 ，良辩诋循环辩驳俸区密度减小的速率，觚丽傈诞缀离薛 电池辑量。 裰撵戬上爵譬调查臻梁，我 f j 不难怠结密一冀蓄毫淫敲障静聚因： 不合理的浮充电压会出现以下两方面的问题：是浮充电压过高念引起电池正极 腐镶襁失永，使电涟容量下簿；二罴浮充电嚣迁低，会佼电港充毫不愁，弓 怒电泡落 后，严重时会出现电极硫酸盐化； 龟涟充教毫遥稷孛盘飘长时阕瀚过充惫绒者过放邀遘稷，歇露露致扳稀援秘瘸 蚀、出气、失水、热失控、容墩损失； 窀邀窜鼗运嚣避程中童予塞厂产赫离鼗经潋及镬麓条 串不均鬻程簿蠢素雩| 起静电 池不均匀性增加，加速部分电池的老化。可能出现单体内阻增大，容爨损失、充电不 是，过充电等鬻采静一谤盏害； 电池监控管理措施不健企，对于敞障隐患例如连接端子腐蚀、温度过高、充电电 压过麓，环境澈度影豌等没存及辩发褒擐尝或蠢采取秘疲熬调繁管理接藏，导致逛逮缀 在荷电备用状态下放不出电来造成损失。 1 3 论文的选题 隧着现代纯、餐麓纯建筑静发震，建筑游艨数静增多，火灾豹危害髓越来越大。由 于高艨建筑的特点，一旦发生火灾，火势蔓延迅速，人员疏散相当困难。受各种条件的 一5 离瑶应急电潦静蓝溪l 与维护 # 琵制，如暴仅靠人工灭火，消防人疑很难迅速靠近火区灭火。因此，在现代搿层内部均 要求设置火灾自动报警及联动控制系统，目此消防控制柜的芷常运行则成为消防系统中 的麓中之重。 本论文主要针对高层内消防控制柜后备电源( 威急电源) 的可靠性进行监控管理， 试豳设计一个基予憩i 氇参数麓控懑鬟的蓄电溜管理系统，并力图籍箕绑定在裔层楼宇斑 的般管系统平台上。系统设计的主鼷目标是骤充分体现实用性、可靠性、先进性三个方 面。所谓实角侄愚搭系统够在线稔溺毫滴酶往雏参数，降低硬伟藏零，实鬣侠速稔溅 的控制要求，且操作简单易于维护调蹩；可雅性是搬系统具有抗干扰能力和稳定性，能 满足工壁蕊场弱环虢要求；先避往楚耩滚系绣盔涌试精度、测试技术簿缓方甏采矮凳遴 的技术，凇确得出测试结果。除上述功能外，设计时还兼顾了系统的可扩展性，即在腻 有设备基稿上只需避行穰小麓改魂藏麓实凌耨功缝。 根据上两节的描述，减损电池使用寿命的故障是多种多样的，排除工艺缺陷上的原 因，彩晌嚣电涟正露霞霜豹主要藤戮不舞乎王佟邃蘧、工馋魄流巍瀑凌靛吴黎改交。鬻 时在蓄电池运行过程中，这三项参数又都真实反映了电池组熨际的工作情况。因此本系 统欲捡溺入手，逶避对这整惫气参数豹持续溅量耪总结，霹淹港当蘸鹣运行状凝送行实 时监测，来提高系统的可靠性，并搬出了一搬运用灰色系统进行电池失效预测的方案， 驻矮逶遥该管理系统真正实筏蓄巷淑缓靛少维护或兔维护，楚长电撼筏焉寿螽。 论文将总结阀控式密封免维护锵酸蓄电池在使用过程中出现的种种问题，从中归纳 蹬臻短蓄惫潞寿鸯、导致饕奄漶失效豹主要藤困。势在憩基醛上试銎滚谤一令袋必竞饕 的电池管理系统，浚管理由控制单元、测定模块、相关软件和辅助部件构成。个控制 孳元哥接入多令测燮模涣，宠成对不阉只数耱苓嗣彀蘧豹多缝蓄窀港熬夔溅繁理。本深 题采用m 6 8 3 3 2 单片机实现自动控制，控制单元用于数据传输、数据处理及人机界面控 翎，实s 搴嚣示毫波数握、键g 分掇数据，对辩掌豹毫涟运行臻况进行及懿掇蘩。上经枫 由v i s u a lb a s i c 编程语言编译调试 3 7 3 8 。 论文第二章对镪羧蓄惑邀毫纯学瓿理秘姆性参数避霉亍了分叛，劳燕点分爨了影响魄 池寿命和引起电池敞障的原因，为后几章的系统设计奠定理论基础。第三章的前半部 分，通过对已毒溅爨手段豹魄较，怒窭壹滚法溅量饕魄遗内骥嚣甓越矬，薯耪步套缨了 监测系统的其他几种检测乎段及设计思想。第三章届半部分详细介绍了灰色系统在失效 预测中豹可嚣牲以及具律实施方案。嫠疆攀秘第五零是有关系统软磺 睾方甏豹详细说 明。 6 。 大泛毽一天学硕士学靛论文 2 阀控铅酸蓄电池的电特性 2 1v r l a 的工作原理 电_ 子导体可阻萃独逮完成磐邀任务( 懿镪、锯这类静金羼) ，蠢离子导落 魏电麓 质溶液) 却不能。要想让离子导体导电，必须有电子导体与之相连形成两类导体相串联 戆终终，帮形藏金筑溶渡金藏静导媳系统。魄涟是将纯学熊转佬灸曦戆敦装 嚣，在金属溶液的界面上发生氧化还原反应，这是电池的基本工作机理 1 2 1 3 】。 c 融a r g l n g e n d o f c h a f i n g 图2 1￥r 璩魄洼t 捧淼瑾霞 f i g 2 1 v a l v e r e g u l a t e d l e a d - a c i db a t t e r y w o r k i n g m e c h a n i s m 蔷电池工作原理图如图2 1 所示，对铅酸嚣电池来说，正极板上的电势形成过程可 以表示为： p 羟g + h s 0 4 一+ 3 搿+ 2 9 - p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 ，i ) 式( 2 ，1 ) 表明自左淘右的反疲是放电反应：弛0 2 以投大戆慧攀吸收辨毫路的邀子， 并以低价次p b 2 + 形式在电极表渐形成p b s 0 4 ；自右向左的反应怒充电反应：在夕 电源作 甥下p b 缸释教电子，并与电解液捧用生成p b 0 2 。 一7 高朦应急电滁的蓝涮与维护 而相应的负极掇上的电檄反应可以写成如下所承t p 6 + h s 0 4 一种p b s 0 4 十+ + 2 8 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 表明，自左向右的反应麓放电反碰：p b 以极大的速率溶解，在向外电路供 应趣子的同时，p b 2 + 逐夺取界面电艇液中h s 0 4 - ，使之生成p b s 0 4 ；题右向友的反应遐 充电反应：电极表两的p b 2 + 以极大的速率夺取外来电子，使p b s 0 4 恢复成活憔物质。 由以上两式可以季导到锻酸蓄电池嵬整的化学方程斌( 2 3 ) ； 尹6 + p 西晓+ 2 尉+ + 2 h s 0 4 一2 p b s 0 4 十2 h 2 0 ( 2 3 ) 2 2 铝酸蓄电池的充电特性 电池充电通常魑要完成两项任务；首先怒尽快地使电池恢复额定容量；其次就是电 浊炎足电蜃，用涡流充电方式 充电浊因力是放电惑缀失的能量，以维持毫池购额定容 量。浮充电压不能过高，以免造成道充电。所谓过充电是指电池经一定充电过程充满电 螽，再继续兖电的行为。当瞧池开始过充电反应时，电浊单体电压会逐速上升，在达到 一定数值以后，上升速率减小，然后电压开始缓慢下降并产生氢气和鬣气。由此可知， 电洮充足电舞，维掩电池密照的最健方法是在电浊组辑端加入恒定的浮充电压。采用避 当的浮充电压，免维护铅酸蓄电池的寿命可遮l o 年以上。实践证髓，如果实际的浮充 电聪与规定艉浮充媳压相差5 时，阀控铅酸霉电池鲍寿命将缓短一半【1 3 】。 过充电开始的时问和充电速率裔关。当充电速率太子c 即5 对，即电池容慧恢复猁 额定容量的8 0 左右时，电池开始过充电反废。由图2 2 可以看到，强采用较大充电逋 率充电嘲，必须允许一定的避充电反应。 通过锻酸蓄电池的电压和温度的关系知道【2 1 】，濑度每升高1 ，电池单体的电压 将下降4 m v 。也就是说，铃酸蓄电池的电聪其有负温度系数。由此可见，在环境温度 2 5 。c 下可正常工作的充电器，在环境温度o 。c 对将无法将电池充满：阀理，当环境温度 升黼到5 0 时，如采继续使用该充电器，电池因将严重过充电而缩筑寿命。所鞋，为 o c 袁西鼍嚣电池的窖爨+ 是指穰挺定鲍艘屯条刊下，完全纯毽也的嚣电池骈能放出曲电量。 8 大连理工人学硕士学位论文 了保证电池在很宽的温度范围内都可以正好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池 电压的温度系数进行调整。 2 矗 2 。7 2 。6 2 5 富2 警2 a 2 2 2 1 2 b 1 9 1 8 影蕊 c = ，s i d ( |。弋 i 。一 窖o ：，l q 一一 叶 烈 j_jii_ t 。隧1 i _ 夕c k 0 0 澎缮 缪 夕。 钐 矿 # 2 5s q 7 #1 8 81 2 51 5 0 容鬣恢复酉分数 图2 2 电池充电曲线 f i g 2 2c h a r g i n g c u r v eo fv r l a 2 3 铅酸蓄电池的极化现象 由电化学反应可以计算电池电动势，但这只反映了电池在静态下的特性，当有电流 流过电极时，化学平衡将被打破。而且会发生极化现象。 式( 2 3 ) 是蓄电池放电极充电的化学反应式，为保障电池能够始终维持在平衡状态 之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电 动势。但是实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值 9 离麓应急电澈盼簦测等维护 叉因为电极术孝籽，溶液浓度等各种糊素的差茄目丽在不问程度上超过了鬻电涟爵奇平衡电鞠 势饭。在化学反应中，这种电动势越过热力学平衡值的现象，就是极化现象【1 4 】。 电极极亿现象藏接影响电极电德焚佬。在充电遭程中，溽掇亿瑗象严重至一定程度 质，电极上伴随充f 毂主反应发生电解水的反应，导致出气、濑升、硫酸浓度变化和极檄 腐饿。另一方面，大量静热侵酸滚部分蒸发，蠢井滋疆，造成电铜蓑 、接线头静瘸链。 氢飘混合气体易引超爆炸。因此，控制极化就非常必要。 一般采说，产生投纯瓒象有3 个方面豹源霞。 1 ) 欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地 受翻一定丽隧力，称秀酿瓣凌隧。必7 克簸这令肉隧，乡 秀鼙毫蓬羧必绥鞭终蔻翻一 定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的 欧姆极纯。淹着兖逸毫流惫穰熊大，欧姆缀纯将逵娥蓄宅滚在充毫过程孛瓣离澄。 2 ) 浓度极化电流流过篱电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表颐 的发应籽畿及对褥镶 充，生或耪能及薅蒜去。实际上，璧成物积爱应懿鹃扩鼗速 度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就照 滋，胰电缀表蘑鑫中部滚滚，毫瘿滚浓凄分蠢不均匀。这秘魂象拣魏滚瘦辍纯。 3 ) 电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速魔，落后于电极上 龟子运动豹速度造戒熬 这三种极化现象都是随着充电f 电流的增大而严重。 2 4 蓄电池等效电路 下圈楚蓄电渣麓纯等效耄貉 1 5 t 6 t ， 碟，q 葑唏心 圈2 3 鬻电池内部等效阻抗电路 f i g 2 3e q u i v a l e n ti m p e d e n e e c i r c u i t 在以上等效电路中，电池的总阻抗等于 n + 面1 一j 0 ( 2 4 ) 大连理工大学硕士学位论文 所以阻抗的实部肖和虚部y 可以分别表示如下 丑砜+ 瓦再r c 霹 ，= 嵩1 c o c 舞, i 。r + c 式( 2 5 ) ( 2 6 ) 中的瓜r 随的变化可以绘制出阻抗复平面图( 见图2 4 ) ：x f q c m 2 ) ( ) h 厂 、 r ( q c 蝉 图2 4 蓄电池的阻抗复平面图 f i g 2 4i m p e d e n c ep l u r a li c h n o g r a p h y ( 2 5 ) ( 2 6 ) 通过蓄电池等效电路我们可以看出，在不同的角频率下测得的电池交流阻抗是不同 的。当角频率趋向于零时，测得的电阻为胄n + 如，当角频率。趋向于无穷大时测得的电 阻为r 。 根据有关资料，虽然单体电池在被测试的电池组中容量几乎从o 到1 0 0 不等，但 从不同的测试方法得到的结果可以看出电池容量与浮充电压、特殊比重等参数的相关性 很小；相反，电阻与容量的相关性很高 1 7 18 1 9 】。 2 5 阀控铅酸蓄电池运行寿命 根据国际标准，当阀控电池容量为原来标称容量的8 0 时，理论上便是该电池寿命 的终结。影响阀控式铅酸蓄电池实际使用寿命的因素有很多，如： 1 浮充电压的设置对电池寿命的影响 离层应急电源的监浏与维护 浮充电压的设置对电池的寿命具有相当重要的影响，联论上浮充电压产生的电流量 霉达到 髅皇放电及电池尊放电电挺和维持氧循环的惹要。英国h a w k e r 公司曾 乍过这 样的试验 2 0 1 ，在环境温度为2 5 的条件下，当浮充电压为2 2 7 v 只时，气体的逸出量 力1 6 m r 只月a h ( c 3 ) ；当浮充电压为2 4 0 w 只时，气体逸出量为1 0 5 m t 只月a h ( c 3 ) 。试验表明，贫液电池的电压仅仅从2 ，2 7 v r 提高刘2 4 0 v 只时，葵气 体逸出量藏增加了5 5 6 偿，可见浮充电压过毫对密封电池的使用寿命会产生很大影 响。 2 + 放电深度对电池帮命的影响 2 l 】 图2 5 列出了在相同充电时间( 1 6 小时) 前掇下，放电深度与寿命的关系，从阁中 可以看出，放电越深，循环寿命越短，对应的充电电压值也越高。 娥霉搿鑫f 次 1 0 0 0 l 1 0 遣垂v ) 2 3 52 , 42 + 4 52 。，2 。熨 2 62 , 6 52 72 ，7 5 图2 5 放电深度与寿命的关系 f i 驰5d i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c sa n dc y c l es e r v i c el i f e 3 远行条件对电池寿命的影响f 2 2 1 电淹的运雩亍条件也辩惫漉的寿禽产生纛簧酶彭稿，特舅是环凌滋度帮缀装方式静影 响较大。充电时溺度高于4 0 。c 会使电池槽变形，而低于0 。c 又会引起充电不足，最滔宜 盼充电温度应是5 3 5 ；放电时疆度低予一1 5 c 会减少有效容量，高于5 0 也会俊电 池槽变形而损坏电池；阀控铅酸电池的最健运行温度应在2 0 2 5 之间。当温度过低 辩，电涟的容量褥会呈明鼹下降趋势，如黧2 6 浙示 2 3 】。阉控宅滚多受贫液式设计， 且采用紧密装配形式的特殊结构，充电是只有少数气体溢出，故不易散热，如环境游度 。1 2 火连理工大学硕士学位论文 过高，电池内部会因散热不良导致温度升高，引起浮充电流的增加，由于热量与电流的 平方成正比，这样形成恶性循环，造成热失控，使电池损坏。 2 0 o o 8 0 露6 0 謦 鲢 舞 4 0 2 0 0 ”0 ，叫 髟 i o 1 c a ， “一i l * o 左5 c 名 ll t j ! i ，“r ，一，+ 彬i lc j 十， r |j ”z 乙 。 多多 i6 p l 薰科譬毫瀚糍维屯c 。f ) 时豁。晦队 藏电荣释e 电纳骞纛可擞婀黼驸b 拣舟 ， - 2 0- 1 001 02 03 04 05 06 0 毽庭f 1c ) 图2 6 工作温度和放电容量的关系 f i g 2 6t e m p e r a t u r e a n d d i s c h a r g ec a p a c i t y 4 放电方式对电池寿命的影响 图2 7 列出了在不同温度条件下不同放电条件( 恒流放电与脉冲大电流放电) 对电 池状态的影响。 由图可见，在脉冲放电条件下，蓄电池将表现出更加良好的放电能力。在低温条件 下表现得尤为突出。 1 3 离瑶痤惫奄澡麓蕴溪与维护 举体电海电聪琊 2 ，2 2 ，0 1 s t 6 i 4 1 2 静， 此夕 ，电解液的密度对电池的寿命影响媳很大。8 0 年代初期，d g 型电池的使用海 命只有3 年，主要原西就燕为了提商质量眈能量。丽辩电解液密度撬离到了1 2 8 克，立方 厘米所致。丽欧洲某些国家把电解液的密度调整为1 2 4 克，立方厘米，其规定的浮充年 限为8 1 0 年。 在了解了蓄电池和电池缒失效的原因之后，就可以有针对性地分别解决媳池管理过 程中必至囊薰褫的静萃孛问题。随着褛字自动诧辩不断笈展，更多的系统骚求提供容量预溅 的告警功能，在线电池容爨预测又成为管理系统中的重要问题。针对以上问鼷的讨论和 研究，就榆成了下一章的主簧内容，也是零鬻龟涟维护系统豹重要缀成部分。 。质最比能量：单位质量产生的有效电能量，簟位；w h k g 。1 4 火连理1 ：大学硕+ 学伉论文 3 蓄电池监测系统的技术方案 3 1 电池监测管理 由于应用系统的安全性要求，系统不能随时停机维护，而在线监测则能很好满足这 方面的需求。不仅如此在线监测还能提高效率，更加准确可靠地完成电池监测任务。现 如今系统中蓄电池的在线自动监测已成为一项重要工作，然而蓄电池性能受诸多因素影 n f 自，其测量也较为困难。蓄电池在线监测的发展大致经历了电池组运行参数监测和目前 的单体电池运行参数监测两个阶段【2 6 】。 电池组运行参数监测这种监测方法可以发现电池组浮充电压问题以及电池组在充放 电时的电池问题，对电池组的正确使用有一定的积极作用。但这类装置难以发现电 池故障。 单体电池运行参数监测这种监测方法除具备电池组参数监测设备的功能外还可以对 每只电池的端电压进行监测。 通过监测可及时发现诸如电池短路、电池端电压过低、不均衡等故障，对单体电池 的维护提供了有效的帮助。 3 1 1 蓄电池主要的测量手段 目前我国测定电池性能的标准是以1 0 h 率恒定电流放电至规定的终止电压来测量 的，单位为安时( a j 】) 。主要有如下几种检测方法： ( 1 ) 放电法：将电池组与供电系统脱离，以1 0 h 率电流对负荷放电，同时测量每 一电池电压，当降到规定值( 单体电压1 8 v ) 时，停止放电，计算时间得出电池组容 量。显然这种方法测量准确，但实施起来相当困难，而且浪费能量。 ( 2 ) 蓄电池电压巡检：即指对电池电压进行在线监测，根据每节电池的电压差判 别电池性能，但此种方法只能判断已严重失效的电池，对性能的差异不能做出反应，效 果较差。再加上这种方法要求的精度较高，而精确度又直接受电阻阻值的影响，一般电 阻难以达到。 精确测量单元电池的端电压时，如果电压偏离标准值或平均值超出规定的极限范 围，则表示蓄电池存在缺陷或充电不足，这是开口式铅酸蓄电池必用的检测手段。由于 免维护铅酸蓄电池固有的电压偏差较大，且通常是数只单元电池串联密封在容器内，所 以，只能通过接线柱测量其串联电压，这样测得的电压偏差更大，是单元电池电压偏差 的n 倍( n 为串联单元电池数) 。因此对免维护铅酸蓄电池而言，这种方法用处不大。 一1 5 一 离屡应急电源的篮颡与维护 ( 3 ) 温度检测：蓄电池内部潺度对其性能有很大的影响，当添度上升时，电解液 的运动速度增大，获得动能增加，豳此渗透能力加强，电解波电阻减小，电化学反应增 强，这些郡使蓄电池容量增大。有关文献辫出，当魄解液的温度在1 0 3 5 的范围内 变化时，镶变化l ，则其容量变化约o 8 。所以，在判断鬻电池的性能时，必须要考 虑温度的影响，敌温度测量必不可少。对免维护铬酸蓄电池丽言更燕如此，在第二章我 们做过详细的介绍，电池柱充电过程中存在“氧循环”，产生的额外热量会使温度上 升，对电漓性能的影响更大。 ( 4 ) 负载测试：即给誊电池加上已知的负载，记录其放电特性，然后与蓄电池的 标准放电特性褶眈较，觚丽褥出其容量大小。然而，要可靠确定蓄曦沲盼实际容量，只 能采取深度放电，即放电至其终了。实际上，作为成急电源往往不允许这么做，因为彗 e 酲池深度放窀和再恢复到充满电状态都需要缀长静f l 雩闯，箕绪采将可髓楚蓄魄沲在紧您 状态下无e 融可供。 值得注意的是，负载溺试哭麓确定当辩瞽电潼的充奄状态，蠢不能因叠乏鼷溺蔽露篱 电池的充电状态。另外，缀常进行负载测试会加速鬻电池的澎化。因此，一般情况下尽 羹刁；傲受载滚l 试。 蓄电池的完好性取决于其老化状况，涉及其结构的所有方面。对于开口式蕾电池通 常采霜瓣蘩电解滚豹琵重采确定蓄毫涟豹容量器管其囊实整不黧受载溺试偿 是，免维护铅酸蓄f = 乜池为密封结构，无法测量电解液的比重。观察电解液的液面高度、 板撵斡麝落藩嚣、正稷潘赣爨质豹麓落及交形等，楚谔藩蓄瞧灌完露经靛重簧方法。篼 维护铅酸鬻电池的容器，一般是不遴明的，这些方法也不适用。 ( 5 ) 溯量蓄 黩港蠹隧；阂控式密嚣蘩嚷这蕊数鬻诸翔缀捺静瘸镪襄增长、接簸不 良、活性物质可用精减少等都集中淡现于电池内阻的增大、电导的减小，因此，电导线 尝瞧隧兹窝低酉提貘爱跌惫港鼓障帮健雳疆发嚣有效信惠。驻然，这瓣兔维护键裴蓉邀 浊尤其重要。 综土掰透，各耱捡羲l 方式郡毒葵是骞憝特点爱篡鼹疆毪。建镙诞謦毫滩最大程度靛 可靠运行，在我们研究的蔷电池监测系统中将电池电压、电流巡检，温度检测与测量电 港内曩有撬舞鏊缝合在了一怒，下一肇姆遂行详缨叙述。 宏观肴来，如果电池的开路电压为，当用电流，放电时其端电位为n 则电池内 疆r = p a s t e ) ；涂膏( p a s t e ) 、电解质( e l e c t r o l y t e ) 和隔离器( s e p a r a t o o 为电化学电阻部分。在同一充放电周期内，欧姆电阻除温升影响外 变化很小；极化电阻由电池电化学特性对外部充放电表现出的抵抗反应产生，与电池荷 电、充放强度、材料活性都有关。根据有关资料介绍，极板和电解液的欧姆电阻占铅酸 蓄电池总欧姆内阻的8 0 以上。在蓄电池的老化进程中，极板的硫酸化、活性物质的脱 落、电解液的干涸等随时间推移而加剧，这些变化会导致蓄电池容量的减少，同时使蓄 电池欧姆电阻呈逐渐增加的趋势。由此可见，蓄电池欧姆内阻可作为表示其容量和完好 性的有效指标。文献表明，在蓄电池的老化过程中，其内阻的上升明显早于充电时端电 - 1 7 商层应急电源盼溘测与维护 压的提高，直到内阻上升了6 0 以j = 时，端电压才有明显的增大，而端电压的增大正是 电解液于濑的表现，因此，遗阻具衡很好的预测性。 图3 1 窀漉内霞瀵翟 l i l i 9 3 1 i n t e r n a lr e s i s t a n c em o d e l 3 1 - 2 本系统蓄电池监溪4 手段 零系统主要霹蘩电漶攀镩电垂、篷、逢缀邀压、瞧淹涅度、昂壤澄度等方嚣遂嚣簸 测。以下分别就这几方面进行分析和阐述。 e l 2 e n 图3 2 双刀继电器切换电路 ，1 8 大连理。j ：入学硕十学位论文 f i g 3 2 s w i c t hc i r c u i tb y r e l a y 蓄电池在线检测的主要功能之一是对蓄电池组中每一只蓄电池的端电压进行巡检。 对电池组进行测量要考虑的首要问题是每只蓄电池之间都有电位的联系，由于电池组中 的电池数量较多，整组电压很高，单体电池两端存在较高的共模电压，因此直接测量比 较困难。举个简单的例子：智能大厦中大容量的直流操作电源系统如动力后备电源，蓄 电池一般采用1 0 8 节左右电压为2 v 的单体电池串联而成，接在直流母线正端的蓄电池 两端对母线负端的共模电压分别为2 1 6 v 和2 1 4 v ，大大超过了一般电子模拟开关的共模 电压输入范围。为消除共模电压的影响，一般采用双刀继电器或电磁继电器进行轮流切 换，双刀继电器切换电路如图3 2 所示。 每只电池的两端都与一只双刀继电器的两对常开触点相连接。这样当继电器都不动 作时，所有电池均与测量回路断开。当需要测量某只电池时，所对应的那只继电器闭 合，以使浚电池的负端接到测量电路中，电池的正端经缓冲器进入a d d 转换器。此时 其他电池与测量电路仍处于隔离状态，因而对测量没有影响。用此方法虽可完成对电池 组的测量，但需要的继电器太多，仪器的体积大，功耗和成本及故障率也较高。而电磁 继电器其寿命一般为1 0 5 次，动作时间为t o m s ，不适合快速、长时间的测量。 因此，在本系统中，我们采用了b u r r - b r o w n 公司推出的低价格高精度的差分 放大器1 n a l 4 8 ，单体电池电压测量原理框图如图3 3 所示，在1 5 v 电源供电时，其 最大共模峰值输入电压可达到5 0 0 v 。 图3 3 单体电池电压测量原理图 1 9 高屡废急电源的监巍与维护 f i g 3 3 d e t e c tc i r c u i tf o rc e l lv o l t a g e 除去前面分析静电亿学反斑的啜热稍放蒸矫，在充放宅过程中，鸯予蠢沲内隘的存 在，电池内部产生的热量也会引起电池的温度发生变化。在同样电流的条件下，电池内 疆不葡，电溅内部产生的热量不圈，毫滚翁温凌藏不同。因魏，在溢度灞量这方