對電池進(jìn)行監(jiān)測改善UPS的可靠性

在我們的工作和生活中，我們已經(jīng)有很多方面依賴電子設(shè)備。從移動通信到數(shù)據(jù)中心等多種設(shè)備都必須實(shí)現(xiàn)最短停機(jī)時間的運(yùn)行，這使得電源供應(yīng)的可靠性成為一個關(guān)鍵性的問題。不間斷電源(UPS) 可在停電時提供備用電力，因此被廣泛用于在電網(wǎng)停電時確保關(guān)鍵的電子設(shè)備正常運(yùn)行。盡管可以應(yīng)用其他的科學(xué)技術(shù)（比如飛輪儲能），但是大多數(shù)的UPS還是采用各種電池來存儲能量。電池可提供相當(dāng)數(shù)量的能量，幾乎能夠在瞬時間提供電力。如果UPS需要可靠運(yùn)行，最重要的是電池不僅要充滿電，而且要狀況良好。

電池的使用壽命有限。如果環(huán)境條件（尤其溫度）超出最適宜的范圍，那么電池的使用壽命會大大縮短。大多數(shù)設(shè)備內(nèi)的電池一般會根據(jù)保修規(guī)定的固定間隔時間（通常每5年）定期更換。但是這種方法也有缺陷，那就是電池在預(yù)期環(huán)境條件范圍之外使用時會很快沒電，而保養(yǎng)良好的電池使用壽命會更長。

現(xiàn)代的UPS要求提供更高的功率輸出，因此需要很多電池。在大型電池組中，單個電池失效會導(dǎo)致整組電池失效。大型和中型UPS會進(jìn)行冗余，以便確保電池組失效不會導(dǎo)致整個UPS失效。與此同時，UPS會繼續(xù)運(yùn)行，輸出的峰值電流會減小，系統(tǒng)采用UPS能夠運(yùn)行的時間會縮短。而且，失效電池還會對電池組中的其他電池組塊產(chǎn)生影響，從而縮短這些電池組塊的使用壽命。

電池監(jiān)測和保養(yǎng)代表了與運(yùn)行UPS相關(guān)的一項(xiàng)重要成本。一般來說，工程師會定期（可能每個月）到現(xiàn)場巡查，對裝置內(nèi)電池的電氣特性進(jìn)行測量。工程師通常會測量電池的電壓，以鑒別電池是否超范圍使用，如果超出范圍則進(jìn)行更換。輸出電壓未必是電池失效的良好指標(biāo)，因此在兩次常規(guī)巡查之間電池可能會發(fā)生故障，工程師需要進(jìn)行額外的巡查。

對電池進(jìn)行在線監(jiān)測一方面減少了工程師實(shí)際到現(xiàn)場檢查每塊電池狀態(tài)的時間，提高了現(xiàn)場巡查的效率，因此縮減了成本；另一方面，在線監(jiān)測還實(shí)現(xiàn)了預(yù)防性維護(hù)。通過對可能的故障進(jìn)行鑒別，工程師在常規(guī)巡查過程中即可以換出故障電池，從而確保裝置運(yùn)行更可靠，工程師也無需再進(jìn)行緊急巡查。

萊姆使用Sentinel電池監(jiān)測系統(tǒng)對配有800 kVA UPS的廣播設(shè)備中的電池進(jìn)行測量。圖1給出了一組電池組中的幾個電池的輸出電壓。在這個例子中，每個電池組具有200 塊單體電池，能夠提供大440V的電壓。電壓變化很大，主要是由于電池條件配置不正確，這一點(diǎn)將在后文進(jìn)行討論。

圖形清晰地顯示了一塊電池輸出2 V電壓，而不是常規(guī)的 2.2 V電壓。盡管一塊電池產(chǎn)生的電壓比預(yù)期的電壓要低，但是差別卻相當(dāng)小而且很穩(wěn)定。這種性能很常見，使得采用輸出電壓作為預(yù)測失效的指標(biāo)不再可靠，這是由于電壓值可以保持在閾值范圍之內(nèi)，因此不會觸發(fā)報警器。

圖1 電池輸出電壓

在這個例子中，采用了Sentinel電池監(jiān)測系統(tǒng)對預(yù)定保養(yǎng)方案的有效性進(jìn)行評估，目的并非是提示潛在的問題。由于未采取任何措施，圖2顯示了10月9日電池徹底失效的情形。請注意，在電池電壓降低到0.7 V之前，故障電池的電壓還是保持不變，未出現(xiàn)任何可能失效的跡象。11月19日更換電池后，電池電壓恢復(fù)到正常值。

圖2 電池失效

由于在電池失效之前輸出電壓并未出現(xiàn)任何變化，因此輸出電壓并不是可能失效的良好指標(biāo)。電池的另外一個特征參數(shù)阻抗是一個更好的指標(biāo)，如圖3所示。該圖形舉例說明了6月份上升的阻抗在7月初提高超過20%。變化趨勢容易檢測：對阻抗進(jìn)行測量可在電池失效前三個月就能發(fā)現(xiàn)問題。如果客戶使用了阻抗數(shù)據(jù)，在電池變質(zhì)導(dǎo)致失效之前的常規(guī)預(yù)防性保養(yǎng)過程中就能更換電池。

圖3 電池阻抗預(yù)測失效

對電池進(jìn)行長期監(jiān)測為改善UPS的可靠性提供了更多有用的信息。例如，在圖1中，我們可以明顯地看到有大量的充電/放電過程（電壓軌跡上的多個尖峰所示）。盡管所有的電池都需要進(jìn)行調(diào)理，但是電池放電太過頻繁，每個月都要放電4到5次。在一些電池調(diào)理延長使用壽命的同時，太多的放電過程會縮短使用壽命：一次正常的配置每年僅會循環(huán)兩到三次。通常情況下，電池質(zhì)保使用壽命為20到50個循環(huán)。在這種情況下，我們在考慮電池在僅僅幾個月中就可能超過這個質(zhì)保過程，而每5年更換一次電池的方案可能意味著電池需要經(jīng)歷比設(shè)計(jì)承受的放電過程多幾倍的放電過程。

該現(xiàn)場頻繁的充電/放電過程是由于安裝工將UPS留置在試運(yùn)行模式而造成，這種模式使得電池不斷地循環(huán)充電以便進(jìn)行測試。這個出乎意料的常見錯誤可能極大地縮短電池使用壽命。在工程師對連續(xù)自動監(jiān)測的現(xiàn)場進(jìn)行巡查過程中，錯誤配置可能表現(xiàn)不明顯，但是產(chǎn)生的問題卻很明顯。

電池使用壽命縮短的另外一個原因是高溫。即使溫度只升高一點(diǎn)點(diǎn)，也會造成電池內(nèi)不必要的化學(xué)反應(yīng)概率增加，最終導(dǎo)致電池失效。一般來說，電池制造商會提示電池的使用溫度為20 °C。圖4給出了該系統(tǒng)中隨時間變化的環(huán)境溫度，在其中一點(diǎn)上溫度達(dá)到了22 °C?？照{(diào)系統(tǒng)未能將溫度保持在可接受的范圍之內(nèi)，這樣的結(jié)果是導(dǎo)致電池使用壽命縮短。而且溫度升高可使電池制造商的質(zhì)保無效。

圖4 溫度監(jiān)測

我們發(fā)現(xiàn)，通過使用比如萊姆生產(chǎn)的Sentinel裝置對電池進(jìn)行長期監(jiān)測，除了通過使工程師現(xiàn)場巡查更有效而降低成本之外，還有很多優(yōu)點(diǎn)。在這個示例中，對電池阻抗進(jìn)行自動監(jiān)測可在電池變成無效之前三個月就可鑒別出即將失效的電池。

連續(xù)監(jiān)測也使鑒別UPS配置問題變得簡單：特別是可能極大縮短電池壽命的不正確充電/放電頻率。監(jiān)測同時也測量環(huán)境條件，從而確保了電池壽命不會由于高溫的影響而縮短。

對電池進(jìn)行長期監(jiān)測可使電池的壽命達(dá)到最長，確保無需過早更換電池組以及確保對變質(zhì)的電池進(jìn)行早期檢測從而在電池組沒電之前進(jìn)行更換等措施降低了電池失效的風(fēng)險以及節(jié)省了資金。盡管諸如UPS等關(guān)鍵的裝置通常不是節(jié)省成本的第一目標(biāo)，但是用戶將裝置轉(zhuǎn)變成長期在線監(jiān)測非常重要，因?yàn)檫@樣不僅能夠削減成本，還能夠增加裝置的可靠性。