連續(xù)電池監(jiān)測可以提高UPS可靠性、降低成本 2011-04-28 00:54:41來源:互聯(lián)網(wǎng)
西方社會越來越習(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)場電源。UPS市場專門服務(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)長有關(guān)。UPS可以用于長時(shí)間替代電源供電，長達(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?？蛻粝到y(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損壞；雖然它們的重量比較大，不適用于許多便攜式場合，但是對于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更長。
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減小，系統(tǒng)使用UPS能夠運(yùn)行的時(shí)間會縮短。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，以便測量系統(tǒng)內(nèi)電池的電氣特性。通常通過測量電池電壓，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)測降低成本
對電池進(jìn)行持續(xù)監(jiān)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(xiàn)場巡查效率，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)測系統(tǒng)測得的電池單元的輸出電壓
圖1標(biāo)示出對配置一臺800kVAUPS的廣播設(shè)備上的電池進(jìn)行測量的綜合監(jiān)測結(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)測系統(tǒng)用于評估定期維護(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，