連續(xù)電池監(jiān)測(cè)可以提高UPS可靠性、降低成本

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

因此，許多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)系統(tǒng)都采用不間斷電源（UPS）作為備用電力。當(dāng)電力設(shè)施停電時(shí)，準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換到UPS供電給現(xiàn)場(chǎng)電源。UPS市場(chǎng)專門服務(wù)于小容量系統(tǒng)，從1 kVA或者更低到幾十kVA，可以支持1、2臺(tái)計(jì)算機(jī)工作；以及幾十到幾百kVA的中型設(shè)備，用于支持辦公建筑的IT基礎(chǔ)設(shè)施。最近幾年出現(xiàn)了許多功率為幾百萬瓦的大型設(shè)備，用于支持?jǐn)?shù)據(jù)中心和確保在線服務(wù)的持續(xù)有效性。最近幾月甚至幾年，大型服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)和數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為最主要的應(yīng)用，UPS也繼續(xù)為建立已久的關(guān)鍵系統(tǒng)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，與其容量無關(guān)，也就是說與它們的供電時(shí)長(zhǎng)有關(guān)。UPS可以用于長(zhǎng)時(shí)間替代電源供電，長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)；或者僅用于提供“橋接”電源，即電源失效時(shí)立即開始供電，直到柴油發(fā)電機(jī)之類的電源啟動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)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(yīng)用模式，不僅需要UPS支持連續(xù)運(yùn)行，還需要UPS提供充足的電源以便確保客戶系統(tǒng)的預(yù)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(chǔ)能），但是大部分UPS仍然采用電池組儲(chǔ)能。電池組不僅可以提供可觀的容量，而且?guī)缀跄軌蛟谒查g供電。要使UPS可靠運(yùn)行，必須使電池組充滿電并且狀態(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?yàn)橹T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(chǔ)的電量而言，鉛酸電池的能量密度高（雖然以今天的標(biāo)準(zhǔn)來衡量并不突出）；它們的功率密度非常高，能夠根據(jù)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(duì)于UPS設(shè)備的影響并不大；尤其是，可能因?yàn)樗鼈兊某杀颈容^低。此外，從今天的環(huán)境敏感度來看，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(xù)“浮”充，而且只要始終保持在充滿電并很少深度放電時(shí)，它的使用壽命可以達(dá)到最大。不過，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(dāng)程度地縮短。大多數(shù)設(shè)備上的電池可以根據(jù)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(yù)期環(huán)境條件下運(yùn)行的電池可能失效更快，而受到良好維護(hù)的電池的使用壽命可能會(huì)更長(zhǎng)。

容錯(cuò)

現(xiàn)代的UPS需要提供高功率輸出，因此需要許多電池單元大規(guī)模的串聯(lián)，單個(gè)電池單元的失效可以導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)電池組的失效。大型和中型UPS通過執(zhí)行冗余來確保單個(gè)電池失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)UPS失效。而UPS仍將繼續(xù)運(yùn)行，不過輸出的的峰電流會(huì)減小，系統(tǒng)使用UPS能夠運(yùn)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(nèi)其他單元，降低它們的使用壽命。

電池監(jiān)測(cè)和維護(hù)體現(xiàn)了與UPS運(yùn)行相關(guān)的一項(xiàng)重要成本。通常，工程師需要定期（可能按月）巡查現(xiàn)場(chǎng)，以便測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)電池的電氣特性。通常通過測(cè)量電池電壓，來鑒別運(yùn)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(yù)測(cè)電池失效。當(dāng)電池的端電壓顯著低于其標(biāo)稱值時(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(xiàn)出滿意的端電壓。因此，電池也可能在定期維護(hù)周期之間失效，所以需要工程師進(jìn)行額外巡查。

持續(xù)監(jiān)測(cè)降低成本

對(duì)電池進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，一方面可以縮短工程師對(duì)每組電池狀態(tài)親身檢查的時(shí)間，從而提高他們的現(xiàn)場(chǎng)巡查效率，另一方面可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。通過鑒別電池的潛在失效，工程師可以在例行巡查過程中換下電池，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(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的電池單元的輸出電壓

圖1標(biāo)示出對(duì)配置一臺(tái)800kVAUPS的廣播設(shè)備上的電池進(jìn)行測(cè)量的綜合監(jiān)測(cè)結(jié)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，單體電池也被稱之為電池組：封裝在一個(gè)外殼內(nèi)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(dāng)大的波動(dòng)，因?yàn)殡姵亟M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(biāo)稱的2.2V。雖然電池提供的電壓比預(yù)期的低，不過這種差別相對(duì)較?。ㄔ谡＝邮芊秶鷥?nèi)），而且是穩(wěn)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(biāo)不再可靠，因?yàn)殡妷褐悼梢员３衷陂y值范圍內(nèi)，因此不會(huì)觸發(fā)報(bào)警。這就是發(fā)生在這個(gè)例子中的；在收集這些數(shù)據(jù)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于*估定期維護(hù)方案的有效性，而不是用于警告潛在的問題。由于沒有采取任何措施，該電池單元后來在圖2所覆蓋的時(shí)期內(nèi)嚴(yán)重失效；水平軸表示測(cè)試進(jìn)行的日期。不過，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，沒有任何即將失效的跡象。最后，維護(hù)人員在11月更換了該單體電池，隨后電壓恢復(fù)到整個(gè)電池陣列的平均值水平。

圖2：電池單元徹底失效－失效前電壓幾乎沒有降低

這些證明，輸出電壓不能準(zhǔn)確預(yù)告可能發(fā)生的失效：而另一個(gè)參數(shù)阻抗才是更好的指標(biāo)。如圖3所示，圖形表明阻抗在6月份呈上升趨勢(shì)，到7月初該值增長(zhǎng)了20％以上。這種趨勢(shì)很容易表明：對(duì)阻抗進(jìn)行測(cè)量可以在電池失效前3個(gè)月就能發(fā)現(xiàn)問題。利用該數(shù)據(jù)，可以在定期預(yù)防維護(hù)過程中更換該電池，而無需等它劣化致失效。

圖3：對(duì)電池單元阻抗軌跡的回顧調(diào)查證明，阻抗是更好的失效預(yù)測(cè)指標(biāo)

在線阻抗測(cè)量

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

對(duì)電池進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)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（通過電壓軌跡上的脈沖體現(xiàn)）。盡管所有電池組都需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是這個(gè)電池組的放電過于頻繁，每月放電4-5次。同時(shí)，進(jìn)行一定的電池調(diào)節(jié)可以延長(zhǎng)壽命，但過多的放電周期會(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?cè)诳紤]電池僅僅幾個(gè)月后就可能超過這個(gè)質(zhì)保，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(jì)擔(dān)保多幾倍的放電周期。

現(xiàn)場(chǎng)頻繁的充電/放電周期是由于安裝人員將UPS設(shè)置在試運(yùn)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(cè)試。這個(gè)出乎意料的常見錯(cuò)誤會(huì)大幅度縮短電池使用壽命。在工程師連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)中，錯(cuò)誤設(shè)置可能表現(xiàn)不明顯，但是產(chǎn)生的問題卻很明顯。

導(dǎo)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(nèi)不必要的化學(xué)反應(yīng)概率的增加，最終導(dǎo)致電池失效。一般來說，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(tǒng)中隨時(shí)間變化的環(huán)境溫度，在其中一點(diǎn)溫度達(dá)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)，這樣會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短。而且溫度升高可使電池制造商的質(zhì)保無效。

圖4：采用同一系統(tǒng)收集溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，超出溫度范圍發(fā)出警報(bào)

我們發(fā)現(xiàn)，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)