蓄電池持續(xù)監(jiān)測可以讓不間斷電源（UPS）隨時使用

上傳時間：2010-10-26 11:05:58
摘要：文章分析了閥控鉛酸蓄電池（VRLA）失效的主要原因，持續(xù)監(jiān)測是防止不間斷電源（UPS）系統(tǒng)故障風險的解決方案；介紹了先進的可持續(xù)監(jiān)測的Sentinel阻抗測試方法。 敘詞：閥控鉛酸蓄電池（VRLA） 失效 Sentinel 持續(xù)監(jiān)測 阻抗 Abstract：The paper analyzes major causes of VRLA invalidity, proposing that constant monitoring is the solution to preventing UPS from malfunction. The author introduces advanced Sentinel Impedance Testing Solution that can have constant monitoring. Keyword：VRLA, Invalidity, Sentinel, Constant Monitoring, Impedance
1 前言

越來越依賴技術為我們提供安全感：相機、應急電話甚至安全照明都給人可靠的感覺，讓我們明白，如果需要，可以隨時使用它們。確保緊急情況下的可用性依賴于不出差錯的電源，這相應意味著高品質(zhì)的備用電池。但是，如何知道備用電池真的不出差錯呢？

這個問題困擾著依賴電池提供應急電源的設備制造商。如何知道在最需要的時候，它能夠發(fā)揮作用，這對于不間斷電源（UPS）制造商尤其重要，因為UPS的唯一用途是在主電源發(fā)生故障時確保計算機系統(tǒng)或醫(yī)療設備的電力供應。在這些情況下，電力提供和在確定的時間與供給容差范圍內(nèi)供電是極其必要的。

大多數(shù)備用電池使用多個閥控鉛酸蓄電池（VRLA）做成整體電池組。雖然稱作“免維護”，但這項技術有眾所周知的不足，其中的任何一個都可能造成電池低效甚至完全不起作用。

因此，弱、老化或其他“不健康”的電池構(gòu)成這些系統(tǒng)的嚴重危險，需要定期維護檢查它們的健康狀態(tài)（SOH）與荷電狀態(tài)（SOC）。不論這些維護多么頻繁，在維護檢查間隙仍有發(fā)生電池故障的風險。為了克服這種狀況，一些公司正轉(zhuǎn)向提供持續(xù)原位SOH和SOC監(jiān)測的系統(tǒng)。

2 持續(xù)監(jiān)測

持續(xù)監(jiān)測似乎是個簡單的解決辦法，但在現(xiàn)實中面臨經(jīng)濟上的難題。持續(xù)監(jiān)測方案通常需要增加50%的電池成本，如果把安裝和運行考慮在內(nèi)，增加比例甚至高達70%。面對這么高的成本，在提示電池壽命終結(jié)的平均無故障時間（MTBF）之前定期更換電池，可能是更經(jīng)濟的做法。然而，和例行維護一樣，這也充滿不確定性，因為環(huán)境條件對電池的MTBF有很大影響。

制造商因而把目光轉(zhuǎn)向低成本的持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，全面診斷電池在各個條件下的SOH和SOC。2007年3月，供應這類智能變送器的專業(yè)公司LEM與密封及排氣式鉛酸電池診斷和管理領域領先的權威機構(gòu)RWTH亞琛大學合作，確立了先進的低成本電池監(jiān)測管理的發(fā)展方向。

在其他制造商追逐更“時尚”的電池技術時，RWTH亞琛大學則已建立起技術中心并增強其力量，集中研究最為成熟和普遍銷售的電池化學工藝。LEM-亞琛結(jié)成長期合作關系，共同研究VRLA富液和膠體電池的故障模式，開發(fā)包括SOH和SOC在內(nèi)的下一代監(jiān)測與分析系統(tǒng)。

通過這種合作和了解用戶需要，LEM持續(xù)開發(fā)用于持續(xù)監(jiān)測的“Sentinel”解決方案，終于研制出最新一代產(chǎn)品Sentinel III。Sentinel能夠測量電池電壓、內(nèi)部溫度和內(nèi)部阻抗，其診斷測量水準可媲美高度復雜且昂貴的實驗設備，但成本因素使其可用作持續(xù)監(jiān)測方案。

為了開發(fā)Sentinel，如圖1所示，LEM使用上述實驗設備并選用眾多的電池樣品和品牌，進行廣泛的研發(fā)。在這個項目中，Sentinel運用和復制了電化學阻抗頻譜分析法。在解釋高性價比的單芯片解決方案中如何復制這項先進技術之前，值得我們確切說明的是它實現(xiàn)的診斷水準以及如何保護基于電池的UPS的完整性。

圖1 用于評估監(jiān)測裝置的測試設置

3 老化問題

這類系統(tǒng)大多采用鉛酸電池技術，眾所周知的技術缺陷是老化導致容量衰減，內(nèi)阻升高。不過，由于這項技術如此成熟，老化狀況也廣為人知，因而能夠通過探測幾種情況確定老化狀況。

容量降低是尤其普遍的影響之一，這基本是電池的使用模式造成的。在UPS內(nèi)部，電池以高電流放電，導致電極上生成大的晶體?？赏ㄟ^適當調(diào)節(jié)電池，部分地控制這種狀況，但事實證明在嚴重情況下這是不可逆的。這種情況也會生成小的晶體，稱作“樹枝晶”，如果沒有探測到的話，可能會連在一起造成電池短路。

內(nèi)部腐蝕使端子的薄片落到電極上，也可能造成短路。導致腐蝕的重要因素包括溫度、電壓和局部酸液濃度，通常影響正極端子。這些老化效應都導致電池容量或電量損失，因此任何一種診斷都必須能夠鑒別它們，以便在災難性故障發(fā)生之前采取適當行動。

以上效應導致電池容量或電量降低。任何一類診斷都應當以鑒別這些老化效應為目標。

在已進行的測試中，使用電化學阻抗譜（RWTH亞琛大學的EISmeter分析儀）進行全譜測量，運用一系列的正弦波形測量電池，測得整個頻譜的阻抗。通過傅立葉分析計算給定頻率的實際和假想的電壓響應部分，得出測量結(jié)果。通過分析電壓響應與勵磁電流的幅角及相角關系，獲得復雜的阻抗結(jié)果。

對于Sentinel解決方案而言，這是不切實際的，因為做到這一點所需的處理能力會使持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的任何解決方案失去商業(yè)可行性。因此，我們面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)這樣一種方法：只能使用一種頻率進行測量，但能獲得堪比EISmeter的結(jié)果。

4 趨勢分析

測量結(jié)果顯示，用EISmeter和用Sentinel測得的兩個數(shù)值非常一致。雖然使用Sentinel反饋的數(shù)值稍高，但這容易通過校準予以補償。但是，基于電池診斷的目的，對于重要性來說，這種偏差是相對而非絕對的。由于測量是持續(xù)進行的，因此，重要的是從結(jié)果中清楚看出趨勢數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)加上均采用單一集成電路測得的溫度和電壓值，構(gòu)成Sentinel解決方案的信息基礎。

Sentinel是第一個用于監(jiān)測VRLA和富液電池的單塊集成電路（系統(tǒng)芯片），能夠測量單個電池和整個電池的內(nèi)部溫度、電壓和標準阻抗。每個Sentinel III模塊監(jiān)測標稱電壓在0.9V到16V之間的單個電池或電池組，通過S-BUS總線的通訊總線向S-BOX的數(shù)據(jù)記錄器報告數(shù)據(jù)。

Sentinel的功能是取得測試的關鍵電氣參數(shù)，以確定電池能否在主電源發(fā)生故障時發(fā)揮作用。

單個串行總線最多可以接入250個而最多設定為六組的Sentinel模塊，最多可監(jiān)測六條浮動/放電電流，使安裝變得極其輕松，只需使用預設端子的數(shù)據(jù)總線電纜將插頭插入插座即可。

每個Sentinel都有溫度測量工具，持續(xù)測量直接固定在電池盒上的傳感器片探測到的單個電芯的外表溫度。這對于探測潛在的熱失控來說是不可或缺的，也使智能溫控測量單個電池溫度，使繪制電池溫度分布成為可能。在此之前，這還是一項費用昂貴的附加服務。
LEM獨一無二的真實能量層阻抗測量法以及更強大耐久的測試電流，確保每次測得的結(jié)果準確且可重復。采用設定頻率通過對整個電池進行多次“短時微放電”測量阻抗，阻抗與頻率的關系如圖2所示。

圖2 阻抗與頻率的關系

圖3 阻抗波形

圖4 Sentinel III

起初，這個單一的較長預處理脈沖動作在開始繪制測量脈沖之前，把電芯帶入正確的“能量層”狀態(tài)。后者生成不同的電芯電壓響應，結(jié)合脈沖電流參照值，提供阻抗值。

Sentinel的阻抗測試方法只涉及所測試的電芯。不需要通過電池部件的高電流，并且內(nèi)阻測量過程不干擾直流線路。

這是首次在單芯或整個電池監(jiān)測中綜合測量溫度、阻抗和電壓。Sentinel III（外形見圖4）系統(tǒng)能夠準確測量溫度（誤差+/- 2°C，測量范圍為 –10°C to +70°C）、放電（動態(tài)）（+/-0.5%）和浮動（靜態(tài)）電壓及紋波電流，是目前在售的最全面的電池監(jiān)測系統(tǒng)。

另外在設計上，Sentinel III安裝簡單，花費的時間約為安裝其他系統(tǒng)所需時間的四分之一。這是通過單片電路設計和簡化通訊系統(tǒng)實現(xiàn)的。各獨立單元采用LEM 的 S-BUS總線的專有通訊總線，獨立運行，卻由S-BOX的中央智能單元直接控制。監(jiān)控器和數(shù)據(jù)記錄器有全面的警報參數(shù)和數(shù)據(jù)存儲裝置（見圖5）。

圖5 S-BOX、監(jiān)控器和電池數(shù)據(jù)記錄器

正是詳細的測量加上智能化的數(shù)據(jù)分析，才能提供關于真實電池狀況和可用性的可靠報告。Sentinel III提供電芯或整個電池的準確溫度、電壓和阻抗數(shù)據(jù)。中央數(shù)據(jù)記錄與分析單元的軟件跟蹤一定時間的數(shù)據(jù)變化情況，提取趨勢信息，隨時向用戶提供備用電池投入使用后的真實性能。在單個電芯或整個電池層面，系統(tǒng)鑒別出故障的電池組件，針對完全失效生成警報，并請求進行人工檢驗。由于S-BOX盒也接入網(wǎng)絡服務器，可通過互聯(lián)網(wǎng)查看所有的性能、趨勢和警報數(shù)據(jù)；以標準信息形式提供非緊急狀態(tài)更新數(shù)據(jù)，使管理員可從世界任何地方監(jiān)測裝置。

由于Sentinel本身由受監(jiān)測的電池供電，因此設計上在多數(shù)時間維持“睡眠”模式，只在進行測量時才“喚醒”。喚醒周期用時不足100ms，大約每(5-10) min喚醒一次。鑒于Sentinel III分散內(nèi)部電阻的測試載荷電流，為減小內(nèi)部溫度上升，阻抗測量周期的最短時間為10 min。與電池參數(shù)變化的時間相比，這個間隔很短，實踐中許多操作員會要求延長阻抗測量周期的間隔。因此，在絕大多數(shù)時間里，Sentinel消耗極少的主電池電量。

考慮到對復雜電子裝置依賴程度的日益加深，UPS系統(tǒng)可能更多地使用鉛酸電池。單個電芯發(fā)生故障可能引發(fā)采用UPS作為應急電源的系統(tǒng)災難。但是，使用LEM的Sentinel可以預測、防止系統(tǒng)災難的發(fā)生，從而在間接損害發(fā)生之前，提早進行高性價比的校正。

LEM堅信，持續(xù)監(jiān)測對這些應用有重要意義，但它的成本不應超過電池成本的15%。因為我們已經(jīng)知道，大多數(shù)故障模式中是阻抗發(fā)生了變化，所以，迄今為止這是探測電池失效退化的最有效方法。為了獲得真實的讀數(shù)，必須在足以穿透當前“表面”負荷的電流水平上測試電池，為此開發(fā)的Sentinel也能自動優(yōu)化阻抗信號測試水平。

5 結(jié)語

Sentinel系統(tǒng)是完全自動運行的單芯片解決方案，為安全和關鍵應用提供性價比極高的可靠監(jiān)測手段。整個系統(tǒng)的運行可基于單個電芯的完整性。但是，Sentinel能夠保持這種完整性，從而避免潛在的災難性故障。

作者簡介

Pierre Turpin LEM開發(fā)工程師■