蓄電池持續(xù)監(jiān)測可以讓不間斷電源（UPS）隨時(shí)使用

上傳時(shí)間：2010-10-26 11:05:58
摘要：文章分析了閥控鉛酸蓄電池（VRLA）失效的主要原因，持續(xù)監(jiān)測是防止不間斷電源（UPS）系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)的解決方案；介紹了先進(jìn)的可持續(xù)監(jiān)測的Sentinel阻抗測試方法。 敘詞：閥控鉛酸蓄電池（VRLA） 失效 Sentinel 持續(xù)監(jiān)測 阻抗 Abstract：The paper analyzes major causes of VRLA invalidity, proposing that constant monitoring is the solution to preventing UPS from malfunction. The author introduces advanced Sentinel Impedance Testing Solution that can have constant monitoring. Keyword：VRLA, Invalidity, Sentinel, Constant Monitoring, Impedance
1 前言

越來越依賴技術(shù)為我們提供安全感：相機(jī)、應(yīng)急電話甚至安全照明都給人可靠的感覺，讓我們明白，如果需要，可以隨時(shí)使用它們。確保緊急情況下的可用性依賴于不出差錯(cuò)的電源，這相應(yīng)意味著高品質(zhì)的備用電池。但是，如何知道備用電池真的不出差錯(cuò)呢？

這個(gè)問題困擾著依賴電池提供應(yīng)急電源的設(shè)備制造商。如何知道在最需要的時(shí)候，它能夠發(fā)揮作用，這對(duì)于不間斷電源（UPS）制造商尤其重要，因?yàn)閁PS的唯一用途是在主電源發(fā)生故障時(shí)確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或醫(yī)療設(shè)備的電力供應(yīng)。在這些情況下，電力提供和在確定的時(shí)間與供給容差范圍內(nèi)供電是極其必要的。

大多數(shù)備用電池使用多個(gè)閥控鉛酸蓄電池（VRLA）做成整體電池組。雖然稱作“免維護(hù)”，但這項(xiàng)技術(shù)有眾所周知的不足，其中的任何一個(gè)都可能造成電池低效甚至完全不起作用。

因此，弱、老化或其他“不健康”的電池構(gòu)成這些系統(tǒng)的嚴(yán)重危險(xiǎn)，需要定期維護(hù)檢查它們的健康狀態(tài)（SOH）與荷電狀態(tài)（SOC）。不論這些維護(hù)多么頻繁，在維護(hù)檢查間隙仍有發(fā)生電池故障的風(fēng)險(xiǎn)。為了克服這種狀況，一些公司正轉(zhuǎn)向提供持續(xù)原位SOH和SOC監(jiān)測的系統(tǒng)。

2 持續(xù)監(jiān)測

持續(xù)監(jiān)測似乎是個(gè)簡單的解決辦法，但在現(xiàn)實(shí)中面臨經(jīng)濟(jì)上的難題。持續(xù)監(jiān)測方案通常需要增加50%的電池成本，如果把安裝和運(yùn)行考慮在內(nèi)，增加比例甚至高達(dá)70%。面對(duì)這么高的成本，在提示電池壽命終結(jié)的平均無故障時(shí)間（MTBF）之前定期更換電池，可能是更經(jīng)濟(jì)的做法。然而，和例行維護(hù)一樣，這也充滿不確定性，因?yàn)榄h(huán)境條件對(duì)電池的MTBF有很大影響。

制造商因而把目光轉(zhuǎn)向低成本的持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，全面診斷電池在各個(gè)條件下的SOH和SOC。2007年3月，供應(yīng)這類智能變送器的專業(yè)公司LEM與密封及排氣式鉛酸電池診斷和管理領(lǐng)域領(lǐng)先的權(quán)威機(jī)構(gòu)RWTH亞琛大學(xué)合作，確立了先進(jìn)的低成本電池監(jiān)測管理的發(fā)展方向。

在其他制造商追逐更“時(shí)尚”的電池技術(shù)時(shí)，RWTH亞琛大學(xué)則已建立起技術(shù)中心并增強(qiáng)其力量，集中研究最為成熟和普遍銷售的電池化學(xué)工藝。LEM-亞琛結(jié)成長期合作關(guān)系，共同研究VRLA富液和膠體電池的故障模式，開發(fā)包括SOH和SOC在內(nèi)的下一代監(jiān)測與分析系統(tǒng)。

通過這種合作和了解用戶需要，LEM持續(xù)開發(fā)用于持續(xù)監(jiān)測的“Sentinel”解決方案，終于研制出最新一代產(chǎn)品Sentinel III。Sentinel能夠測量電池電壓、內(nèi)部溫度和內(nèi)部阻抗，其診斷測量水準(zhǔn)可媲美高度復(fù)雜且昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但成本因素使其可用作持續(xù)監(jiān)測方案。

為了開發(fā)Sentinel，如圖1所示，LEM使用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備并選用眾多的電池樣品和品牌，進(jìn)行廣泛的研發(fā)。在這個(gè)項(xiàng)目中，Sentinel運(yùn)用和復(fù)制了電化學(xué)阻抗頻譜分析法。在解釋高性價(jià)比的單芯片解決方案中如何復(fù)制這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)之前，值得我們確切說明的是它實(shí)現(xiàn)的診斷水準(zhǔn)以及如何保護(hù)基于電池的UPS的完整性。

圖1 用于評(píng)估監(jiān)測裝置的測試設(shè)置

3 老化問題

這類系統(tǒng)大多采用鉛酸電池技術(shù)，眾所周知的技術(shù)缺陷是老化導(dǎo)致容量衰減，內(nèi)阻升高。不過，由于這項(xiàng)技術(shù)如此成熟，老化狀況也廣為人知，因而能夠通過探測幾種情況確定老化狀況。

容量降低是尤其普遍的影響之一，這基本是電池的使用模式造成的。在UPS內(nèi)部，電池以高電流放電，導(dǎo)致電極上生成大的晶體。可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電池，部分地控制這種狀況，但事實(shí)證明在嚴(yán)重情況下這是不可逆的。這種情況也會(huì)生成小的晶體，稱作“樹枝晶”，如果沒有探測到的話，可能會(huì)連在一起造成電池短路。

內(nèi)部腐蝕使端子的薄片落到電極上，也可能造成短路。導(dǎo)致腐蝕的重要因素包括溫度、電壓和局部酸液濃度，通常影響正極端子。這些老化效應(yīng)都導(dǎo)致電池容量或電量損失，因此任何一種診斷都必須能夠鑒別它們，以便在災(zāi)難性故障發(fā)生之前采取適當(dāng)行動(dòng)。

以上效應(yīng)導(dǎo)致電池容量或電量降低。任何一類診斷都應(yīng)當(dāng)以鑒別這些老化效應(yīng)為目標(biāo)。

在已進(jìn)行的測試中，使用電化學(xué)阻抗譜（RWTH亞琛大學(xué)的EISmeter分析儀）進(jìn)行全譜測量，運(yùn)用一系列的正弦波形測量電池，測得整個(gè)頻譜的阻抗。通過傅立葉分析計(jì)算給定頻率的實(shí)際和假想的電壓響應(yīng)部分，得出測量結(jié)果。通過分析電壓響應(yīng)與勵(lì)磁電流的幅角及相角關(guān)系，獲得復(fù)雜的阻抗結(jié)果。

對(duì)于Sentinel解決方案而言，這是不切實(shí)際的，因?yàn)樽龅竭@一點(diǎn)所需的處理能力會(huì)使持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的任何解決方案失去商業(yè)可行性。因此，我們面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)這樣一種方法：只能使用一種頻率進(jìn)行測量，但能獲得堪比EISmeter的結(jié)果。

4 趨勢分析

測量結(jié)果顯示，用EISmeter和用Sentinel測得的兩個(gè)數(shù)值非常一致。雖然使用Sentinel反饋的數(shù)值稍高，但這容易通過校準(zhǔn)予以補(bǔ)償。但是，基于電池診斷的目的，對(duì)于重要性來說，這種偏差是相對(duì)而非絕對(duì)的。由于測量是持續(xù)進(jìn)行的，因此，重要的是從結(jié)果中清楚看出趨勢數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)加上均采用單一集成電路測得的溫度和電壓值，構(gòu)成Sentinel解決方案的信息基礎(chǔ)。

Sentinel是第一個(gè)用于監(jiān)測VRLA和富液電池的單塊集成電路（系統(tǒng)芯片），能夠測量單個(gè)電池和整個(gè)電池的內(nèi)部溫度、電壓和標(biāo)準(zhǔn)阻抗。每個(gè)Sentinel III模塊監(jiān)測標(biāo)稱電壓在0.9V到16V之間的單個(gè)電池或電池組，通過S-BUS總線的通訊總線向S-BOX的數(shù)據(jù)記錄器報(bào)告數(shù)據(jù)。

Sentinel的功能是取得測試的關(guān)鍵電氣參數(shù)，以確定電池能否在主電源發(fā)生故障時(shí)發(fā)揮作用。

單個(gè)串行總線最多可以接入250個(gè)而最多設(shè)定為六組的Sentinel模塊，最多可監(jiān)測六條浮動(dòng)/放電電流，使安裝變得極其輕松，只需使用預(yù)設(shè)端子的數(shù)據(jù)總線電纜將插頭插入插座即可。

每個(gè)Sentinel都有溫度測量工具，持續(xù)測量直接固定在電池盒上的傳感器片探測到的單個(gè)電芯的外表溫度。這對(duì)于探測潛在的熱失控來說是不可或缺的，也使智能溫控測量單個(gè)電池溫度，使繪制電池溫度分布成為可能。在此之前，這還是一項(xiàng)費(fèi)用昂貴的附加服務(wù)。
LEM獨(dú)一無二的真實(shí)能量層阻抗測量法以及更強(qiáng)大耐久的測試電流，確保每次測得的結(jié)果準(zhǔn)確且可重復(fù)。采用設(shè)定頻率通過對(duì)整個(gè)電池進(jìn)行多次“短時(shí)微放電”測量阻抗，阻抗與頻率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 阻抗與頻率的關(guān)系

圖3 阻抗波形

圖4 Sentinel III

起初，這個(gè)單一的較長預(yù)處理脈沖動(dòng)作在開始繪制測量脈沖之前，把電芯帶入正確的“能量層”狀態(tài)。后者生成不同的電芯電壓響應(yīng)，結(jié)合脈沖電流參照值，提供阻抗值。

Sentinel的阻抗測試方法只涉及所測試的電芯。不需要通過電池部件的高電流，并且內(nèi)阻測量過程不干擾直流線路。

這是首次在單芯或整個(gè)電池監(jiān)測中綜合測量溫度、阻抗和電壓。Sentinel III（外形見圖4）系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量溫度（誤差+/- 2°C，測量范圍為 –10°C to +70°C）、放電（動(dòng)態(tài)）（+/-0.5%）和浮動(dòng)（靜態(tài)）電壓及紋波電流，是目前在售的最全面的電池監(jiān)測系統(tǒng)。

另外在設(shè)計(jì)上，Sentinel III安裝簡單，花費(fèi)的時(shí)間約為安裝其他系統(tǒng)所需時(shí)間的四分之一。這是通過單片電路設(shè)計(jì)和簡化通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。各獨(dú)立單元采用LEM 的 S-BUS總線的專有通訊總線，獨(dú)立運(yùn)行，卻由S-BOX的中央智能單元直接控制。監(jiān)控器和數(shù)據(jù)記錄器有全面的警報(bào)參數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置（見圖5）。

圖5 S-BOX、監(jiān)控器和電池?cái)?shù)據(jù)記錄器

正是詳細(xì)的測量加上智能化的數(shù)據(jù)分析，才能提供關(guān)于真實(shí)電池狀況和可用性的可靠報(bào)告。Sentinel III提供電芯或整個(gè)電池的準(zhǔn)確溫度、電壓和阻抗數(shù)據(jù)。中央數(shù)據(jù)記錄與分析單元的軟件跟蹤一定時(shí)間的數(shù)據(jù)變化情況，提取趨勢信息，隨時(shí)向用戶提供備用電池投入使用后的真實(shí)性能。在單個(gè)電芯或整個(gè)電池層面，系統(tǒng)鑒別出故障的電池組件，針對(duì)完全失效生成警報(bào)，并請求進(jìn)行人工檢驗(yàn)。由于S-BOX盒也接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可通過互聯(lián)網(wǎng)查看所有的性能、趨勢和警報(bào)數(shù)據(jù)；以標(biāo)準(zhǔn)信息形式提供非緊急狀態(tài)更新數(shù)據(jù)，使管理員可從世界任何地方監(jiān)測裝置。

由于Sentinel本身由受監(jiān)測的電池供電，因此設(shè)計(jì)上在多數(shù)時(shí)間維持“睡眠”模式，只在進(jìn)行測量時(shí)才“喚醒”。喚醒周期用時(shí)不足100ms，大約每(5-10) min喚醒一次。鑒于Sentinel III分散內(nèi)部電阻的測試載荷電流，為減小內(nèi)部溫度上升，阻抗測量周期的最短時(shí)間為10 min。與電池參數(shù)變化的時(shí)間相比，這個(gè)間隔很短，實(shí)踐中許多操作員會(huì)要求延長阻抗測量周期的間隔。因此，在絕大多數(shù)時(shí)間里，Sentinel消耗極少的主電池電量。

考慮到對(duì)復(fù)雜電子裝置依賴程度的日益加深，UPS系統(tǒng)可能更多地使用鉛酸電池。單個(gè)電芯發(fā)生故障可能引發(fā)采用UPS作為應(yīng)急電源的系統(tǒng)災(zāi)難。但是，使用LEM的Sentinel可以預(yù)測、防止系統(tǒng)災(zāi)難的發(fā)生，從而在間接損害發(fā)生之前，提早進(jìn)行高性價(jià)比的校正。

LEM堅(jiān)信，持續(xù)監(jiān)測對(duì)這些應(yīng)用有重要意義，但它的成本不應(yīng)超過電池成本的15%。因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道，大多數(shù)故障模式中是阻抗發(fā)生了變化，所以，迄今為止這是探測電池失效退化的最有效方法。為了獲得真實(shí)的讀數(shù)，必須在足以穿透當(dāng)前“表面”負(fù)荷的電流水平上測試電池，為此開發(fā)的Sentinel也能自動(dòng)優(yōu)化阻抗信號(hào)測試水平。

5 結(jié)語

Sentinel系統(tǒng)是完全自動(dòng)運(yùn)行的單芯片解決方案，為安全和關(guān)鍵應(yīng)用提供性價(jià)比極高的可靠監(jiān)測手段。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可基于單個(gè)電芯的完整性。但是，Sentinel能夠保持這種完整性，從而避免潛在的災(zāi)難性故障。

作者簡介

Pierre Turpin LEM開發(fā)工程師■