1前言

越來越依賴技術(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SentinelIII。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，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。可通過適當(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)于重要性來說，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)SentinelIII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)潛在的熱失控來說是不可或缺的，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)。