连续电池监测可以提高UPS可靠性、降低成本 2011-04-28 00:54:41来源:互联网
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1 kVA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，