連續電池監測可以提高UPS可靠性、降低成本

西方社會(huì )越來(lái)越習慣于接受可靠性非常高的基礎服務(wù)。我們希望，像電力網(wǎng)、電信和IT網(wǎng)絡(luò )之類(lèi)的基礎設施在我們需要的時(shí)候能夠隨時(shí)提供服務(wù)，一旦出現故障或者服務(wù)提供商提供的服務(wù)不能達到要求，我們就會(huì )認為其服務(wù)水平嚴重不足。我們有時(shí)（談到“5個(gè)9”或“6個(gè)9” 的有效性，但通常沒(méi)有深思它們的真正含義。實(shí)際上，99.999%的有效性意味著(zhù)1年內的停電時(shí)間約為5分鐘；而“6個(gè)9”只允許1年內的停電時(shí)間為半分鐘。

因此，許多關(guān)鍵基礎設施和商業(yè)系統都采用不間斷電源（UPS）作為備用電力。當電力設施停電時(shí)，準確轉換到UPS供電給現場(chǎng)電源。UPS市場(chǎng)專(zhuān)門(mén)服務(wù)于小容量系統，從1 kVA或者更低到幾十kVA，可以支持1、2臺計算機工作；以及幾十到幾百kVA的中型設備，用于支持辦公建筑的IT基礎設施。最近幾年出現了許多功率為幾百萬(wàn)瓦的大型設備，用于支持數據中心和確保在線(xiàn)服務(wù)的持續有效性。最近幾月甚至幾年，大型服務(wù)器農場(chǎng)和數據中心已經(jīng)成為最主要的應用，UPS也繼續為建立已久的關(guān)鍵系統市場(chǎng)服務(wù)：例如手術(shù)室和空中交通管制。

UPS按照其功率輸出分類(lèi)，與其容量無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)與它們的供電時(shí)長(cháng)有關(guān)。UPS可以用于長(cháng)時(shí)間替代電源供電，長(cháng)達幾個(gè)小時(shí)；或者僅用于提供“橋接”電源，即電源失效時(shí)立即開(kāi)始供電，直到柴油發(fā)電機之類(lèi)的電源啟動(dòng)并達到穩定輸出后停止供電，供電時(shí)間只有幾秒鐘或幾分鐘。還存在另外一種短期應用模式，不僅需要UPS支持連續運行，還需要UPS提供充足的電源以便確?？蛻?hù)系統的預定關(guān)閉。

電池組為大部分UPS供電

雖然UPS可以采用其他技術(shù)（比如飛輪儲能），但是大部分UPS仍然采用電池組儲能。電池組不僅可以提供可觀(guān)的容量，而且幾乎能夠在瞬間供電。要使UPS可靠運行，必須使電池組充滿(mǎn)電并且狀態(tài)良好。

盡管電池技術(shù)在其他領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多進(jìn)步，但UPS中采用的電池仍然是最古老的化學(xué)鉛酸電池。因為諸多原因，在備用電源中鉛酸電池一直未能被取代。就每單元存儲的電量而言，鉛酸電池的能量密度高（雖然以今天的標準來(lái)衡量并不突出）；它們的功率密度非常高，能夠根據需要輸送大電流而不會(huì )損壞；雖然它們的重量比較大，不適用于許多便攜式場(chǎng)合，但是對于UPS設備的影響并不大；尤其是，可能因為它們的成本比較低。此外，從今天的環(huán)境敏感度來(lái)看，鉛酸電池幾乎全部成分都與“綠色”相關(guān)，尤其是鉛，可以完全循環(huán)再用。

鉛酸電池的充電和壽命周期特性也非常適合UPS使用。VRLA（閥控鉛酸）電池不僅可以容許連續“浮”充，而且只要始終保持在充滿(mǎn)電并很少深度放電時(shí)，它的使用壽命可以達到最大。不過(guò)，電池組的使用壽命有限，如果環(huán)境條件（尤其溫度）超出最適宜的范圍，電池壽命就會(huì )相當程度地縮短。大多數設備上的電池可以根據保質(zhì)期定期進(jìn)行更換，通常是每5年更換一次。但是這種方法存在缺陷：在非預期環(huán)境條件下運行的電池可能失效更快，而受到良好維護的電池的使用壽命可能會(huì )更長(cháng)。

容錯

現代的UPS需要提供高功率輸出，因此需要許多電池單元大規模的串聯(lián)，單個(gè)電池單元的失效可以導致整個(gè)串聯(lián)電池組的失效。大型和中型UPS通過(guò)執行冗余來(lái)確保單個(gè)電池失效不會(huì )導致整個(gè)UPS失效。而UPS仍將繼續運行，不過(guò)輸出的的峰電流會(huì )減小，系統使用UPS能夠運行的時(shí)間會(huì )縮短。此外，失效的電池還可能損壞電池組內其他單元，降低它們的使用壽命。

電池監測和維護體現了與UPS運行相關(guān)的一項重要成本。通常，工程師需要定期（可能按月）巡查現場(chǎng)，以便測量系統內電池的電氣特性。通常通過(guò)測量電池電壓，來(lái)鑒別運行不正常的電池并進(jìn)行更換。輸出電壓并不能始終有效地預測電池失效。當電池的端電壓顯著(zhù)低于其標稱(chēng)值時(shí)，很容易鑒別該電池可能會(huì )失效，但鉛酸電池在其容量降低時(shí)或在其失效早期，仍然能夠表現出滿(mǎn)意的端電壓。因此，電池也可能在定期維護周期之間失效，所以需要工程師進(jìn)行額外巡查。

持續監測降低成本

對電池進(jìn)行持續監測，一方面可以縮短工程師對每組電池狀態(tài)親身檢查的時(shí)間，從而提高他們的現場(chǎng)巡查效率，另一方面可以實(shí)現預防性維護。通過(guò)鑒別電池的潛在失效，工程師可以在例行巡查過(guò)程中換下電池，從而保證更高的可靠性，同時(shí)也避免了程師進(jìn)行緊急巡查。

圖1：持續監測系統測得的電池單元的輸出電壓

圖1標示出對配置一臺800kVAUPS的廣播設備上的電池進(jìn)行測量的綜合監測結果。圖形指示出一組聯(lián)電池組中幾個(gè)單體電池的輸出電壓。在這個(gè)例子中，每個(gè)串聯(lián)電池組由200塊單體電池（在其他文章中，單體電池也被稱(chēng)之為電池組：封裝在一個(gè)外殼內的多個(gè)電池單元）組成，能夠提供大約440V的電壓。電壓存在相當大的波動(dòng)，因為電池組配置不正確：這一點(diǎn)將在下文進(jìn)行討論。

圖中明確地指出，一個(gè)電池單元提供的電壓為2V，而不是標稱(chēng)的2.2V。雖然電池提供的電壓比預期的低，不過(guò)這種差別相對較?。ㄔ谡＝邮芊秶鷥龋?，而且是穩定的。這種特性很典型，采用輸出電壓作為電池即將失效的指標不再可靠，因為電壓值可以保持在閥值范圍內，因此不會(huì )觸發(fā)報警。這就是發(fā)生在這個(gè)例子中的；在收集這些數據時(shí)，監測系統用于*估定期維護方案的有效性，而不是用于警告潛在的問(wèn)題。由于沒(méi)有采取任何措施，該電池單元后來(lái)在圖2所覆蓋的時(shí)期內嚴重失效；水平軸表示測試進(jìn)行的日期。不過(guò)，在失效點(diǎn)（電池單元電壓下降至0.7V）以前，故障電池組的電壓從本質(zhì)上保持恒定，沒(méi)有任何即將失效的跡象。最后，維護人員在11月更換了該單體電池，隨后電壓恢復到整個(gè)電池陣列的平均值水平。

圖2：電池單元徹底失效－失效前電壓幾乎沒(méi)有降低

這些證明，輸出電壓不能準確預告可能發(fā)生的失效：而另一個(gè)參數阻抗才是更好的指標。如圖3所示，圖形表明阻抗在6月份呈上升趨勢，到7月初該值增長(cháng)了20％以上。這種趨勢很容易表明：對阻抗進(jìn)行測量可以在電池失效前3個(gè)月就能發(fā)現問(wèn)題。利用該數據，可以在定期預防維護過(guò)程中更換該電池，而無(wú)需等它劣化致失效。

圖3：對電池單元阻抗軌跡的回顧調查證明，阻抗是更好的失效預測指標

在線(xiàn)阻抗測量

電壓測量很簡(jiǎn)單，電池單運行時(shí)即可進(jìn)行；利用最新監測技術(shù)，阻抗也可以采用非干擾式方法準確測量。這些圖形疊加顯示了進(jìn)行定期測量的監測系統的輸出，結果位于浮充電壓上方，是一種特定頻率特性的校準波形。在這些頻率下測量的電壓和電流反映了電池組的基本性能。測試的波形體現了電池單元性能的任何潛在變化，不過(guò)盡管如此，只考慮測試電壓給出的警告有限，直到失效點(diǎn)。

對電池進(jìn)行持續監測還為提高UPS的可靠性提供了其他有用信息。如圖1所示，很顯然有許多充電/放電周期（通過(guò)電壓軌跡上的脈沖體現）。盡管所有電池組都需要進(jìn)行調節，但是這個(gè)電池組的放電過(guò)于頻繁，每月放電4-5次。同時(shí)，進(jìn)行一定的電池調節可以延長(cháng)壽命，但過(guò)多的放電周期會(huì )降低壽命：正常配置放電周期為每年兩到三次。通常情況下，電池單元質(zhì)保使用壽命為20到50個(gè)周期。在這種情況下，我們在考慮電池僅僅幾個(gè)月后就可能超過(guò)這個(gè)質(zhì)保，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)歷比設計擔保多幾倍的放電周期。

現場(chǎng)頻繁的充電/放電周期是由于安裝人員將UPS設置在試運行模式而造成的，這種模式使電池頻繁地循環(huán)充電以便進(jìn)行測試。這個(gè)出乎意料的常見(jiàn)錯誤會(huì )大幅度縮短電池使用壽命。在工程師連續自動(dòng)監測中，錯誤設置可能表現不明顯，但是產(chǎn)生的問(wèn)題卻很明顯。

導致電池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)，也會(huì )造成電池內不必要的化學(xué)反應概率的增加，最終導致電池失效。一般來(lái)說(shuō)，電池制造商會(huì )提到電池的使用溫度為20 °C。圖4指出了系統中隨時(shí)間變化的環(huán)境溫度，在其中一點(diǎn)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，這樣會(huì )導致電池壽命縮短。而且溫度升高可使電池制造商的質(zhì)保無(wú)效。

圖4：采用同一系統收集溫度監測數據，超出溫度范圍發(fā)出警報

我們發(fā)現，通過(guò)監測系統對電池進(jìn)行長(cháng)期的監測