PL228560B1 - Układ do zdalnej wczesnej diagnostyki zjawiska PCL w bateriach akumulatorów VRLA - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 415676 _{G01R 31/36 (200601)}

G01R 27/00 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 30.12.2015 (54) Układ do zdalnej wczesnej diagnostyki zjawiska PCL w bateriach akumulatorów VRLA

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	INSTYTUT ŁĄCZNOŚCI-PAŃSTWOWY INSTYTUT BADAWCZY, Warszawa, PL
03.07.2017 BUP 14/17	(72) Twórca(y) wynalazku:
	ROBERT SAMBORSKI, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	ANDRZEJ BINKIEWICZ, Warszawa, PL
30.04.2018 WUP 04/18	(74) Pełnomocnik:
	rzecz, pat. Halina Rynkiewicz

co m

oo

CM

CM

Q_

PL 228 560 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do zdalnej wczesnej diagnostyki zjawiska PCL w bateriach akumulatorów VRLA, mający zastosowanie w obiektach typu: siłownie telekomunikacyjne, UPS'y i inne stacyjne systemy prądu stałego oparte o baterie akumulatorów VRLA, szczególnie wchodzących w skład infrastruktury krytycznej.

Obecne systemy nadzoru i monitoringu stacjonarnych baterii akumulatorów ołowiowo-kwasowych VRLA (zwanych dalej krótko baterią VRLA lub baterią) ograniczone są bardzo często do kontroli prawidłowego rozkładu napięć na poszczególnych ogniwach/blokach baterii. Układ kontroli i nadzoru baterii współpracuje czasem z licznikiem amperogodzin wskazującym ładunek dostarczony/pobrany z baterii.

Do kontroli poszczególnych bloków/ogniw baterii stosowany jest także pomiar impedancji bloków/ogniw baterii VRLA będący przybliżoną miarą stopnia zużycia baterii VRLA. Pomiar impedancji baterii VRLA ma charakter okresowy i urządzenia do tego służące są urządzeniami przenośnymi. Pomiar samej impedancji nie jest miarodajnym wskaźnikiem stanu baterii VRLA. Wszystkie stosowane obecnie systemy monitoringu baterii VRLA mają praktycznie charakter wskaźnikowy i informują o uszkodzeniu, które już wystąpiło. Jedyną miarodajną metodą oceny stanu i ładunku dysponowanego baterii VRLA jest proces wyładowania i ładowania kontrolnego. Są systemy umożliwiające okresowe całkowite lub częściowe wyładowanie poszczególnych stringów bateryjnych w systemie zasilania i pomiar ładunku dysponowanego baterii VRLA. Dodatkowym zjawiskiem występującym w procesie eksploatacji baterii VRLA jest zjawisko PCL. Zjawisko objawia się nagłą i przedwczesną utratą pojemności baterii. Żaden z obecnie stosowanych systemów monitoringu i nadzoru baterii VRLA nie przeprowadza identyfikacji tego zjawiska, w związku z tym nie wiadomo, w jakim faktycznym stanie może być dana bateria.

W typowych zastosowaniach w systemach prądu stałego 48 V DC stosowane są co najmniej dwie baterie połączone równolegle poprzez bezpieczniki oraz równolegle z zespołem prostownikowym i odbiorami. W przypadku UPS'ów napięcie baterii jest wyższe i wynosi np. 350 V i jest typowo tylko jedna bateria. W stanie normalnej pracy zespoły prostownikowe zasilają odbiory i ładują baterię akumulatorów określonym prądem. Kiedy bateria jest w pełni naładowana pobiera niewielki prąd i system zasilania utrzymuje ją pod ściśle określonym napięciem, jest to stan buforowania, w którym baterie przebywają najczęściej. W przypadku przerwy w zasilaniu sieci elektroenergetycznej odbiorniki zasilane są z baterii akumulatorów, a po powrocie napięcia sieci elektroenergetycznej zespoły prostownikowe ponownie zapewniają proces zasilania odbiorników i ładowania baterii akumulatorów. Bezpieczeństwo energetyczne zależy w takim układzie bezpośrednio od energii zgromadzonej w baterii akumulatorów.

Producenci akumulatorów VRLA oznaczają projektowany czas życia baterii w latach: 5, 10, 20 lat. Nieidealne warunki eksploatacji powodują znacznie szybszą degenerację baterii i w praktyce okres eksploatacji nie przekracza 5 lat. Dodatkowo występuje tutaj zjawisko PCL powodujące, że relatywnie nowe baterie 2-3 letnie tracą w sposób nagły pojemność. Baterie akumulatorów należy więc odpowiednio często albo wymieniać, co jest kosztowne, albo wymieniać tylko niesprawne bloki/ogniwa.

Relatywnie dokładną metodą oceny dysponowanej pojemności baterii VRLA jest kontrolne wyładowanie i ładowanie, ustalonym prądem, zazwyczaj tzw. 5-godzinnym lub 10-godzinnym. Metodą tą mierzy się obecnie pojemność baterii „ręcznie” odłączanych od odbiorów - za pomocą utrzymujących stały prąd wyładowania opornic rozładowczych lub automatycznych urządzeń TBA2-IŁ, TBA150-x-IŁ, TBA160-IŁ, co pozwala w praktyce na ocenę dysponowanej pojemności z dokładnością lepszą niż ±2%.

Niedogodnością dostępnych rozwiązań jest konieczność udziału obsługi w procesie kontroli trwającym 20-40 godzin, to znaczy najpierw dokonania odłączenia baterii od prostowników i odbiorów oraz dołączenia do urządzenia kontrolnego, a po zakończeniu badań - dołączenia ponownie baterii do prostowników i do odbiorów w siłowni.

Znany jest z patentu PL 201960, eliminujący udział obsługi, układ konwertera dla siłowni telekomunikacyjnej prądu stałego z dwiema bateriami akumulatorów, w którym konwerter, na czas kontrolnego wyładowania-naładowania stałym zaprogramowanym prądem, poprzez swoje dwa przekaźniki o stykach przełączalnych odłącza wskazaną baterię od obwodów siłowni i dołącza do przetwornicy zbudowanej z tranzystorów, kondensatorów i dławika. Znanym mankamentem tego rozwiązania są duże prądy płynące przez styki przekaźników wewnątrz urządzenia w stanie zasilania odbiorów „z baterii” oraz konieczność wyłączenia z pracy obu baterii przy demontażu urządzenia w celu naprawy lub konserwacji.

PL 228 560 B1

Znany jest z opisu zgłoszeniowego P 390982 sposób i układ do zdalnej diagnostyki baterii akumulatorów, zwłaszcza w systemach teleinformatycznych. W rozwiązaniu tym, w siłowni, dodatkowa separowana szyna jest łączona z bateriami akumulatorów poprzez indywidualne styczniki, poprzez inny stycznik jest łączona z zespołami prostownikowymi, przez kolejny stycznik jest łączona z wydzieloną grupą odbiorów energii siłowni, a przez jeszcze inny stycznik łączy się w czasie normalnej pracy z szyną systemową „minus” siłowni. Wadą tego rozwiązania jest duża liczba wysokoprądowych styczników na drodze zasilania odbiorów, skomplikowana procedura rozładowywania kontrolowanej baterii stałym prądem (poprzez regulację wyjściowego prądu w wydzielonej, dostosowanej do takiej funkcji, grupie prostowników), a także ograniczona możliwość wykorzystania energii kontrolowanej baterii do podtrzymania zasilania odbiorów w razie zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej.

Znane jest z opisu zgłoszeniowego US 2009021216 A1 rozwiązanie dla dwu baterii do ich ładowania i zdalnie zarządzanego kontrolnego rozładowania, w którym zastosowano indywidualne elektroniczne (tranzystory) styczniki do łączenia odbiorów energii z prostownikami i z każdą z baterii, oraz indywidualne dla każdej baterii układy ładowania. Wady tego rozwiązania są następujące: wrażliwe na udary i zakłócenia w sieci łączniki elektroniczne i ich straty energii, rozładowywanie baterii prądem o wartości wyznaczanej przez odbiory, który może zmieniać się w czasie, zamiast zalecanym prądem 10-godzinnym lub 20-godzinnym oraz brak możliwości wykorzystania energii kontrolowanej baterii do podtrzymania zasilania odbiorów w przypadku zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej, ponieważ nie można bezpośrednio połączyć z odbiorami dwu baterii o różnym stopniu naładowania-rozładowania.

Znany jest z opisu zgłoszeniowego P 398791 układ do zdalnej kontroli dysponowanej pojemności akumulatorów w siłowni telekomunikacyjnej, w którym dla indywidualnej kontroli każdej z baterii łączy się w siłowni jej szynę systemową ujemną z bateriami poprzez indywidualnie sterowane styczniki wysokoprądowe, zastępujące wspólny wyłącznik podnapięciowy, oraz w którym kontrolowaną baterię dołącza się stycznikiem niskoprądowym do wejścia zamontowanego na stałe w siłowni urządzenia kontrolno-pomiarowego TBA-ST, które to urządzenie na polecenie zcentralizowanego systemu nadzoru mierzy pojemność baterii metodą kontrolnego wyładowania-ładowania stałym prądem.

Wadą tych wszystkich rozwiązań jest brak możliwości detekcji stanów przed awaryjnych, a jedynie pomiar pojemności dysponowanej baterii. Przy wystąpieniu zjawiska PCL metodą tą można jedynie stwierdzić, że bateria nie ma już wystarczającej pojemności gwarantującej bezpieczeństwo energetyczne systemu. Wadą urządzeń typu TBA jest ich ograniczenie do systemów 48 V oraz niektóre wersje przenośne obsługują także baterie 24 V.

Układ do zdalnej wczesnej diagnostyki zjawiska PCL w bateriach akumulatorów VRLA charakteryzuje się tym, że połączona z siłownią bateria akumulatorów jest połączona równocześnie z układem pomiaru impedancji i z układem pomiaru pojemności baterii, przy czym układ pomiaru impedancji i układ pomiaru pojemności baterii są połączone z układem detekcji.

Zaletą układu według wynalazku jest możliwość diagnostyki zjawiska PCL, które dotyczy nowych baterii akumulatorów, a których niezdolność do pracy jest niespodziewana i w wyniku zjawiska PCL może mieć istotne skutki np. w przypadku zasilania infrastruktury ultra krytycznej. Metoda ma działanie prewencyjne, a nie diagnostyczne post factum.

Układ do zdalnej wczesnej diagnostyki zjawiska PCL w bateriach akumulatorów VRLA według wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku stanowiącym schemat blokowy układu.

Układ do zdalnej wczesnej diagnostyki zjawiska PCL w bateriach akumulatorów VRLA według wynalazku jest zbudowany następująco: połączona z siłownią 2 bateria akumulatorów 1 jest połączona równocześnie z układem pomiaru impedancji 3 i z układem pomiaru pojemności baterii 4, przy czym układ pomiaru impedancji 3 i układ pomiaru pojemności baterii 4 są połączone z układem detekcji 5. (PCL - Premature Capacity Loss).

W układzie pomiaru pojemności baterii 4 wykonywany jest cyklicznie proces pomiaru pojemności, zwykle dwa razy do roku. Układ pomiaru impedancji 3 dokonuje pomiarów impedancji nie rzadziej niż jeden, dwa razy na dobę, przy czym pomiar realizowany jest dla ściśle określonego stanu baterii np. pełne naładowanie. W układzie detekcji 5 określana jest częstość zaników napięcia sieci elektroenergetycznej oraz sprawdzana jest zmiana prędkości przyrostu impedancji bloków/ogniw baterii pomiędzy kolejnymi pomiarami pojemności baterii. Jeżeli pomierzone przyrosty przekroczą zaprogramowane progi generowany jest alarm dla baterii. Alarm generowany jest zdalnie do operatora poprzez układ detekcji 5 za pomocą dowolnych łączy teleinformatycznych.

PL 228 560 Β1

Działanie układu jest następujące:

• okresowo wykonywany jest pomiar pojemności baterii, nie rzadziej niż co 12 miesięcy • na podstawie danych z układu pomiaru impedancji bloków ogniw baterii wyznaczana jest szybkość zmian tej impedancji w czasie • jeżeli w układzie detekcji 5 zostanie stwierdzony nadmierny wzrost prędkości zmian impedancji bloków ogniw baterii pomiędzy cyklami wyładowania ładowania kontrolnego, sygnalizowany jest alarm dla baterii.

Celem wynalazku jest metoda umożliwiająca przeprowadzenie wczesnej diagnostyki wystąpienia zjawiska PCL w baterii akumulatorów VRLA. Metoda ma zastosowanie w systemach zasilania gwarantowanego opartych o baterie VRLA w szczególności na potrzeby infrastruktury ultra krytycznej.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Układ do zdalnej wczesnej diagnostyki zjawiska PCL w bateriach akumulatorów VRLA, połączony z siłownią, zawierający baterię akumulatorów, układ do pomiaru pojemności baterii i układ do pomiaru impedancji, znamienny tym, że połączona z siłownią (2) bateria akumulatorów (1) jest połączona równocześnie z układem pomiaru impedancji (3) i z układem pomiaru pojemności baterii (4), przy czym układ pomiaru impedancji (3) i układ pomiaru pojemności baterii (4) są połączone z układem detekcji (5).

   Rysunek