连续电池监测可以提高UPS可靠性、降低成本

西方社会越来越习惯于接受可靠性非常高的基础服务。我们希望，像电力网、电信和IT网络之类的基础设施在我们需要的时候能够随时提供服务，一旦出现故障或者服务提供商提供的服务不能达到要求，我们就会认为其服务水平严重不足。我们有时（谈到“5个9”或“6个9”的有效性，但通常没有深思它们的真正含义。实际上，99.999%的有效性意味着1年内的停电时间约为5分钟；而“6个9”只允许1年内的停电时间为半分钟。因此，许多关键基础设施和商业系统都采用不间断电源（UpS）作为备用电力。当电力设施停电时，准确转换到UpS供电给现场电源。UpS市场专门服务于小容量系统，从1kVA或者更低到几十kVA，可以支持1、2台计算机工作；以及几十到几百kVA的中型设备，用于支持办公建筑的IT基础设施。最近几年出现了许多功率为几百万瓦的大型设备，用于支持数据中心和确保在线服务的持续有效性。最近几月甚至几年，大型服务器农场和数据中心已经成为最主要的应用，UpS也继续为建立已久的关键系统市场服务：例如手术室和空中交通管制。UpS按照其功率输出分类，与其容量无关，也就是说与它们的供电时长有关。UpS可以用于长时间替代电源供电，长达几个小时；或者仅用于提供“桥接”电源，即电源失效时立即开始供电，直到柴油发电机之类的电源启动并达到稳定输出后停止供电，供电时间只有几秒钟或几分钟。还存在另外一种短期应用模式，不仅需要UpS支持连续运行，还需要UpS提供充足的电源以便确保客户系统的预定关闭。电池组为大部分UpS供电虽然UpS可以采用其他技术（比如飞轮储能），但是大部分UpS仍然采用电池组储能。电池组不仅可以提供可观的容量，而且几乎能够在瞬间供电。要使UpS可靠运行，必须使电池组充满电并且状态良好。尽管电池技术在其他领域已经取得了许多进步，但UpS中采用的电池仍然是最古老的化学铅酸电池。因为诸多原因，在备用电源中铅酸电池一直未能被取代。就每单元存储的电量而言，铅酸电池的能量密度高（虽然以今天的标准来衡量并不突出）；它们的功率密度非常高，能够根据需要输送大电流而不会损坏；虽然它们的重量比较大，不适用于许多便携式场合，但是对于UpS设备的影响并不大；尤其是，可能因为它们的成本比较低。此外，从今天的环境敏感度来看，铅酸电池几乎全部成分都与“绿色”相关，尤其是铅，可以完全循环再用。铅酸电池的充电和寿命周期特性也非常适合UpS使用。VRLA（阀控铅酸）电池不仅可以容许连续“浮”充，而且只要始终保持在充满电并很少深度放电时，它的使用寿命可以达到最大。不过，电池组的使用寿命有限，如果环境条件（尤其温度）超出最适宜的范围，电池寿命就会相当程度地缩短。大多数设备上的电池可以根据保质期定期进行更换，通常是每5年更换一次。但是这种方法存在缺陷：在非预期环境条件下运行的电池可能失效更快，而受到良好维护的电池的使用寿命可能会更长。容错现代的UpS需要提供高功率输出，因此需要许多电池单元大规模的串联，单个电池单元的失效可以导致整个串联电池组的失效。大型和中型UpS通过执行冗余来确保单个电池失效不会导致整个UpS失效。而UpS仍将继续运行，不过输出的的峰电流会减小，系统使用UpS能够运行的时间会缩短。此外，失效的电池还可能损坏电池组内其他单元，降低它们的使用寿命。电池监测和维护体现了与UpS运行相关的一项重要成本。通常，工程师需要定期（可能按月）巡查现场，以便测量系统内电池的电气特性。通常通过测量电池电压，来鉴别运行不正常的电池并进行更换。输出电压并不能始终有效地预测电池失效。当电池的端电压显著低于其标称值时，很容易鉴别该电池可能会失效，但铅酸电池在其容量降低时或在其失效早期，仍然能够表现出满意的端电压。因此，电池也可能在定期维护周期之间失效，所以需要工程师进行额外巡查。持续监测降低成本对电池进行持续监测，一方面可以缩短工程师对每组电池状态亲身检查的时间，从而提高他们的现场巡查效率，另一方面可以实现预防性维护。通过鉴别电池的潜在失效，工程师可以在例行巡查过程中换下电池，从而保证更高的可靠性，同时也避免了程师进行紧急巡查。图1：持续监测系统测得的电池单元的输出电压图1标示出对配置一台800kVAUpS的广播设备上的电池进行测量的综合监测结果。图形指示出一组联电池组中几个单体电池的输出电压。在这个例子中，每个串联电池组由200块单体电池（在其他文章中，单体电池也被称之为电池组：封装在一个外壳内的多个电池单元）组成，能够提供大约440V的电压。电压存在相当大的波动，因为电池组配置不正确：这一点将在下文进行讨论。图中明确地指出，一个电池单元提供的电压为2V，而不是标称的2.2V。虽然电池提供的电压比预期的低，不过这种差别相对较小（在正常接受范围内），而且是稳定的。这种特性很典型，采用输出电压作为电池即将失效的指标不再可靠，因为电压值可以保持在阀值范围内，因此不会触发报警。这就是发生在这个例子中的；在收集这些数据时，监测系统用于评估定期维护方案的有效性，而不是用于警告潜在的问题。由于没有采取任何措施，该电池单元后来在图2所覆盖的时期内严重失效；水平轴表示测试进行的日期。不过，在失效点（电池单元电压下降至0.7V）以前，故障电池组的电压从本质上保持恒定，没有任何即将失效的迹象。最后，维护人员在11月更换了该单体电池，随后电压恢复到整个电池阵列的平均值水平。图2：电池单元彻底失效－失效前电压几乎没有降低这些证明，输出电压不能准确预告可能发生的失效：而另一个参数阻抗才是更好的指标。如图3所示，图形表明阻抗在6月份呈上升趋势，到7月初该值增长了20％以上。这种趋势很容易表明：对阻抗进行测量可以在电池失效前3个月就能发现问题。利用该数据，可以在定期预防维护过程中更换该电池，而无需等它劣化致失效。图3：对电池单元阻抗轨迹的回顾调查证明，阻抗是更好的失效预测指标在线阻抗测量电压测量很简单，电池单运行时即可进行；利用最新监测技术，阻抗也可以采用非干扰式方法准确测量。这些图形叠加显示了进行定期测量的监测系统的输出，结果位于浮充电压上方，是一种特定频率特性的校准波形。在这些频率下测量的电压和电流反映了电池组的基本性能。测试的波形体现了电池单元性能的任何潜在变化，不过尽管如此，只考虑测试电压给出的警告有限，直到失效点。对电池进行持续监测还为提高UpS的可靠性提供了其他有用信息。如图1所示，很显然有许多充电/放电周期（通过电压轨迹上的脉冲体现）。尽管所有电池组都需要进行调节，但是这个电池组的放电过于频繁，每月放电4-5次。同时，进行一定的电池调节可以延长寿命，但过多的放电周期会降低寿命：正常配置放电周期为每年两到三次。通常情况下，电池单元质保使用寿命为20到50个周期。在这种情况下，我们在考虑电池仅仅几个月后就可能超过这个质保，而每5年更换一次电池的方案可能意味着电池需要经历比设计担保多几倍的放电周期。现场频繁的充电/放电周期是由于安装人员将UpS设置在试运行模式而造成的，这种模式使电池频繁地循环充电以便进行测试。这个出乎意料的常见错误会大幅度缩短电池使用寿命。在工程师连续自动监测中，错误设置可能表现不明显，但是产生的问题却很明显。导致电池寿命缩短的另外一个原因是高温。即使温度只升高一点，也会造成电池内不必要的化学反应概率的增加，最终导致电池失效。一般来说，电池制造商会提到电池的使用温度为20°C。图4指出了系统中随时间变化的环境温度，在其中一点温度达到了22°C。空调系统未能将温度保持在可接受的范围之内，这样会导致电池寿命缩短。而且温度升高可使电池制造商的质保无效。图4：采用同一系统收集温度监测数据，超出温度范围发出警报我们发现，通过监测系统对电池进行长期的监测，除了使工程师现场巡查更高效而降低成本之外，还有很多优点。在这个示例中，对电池阻抗进行自动监测可在电池失效前三个月就可鉴别出即将失效的电池。连续监测也使鉴别UpS配置问题变得简单：特别是可能明显缩短电池寿命的不正确充电/放电频率。监测可以测量环境条件，从而确保电池寿命不会因为高温的影响而缩短。监测可使电池的寿命达到最长，通过确保无需过早更换电池组，以及确保对劣化电池进行早期觉察从而在电池组没电之前进行更换等措施，降低了电池失效的风险并且节省了资金。尽管UpS之类的关键系统通常节省成本不是第一目标，但是用户将系统转变成长期在线监测非常重要，因为这样不仅能够削减成本，还能够提高系统的可靠性。