采用電池監(jiān)測系統(tǒng)來提高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(dòng)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(shí)間的運(yùn)行，這使得電源供應(yīng)的可靠性成為一個(gè)關(guān)鍵性的問題。不間斷電源(UPS) 可在停電時(shí)提供備用電力，因此被廣泛用于在電網(wǎng)停電時(shí)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(chǔ)能），但是大多數(shù)的UPS還是采用各種電池來存儲(chǔ)能量。電池可提供相當(dāng)數(shù)量的能量，幾乎能夠在瞬時(shí)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(huì)大大縮短。大多數(shù)設(shè)備內(nèi)的電池一般會(huì)根據(jù)保修規(guī)定的固定間隔時(shí)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(shí)會(huì)很快沒電，而保養(yǎng)良好的電池使用壽命會(huì)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(gè)電池失效會(huì)導(dǎo)致整組電池失效。大型和中型UPS會(huì)進(jìn)行冗余，以便確保電池組失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)UPS失效。與此同時(shí)，UPS會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，輸出的峰值電流會(huì)減小，系統(tǒng)采用UPS能夠運(yùn)行的時(shí)間會(huì)縮短。而且，失效電池還會(huì)對(duì)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(huì)定期（可能每個(gè)月）到現(xiàn)場巡查，對(duì)裝置內(nèi)電池的電氣特性進(jìn)行測量。工程師通常會(huì)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(huì)發(fā)生故障，工程師需要進(jìn)行額外的巡查。

　　對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(gè)電池的輸出電壓。在這個(gè)例子中，每個(gè)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(huì)觸發(fā)報(bào)警器。

圖1 電池輸出電壓

　　在這個(gè)例子中，采用了Sentinel電池監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)預(yù)定保養(yǎng)方案的有效性進(jìn)行評(píng)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(qǐng)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(gè)特征參數(shù)阻抗是一個(gè)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(shì)容易檢測：對(duì)阻抗進(jìn)行測量可在電池失效前三個(gè)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