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

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。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?？臁?BR>
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）


圖2 電化學(xué)電池的Randles等效電路。
 
圖3顯示了各種參數(shù)在單個電池壽命期間內(nèi)的漸進曲線。同一特性在放電或容量下降期間也得到了證實。等效電路的全部阻抗因素都遵循近似的曲線；在早期失效或容量下降階段，沒有大幅改變。如果將阻抗用作單個電池工作狀態(tài)的主要指示，它將不會給出任何有意義的指示，除非容量下降幅度超過25-30%。 因為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是更換性能下降至規(guī)定性能80％以下的電池，顯而易見，必須盡早識別可能的失效。
 


圖3 Randles參數(shù)隨電池壽命或放電而漸進。不同電阻參數(shù)表現(xiàn)出相同的曲線形狀，而雙電層電容表現(xiàn)出的早期變化可以檢測到。
 
不過，在Randles等效電路中，有一種參數(shù)在單個電池失效（單純的金屬腐蝕除外，這種失效模式會通過Rm參數(shù)的增大而顯現(xiàn)）早期就會改變，這就是Cdl，雙電層電容。圖3最下面那條曲線顯現(xiàn)了其特性；此外，對于處于正常放電階段的性能正常的電池，以及假定完全充滿電的正在失效的電池，其Cdl曲線的形狀是相似的。
 
監(jiān)測技術(shù)

本文未對這種監(jiān)測技術(shù)詳加描述，下文對其進行了簡單介紹。
 
逐個向單個電池饋入測試信號，無需在整個電池組內(nèi)注入大電流，也不存在對外部系統(tǒng)直流連接的干擾。采用雙極測試信號對原有算法進行了改良，不過 結(jié)果證明單極信號可靠性更高。然而，在采用單極信號進行測試時，出現(xiàn)直流漂移。簡單消除這種漂移并不能保持數(shù)據(jù)集特性，而其特性是準(zhǔn)確測定參量所必需的。采用頻率掃描的方式重排不同頻率的信號脈沖（包含測試信號），可使電池電壓響應(yīng)與預(yù)定曲線吻合。
 
一旦潛在漂移曲線變得有規(guī)則，就能設(shè)置固件算法對這種漂移建模并消除它，從而得到適合直接輸入Sentinel算法的平均零電壓數(shù)據(jù)集。這種方法可將漂移誤差降至0.1％以下，也不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)集出現(xiàn)明顯失真。因此波形測量中也可以采用這種算法，從而使等效電路參數(shù)的準(zhǔn)確度更高。
 
諸多測量功能和算法處理均被集成到單片集成電路中。Sentinel模塊既可測量單個電池單體，也可測量整個12V電池）。多達250個測量 點，均以模塊形式開展測量，測量結(jié)果可以通過專用數(shù)據(jù)總線提交到電池數(shù)據(jù)記錄器，S-Box。在大規(guī)模的電池組系統(tǒng)中，可以對幾股這樣的數(shù)據(jù)流進行合成， 使得本地或遠程上行管理系統(tǒng)可以利用S-Box內(nèi)集成的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)總線或因特網(wǎng)連接使用這些數(shù)據(jù)流。
 
通過利用測量SoC確定每個電池的真實狀態(tài)，不僅僅可以提供檢測臨近失效這種成熟的監(jiān)測架構(gòu)就能具備的功能；還可以設(shè)置其他功能和服務(wù)。
 
例如，電池組內(nèi)的單個電池的內(nèi)阻通常各不相同。隨著時間推移，這種狀態(tài)就會產(chǎn)生問題。SoC智能控制系統(tǒng)可以快速檢測這些單個電池，端電壓優(yōu)化系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)移不能繼續(xù)充電的單個電池周圍的浮電流…
 
實時充電管理可以延長電池壽命：在端電壓相同的情況下，VRLA電池內(nèi)的浮充電流比富液電池內(nèi)的高。這可能加速陽極板腐蝕，降低電池的有效使用壽命，最多達30％。對一定比例使用壽命消除浮充可以降低這種不良效應(yīng)。不過這種對循環(huán)壽命的副作用也有一個好處，就是降低熱失控的發(fā)生率。
 
一種電池安裝模塊也可以提供整個壽命周期內(nèi)的端電壓和溫度記錄，以為制造商和用戶所用。
 
過度放電保護：這種裝置在充電器/UPS系統(tǒng)中很常見，尤其是電池監(jiān)測器，它們根據(jù)平均單個電池電壓終止放電以保護電池。不過，性能較差的電池的端電壓可能比電池平均電壓低很多，而且在其達到終止電壓以前，一直放電良好。因此開發(fā)了一種高精動態(tài)‘Time To Run（剩余運行時間）’算法，在任何單個電池即將耗盡時均會給出警告。
 
備用電池參數(shù)監(jiān)測必需盡可能詳盡，以便生成最能準(zhǔn)確體現(xiàn)電池狀態(tài)的結(jié)果。這不僅僅是一個技術(shù)問題，同時還是一個經(jīng)濟問題。避免在用電池失效是不 可或缺的，不過過早更換尚未臨近壽命終期的電池是極端不合算的。除了測量每個電池的電壓、阻抗和放電性能，LEM還將監(jiān)測電池內(nèi)部溫度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)功能；這 居于世界領(lǐng)先地位。目前LEM正在開發(fā)一種采用磁通門技術(shù)的浮充傳感器，其分辨率高于10mA，沒有或幾乎沒有溫度漂移，大電流放電后幾乎沒有剩磁，測量 重復(fù)精度更高。集成這些高級特性，電池監(jiān)測器不再是價格昂貴的附加系統(tǒng)，而是極端合算的整體壽命管理系統(tǒng)。