完善的测量与分析成就经济实用的备用电池监测方案

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支撑当代社会的基础设施必须以非常高的可靠性运行。互联网服务器群和通信交换中心为了保证近乎100%的“无故障运行时间”或系统可用性,它们大多都依赖一项非常成熟的技术——铅酸电池,而数据存储中心采用的却是高新技术。通常,这些关键节点和许多其他重要部门均配备备用电源,备用电源的第一层一般是逆变器,逆变器对阀控铅酸(VRLA)电池或性能类似的密封式胶体电池组装的电池组提供电源转换。

这项传统技术之所以广为应用,有很多原因,尤其是铅酸电池经济实惠,而且具备杰出的可靠性。不过虽然杰出却并不完美。VRLA电池使用寿命有限(设计寿命一般为12年),通常关键系统使用这种电池作为备用电源,不过定期更换。故障可能、确实时有发生。在一个典型的备用电源系统中,这种电池的作用正如其名—它们始终保持完全充满电的状态等待主电源失效。而完全充满电状态则通过连续的小电流“浮”充电维持。如果浮充电流低于某设定限值,则电池内部电解产生的气体就会再化合。在这种情况下,浮充电压即使略高于单个电池标准值2.27 V,也有可能损坏电池。小幅过电压将导致电解液析出多于再化合处理量的更多气体,这些未被处理的气体会通过安全阀溢出。如果电池温度过高,即使充电电压适当,也会导致电解液损耗。

其他失效模式包括早期硫酸化、极柱和板栅连接不良、极板和板栅连接不良、电解液层化及板栅加速腐蚀。另外还有一种虽然少却是灾难性的失效模式——热失控,这是VRLA和胶体电池所特有的一种失效模式,可以引起爆炸起火。防范热失控的唯一方法是监测电池内部温度。

仅仅监测电池电压对检测铅酸电池容量下降所起的作用非常有限,这一点已经得到业内公认。当电池性能正在下降时,通常呈现的是标称电压,直到释放大电流时方能显现出来,而这时它的容量已经严重降低,端电压过早跌落。通过测量电解液确切比重来确定电池状态,这种方法对密封VRLA或胶体电池不适用;常规上,检验电池容量采用的唯一办法是将整个电池组放电至受控状态以下,不过这种方法需要电池停止使用。此外,深度放电还会降低铅酸电池的寿命;在定期对其备用电池进行放电测试以及其主电源具备高可靠性的系统上,大多采用这种测试方案确定电池使用寿命。

近来,可以进行连续监测的非介入式电子法可以检测单个电池的临近失效状态,这种方法既能节约成本,又能维持整个系统的可用性。此类系统的前身通常测量电池或电池组(电池行业术语,指封装于同一壳体内的多个电池)电压—尽管其局限性众所周知—加上充/放电流和周围温度。一些系统试图测量或推测电池内阻,其成效各有不同。

LEM的Sentinel系统是基于依赖简单的基本参数模拟测量进行转变的领先产品,现在已经发展到第3代即Sentinel III。它在单片定制设计的SoC(系统芯片)集成电路上整合了模拟和数字技术。该装置配置在一个测量端电压、电池内部温度以及内部阻抗的模块内,对于可以提供精确测量结果、费用又在大多数备用系统配置能承受的预算范围内的系统而言,它是设计时一个关键要素。
 

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