對電池進行監(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)備都必須實現(xiàn)最短停機時間的運行，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)運行，輸出的峰值電流會減小，系統(tǒng)采用UPS能夠運行的時間會縮短。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)代表了與運行UPS相關(guān)的一項重要成本。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，工程師需要進行額外的巡查。

對電池進行在線監(jiān)測一方面減少了工程師實際到現(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)測還實現(xiàn)了預(yù)防性維護。通過對可能的故障進行鑒別，工程師在常規(guī)巡查過程中即可以換出故障電池，從而確保裝置運行更可靠，工程師也無需再進行緊急巡查。

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，這一點將在后文進行討論。

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點，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，在其中一點上溫度達到了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。在這個示例中，對電池阻抗進行自動監(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。

對電池進行長期監(jiān)測可使電池的壽命達到最長，確保無需過早更換電池組以及確保對變質(zhì)的電池進行早期檢測從而在電池組沒電之前進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，因為這樣不僅能夠削減成本，還能夠增加裝置的可靠性。