不間斷電源UPS可以隨時啟用嗎？

我們越來越依賴技術(shù)為我們提供安全感：相機(jī)、應(yīng)急電話甚至安全led/' target='_blank'>照明都給人可靠的感覺，讓我們明白，如果需要，可以隨時使用它們。確保緊急情況下的可用性依賴于不出差錯的電源，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地不出差錯呢？

這個問題困擾著依賴電池提供應(yīng)急電源的設(shè)備制造商；如何知道在您最需要的時候，它能夠發(fā)揮作用？這對不間斷電源（UPS）制造商尤其重要，因為UPS的唯一用途是在主電源發(fā)生故障時確保計算機(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間和供給容差范圍內(nèi)供電是極其必要的。

大多數(shù)備用電池使用多個閥控鉛酸（VRLA）電芯做成整體電池。雖然稱作“免維護(hù)”，但這項技術(shù)有眾所周知的不足，其中的任何一個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，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。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)。

持續(xù)監(jiān)測

這似乎是個簡單的解決辦法，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%。面對這么高的成本，在提示電池壽命終結(jié)的平均無故障時間（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，因為環(huán)境條件對電池的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“時尚”的電池技術(shù)時，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（閥控鉛酸）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)驗設(shè)備并選用眾多的電池樣式和品牌，進(jìn)行廣泛的研發(fā)。在這個項目中，Sentinel運(yùn)用和復(fù)制了電化學(xué)阻抗頻譜分析法。在解釋高性價比的單芯片解決方案中如何復(fù)制這項先進(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：用于評估監(jiān)測裝置的測試設(shè)置

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。這種情況也會生成小的晶體，稱作“樹枝晶”，如果沒有探測到的話，可能會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。

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，測得整個頻譜的阻抗。通過傅立葉分析計算給定頻率的實(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)與勵磁電流的幅角及相角關(guān)系，獲得復(fù)雜的阻抗結(jié)果。

對于Sentinel解決方案而言，這是不切實(shí)際的，因為做到這一點(diǎn)所需的處理能力會使持續(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。

趨勢分析

結(jié)果所示，用EISmeter和用Sentinel測得的兩個數(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，對于重要性來說，這種偏差是相對而非絕對的。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），能夠測量單個電芯和整個電池的內(nèi)部溫度、電壓和標(biāo)準(zhǔn)阻抗。每個Sentinel III模塊監(jiān)測標(biāo)稱電壓在0.9到16伏之間的單個電芯或電池組，通過名為S-BUS總線的通訊總線向名為S-BOX的數(shù)據(jù)記錄器報告數(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)生故障時發(fā)揮作用。

單個串行總線最多可以接入250個最多設(shè)定為六組的Sentinel模塊，最多可監(jiān)測六條浮動/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電芯的外表溫度。這對于探測潛在的熱失控來說是不可或缺的，也使智能溫控充測量單個電芯溫度，使繪制電池溫度分布成為可能。在此之前，這還是一項費(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)。如圖2所示，采用設(shè)定頻率通過對整個電池進(jìn)行多次“短時微放電”測量阻抗。

圖2：阻抗波形

圖3：Sentinel III

起初，這個單一的較長預(yù)處理脈沖動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的阻抗測試方法只攝動所測試的電芯。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電池監(jiān)測中綜合測量溫度、阻抗和電壓。Sentinel III系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量溫度（誤差+/- 2?C，測量范圍為 –10 to +70?C）、放電（動態(tài)）（+/-0.5%）和浮動（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)計上，Sentinel III安裝簡單，花費(fèi)的時間約為安裝其他系統(tǒng)所需時間的四分之一。這是通過單片電路設(shè)計和簡化通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。各獨(dú)立單元采用LEM稱作S-BUS總線的專有通訊總線，獨(dú)立運(yùn)行，卻由稱作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參數(shù)和數(shù)據(jù)存儲裝置（見圖4）。

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告。Sentinel III提供電芯或整個電池的準(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間的數(shù)據(jù)變化情況，提取趨勢信息，隨時向用戶提供備用電池投入使用后的真實(shí)性能。在單個電芯或整個電池層面，系統(tǒng)鑒別出故障的電池組件，針對完全失效生成警報，