對電池進(jìn)行監測改善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(lài)電子設備。從移動(dòng)通信到數據中心等多種設備都必須實(shí)現最短停機時(shí)間的運行，這使得電源供應的可靠性成為一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)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)鍵的電子設備正常運行。盡管可以應用其他的科學(xué)技術(shù)（比如飛輪儲能），但是大多數的UPS還是采用各種電池來(lái)存儲能量。電池可提供相當數量的能量，幾乎能夠在瞬時(shí)間提供電力。如果UPS需要可靠運行，最重要的是電池不僅要充滿(mǎn)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。大多數設備內的電池一般會(huì )根據保修規定的固定間隔時(shí)間（通常每5年）定期更換。但是這種方法也有缺陷，那就是電池在預期環(huán)境條件范圍之外使用時(shí)會(huì )很快沒(méi)電，而保養良好的電池使用壽命會(huì )更長(cháng)。

現代的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 )導致整個(gè)UPS失效。與此同時(shí)，UPS會(huì )繼續運行，輸出的峰值電流會(huì )減小，系統采用UPS能夠運行的時(shí)間會(huì )縮短。而且，失效電池還會(huì )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。

電池監測和保養代表了與運行UPS相關(guān)的一項重要成本。一般來(lái)說(shuō)，工程師會(huì )定期（可能每個(gè)月）到現場(chǎng)巡查，對裝置內電池的電氣特性進(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，因此在兩次常規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。

對電池進(jìn)行在線(xiàn)監測一方面減少了工程師實(shí)際到現場(chǎng)檢查每塊電池狀態(tài)的時(shí)間，提高了現場(chǎng)巡查的效率，因此縮減了成本；另一方面，在線(xiàn)監測還實(shí)現了預防性維護。通過(guò)對可能的故障進(jìn)行鑒別，工程師在常規巡查過(guò)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(wú)需再進(jìn)行緊急巡查。

萊姆使用Sentinel電池監測系統對配有800 kVA UPS的廣播設備中的電池進(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，而不是常規的 2.2 V電壓。盡管一塊電池產(chǎn)生的電壓比預期的電壓要低，但是差別卻相當小而且很穩定。這種性能很常見(jiàn)，使得采用輸出電壓作為預測失效的指標不再可靠，這是由于電壓值可以保持在閾值范圍之內，因此不會(huì )觸發(fā)報警器。

圖1 電池輸出電壓

在這個(gè)例子中，采用了Sentinel電池監測系統對預定保養方案的有效性進(jìn)行評估，目的并非是提示潛在的問(wèn)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，未出現任何可能失效的跡象。11月19日更換電池后，電池電壓恢復到正常值。

圖2 電池失效

由于在電池失效之前輸出電壓并未出現任何變化，因此輸出電壓并不是可能失效的良好指標。電池的另外一個(gè)特征參數阻抗是一個(gè)更好的指標，如圖3所示。該圖形舉例說(shuō)明了6月份上升的阻抗在7月初提高超過(guò)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(gè)月就能發(fā)現問(wèn)題。如果客戶(hù)使用了阻抗數據，在電池變質(zhì)導致失效之前的常規預防性保養過(guò)程中就能更換電池。

圖3 電池阻抗預測失效

對電池進(jìn)行長(cháng)期監測為改善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(guò)程（電壓軌跡上的多個(gè)尖峰所示）。盡管所有的電池都需要進(jìn)行調理，但是電池放電太過(guò)頻繁，每個(gè)月都要放電4到5次。在一些電池調理延長(cháng)使用壽命的同時(shí)，太多的放電過(guò)程會(huì )縮短使用壽命：一次正常的配置每年僅會(huì )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(gè)循環(huán)。在這種情況下，我們在考慮電池在僅僅幾個(gè)月中就可能超過(guò)這個(gè)質(zhì)保過(guò)程，而每5年更換一次電池的方案可能意味著(zhù)電池需要經(jīng)歷比設計承受的放電過(guò)程多幾倍的放電過(guò)程。

該現場(chǎng)頻繁的充電/放電過(guò)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(jìn)行測試。這個(gè)出乎意料的常見(jiàn)錯誤可能極大地縮短電池使用壽命。在工程師對連續自動(dòng)監測的現場(chǎng)進(jìn)行巡查過(guò)程中，錯誤配置可能表現不明顯，但是產(chǎn)生的問(wèn)題卻很明顯。

電池使用壽命縮短的另外一個(gè)原因是高溫。即使溫度只升高一點(diǎn)點(diǎn)，也會(huì )造成電池內不必要的化學(xué)反應概率增加，最終導致電池失效。一般來(lái)說(shuō)，電池制造商會(huì )提示電池的使用溫度為20 °C。圖4給出了該系統中隨時(shí)間變化的環(huán)境溫度，在其中一點(diǎn)上溫度達到了22 °C?？照{系統未能將溫度保持在可接受的范圍之內，這樣的結果是導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(wú)效。

圖4 溫度監測

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

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

對電池進(jìn)行長(cháng)期監測可使電池的壽命達到最長(cháng)，確保無(wú)需過(guò)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(méi)電之前進(jìn)行更換等措施降低了電池失效的風(fēng)險以及節省了資金。盡管諸如UPS等關(guān)鍵的裝置通常不是節省成本的第一目標，但是用戶(hù)將裝置轉變成長(cháng)期在線(xiàn)監測非常重要，因為這樣不僅能夠削減成本，還能夠增加裝置的可靠性。