提高UPS可靠性的電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù).doc

提高UPS可靠性的電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在工作和生活中,人們?cè)诤芏喾矫娑家蕾?lài)于電子設(shè)備。從移動(dòng)通信到數(shù)據(jù)中心等各種設(shè)備都必須實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行,這使得電源供應(yīng)的可靠性成為一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。不間斷電源(UPS)可在停電時(shí)提供備用電源,因此被廣泛用在電網(wǎng)停電時(shí)確保關(guān)鍵負(fù)載正常運(yùn)行。盡管可以應(yīng)用其他的科學(xué)技術(shù)(比如飛輪儲(chǔ)能方式),但是大多數(shù)的UPS還是采用蓄電池來(lái)存儲(chǔ)能量。電池幾乎能在瞬時(shí)提供電力,如果UPS需要可靠運(yùn)行,最重要的是蓄電池不僅要充滿(mǎn)電,而且要狀況良好。蓄電池的使用壽命有限。如果環(huán)境條件(尤其溫度)超出適宜的范圍,那么電池的使用壽命會(huì)大大縮短。大多數(shù)設(shè)備內(nèi)的電池一般會(huì)根據(jù)保修規(guī)定的固定間隔時(shí)間(通常為5年)定期更換。但是這種方法也有缺陷,那就是電池在預(yù)期環(huán)境條件范圍之外使用時(shí)會(huì)很快沒(méi)電,而保養(yǎng)良好的電池使用壽命會(huì)更長(zhǎng)。如今要求UPS提供更高的功率輸出,因此需要配備許多電池。在大型電池組中,單個(gè)電池失效會(huì)導(dǎo)致整組電池失效。大型和中型UPS供電系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行冗余,以便確保電池組失效時(shí)不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)UPS失效。與此同時(shí),UPS會(huì)繼續(xù)運(yùn)行,輸出的峰值電流會(huì)減小,使得UPS運(yùn)行的時(shí)間縮短。而且,失效電池還會(huì)對(duì)蓄電池組中的其他蓄電池產(chǎn)生影響,從而縮短這些蓄電池組的使用壽命。電池監(jiān)測(cè)和保養(yǎng)是與UPS相關(guān)的一項(xiàng)重要成本。一般來(lái)說(shuō),工程師會(huì)定期到現(xiàn)場(chǎng)巡查,對(duì)裝置內(nèi)電池的電氣特性進(jìn)行測(cè)量。工程師通常會(huì)測(cè)量電池的電壓,以鑒別電池是否超范圍使用,如果超出范圍則進(jìn)行更換。輸出電壓未必是電池失效的良好指標(biāo),因此在兩次常規(guī)巡查之間電池可能會(huì)發(fā)生故障,工程師還需要進(jìn)行額外的巡查。對(duì)電池進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),一方面減少工程師實(shí)際到現(xiàn)場(chǎng)檢查每塊電池狀態(tài)的時(shí)間,提高了現(xiàn)場(chǎng)巡查的效率,因此縮減了成本;另一方面,在線監(jiān)測(cè)還實(shí)現(xiàn)了預(yù)防性維護(hù)。通過(guò)對(duì)可能的故障進(jìn)行鑒別,工程師在常規(guī)巡查過(guò)程中即可以更換故障電池,從而確保裝置運(yùn)行更可靠,無(wú)需再進(jìn)行緊急巡查。pite3920電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)配有800kVAUPS的廣播設(shè)備中的電池進(jìn)行測(cè)量。一組電池組中的幾個(gè)電池的輸出電壓如圖1所示。在這個(gè)案例中,每個(gè)電池組具有200塊單體電池,能夠提供大約440V的電壓。電壓變化很大,主要是由于電池條件配置不正確。圖1電池輸出電壓曲線圖中清晰地顯示了一塊電池輸出為2V電壓,而不是常規(guī)的2.2V電壓。盡管一塊電池產(chǎn)生的電壓比預(yù)期的電壓要低,但是差別卻相當(dāng)小而且很穩(wěn)定。這種性能很常見(jiàn),使得采用輸出電壓作為預(yù)測(cè)失效的指標(biāo)不再可靠,這是由于電壓值可以保持在閾值范圍之內(nèi),因此不會(huì)觸發(fā)報(bào)警器。在這個(gè)例子中,當(dāng)未采取任何措施,圖2顯示了電池失效的情形。當(dāng)采用了pite3920電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)預(yù)定維護(hù)方案的有效性進(jìn)行評(píng)估,目的并非是提示潛在的問(wèn)題。注意:在電池電壓降低到0.7V之前,故障電池的電壓還是保持不變,未出現(xiàn)任何可能失效的跡象。在更換電池后,電池電壓恢復(fù)到正常值。由于在電池失效之前輸出電壓并未出現(xiàn)任何變化,因此輸出電壓并不是可能失效的良好指標(biāo)。電池的參數(shù)阻抗是一個(gè)更好的指標(biāo),如圖3所示。該圖舉例說(shuō)明了上升的阻抗提高超過(guò)20%。變化趨勢(shì)容易檢測(cè):對(duì)阻抗進(jìn)行測(cè)量可在電池失效前三個(gè)月就能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。如果客戶(hù)使用了阻抗數(shù)據(jù),在電池變質(zhì)導(dǎo)致失效之前的常規(guī)預(yù)防性維護(hù)過(guò)程中就能更換電池。 圖3電池阻抗預(yù)測(cè)失效曲線對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),為改善UPS的可靠性提供了更多有用的信息。例如,在圖1中,可以明顯看到有大量的充電/放電過(guò)程(電壓軌跡上的多個(gè)尖峰所示)。盡管所有的電池都需要進(jìn)行維護(hù)管理,但是電池放電太過(guò)頻繁,每個(gè)月都要放電4到5次。在一些電池維護(hù)延長(zhǎng)使用壽命的同時(shí),太多的放電過(guò)程會(huì)縮短使用壽命:一次正常的配置每年僅會(huì)循環(huán)2到3次。通常情況下,電池質(zhì)保使用壽命為20到50個(gè)循環(huán)。在這種情況下,電池在僅僅幾個(gè)月中就可能超過(guò)這個(gè)質(zhì)保過(guò)程,而每5年更換一次電池的方案可能意味著電池需要經(jīng)歷比設(shè)計(jì)承受的放電過(guò)程多幾倍的放電過(guò)程。該現(xiàn)場(chǎng)頻繁的充電/放電過(guò)程是由于安裝工將UPS留置在試運(yùn)行模式而造成,這種模式使得電池不斷地循環(huán)充電以便進(jìn)行測(cè)試。這個(gè)出乎意料的常見(jiàn)錯(cuò)誤可能極大地縮短電池使用壽命。在工程師對(duì)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡查過(guò)程中，錯(cuò)誤的配置可能表現(xiàn)并不明顯，但是產(chǎn)生的問(wèn)題卻很顯著。電池使用壽命縮短的另外一個(gè)原因是高溫。即使溫度只升高一點(diǎn),也會(huì)提高電池內(nèi)不必要化學(xué)反應(yīng)概率,最終導(dǎo)致電池失效。一般來(lái)說(shuō),電池制造商會(huì)提示電池的使用溫度為20。該系統(tǒng)中隨時(shí)間變化的環(huán)境溫度如圖4所示,在其中一點(diǎn)溫度達(dá)到了22?？照{(diào)系統(tǒng)未能將溫度保持在可接受的范圍之內(nèi),這樣的結(jié)果是導(dǎo)致電池使用壽命縮短。而且溫度升高可使電池制造商的質(zhì)保無(wú)效。圖4系統(tǒng)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)曲線通過(guò)使用pite3920裝置對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),除了使工程師現(xiàn)場(chǎng)巡查更有效而降低成本之外,還有很多優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)示例中,對(duì)電池阻抗進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)可在電池變成無(wú)效之前三個(gè)月就可鑒別出即將失效的電池。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。圖5Sentinel電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)也使鑒別UPS配置問(wèn)題變得簡(jiǎn)單:特別是可能極大縮短電池壽命的不正確充電/放電頻率。監(jiān)測(cè)同時(shí)也測(cè)量環(huán)境條件,從而確保了電池壽命不會(huì)由于高溫的影響而縮短。對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可使電池的壽命達(dá)到最長(zhǎng),確保無(wú)需過(guò)早更換電池組以及確保對(duì)變質(zhì)的電池