Monitorizarea bateriei de acumulatori în aplicaţiile staţionare

Problema

Bateriile de acumulatori folosite în electroalimentarea de rezervă stau încă la baza soluţiilor de protejare a echipamentelor şi a informaţiilor împotriva problemelor de alimentare electrică. Cu nevoia actuală pentru o alimentare electrică sigură şi neîntreruptă, eşecul sistemului electric de backup nu este o opţiune. Colţul întunecat din subsol sau din camera tehnică unde stau bateriile este unul din punctele cheie din componenţa oricărei organizaţii. Dacă eşecul nu este o opţiune, soluţia este eliminarea ameninţării. Prezenţa unui sistem de electroalimentare de rezervă bine dimensionat este primul pas, dar este insuficient dacă nu este funcţional 100% în momentul în care e nevoie de el.

 

Este un lucru ştiut că tehnologia acumulatorilor este departe de a fi perfectă. Există o multitudine de factori care pot duce la apariţia unor probleme: designul, materialele, producţia, transportul şi depozitarea, mediul de lucru, tensiunea de încărcare, frecvenţa şi adâncimea descărcării. O problemă minoră apărută la unul din acumulatorii dintr-un şir (string) de acumulatori are potenţialul de a deveni în timp scurt o problemă majoră care se propagă rapid la ceilalţi acumulatori din sistem. Acest fenomen relativ frecvent poate fi ţinut sub control monitorizând în timp real bateria de acumulatori şi intervenind la timp în scopul remedierii problemei. Faptul că unul din acumulatori va ceda la un moment dat este o certitudine. Scopul unui sistem de monitorizare este depistarea din timp a acestui moment, în vederea evitării unei căderi a sistemului în cazul unei pene de tensiune.

 

Costurile implementării unui sistem de monitorizare a bateriei trebuie comparate cu costurile datelor care se pot pierde şi a echipamentelor care se pot defecta în cazul în care sistemul de backup nu funcţionează.

 

Aşteptări

O parte din cei care au în exploatare un sistem de electroalimentare de rezervă fie nu ştiu despre problemele potenţiale ale bateriei, fie se bizuie pe programele de mentenanţă asigurate de firmele care au vândut echipamentele.

Vestea proastă este că majoritatea programelor de mentenanţă nu au cum să depisteze stadiile incipiente ale unei defecţiuni apărute într-un acumulator şi nici nu pot face predicţii despre evoluţia acesteia. În general tehnicienii care se ocupă de mentenanţă evaluează starea de sănătate a unui acumulator prin măsurarea tensiunii acestuia. În cele mai multe cazuri un acumulator aflat în pragul defectării va arăta o tensiune la fel de bună ca un acumulator sănătos. Se poate întâmpla ca la câteva zile după efectuarea mentenanţei să apară o problemă majoră a bateriei de acumulatori, problemă care nici măcar nu este semnalizată şi care va produce un dezastru în cazul unei pene de tensiune.

 

Cerinţe

Datorită importanţei subiectului şi confuziilor existente, organismul internaţional care elaborează standardele din industria electrotehnică (IEEE) a emis o serie de recomandări pentru sistemele de monitorizare a bateriei din sistemele de electroalimentare de rezervă.

  • 1491-2012 - Ghid IEEE pentru selecţia şi utilizarea echipamentelor de monitorizare a acumulatorilor în aplicaţii staţionare. Prezintă parametrii operaţionali care pot fi observaţi de echipamentele de monitorizare şi valoarea lor în evaluarea stării bateriei.
  • 1188-2005 - Ghid IEEE de practici recomandate pentru întreţinerea, testarea şi înlocuirea acumulatorilor fără întreţinere (VRLA) din aplicaţiile staţionare. Sunt date recomandări practice legate de întreţinere, periodicitatea mentenanţei, metode de testare pentru acumulatorii VRLA. De asemenea oferă recomandări pentru determinarea momentului înlocuirii unui acumulator uzat.
  • 450-2010 - Ghid IEEE de practici recomandate pentru întreţinerea, testarea şi înlocuirea acumulatorilor cu electrolit lichid din aplicaţiile staţionare. Sunt date recomandări practice legate de întreţinere, metode de testare şi optimizare a regimului de exploatare pentru acumulatorii cu electrolit lichid. De asemenea oferă recomandări pentru determinarea momentului înlocuirii unui acumulator uzat

 

 

Soluţii tehnice

Fără a avea pretenţia că prezentăm toate tehnologiile de monitorizare a bateriei existente, vom prezenta mai jos pe scurt tipurile principale de soluţii disponibile.

 

Testul de baterie

Constă în descărcarea controlată a bateriei de acumulatori pe sarcină, în scopul determinării capacităţii acesteia de a furniza energie în caz de necesitate.

Avantaje: Relativ simplu de realizat. Majoritatea UPS-urilor trifazate şi unele monofazate din clasa superioară au implementat un asemenea sistem.

Dezavantaje:

  • Nu oferă date despre parametrii relevanţi pentru determinarea stării de sănătate a elemenţilor şi nici despre capacitatea efectivă a fiecărui acumulator din şir. Drept urmare problemele nu vor fi depistate din timp.
  • Dacă apare o pană de tensiune în timpul testului, autonomia va fi redusă.

Limitări: Sistemul trebuie programat să facă periodic testul, fapt posibil doar în sistemele care au această funcţie.

 

Toate sistemele redresoare din familia Cordex pot monitoriza şi înregistra automat peste 10 parametri globali specifici bateriei (curent, tensiune, temperatură, etc.). Funcţie de setări, parametrii sunt analizaţi în timp real, iar pe baza lor controlerul optimizează regimul de lucru.

Controlerele Cordex pot fi programate să iniţieze periodic un test de baterie. În urma acestui test se generează un raport care caracterizează starea de sănătate a bateriei şi capacitatea ei efectivă la momentul testului. NU sunt generate rapoarte individuale pe fiecare celulă.

 

Metoda punctului median

Principiul care stă la baza acestei metode de monitorizare este cel al simetriei tensiunii mediane a bateriei faţă de tensiunea sa totală. În cazul în care această simetrie nu există, înseamnă că una sau mai multe dintre celule au o tensiune diferită de celelalte şi este cazul să se facă o verificare amănunţită pe teren.

Avantaje:

  • Metodă simplă, care în anumite cazuri nu necesită investiţii suplimentare.
  • Semnalizează deviaţia tensiunii unui acumulator faţă de ceilalţi acumulatori din şir, oferind un indiciu despre punctul slab al bateriei.

Dezavantaje:

  • Nu oferă date despre toţi parametrii relevanţi pentru determinarea stării de sănătate a elemenţilor şi nici despre capacitatea bateriei.
  • Semnalizează doar problemele majore (de genul un acumulator defect).

Limitări:

  • Nu se poate implementa la orice sistem, ci doar la staţii de energie de curent continuu echipate cu un controler "inteligent" apt să calculeze în timp real tensiunile şi să poată iniţia o alarmă la nevoie.
  • Metoda este aplicabilă doar în sistemele cu număr par de baterii.

Controlerele din familia Cordex pot fi adaptate uşor pentru această metodă de monitorizare. Punctul median al bateriei de acumulatori se conectează la una din intrările analogice de uz general ale controlerului. În editorul de ecuaţii se defineşte un semnal utilizator care să exprime în mod dinamic valoarea  absolută a diferenţei dintre tensiunea totală a bateriei şi dublul tensiunii punctului median. La depăşirea unei toleranţe considerate acceptabile, va fi iniţiată o alarmă.

 

Battery Management System (BMS)

 

Un sistem dedicat (BMS) este metoda cea mai sigură şi corectă, singura care garantează prezenţa în orice moment a unui sistem de baterii funcţional şi în parametrii prevăzuţi. Conform definiţiei universal acceptate şi publicate de Wikipedia, un BMS monitorizează starea bateriei de acumulatori prin prelevarea şi corelarea mai multor parametri:

  • Tensiune: totală şi individuală pe celulă (instantanee, minim şi maxim).
  • Temperatură: medie, individuală pe celulă, temperatura de intrare/ieşire a agentului de răcire (unde e cazul).
  • Starea de încărcare (State of Charge = SOC) sau adâncimea descărcării (depth of discharge = DOD), pentru determinarea nivelului de încărcare al bateriei.
  • Starea de sănătate (State of Health = SOH) - un parametru care exprimă starea generală a bateriei.
  • Fluxul agentului de răcire - pentru bateriile răcite cu aer sau fluid
  • Curent - curentul care intră sau iese din baterie

Această definiţie sumarizează recomandările IEEE legate de monitorizarea bateriilor. Toate aceste măsurători combinate duc la o evaluare corectă a disponibilităţii funcţionale şi a capacităţii efective pentru acumulatorii dintr-o baterie exploatată într-un sistem de electroalimentare de rezervă.

 

În practică, un BMS modern dispune de un sistem senzori individuali montaţi pe fiecare celulă/acumulator prin care citeşte în timp real parametrii cheie cum ar fi tensiunea, rezistenţa internă, temperatura. De asemenea măsoară parametri globali si bateriei cum sunt curentul şi temperatura mediului. Aceste date sunt transmise unui sistem central aflat în imediata apropiere a bateriei. Aici datele sunt procesate şi trimise mai departe unui program instalat pe un computer central, care oferă interfaţa grafică pentru utilizator, face analiza datelor şi permite şi setarea sistemului. Variantele constructive diferă de la un producător la altul, dar topologia este similară. Din păcate nu exisă o soluţie BMS universală, aplicabilă în toate situaţiile. Producătorii cu tradiţie oferă soluţii adaptate diverselor domenii: UPS , substaţii electrice, telecom, energii regenerabile, trafic, marină.

 

Soluţiile BMS din portofoliul Alphapower provin de la unul dintre producătorii mondiali de top, care are la activ mii de sisteme instalate în locaţii critice din toată lumea. Avantajele implementării unui sistem BMS de la BatteryDAQ sunt multiple

  • Identificarea problemelor de sănătate ale bateriei în stadiul incipient
  • Detecţia şi prevenirea ambalării termice la nivel de celulă
  • Instalare şi operare simplă
  • Acces la date prin Internet
  • Mentenanţă preventivă a bateriei de la distanţă
  • Scalabilitate pentru implementări pe scară largă
  • Platforma online MyBattery pentru operatorii cu număr mare de site-uri
  • Preţ rezonabil

 

Programul de analiză a datelor de la BatteryDAQ