完善的测量与分析成就经济实用的备用电池监测方案

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。
 
电池温度和/或以指数方式增长的内部阻抗值（图1），它们是临近失效的指示，数据记录系统监测数据随时间变化的趋势，识别潜在的临近失效。所有 Sentinel III模块都配置有一个外部温度测量探头或贴片，可以直接贴在单个电池或电池组的外壳上，以尽可能准确地跟踪电池温度。



图1 电池内部阻抗并非是临近失效的有效指示。指数曲线意味着，早期失效难以察觉，但是后期性能劣化非常快。

电池正被使用或正在充电时，可以采用一项成熟的技术评定内部阻抗。通常，在浮充直流电压上叠加微弱的交流电压，测量此时的交流电压和 电流，然后根据测量结果推算内部阻抗，具体实施方法各有不同。不过这种方法有一定的局限性，它只能处理指数曲线形状。而即将失效的单个电池在失效过程中，在数据记录器识别其失效趋势以前，显现良好的状态；相反地，到失效问题出现时，这个电池可能在短期内就会完全失效。
 
LEM开发了一种更成熟的算法，这种算法可以尽早检测出正在衰减的单个电池的性能。该成果是一种非常可靠的测试方法，它能彻底穿透单个电池的能 量层，确保最大程度的可靠性。它以俗称的Randles等效电路为基础，将电化学电池表现为一个由电学元件组成的电路网，每个电学元件都与构成单个电池的 一个物理因素相关。（参见图板）


图2 电化学电池的Randles等效电路。
 
图3显示了各种参数在单个电池寿命期间内的渐进曲线。同一特性在放电或容量下降期间也得到了证实。等效电路的全部阻抗因素都遵循近似的曲线；在早期失效或容量下降阶段，没有大幅改变。如果将阻抗用作单个电池工作状态的主要指示，它将不会给出任何有意义的指示，除非容量下降幅度超过25-30%。 因为行业标准是更换性能下降至规定性能80％以下的电池，显而易见，必须尽早识别可能的失效。
 


图3 Randles参数随电池寿命或放电而渐进。不同电阻参数表现出相同的曲线形状，而双电层电容表现出的早期变化可以检测到。
 
不过，在Randles等效电路中，有一种参数在单个电池失效（单纯的金属腐蚀除外，这种失效模式会通过Rm参数的增大而显现）早期就会改变，这就是Cdl，双电层电容。图3最下面那条曲线显现了其特性；此外，对于处于正常放电阶段的性能正常的电池，以及假定完全充满电的正在失效的电池，其Cdl曲线的形状是相似的。
 
监测技术

本文未对这种监测技术详加描述，下文对其进行了简单介绍。
 
逐个向单个电池馈入测试信号，无需在整个电池组内注入大电流，也不存在对外部系统直流连接的干扰。采用双极测试信号对原有算法进行了改良，不过 结果证明单极信号可靠性更高。然而，在采用单极信号进行测试时，出现直流漂移。简单消除这种漂移并不能保持数据集特性，而其特性是准确测定参量所必需的。采用频率扫描的方式重排不同频率的信号脉冲（包含测试信号），可使电池电压响应与预定曲线吻合。
 
一旦潜在漂移曲线变得有规则，就能设置固件算法对这种漂移建模并消除它，从而得到适合直接输入Sentinel算法的平均零电压数据集。这种方法可将漂移误差降至0.1％以下，也不会导致数据集出现明显失真。因此波形测量中也可以采用这种算法，从而使等效电路参数的准确度更高。
 
诸多测量功能和算法处理均被集成到单片集成电路中。Sentinel模块既可测量单个电池单体，也可测量整个12V电池）。多达250个测量 点，均以模块形式开展测量，测量结果可以通过专用数据总线提交到电池数据记录器，S-Box。在大规模的电池组系统中，可以对几股这样的数据流进行合成， 使得本地或远程上行管理系统可以利用S-Box内集成的网络服务器经由标准总线或因特网连接使用这些数据流。
 
通过利用测量SoC确定每个电池的真实状态，不仅仅可以提供检测临近失效这种成熟的监测架构就能具备的功能；还可以设置其他功能和服务。
 
例如，电池组内的单个电池的内阻通常各不相同。随着时间推移，这种状态就会产生问题。SoC智能控制系统可以快速检测这些单个电池，端电压优化系统可以转移不能继续充电的单个电池周围的浮电流…
 
实时充电管理可以延长电池寿命：在端电压相同的情况下，VRLA电池内的浮充电流比富液电池内的高。这可能加速阳极板腐蚀，降低电池的有效使用寿命，最多达30％。对一定比例使用寿命消除浮充可以降低这种不良效应。不过这种对循环寿命的副作用也有一个好处，就是降低热失控的发生率。
 
一种电池安装模块也可以提供整个寿命周期内的端电压和温度记录，以为制造商和用户所用。
 
过度放电保护：这种装置在充电器/UPS系统中很常见，尤其是电池监测器，它们根据平均单个电池电压终止放电以保护电池。不过，性能较差的电池的端电压可能比电池平均电压低很多，而且在其达到终止电压以前，一直放电良好。因此开发了一种高精动态‘Time To Run（剩余运行时间）’算法，在任何单个电池即将耗尽时均会给出警告。
 
备用电池参数监测必需尽可能详尽，以便生成最能准确体现电池状态的结果。这不仅仅是一个技术问题，同时还是一个经济问题。避免在用电池失效是不 可或缺的，不过过早更换尚未临近寿命终期的电池是极端不合算的。除了测量每个电池的电压、阻抗和放电性能，LEM还将监测电池内部温度设置为标准功能；这 居于世界领先地位。目前LEM正在开发一种采用磁通门技术的浮充传感器，其分辨率高于10mA，没有或几乎没有温度漂移，大电流放电后几乎没有剩磁，测量 重复精度更高。集成这些高级特性，电池监测器不再是价格昂贵的附加系统，而是极端合算的整体寿命管理系统。