連續電池監測可以提高UPS可靠性、降低成本

西方社會越來越習慣于接受可靠性非常高的基礎服務。我們希望，像電力網、電信和IT網絡之類的基礎設施在我們需要的時候能夠隨時提供服務，一旦出現故障或者服務提供商提供的服務不能達到要求，我們就會認為其服務水平嚴重不足。我們有時（談到“5個9”或“6個9” 的有效性，但通常沒有深思它們的真正含義。實際上，99.999%的有效性意味著1年內的停電時間約為5分鐘；而“6個9”只允許1年內的停電時間為半分鐘。

因此，許多關鍵基礎設施和商業系統都采用不間斷電源（UPS）作為備用電力。當電力設施停電時，準確轉換到UPS供電給現場電源。UPS市場專門服務于小容量系統，從1 kVA或者更低到幾十kVA，可以支持1、2臺計算機工作；以及幾十到幾百kVA的中型設備，用于支持辦公建筑的IT基礎設施。最近幾年出現了許多功率為幾百萬瓦的大型設備，用于支持數據中心和確保在線服務的持續有效性。最近幾月甚至幾年，大型服務器農場和數據中心已經成為最主要的應用，UPS也繼續為建立已久的關鍵系統市場服務：例如手術室和空中交通管制。

UPS按照其功率輸出分類，與其容量無關，也就是說與它們的供電時長有關。UPS可以用于長時間替代電源供電，長達幾個小時；或者僅用于提供“橋接”電源，即電源失效時立即開始供電，直到柴油發電機之類的電源啟動并達到穩定輸出后停止供電，供電時間只有幾秒鐘或幾分鐘。還存在另外一種短期應用模式，不僅需要UPS支持連續運行，還需要UPS提供充足的電源以便確保客戶系統的預定關閉。

電池組為大部分UPS供電

雖然UPS可以采用其他技術（比如飛輪儲能），但是大部分UPS仍然采用電池組儲能。電池組不僅可以提供可觀的容量，而且幾乎能夠在瞬間供電。要使UPS可靠運行，必須使電池組充滿電并且狀態良好。

盡管電池技術在其他領域已經取得了許多進步，但UPS中采用的電池仍然是最古老的化學鉛酸電池。因為諸多原因，在備用電源中鉛酸電池一直未能被取代。就每單元存儲的電量而言，鉛酸電池的能量密度高（雖然以今天的標準來衡量并不突出）；它們的功率密度非常高，能夠根據需要輸送大電流而不會損壞；雖然它們的重量比較大，不適用于許多便攜式場合，但是對于UPS設備的影響并不大；尤其是，可能因為它們的成本比較低。此外，從今天的環境敏感度來看，鉛酸電池幾乎全部成分都與“綠色”相關，尤其是鉛，可以完全循環再用。

鉛酸電池的充電和壽命周期特性也非常適合UPS使用。VRLA（閥控鉛酸）電池不僅可以容許連續“浮”充，而且只要始終保持在充滿電并很少深度放電時，它的使用壽命可以達到最大。不過，電池組的使用壽命有限，如果環境條件（尤其溫度）超出最適宜的范圍，電池壽命就會相當程度地縮短。大多數設備上的電池可以根據保質期定期進行更換，通常是每5年更換一次。但是這種方法存在缺陷：在非預期環境條件下運行的電池可能失效更快，而受到良好維護的電池的使用壽命可能會更長。

容錯

現代的UPS需要提供高功率輸出，因此需要許多電池單元大規模的串聯，單個電池單元的失效可以導致整個串聯電池組的失效。大型和中型UPS通過執行冗余來確保單個電池失效不會導致整個UPS失效。而UPS仍將繼續運行，不過輸出的的峰電流會減小，系統使用UPS能夠運行的時間會縮短。此外，失效的電池還可能損壞電池組內其他單元，降低它們的使用壽命。

電池監測和維護體現了與UPS運行相關的一項重要成本。通常，工程師需要定期（可能按月）巡查現場，以便測量系統內電池的電氣特性。通常通過測量電池電壓，來鑒別運行不正常的電池并進行更換。輸出電壓并不能始終有效地預測電池失效。當電池的端電壓顯著低于其標稱值時，很容易鑒別該電池可能會失效，但鉛酸電池在其容量降低時或在其失效早期，仍然能夠表現出滿意的端電壓。因此，電池也可能在定期維護周期之間失效，所以需要工程師進行額外巡查。

持續監測降低成本

對電池進行持續監測，一方面可以縮短工程師對每組電池狀態親身檢查的時間，從而提高他們的現場巡查效率，另一方面可以實現預防性維護。通過鑒別電池的潛在失效，工程師可以在例行巡查過程中換下電池，從而保證更高的可靠性，同時也避免了程師進行緊急巡查。

圖1：持續監測系統測得的電池單元的輸出電壓

圖1標示出對配置一臺800kVAUPS的廣播設備上的電池進行測量的綜合監測結果。圖形指示出一組聯電池組中幾個單體電池的輸出電壓。在這個例子中，每個串聯電池組由200塊單體電池（在其他文章中，單體電池也被稱之為電池組：封裝在一個外殼內的多個電池單元）組成，能夠提供大約440V的電壓。電壓存在相當大的波動，因為電池組配置不正確：這一點將在下文進行討論。

圖中明確地指出，一個電池單元提供的電壓為2V，而不是標稱的2.2V。雖然電池提供的電壓比預期的低，不過這種差別相對較小（在正常接受范圍內），而且是穩定的。這種特性很典型，采用輸出電壓作為電池即將失效的指標不再可靠，因為電壓值可以保持在閥值范圍內，因此不會觸發報警。這就是發生在這個例子中的；在收集這些數據時，監測系統用于*估定期維護方案的有效性，而不是用于警告潛在的問題。由于沒有采取任何措施，該電池單元后來在圖2所覆蓋的時期內嚴重失效；水平軸表示測試進行的日期。不過，在失效點（電池單元電壓下降至0.7V）以前，故障電池組的電壓從本質上保持恒定，沒有任何即將失效的跡象。最后，維護人員在11月更換了該單體電池，隨后電壓恢復到整個電池陣列的平均值水平。

圖2：電池單元徹底失效－失效前電壓幾乎沒有降低

這些證明，輸出電壓不能準確預告可能發生的失效：而另一個參數阻抗才是更好的指標。如圖3所示，圖形表明阻抗在6月份呈上升趨勢，到7月初該值增長了20％以上。這種趨勢很容易表明：對阻抗進行測量可以在電池失效前3個月就能發現問題。利用該數據，可以在定期預防維護過程中更換該電池，而無需等它劣化致失效。

圖3：對電池單元阻抗軌跡的回顧調查證明，阻抗是更好的失效預測指標

在線阻抗測量

電壓測量很簡單，電池單運行時即可進行；利用最新監測技術，阻抗也可以采用非干擾式方法準確測量。這些圖形疊加顯示了進行定期測量的監測系統的輸出，結果位于浮充電壓上方，是一種特定頻率特性的校準波形。在這些頻率下測量的電壓和電流反映了電池組的基本性能。測試的波形體現了電池單元性能的任何潛在變化，不過盡管如此，只考慮測試電壓給出的警告有限，直到失效點。

對電池進行持續監測還為提高UPS的可靠性提供了其他有用信息。如圖1所示，很顯然有許多充電/放電周期（通過電壓軌跡上的脈沖體現）。盡管所有電池組都需要進行調節，但是這個電池組的放電過于頻繁，每月放電4-5次。同時，進行一定的電池調節可以延長壽命，但過多的放電周期會降低壽命：正常配置放電周期為每年兩到三次。通常情況下，電池單元質保使用壽命為20到50個周期。在這種情況下，我們在考慮電池僅僅幾個月后就可能超過這個質保，而每5年更換一次電池的方案可能意味著電池需要經歷比設計擔保多幾倍的放電周期。

現場頻繁的充電/放電周期是由于安裝人員將UPS設置在試運行模式而造成的，這種模式使電池頻繁地循環充電以便進行測試。這個出乎意料的常見錯誤會大幅度縮短電池使用壽命。在工程師連續自動監測中，錯誤設置可能表現不明顯，但是產生的問題卻很明顯。

導致電池壽命縮短的另外一個原因是高溫。即使溫度只升高一點，也會造成電池內不必要的化學反應概率的增加，最終導致電池失效。一般來說，電池制造商會提到電池的使用溫度為20 °C。圖4指出了系統中隨時間變化的環境溫度，在其中一點溫度達到了22 °C。空調系統未能將溫度保持 在可接受的范圍之內，這樣會導致電池壽命縮短。而且溫度升高可使電池制造商的質保無效。

圖4：采用同一系統收集溫度監測數據，超出溫度范圍發出警報

我們發現，通過監測系統對電池進行長期的監測