完善的測(cè)量與分析成就經(jīng)濟(jì)實(shí)用的備用電池監(jiān)測(cè)方案

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(wú)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)安全閥溢出。如果電池溫度過(guò)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(cè)電池內(nèi)部溫度。
 
僅僅監(jiān)測(cè)電池電壓對(duì)檢測(cè)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(lái)，而這時(shí)它的容量已經(jīng)嚴(yán)重降低，端電壓過(guò)早跌落。通過(guò)測(cè)量電解液確切比重來(lái)確定電池狀態(tài)，這種方法對(duì)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(guò)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(duì)其備用電池進(jìn)行放電測(cè)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(cè)試方案確定電池使用壽命。
 
近來(lái)，可以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的非介入式電子法可以檢測(cè)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(cè)量電池或電池組（電池行業(yè)術(shù)語(yǔ)，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(cè)量或推測(cè)電池 內(nèi)阻，其成效各有不同。
 
LEM的Sentinel系統(tǒng)是基于依賴簡(jiǎn)單的基本參數(shù)模擬測(cè)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(cè)量端電壓、電池內(nèi)部溫度以及內(nèi)部阻抗的模塊內(nèi)，對(duì)于可 以提供精確測(cè)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(zhǎng)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(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，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(cè)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(jué)，但是后期性能劣化非常快。

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(píng)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(cè)量此時(shí)的交流電壓和 電流，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果推算內(nèi)部阻抗，具體實(shí)施方法各有不同。不過(guò)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(guò)程中，在數(shù)據(jù)記錄器識(shí)別其失效趨勢(shì)以前，顯現(xiàn)良好的狀態(tài)；相反地，到失效問(wèn)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(kāi)發(fā)了一種更成熟的算法，這種算法可以盡早檢測(cè)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(cè)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(jiàn)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(gè)電池壽命期間內(nèi)的漸進(jìn)曲線。同一特性在放電或容量下降期間也得到了證實(shí)。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(méi)有大幅改變。如果將阻抗用作單個(gè)電池工作狀態(tài)的主要指示，它將不會(huì)給出任何有意義的指示，除非容量下降幅度超過(guò)25-30%。 因?yàn)樾袠I(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(jiàn)，必須盡早識(shí)別可能的失效。
 


圖3 Randles參數(shù)隨電池壽命或放電而漸進(jìn)。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(cè)到。
 
不過(guò)，在Randles等效電路中，有一種參數(shù)在單個(gè)電池失效（單純的金屬腐蝕除外，這種失效模式會(huì)通過(guò)Rm參數(shù)的增大而顯現(xiàn)）早期就會(huì)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(duì)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(cè)技術(shù)

本文未對(duì)這種監(jiān)測(cè)技術(shù)詳加描述，下文對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。
 
逐個(gè)向單個(gè)電池饋入測(cè)試信號(hào)，無(wú)需在整個(gè)電池組內(nèi)注入大電流，也不存在對(duì)外部系統(tǒng)直流連接的干擾。采用雙極測(cè)試信號(hào)對(duì)原有算法進(jìn)行了改良，不過(guò) 結(jié)果證明單極信號(hào)可靠性更高。然而，在采用單極信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)直流漂移。簡(jiǎn)單消除這種漂移并不能保持?jǐn)?shù)據(jù)集特性，而其特性是準(zhǔn)確測(cè)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(hào)脈沖（包含測(cè)試信號(hào)），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(duì)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(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)集出現(xiàn)明顯失真。因此波形測(cè)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(cè)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(cè)量單個(gè)電池單體，也可測(cè)量整個(gè)12V電池）。多達(dá)250個(gè)測(cè)量 點(diǎn)，均以模塊形式開(kāi)展測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)專用數(shù)據(jù)總線提交到電池?cái)?shù)據(jù)記錄器，S-Box。在大規(guī)模的電池組系統(tǒng)中，可以對(duì)幾股這樣的數(shù)據(jù)流進(jìn)行合成， 使得本地或遠(yuǎn)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(guò)利用測(cè)量SoC確定每個(gè)電池的真實(shí)狀態(tài)，不僅僅可以提供檢測(cè)臨近失效這種成熟的監(jiān)測(cè)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(gè)電池的內(nèi)阻通常各不相同。隨著時(shí)間推移，這種狀態(tài)就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。SoC智能控制系統(tǒng)可以快速檢測(cè)這些單個(gè)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(gè)電池周圍的浮電流…
 
實(shí)時(shí)充電管理可以延長(zhǎng)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(yáng)極板腐蝕，降低電池的有效使用壽命，最多達(dá)30％。對(duì)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(guò)這種對(duì)循環(huán)壽命的副作用也有一個(gè)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(gè)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(guò)度放電保護(hù)：這種裝置在充電器/UPS系統(tǒng)中很常見(jiàn)，尤其是電池監(jiān)測(cè)器，它們根據(jù)平均單個(gè)電池電壓終止放電以保護(hù)電池。不過(guò)，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(dá)到終止電壓以前，一直放電良好。因此開(kāi)發(fā)了一種高精動(dòng)態(tài)‘Time To Run（剩余運(yùn)行時(shí)間）’算法，在任何單個(gè)電池即將耗盡時(shí)均會(huì)給出警告。
 
備用電池參數(shù)監(jiān)測(cè)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(gè)技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)還是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。避免在用電池失效是不 可或缺的，不過(guò)過(guò)早更換尚未臨近壽命終期的電池是極端不合算的。除了測(cè)量每個(gè)電池的電壓、阻抗和放電性能，LEM還將監(jiān)測(cè)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(kāi)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(méi)有或幾乎沒(méi)有溫度漂移，大電流放電后幾乎沒(méi)有剩磁，測(cè)量 重復(fù)精度更高。集成這些高級(jí)特性，電池監(jiān)測(cè)器不再是價(jià)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)。