完善的測量與分析成就經(jīng)濟實用的備用電池監(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)代社會的基礎(chǔ)設(shè)施必須以非常高的可靠性運行。互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器群和通信交換中心為了保證近乎100％的“無故障運行時間”或系統(tǒng)可用性，它們大多都依賴一項非常成熟的技術(shù)——鉛酸電池，而數(shù)據(jù)存儲中心采用的卻是高新技術(shù)。通常，這些關(guān)鍵節(jié)點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)濟實惠，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、確實時有發(fā)生。在一個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)生的氣體就會再化合。在這種情況下，浮充電壓即使略高于單個電池標(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，這一點已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)公認(rèn)。當(dāng)電池性能正在下降時，通常呈現(xiàn)的是標(biāo)稱電壓，直到釋放大電流時方能顯現(xiàn)出來，而這時它的容量已經(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，檢驗電池容量采用的唯一辦法是將整個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，深度放電還會降低鉛酸電池的壽命；在定期對其備用電池進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，可以進行連續(xù)監(jiān)測的非介入式電子法可以檢測單個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)計時一個關(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)隨時間變化的趨勢，識別潛在的臨近失效。所有Sentinel III模塊都配置有一個外部溫度測量探頭或貼片，可以直接貼在單個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，可以采用一項成熟的技術(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。而即將失效的單個電池在失效過程中，在數(shù)據(jù)記錄器識別其失效趨勢以前，顯現(xiàn)良好的狀態(tài)；相反地，到失效問題出現(xiàn)時，這個電池可能在短期內(nèi)就會完全失效。

　　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)為一個由電學(xué)元件組成的電路網(wǎng)，每個電學(xué)元件都與構(gòu)成單個電池的一個物理因素相關(guān)。（參見圖板）