完善的測量與分析成就經(jīng)濟(jì)實(shí)用的備用電池監(jiān)測方案 2011-04-29 22:33:47來源:互聯(lián)網(wǎng)

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支撐當(dāng)代社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施必須以非常高的可靠性運(yùn)行?；ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)器群和通信交換中心為了保證近乎100％的“無故障運(yùn)行時(shí)間”或系統(tǒng)可用性，它們大多都依賴一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)——鉛酸電池，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心采用的卻是高新技術(shù)。通常，這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和許多其他重要部門均配備備用電源，備用電源的第一層一般是逆變器，逆變器對閥控鉛酸（VRLA）電池或性能類似的密封式膠體電池組裝的電池組提供電源轉(zhuǎn)換。

　　這項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)之所以廣為應(yīng)用，有很多原因，尤其是鉛酸電池經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且具備杰出的可靠性。不過雖然杰出卻并不完美。VRLA電池使用壽命有限（設(shè)計(jì)壽命一般為12年），通常關(guān)鍵系統(tǒng)使用這種電池作為備用電源，不過定期更換。故障可能、確實(shí)時(shí)有發(fā)生。在一個(gè)典型的備用電源系統(tǒng)中，這種電池的作用正如其名—它們始終保持完全充滿電的狀態(tài)等待主電源失效。而完全充滿電狀態(tài)則通過連續(xù)的小電流“浮”充電維持。如果浮充電流低于某設(shè)定限值，則電池內(nèi)部電解產(chǎn)生的氣體就會(huì)再化合。在這種情況下，浮充電壓即使略高于單個(gè)電池標(biāo)準(zhǔn)值2.27 V，也有可能損壞電池。小幅過電壓將導(dǎo)致電解液析出多于再化合處理量的更多氣體，這些未被處理的氣體會(huì)通過安全閥溢出。如果電池溫度過高，即使充電電壓適當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致電解液損耗。

　　其他失效模式包括早期硫酸化、極柱和板柵連接不良、極板和板柵連接不良、電解液層化及板柵加速腐蝕。另外還有一種雖然少卻是災(zāi)難性的失效模式——熱失控，這是VRLA和膠體電池所特有的一種失效模式，可以引起爆炸起火。防范熱失控的唯一方法是監(jiān)測電池內(nèi)部溫度。

　　僅僅監(jiān)測電池電壓對檢測鉛酸電池容量下降所起的作用非常有限，這一點(diǎn)已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)公認(rèn)。當(dāng)電池性能正在下降時(shí)，通常呈現(xiàn)的是標(biāo)稱電壓，直到釋放大電流時(shí)方能顯現(xiàn)出來，而這時(shí)它的容量已經(jīng)嚴(yán)重降低，端電壓過早跌落。通過測量電解液確切比重來確定電池狀態(tài)，這種方法對密封VRLA或膠體電池不適用；常規(guī)上，檢驗(yàn)電池容量采用的唯一辦法是將整個(gè)電池組放電至受控狀態(tài)以下，不過這種方法需要電池停止使用。此外，深度放電還會(huì)降低鉛酸電池的壽命；在定期對其備用電池進(jìn)行放電測試以及其主電源具備高可靠性的系統(tǒng)上，大多采用這種測試方案確定電池使用壽命。

　　近來，可以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的非介入式電子法可以檢測單個(gè)電池的臨近失效狀態(tài)，這種方法既能節(jié)約成本，又能維持整個(gè)系統(tǒng)的可用性。此類系統(tǒng)的前身通常測量電池或電池組（電池行業(yè)術(shù)語，指封裝于同一殼體內(nèi)的多個(gè)電池）電壓—盡管其局限性眾所周知—加上充/放電流和周圍溫度。一些系統(tǒng)試圖測量或推測電池內(nèi)阻，其成效各有不同。

　　LEM的Sentinel系統(tǒng)是基于依賴簡單的基本參數(shù)模擬測量進(jìn)行轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第3代即Sentinel III。它在單片定制設(shè)計(jì)的SoC（系統(tǒng)芯片）集成電路上整合了模擬和數(shù)字技術(shù)。該裝置配置在一個(gè)測量端電壓、電池內(nèi)部溫度以及內(nèi)部阻抗的模塊內(nèi)，對于可以提供精確測量結(jié)果、費(fèi)用又在大多數(shù)備用系統(tǒng)配置能承受的預(yù)算范圍內(nèi)的系統(tǒng)而言，它是設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)關(guān)鍵要素。

電池溫度和/或以指數(shù)方式增長的內(nèi)部阻抗值（圖1），它們是臨近失效的指示，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的趨勢，識(shí)別潛在的臨近失效。所有Sentinel III模塊都配置有一個(gè)外部溫度測量探頭或貼片，可以直接貼在單個(gè)電池或電池組的外殼上，以盡可能準(zhǔn)確地跟蹤電池溫度。

圖1 電池內(nèi)部阻抗并非是臨近失效的有效指示。指數(shù)曲線意味著，早期失效難以察覺，但是后期性能劣化非?？?。

　　電池正被使用或正在充電時(shí)，可以采用一項(xiàng)成熟的技術(shù)評定內(nèi)部阻抗。通常，在浮充直流電壓上疊加微弱的交流電壓，測量此時(shí)的交流電壓和電流，然后根據(jù)測量結(jié)果推算內(nèi)部阻抗，具體實(shí)施方法各有不同。不過這種方法有一定的局限性，它只能處理指數(shù)曲線形狀。而即將失效的單個(gè)電池在失效過程中，在數(shù)據(jù)記錄器識(shí)別其失效趨勢以前，顯現(xiàn)良好的狀態(tài)；相反地，到失效問題出現(xiàn)時(shí)，這個(gè)電池可能在短期內(nèi)就會(huì)完全失效。

　　LEM開發(fā)了一種更成熟的算法，這種算法可以盡早檢測出正在衰減的單個(gè)電池的性能。該成果是一種非?？煽康臏y試方法，它能徹底穿透單個(gè)電池的能量層，確保最大程度的可靠性。它以俗稱的Randles等效電路為基礎(chǔ)，將電化學(xué)電池表現(xiàn)為一個(gè)由電學(xué)元件組成的電路網(wǎng)，每個(gè)電學(xué)元件都與構(gòu)成單個(gè)電池的一個(gè)物理因素相關(guān)。（參見圖板）