1 前言

     越來越依賴技術(shù)為我們提供安全感：相機、應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，可以隨時使用它們。確保緊急情況下的可用性依賴于不出差錯的電源，這相應意味著高品質(zhì)的備用電池。但是，如何知道備用電池真的不出差錯呢？

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

    大多數(shù)備用電池使用多個閥控鉛酸蓄電池（VRLA）做成整體電池組。雖然稱作“免維護”，但這項技術(shù)有眾所周知的不足，其中的任何一個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)的嚴重危險，需要定期維護檢查它們的健康狀態(tài)（SOH）與荷電狀態(tài)（SOC）。不論這些維護多么頻繁，在維護檢查間隙仍有發(fā)生電池故障的風險。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)測的系統(tǒng)。

    2  持續(xù)監(jiān)測

    持續(xù)監(jiān)測似乎是個簡單的解決辦法，但在現(xiàn)實中面臨經(jīng)濟上的難題。持續(xù)監(jiān)測方案通常需要增加50%的電池成本，如果把安裝和運行考慮在內(nèi)，增加比例甚至高達70%。面對這么高的成本，在提示電池壽命終結(jié)的平均無故障時間（MTBF）之前定期更換電池，可能是更經(jīng)濟的做法。然而，和例行維護一樣，這也充滿不確定性，因為環(huán)境條件對電池的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)測系統(tǒng)，全面診斷電池在各個條件下的SOH和SOC。2007年3月，供應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)威機構(gòu)RWTH亞琛大學合作，確立了先進的低成本電池監(jiān)測管理的發(fā)展方向。

    在其他制造商追逐更“時尚”的電池技術(shù)時，RWTH亞琛大學則已建立起技術(shù)中心并增強其力量，集中研究最為成熟和普遍銷售的電池化學工藝。LEM-亞琛結(jié)成長期合作關(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)測與分析系統(tǒng)。

    通過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)測的“Sentinel”解決方案，終于研制出最新一代產(chǎn)品Sentinel III。Sentinel能夠測量電池電壓、內(nèi)部溫度和內(nèi)部阻抗，其診斷測量水準可媲美高度復雜且昂貴的實驗設(shè)備，但成本因素使其可用作持續(xù)監(jiān)測方案。

    為了開發(fā)Sentinel，如圖1所示，LEM使用上述實驗設(shè)備并選用眾多的電池樣品和品牌，進行廣泛的研發(fā)。在這個項目中，Sentinel運用和復制了電化學阻抗頻譜分析法。在解釋高性價比的單芯片解決方案中如何復制這項先進技術(shù)之前，值得我們確切說明的是它實現(xiàn)的診斷水準以及如何保護基于電池的UPS的完整性。

 

    圖1   用于評估監(jiān)測裝置的測試設(shè)置

    3  老化問題

    這類系統(tǒng)大多采用鉛酸電池技術(shù)，眾所周知的技術(shù)缺陷是老化導致容量衰減，內(nèi)阻升高。不過，由于這項技術(shù)如此成熟，老化狀況也廣為人知，因而能夠通過探測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，導致電極上生成大的晶體?？赏ㄟ^適當調(diào)節(jié)電池，部分地控制這種狀況，但事實證明在嚴重情況下這是不可逆的。這種情況也會生成小的晶體，稱作“樹枝晶”，如果沒有探測到的話，可能會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。這些老化效應都導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，以便在災難性故障發(fā)生之前采取適當行動。

    以上效應導致電池容量或電量降低。任何一類診斷都應當以鑒別這些老化效應為目標。

    在已進行的測試中，使用電化學阻抗譜（RWTH亞琛大學的EISmeter分析儀）進行全譜測量，運用一系列的正弦波形測量電池，測得整個頻譜的阻抗。通過傅立葉分析計算給定頻率的實際和假想的電壓響應部分，得出測量結(jié)果。通過分析電壓響應與勵磁電流的幅角及相角關(guān)系，獲得復雜的阻抗結(jié)果。

    對于Sentinel解決方案而言，這是不切實際的，因為做到這一點所需的處理能力會使持續(xù)監(jiān)測系統(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行測量，但能獲得堪比EISmeter的結(jié)果。

    4  趨勢分析

    測量結(jié)果顯示，用EISmeter和用Sentinel測得的兩個數(shù)值非常一致。雖然使用Sentinel反饋的數(shù)值稍高，但這容易通過校準予以補償。但是，基于電池診斷的目的，對于重要性來說，這種偏差是相對而非絕對的。由于測量是持續(xù)進行的，因此，重要的是從結(jié)果中清楚看出趨勢數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)加上均采用單一集成電路測得的溫度和電壓值，構(gòu)成Sentinel解決方案的信息基礎(chǔ)。

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

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

    單個串行總線最多可以接入250個而最多設(shè)定為六組的Sentinel模塊，最多可監(jiān)測六條浮動/放電電流，使安裝變得極其輕松，只需使用預設(shè)端子的數(shù)據(jù)總線電纜將插頭插入插座即可。

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

   LEM獨一無二的真實能量層阻抗測量法以及更強大耐久的測試電流，確保每次測得的結(jié)果準確且可重復。采用設(shè)定頻率通過對整個電池進行多次“短時微放電”測量阻抗，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，這個單一的較長預處理脈沖動作在開始繪制測量脈沖之前，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，結(jié)合脈沖電流參照值，提供阻抗值。

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

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

    另外在設(shè)計上，Sentinel III安裝簡單，花費的時間約為安裝其他系統(tǒng)所需時間的四分之一。這是通過單片電路設(shè)計和簡化通訊系統(tǒng)實現(xiàn)的。各獨立單元采用LEM 的 S-BUS總線的專有通訊總線，獨立運行，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參數(shù)和數(shù)據(jù)存儲裝置（見圖5）。

 

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

    正是詳細的測量加上智能化的數(shù)據(jù)分析，才能提供關(guān)于真實電池狀況和可用性的可靠報告。Sentinel III提供電芯或整個電池的準確溫度、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間的數(shù)據(jù)變化情況，提取趨勢信息，隨時向用戶提供備用電池投入使用后的真實性能。在單個電芯或整個電池層面，系統(tǒng)鑒別出故障的電池組件，針對完全失效生成警報，并請求進行人工檢驗。由于S-BOX盒也接入網(wǎng)絡服務器，可通過互聯(lián)網(wǎng)查看所有的性能、趨勢和警報數(shù)據(jù)；以標準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)測裝置。

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

    考慮到對復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。單個電芯發(fā)生故障可能引發(fā)采用UPS作為應急電源的系統(tǒng)災難。但是，使用LEM的Sentinel可以預測、防止系統(tǒng)災難的發(fā)生，從而在間接損害發(fā)生之前，提早進行高性價比的校正。

    LEM堅信，持續(xù)監(jiān)測對這些應用有重要意義，但它的成本不應超過電池成本的15%。因為我們已經(jīng)知道，大多數(shù)故障模式中是阻抗發(fā)生了變化，所以，迄今為止這是探測電池失效退化的最有效方法。為了獲得真實的讀數(shù)，必須在足以穿透當前“表面”負荷的電流水平上測試電池，為此開發(fā)的Sentinel也能自動優(yōu)化阻抗信號測試水平。

    5  結(jié)語

    Sentinel系統(tǒng)是完全自動運行的單芯片解決方案，為安全和關(guān)鍵應用提供性價比極高的可靠監(jiān)測手段。整個系統(tǒng)的運行可基于單個電芯的完整性。但是，Sentinel能夠保持這種完整性，從而避免潛在的災難性故障。

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