1 前言

     越來(lái)越依賴技術(shù)為我們提供安全感：相機(jī)、應(yīng)急電話甚至安全照明都給人可靠的感覺，讓我們明白，如果需要，可以隨時(shí)使用它們。確保緊急情況下的可用性依賴于不出差錯(cuò)的電源，這相應(yīng)意味著高品質(zhì)的備用電池。但是，如何知道備用電池真的不出差錯(cuò)呢？

    這個(gè)問(wèn)題困擾著依賴電池提供應(yīng)急電源的設(shè)備制造商。如何知道在最需要的時(shí)候，它能夠發(fā)揮作用，這對(duì)于不間斷電源（UPS）制造商尤其重要，因?yàn)閁PS的唯一用途是在主電源發(fā)生故障時(shí)確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或醫(yī)療設(shè)備的電力供應(yīng)。在這些情況下，電力提供和在確定的時(shí)間與供給容差范圍內(nèi)供電是極其必要的。

    大多數(shù)備用電池使用多個(gè)閥控鉛酸蓄電池（VRLA）做成整體電池組。雖然稱作“免維護(hù)”，但這項(xiàng)技術(shù)有眾所周知的不足，其中的任何一個(gè)都可能造成電池低效甚至完全不起作用。

    因此，弱、老化或其他“不健康”的電池構(gòu)成這些系統(tǒng)的嚴(yán)重危險(xiǎn)，需要定期維護(hù)檢查它們的健康狀態(tài)（SOH）與荷電狀態(tài)（SOC）。不論這些維護(hù)多么頻繁，在維護(hù)檢查間隙仍有發(fā)生電池故障的風(fēng)險(xiǎn)。為了克服這種狀況，一些公司正轉(zhuǎn)向提供持續(xù)原位SOH和SOC監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。

    2  持續(xù)監(jiān)測(cè)

    持續(xù)監(jiān)測(cè)似乎是個(gè)簡(jiǎn)單的解決辦法，但在現(xiàn)實(shí)中面臨經(jīng)濟(jì)上的難題。持續(xù)監(jiān)測(cè)方案通常需要增加50%的電池成本，如果把安裝和運(yùn)行考慮在內(nèi)，增加比例甚至高達(dá)70%。面對(duì)這么高的成本，在提示電池壽命終結(jié)的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）之前定期更換電池，可能是更經(jīng)濟(jì)的做法。然而，和例行維護(hù)一樣，這也充滿不確定性，因?yàn)榄h(huán)境條件對(duì)電池的MTBF有很大影響。

    制造商因而把目光轉(zhuǎn)向低成本的持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全面診斷電池在各個(gè)條件下的SOH和SOC。2007年3月，供應(yīng)這類智能變送器的專業(yè)公司LEM與密封及排氣式鉛酸電池診斷和管理領(lǐng)域領(lǐng)先的權(quán)威機(jī)構(gòu)RWTH亞琛大學(xué)合作，確立了先進(jìn)的低成本電池監(jiān)測(cè)管理的發(fā)展方向。

    在其他制造商追逐更“時(shí)尚”的電池技術(shù)時(shí)，RWTH亞琛大學(xué)則已建立起技術(shù)中心并增強(qiáng)其力量，集中研究最為成熟和普遍銷售的電池化學(xué)工藝。LEM-亞琛結(jié)成長(zhǎng)期合作關(guān)系，共同研究VRLA富液和膠體電池的故障模式，開發(fā)包括SOH和SOC在內(nèi)的下一代監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。

    通過(guò)這種合作和了解用戶需要，LEM持續(xù)開發(fā)用于持續(xù)監(jiān)測(cè)的“Sentinel”解決方案，終于研制出最新一代產(chǎn)品Sentinel III。Sentinel能夠測(cè)量電池電壓、內(nèi)部溫度和內(nèi)部阻抗，其診斷測(cè)量水準(zhǔn)可媲美高度復(fù)雜且昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但成本因素使其可用作持續(xù)監(jiān)測(cè)方案。

    為了開發(fā)Sentinel，如圖1所示，LEM使用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備并選用眾多的電池樣品和品牌，進(jìn)行廣泛的研發(fā)。在這個(gè)項(xiàng)目中，Sentinel運(yùn)用和復(fù)制了電化學(xué)阻抗頻譜分析法。在解釋高性價(jià)比的單芯片解決方案中如何復(fù)制這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)之前，值得我們確切說(shuō)明的是它實(shí)現(xiàn)的診斷水準(zhǔn)以及如何保護(hù)基于電池的UPS的完整性。

 

    圖1   用于評(píng)估監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試設(shè)置

    3  老化問(wèn)題

    這類系統(tǒng)大多采用鉛酸電池技術(shù)，眾所周知的技術(shù)缺陷是老化導(dǎo)致容量衰減，內(nèi)阻升高。不過(guò)，由于這項(xiàng)技術(shù)如此成熟，老化狀況也廣為人知，因而能夠通過(guò)探測(cè)幾種情況確定老化狀況。

    容量降低是尤其普遍的影響之一，這基本是電池的使用模式造成的。在UPS內(nèi)部，電池以高電流放電，導(dǎo)致電極上生成大的晶體?？赏ㄟ^(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電池，部分地控制這種狀況，但事實(shí)證明在嚴(yán)重情況下這是不可逆的。這種情況也會(huì)生成小的晶體，稱作“樹枝晶”，如果沒有探測(cè)到的話，可能會(huì)連在一起造成電池短路。

    內(nèi)部腐蝕使端子的薄片落到電極上，也可能造成短路。導(dǎo)致腐蝕的重要因素包括溫度、電壓和局部酸液濃度，通常影響正極端子。這些老化效應(yīng)都導(dǎo)致電池容量或電量損失，因此任何一種診斷都必須能夠鑒別它們，以便在災(zāi)難性故障發(fā)生之前采取適當(dāng)行動(dòng)。

    以上效應(yīng)導(dǎo)致電池容量或電量降低。任何一類診斷都應(yīng)當(dāng)以鑒別這些老化效應(yīng)為目標(biāo)。

    在已進(jìn)行的測(cè)試中，使用電化學(xué)阻抗譜（RWTH亞琛大學(xué)的EISmeter分析儀）進(jìn)行全譜測(cè)量，運(yùn)用一系列的正弦波形測(cè)量電池，測(cè)得整個(gè)頻譜的阻抗。通過(guò)傅立葉分析計(jì)算給定頻率的實(shí)際和假想的電壓響應(yīng)部分，得出測(cè)量結(jié)果。通過(guò)分析電壓響應(yīng)與勵(lì)磁電流的幅角及相角關(guān)系，獲得復(fù)雜的阻抗結(jié)果。

    對(duì)于Sentinel解決方案而言，這是不切實(shí)際的，因?yàn)樽龅竭@一點(diǎn)所需的處理能力會(huì)使持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任何解決方案失去商業(yè)可行性。因此，我們面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)這樣一種方法：只能使用一種頻率進(jìn)行測(cè)量，但能獲得堪比EISmeter的結(jié)果。

    4  趨勢(shì)分析

    測(cè)量結(jié)果顯示，用EISmeter和用Sentinel測(cè)得的兩個(gè)數(shù)值非常一致。雖然使用Sentinel反饋的數(shù)值稍高，但這容易通過(guò)校準(zhǔn)予以補(bǔ)償。但是，基于電池診斷的目的，對(duì)于重要性來(lái)說(shuō)，這種偏差是相對(duì)而非絕對(duì)的。由于測(cè)量是持續(xù)進(jìn)行的，因此，重要的是從結(jié)果中清楚看出趨勢(shì)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)加上均采用單一集成電路測(cè)得的溫度和電壓值，構(gòu)成Sentinel解決方案的信息基礎(chǔ)。

    Sentinel是第一個(gè)用于監(jiān)測(cè)VRLA和富液電池的單塊集成電路（系統(tǒng)芯片），能夠測(cè)量單個(gè)電池和整個(gè)電池的內(nèi)部溫度、電壓和標(biāo)準(zhǔn)阻抗。每個(gè)Sentinel III模塊監(jiān)測(cè)標(biāo)稱電壓在0.9V到16V之間的單個(gè)電池或電池組，通過(guò)S-BUS總線的通訊總線向S-BOX的數(shù)據(jù)記錄器報(bào)告數(shù)據(jù)。

    Sentinel的功能是取得測(cè)試的關(guān)鍵電氣參數(shù)，以確定電池能否在主電源發(fā)生故障時(shí)發(fā)揮作用。

    單個(gè)串行總線最多可以接入250個(gè)而最多設(shè)定為六組的Sentinel模塊，最多可監(jiān)測(cè)六條浮動(dòng)/放電電流，使安裝變得極其輕松，只需使用預(yù)設(shè)端子的數(shù)據(jù)總線電纜將插頭插入插座即可。

    每個(gè)Sentinel都有溫度測(cè)量工具，持續(xù)測(cè)量直接固定在電池盒上的傳感器片探測(cè)到的單個(gè)電芯的外表溫度。這對(duì)于探測(cè)潛在的熱失控來(lái)說(shuō)是不可或缺的，也使智能溫控測(cè)量單個(gè)電池溫度，使繪制電池溫度分布成為可能。在此之前，這還是一項(xiàng)費(fèi)用昂貴的附加服務(wù)。

   LEM獨(dú)一無(wú)二的真實(shí)能量層阻抗測(cè)量法以及更強(qiáng)大耐久的測(cè)試電流，確保每次測(cè)得的結(jié)果準(zhǔn)確且可重復(fù)。采用設(shè)定頻率通過(guò)對(duì)整個(gè)電池進(jìn)行多次“短時(shí)微放電”測(cè)量阻抗，阻抗與頻率的關(guān)系如圖2所示。

 

    圖2 阻抗與頻率的關(guān)系

    圖3 阻抗波形                             

    圖4 Sentinel III

    起初，這個(gè)單一的較長(zhǎng)預(yù)處理脈沖動(dòng)作在開始繪制測(cè)量脈沖之前，把電芯帶入正確的“能量層”狀態(tài)。后者生成不同的電芯電壓響應(yīng)，結(jié)合脈沖電流參照值，提供阻抗值。

    Sentinel的阻抗測(cè)試方法只涉及所測(cè)試的電芯。不需要通過(guò)電池部件的高電流，并且內(nèi)阻測(cè)量過(guò)程不*直流線路。

    這是首次在單芯或整個(gè)電池監(jiān)測(cè)中綜合測(cè)量溫度、阻抗和電壓。Sentinel III（外形見圖4）系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量溫度（誤差+/- 2°C，測(cè)量范圍為 –10°C to +70°C）、放電（動(dòng)態(tài)）（+/-0.5%）和浮動(dòng)（靜態(tài)）電壓及紋波電流，是目前在售的最全面的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

    另外在設(shè)計(jì)上，Sentinel III安裝簡(jiǎn)單，花費(fèi)的時(shí)間約為安裝其他系統(tǒng)所需時(shí)間的四分之一。這是通過(guò)單片電路設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。各獨(dú)立單元采用LEM 的 S-BUS總線的專有通訊總線，獨(dú)立運(yùn)行，卻由S-BOX的中央智能單元直接控制。監(jiān)控器和數(shù)據(jù)記錄器有全面的警報(bào)參數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置（見圖5）。

 

    圖5  S-BOX、監(jiān)控器和電池?cái)?shù)據(jù)記錄器

    正是詳細(xì)的測(cè)量加上智能化的數(shù)據(jù)分析，才能提供關(guān)于真實(shí)電池狀況和可用性的可靠報(bào)告。Sentinel III提供電芯或整個(gè)電池的準(zhǔn)確溫度、電壓和阻抗數(shù)據(jù)。中央數(shù)據(jù)記錄與分析單元的軟件跟蹤一定時(shí)間的數(shù)據(jù)變化情況，提取趨勢(shì)信息，隨時(shí)向用戶提供備用電池投入使用后的真實(shí)性能。在單個(gè)電芯或整個(gè)電池層面，系統(tǒng)鑒別出故障的電池組件，針對(duì)完全失效生成警報(bào)，并請(qǐng)求進(jìn)行人工檢驗(yàn)。由于S-BOX盒也接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查看所有的性能、趨勢(shì)和警報(bào)數(shù)據(jù)；以標(biāo)準(zhǔn)信息形式提供非緊急狀態(tài)更新數(shù)據(jù)，使管理員可從世界任何地方監(jiān)測(cè)裝置。

    由于Sentinel本身由受監(jiān)測(cè)的電池供電，因此設(shè)計(jì)上在多數(shù)時(shí)間維持“睡眠”模式，只在進(jìn)行測(cè)量時(shí)才“喚醒”。喚醒周期用時(shí)不足100ms，大約每(5-10) min喚醒一次。鑒于Sentinel III分散內(nèi)部電阻的測(cè)試載荷電流，為減小內(nèi)部溫度上升，阻抗測(cè)量周期的最短時(shí)間為10 min。與電池參數(shù)變化的時(shí)間相比，這個(gè)間隔很短，實(shí)踐中許多操作員會(huì)要求延長(zhǎng)阻抗測(cè)量周期的間隔。因此，在絕大多數(shù)時(shí)間里，Sentinel消耗極少的主電池電量。

    考慮到對(duì)復(fù)雜電子裝置依賴程度的日益加深，UPS系統(tǒng)可能更多地使用鉛酸電池。單個(gè)電芯發(fā)生故障可能引發(fā)采用UPS作為應(yīng)急電源的系統(tǒng)災(zāi)難。但是，使用LEM的Sentinel可以預(yù)測(cè)、防止系統(tǒng)災(zāi)難的發(fā)生，從而在間接損害發(fā)生之前，提早進(jìn)行高性價(jià)比的校正。

    LEM堅(jiān)信，持續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)這些應(yīng)用有重要意義，但它的成本不應(yīng)超過(guò)電池成本的15%。因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道，大多數(shù)故障模式中是阻抗發(fā)生了變化，所以，迄今為止這是探測(cè)電池失效退化的最有效方法。為了獲得真實(shí)的讀數(shù)，必須在足以穿透當(dāng)前“表面”負(fù)荷的電流水平上測(cè)試電池，為此開發(fā)的Sentinel也能自動(dòng)優(yōu)化阻抗信號(hào)測(cè)試水平。

    5  結(jié)語(yǔ)

    Sentinel系統(tǒng)是完全自動(dòng)運(yùn)行的單芯片解決方案，為安全和關(guān)鍵應(yīng)用提供性價(jià)比極高的可靠監(jiān)測(cè)手段。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可基于單個(gè)電芯的完整性。但是，Sentinel能夠保持這種完整性，從而避免潛在的災(zāi)難性故障。

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