人們通常將蓄電池比喻為UPS供電系統的心臟,而UPS故障有多達50%是由蓄電池故障引發的,蓄電池故障是UPS事故發生率居高不下的一個重要原因。由此可見,提高蓄電池運行安全可靠的必要性和迫切性。各行業用戶應從確保運行質量、生產安全和財產安全的角度來重視蓄電池的維護工作,因此購置蓄電池維護儀表不是消費性的開支,而是一種對安全的長期投資。目前UPS業內普遍使用的都是閥控式鉛酸蓄電池,對蓄電池的監控和維護是本文探討的中心。
1 鉛酸蓄電池介紹
閥控式鉛酸蓄電池的英文名稱為Valve Regulated Lead Battery(簡稱VRLA電池),其基本特點是使用期間不用加酸加水維護,電池為密封結構,不會漏酸,也不會排酸霧,電池蓋子上設有單向排氣閥(也叫安全閥),閥的作用是當電池內部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示),即當電池內部氣壓升高到一定值時,排氣閥會自動打開,排出
氣體,然后自動關閥,防止空氣進入電池內部。鉛酸電池誕生于20世紀70年代,到1975年時,在一些發達國家已經形成了相當的生產規模,很快就形成了產業化并大量投放市場。因為其具有成本低,浮充性能好,免維護,易于回收等多種優點,而倍受用戶歡迎。
2 UPS蓄電池的安全隱患
UPS如今應用行業和場景越來越復雜多樣,實際應用場景沒有一個統一的管理標準,大部分維護人員也沒有形成科學的維護理念或者具備有效地維護設施和手段。致使常常UPS安裝完后,蓄電池組就長期處于無人值守的狀況,以致于這類UPS的蓄電池組都可能存在很大的安全隱患。在UPS的應用場景中,數據中心(中心機房)往往配備大量的蓄電池組,本文以這類UPS應用的典型代表為例,列舉三點蓄電池組可能存在的安全隱患。
(1)導致網絡中斷事故
數據中心的供電保障系統是保證網絡設備供電不中斷的核心系統,后備蓄電池組是網絡的應急供電能源之所在。蓄電池組能夠在市電停電或交流側發生電氣短路中斷時,通過逆變給后端設備提供足夠的后備電能,以便數據的保存和通信的延展,不會直接導致通信網絡的供電中斷。在UPS系統中,只要逆變器及后續電路正常工作,就可以給后端負載供電。在設計之初，UPS的后備時間就在機房建設考慮中。然而，若蓄電池組不良，極有可能在后備供電過程中發生機器宕機，造成負載設備掉電，導致網絡中斷故障，造成通訊故障，帶來直接巨大的經濟損失。據不完全統計，金融行業的數據中心每宕機1min，即可能造成約150萬美元的損失。
(2)短路危害大
一般情況下,發現電氣短路起火時,首先要切斷電源。對于交流電源而言,由于電能自上而下地來源于市電電網或柴油發電機組,當發生電氣短路故障時,總會有一級保護器件產生動作,及時切斷短路的電氣電路。而當蓄電池組位于電源供電系統的末端,電能是自下而上提供的,只要越過了蓄電池組的保護斷路器,則不會再有其它的保護。發生短路故障時,往往無法有效地切斷短路的電氣電路。加上直流電流不像交流正弦波,它沒有過零點時的瞬間電動勢為零的過程,一旦發生電氣短路不能快速切除電弧,極易造成故障的蔓延,對負載和機房的其他設備,甚至值守人員帶來危害。
(3)引發機房火災
蓄電池充電過程中會有氫氣的產生,氫氣是易燃易爆的甲類物質,當室內氫氣濃度達到爆炸極限(4%～75%)時,一遇火源就會發生氣爆。另外電池因為材質、安裝工藝、熱失控等多種原因,發生蓄電池組電氣短路后,若不能及時發現和切斷回路,則必然引起火災。蓄電池組的電量越足,危害性也越大,且火災中會產生大量煙,迅速蔓延整個機房,即使機房配有單獨的電池室,但因通道連通的關系,機房也有可能迅速被煙覆蓋。造成更大的人員財產損失。
3 電池監控系統的必要性
鉛酸電池的使用壽命號稱有5～8年,不過在實際應用過程中,往往3～5年就面臨需要更換的境地,盡管電池壽命的減短跟實際使用的很多因素有關,但在鉛酸電池技術未有重大突破的前,電池壽命的延長主要還是依靠電池的日常維護和保養,而UPS的蓄電池普遍缺乏正確的日常維護和科學的運維管理。部分客戶通常是等到事故發生的時候,才知道電池出現故障了,不僅沒法保證充足的后備時間,可能造成負載掉電。而且電池故障的解決方法只能通過換電池來處理。這不經濟也不環保,無疑會降低數據中心的MTBF。而且最近還發生了幾起機房電池火災爆炸事故,譬如:北郵網絡機房起火事故,導致了北京地區多所高校網絡中斷。所以,導入一款能夠實現實時監控,均衡充電,提前報警的電池監控設備,從而達到延長蓄電池的使用壽命,提高UPS蓄電池的安全可靠性是目前困擾客戶亟待解決的問題。
4 智能電池監控儀的總體結構
智能電池監控儀一般由一個主機模塊和若干個檢測及主動均衡模塊構成,具有在線監測,異常告警,自動維護,遠程控制4大功能。普遍都是用智能模塊采集數據,當然各個廠商的數據測量方法多樣,采集完數據后都會傳輸給主機,主機內部有接收數據的模塊,通過處理和分析,來判斷電池的好壞,來決定是否進行異常報警,處理后的數據通過LCD顯示,并在主機內數據模塊存儲,系統的總體結構框圖如圖1所示。
(1)在線監測
電池狀態有幾個參數可以作為重要參考。以便我們對蓄電池好壞有一個比較準確的判斷。所以智能監控儀采集的數據,其主要內容一般都要包含電壓、內阻、溫度。
①電池電壓的監測及硬件思路
電壓是蓄電池當前狀態的最直接的表征,也是最容易檢測到能反饋電池當前狀態的參數,而且電池過充或者過放都會造成電池永久性損壞。確保充電電壓在一個合理范圍內,能延長蓄電池的使用壽命。為監測單個電池電壓,電壓的采樣模塊可采用分壓電路+電壓跟隨器+A/D采樣模塊的硬件思路來實現(見圖2)。
②溫度的檢測及硬件思路
電池充放電過程中一般都會產生熱量,如果電池沒有辦法及時的導走,會在蓄電池內部堆積,皆可能導致蓄電池過熱,從而引發電池熱失控等后果,蓄電池的最佳應用環境溫度在15～25℃。據試驗測定,環境溫度一旦超過25℃,每升高10℃,電池的壽命就要縮短一半,實際測量時,因為電池內部溫度無法測量,測量模塊一般將電池箱體的周邊溫度作為溫度采集的數據。目前市面上常用硬件設計思路都是采用美國DALLAS公司推出的單線數字化智能集成溫度傳感器DS18B20來構成溫度采樣電路，該元件具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等優點。且可以直接跟CPU相連，三個引腳分別接地、工作電源和CPU即可完成溫度偵測。且數據最高精度可達到±0.5℃(見圖3)。
③電池內阻的檢測及設計思路
內阻檢測一般都是各廠商的核心技術,多數廠商也以內阻的測量的結果來作為判斷電池的重要手段之一,市面上現有兩種電池常見的內阻檢測方法是直流放電法和交流注入法。交流注入法是在電池端子兩端施加一個低頻交流恒流信號,然后通過取樣電路獲取交流信號的交流電流值,計算公式為r=U/I(1)
而直流放電法則是通過對電池進行瞬間大電流放電,測量電池上的瞬間電壓降,然后通過歐姆定律來得到電池內阻值,即
(2)
在線式內阻監測采用交流注入法會更方便,直流放電法會對電池造成一定的損害。
(2)自動維護
電池組的自動維護,是指在監測時能夠使得電池組內的所有單體電池與相鄰電池的電壓趨近相等。使得整個電池組所有電池的電壓相近或相等。盡可能的讓每節電池都處于最佳活性狀態,當相鄰電池的電差大于控制電壓差時,會啟動均衡控制,控制充電過程中所有電池組中的所有電池同時達到充電限制電壓。放電過程,所有電池同時達到放電截止電壓,徹底解決落后電池的“木桶效應”。保證整組電池的電壓一致性,提高電池組的綜合利用率,有效的保護電池,保障電池組的運行穩定性。
(3)異常報警
電池的相關數據經過采集后,傳輸到主機,主機內部會進行檢測分析,對蓄電池組的運行狀況進行評估,如果確實有運行狀態不良的蓄電池,會給予異常告警,以便及時處理異常電池。
(4)遠程監控
遠程控制,電池監控儀內置WEB服務器,通過匹配合適的IP地址,即可實現遠程通訊。達到監測和控制的功能,通訊框圖如圖4所示。
5 結束語
在UPS行業,隨著BMS的成熟,且電池應用數量的增長,對于蓄電池安全性,穩定性和可靠性的需求也會越來越迫切?？梢灶A見,蓄電池的智能監控和維護設備在UPS電池管理方面的應用會更普及,這是技術發展,社會進步的必然結果。
參考文獻
[1]郭亮.蓄電池在線監控系統的研究,碩士畢業論文,山西大學,2010
[2]趙龍.UPS蓄電池在線監控儀地研究,碩士畢業論文,哈爾濱工業大學,2010
[3]王秀蘭李莉.電力電源中蓄電池失效模式及在線監控,電源技術,200428(12)790-793
[4]劉純張曉娟等.蓄電池智能監控和維護系統,電源世界,20160628-30
[5]桂長清.密封鉛酸電池的內阻分析,通信電源技術,199917(3)1-4
1 鉛酸蓄電池介紹
閥控式鉛酸蓄電池的英文名稱為Valve Regulated Lead Battery(簡稱VRLA電池),其基本特點是使用期間不用加酸加水維護,電池為密封結構,不會漏酸,也不會排酸霧,電池蓋子上設有單向排氣閥(也叫安全閥),閥的作用是當電池內部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示),即當電池內部氣壓升高到一定值時,排氣閥會自動打開,排出
氣體,然后自動關閥,防止空氣進入電池內部。鉛酸電池誕生于20世紀70年代,到1975年時,在一些發達國家已經形成了相當的生產規模,很快就形成了產業化并大量投放市場。因為其具有成本低,浮充性能好,免維護,易于回收等多種優點,而倍受用戶歡迎。
2 UPS蓄電池的安全隱患
UPS如今應用行業和場景越來越復雜多樣,實際應用場景沒有一個統一的管理標準,大部分維護人員也沒有形成科學的維護理念或者具備有效地維護設施和手段。致使常常UPS安裝完后,蓄電池組就長期處于無人值守的狀況,以致于這類UPS的蓄電池組都可能存在很大的安全隱患。在UPS的應用場景中,數據中心(中心機房)往往配備大量的蓄電池組,本文以這類UPS應用的典型代表為例,列舉三點蓄電池組可能存在的安全隱患。
(1)導致網絡中斷事故
數據中心的供電保障系統是保證網絡設備供電不中斷的核心系統,后備蓄電池組是網絡的應急供電能源之所在。蓄電池組能夠在市電停電或交流側發生電氣短路中斷時,通過逆變給后端設備提供足夠的后備電能,以便數據的保存和通信的延展,不會直接導致通信網絡的供電中斷。在UPS系統中,只要逆變器及后續電路正常工作,就可以給后端負載供電。在設計之初，UPS的后備時間就在機房建設考慮中。然而，若蓄電池組不良，極有可能在后備供電過程中發生機器宕機，造成負載設備掉電，導致網絡中斷故障，造成通訊故障，帶來直接巨大的經濟損失。據不完全統計，金融行業的數據中心每宕機1min，即可能造成約150萬美元的損失。
(2)短路危害大
一般情況下,發現電氣短路起火時,首先要切斷電源。對于交流電源而言,由于電能自上而下地來源于市電電網或柴油發電機組,當發生電氣短路故障時,總會有一級保護器件產生動作,及時切斷短路的電氣電路。而當蓄電池組位于電源供電系統的末端,電能是自下而上提供的,只要越過了蓄電池組的保護斷路器,則不會再有其它的保護。發生短路故障時,往往無法有效地切斷短路的電氣電路。加上直流電流不像交流正弦波,它沒有過零點時的瞬間電動勢為零的過程,一旦發生電氣短路不能快速切除電弧,極易造成故障的蔓延,對負載和機房的其他設備,甚至值守人員帶來危害。
(3)引發機房火災
蓄電池充電過程中會有氫氣的產生,氫氣是易燃易爆的甲類物質,當室內氫氣濃度達到爆炸極限(4%～75%)時,一遇火源就會發生氣爆。另外電池因為材質、安裝工藝、熱失控等多種原因,發生蓄電池組電氣短路后,若不能及時發現和切斷回路,則必然引起火災。蓄電池組的電量越足,危害性也越大,且火災中會產生大量煙,迅速蔓延整個機房,即使機房配有單獨的電池室,但因通道連通的關系,機房也有可能迅速被煙覆蓋。造成更大的人員財產損失。
3 電池監控系統的必要性
鉛酸電池的使用壽命號稱有5～8年,不過在實際應用過程中,往往3～5年就面臨需要更換的境地,盡管電池壽命的減短跟實際使用的很多因素有關,但在鉛酸電池技術未有重大突破的前,電池壽命的延長主要還是依靠電池的日常維護和保養,而UPS的蓄電池普遍缺乏正確的日常維護和科學的運維管理。部分客戶通常是等到事故發生的時候,才知道電池出現故障了,不僅沒法保證充足的后備時間,可能造成負載掉電。而且電池故障的解決方法只能通過換電池來處理。這不經濟也不環保,無疑會降低數據中心的MTBF。而且最近還發生了幾起機房電池火災爆炸事故,譬如:北郵網絡機房起火事故,導致了北京地區多所高校網絡中斷。所以,導入一款能夠實現實時監控,均衡充電,提前報警的電池監控設備,從而達到延長蓄電池的使用壽命,提高UPS蓄電池的安全可靠性是目前困擾客戶亟待解決的問題。
4 智能電池監控儀的總體結構
智能電池監控儀一般由一個主機模塊和若干個檢測及主動均衡模塊構成,具有在線監測,異常告警,自動維護,遠程控制4大功能。普遍都是用智能模塊采集數據,當然各個廠商的數據測量方法多樣,采集完數據后都會傳輸給主機,主機內部有接收數據的模塊,通過處理和分析,來判斷電池的好壞,來決定是否進行異常報警,處理后的數據通過LCD顯示,并在主機內數據模塊存儲,系統的總體結構框圖如圖1所示。
(1)在線監測
電池狀態有幾個參數可以作為重要參考。以便我們對蓄電池好壞有一個比較準確的判斷。所以智能監控儀采集的數據,其主要內容一般都要包含電壓、內阻、溫度。
①電池電壓的監測及硬件思路
電壓是蓄電池當前狀態的最直接的表征,也是最容易檢測到能反饋電池當前狀態的參數,而且電池過充或者過放都會造成電池永久性損壞。確保充電電壓在一個合理范圍內,能延長蓄電池的使用壽命。為監測單個電池電壓,電壓的采樣模塊可采用分壓電路+電壓跟隨器+A/D采樣模塊的硬件思路來實現(見圖2)。
②溫度的檢測及硬件思路
電池充放電過程中一般都會產生熱量,如果電池沒有辦法及時的導走,會在蓄電池內部堆積,皆可能導致蓄電池過熱,從而引發電池熱失控等后果,蓄電池的最佳應用環境溫度在15～25℃。據試驗測定,環境溫度一旦超過25℃,每升高10℃,電池的壽命就要縮短一半,實際測量時,因為電池內部溫度無法測量,測量模塊一般將電池箱體的周邊溫度作為溫度采集的數據。目前市面上常用硬件設計思路都是采用美國DALLAS公司推出的單線數字化智能集成溫度傳感器DS18B20來構成溫度采樣電路，該元件具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等優點。且可以直接跟CPU相連，三個引腳分別接地、工作電源和CPU即可完成溫度偵測。且數據最高精度可達到±0.5℃(見圖3)。
③電池內阻的檢測及設計思路
內阻檢測一般都是各廠商的核心技術,多數廠商也以內阻的測量的結果來作為判斷電池的重要手段之一,市面上現有兩種電池常見的內阻檢測方法是直流放電法和交流注入法。交流注入法是在電池端子兩端施加一個低頻交流恒流信號,然后通過取樣電路獲取交流信號的交流電流值,計算公式為r=U/I(1)
而直流放電法則是通過對電池進行瞬間大電流放電,測量電池上的瞬間電壓降,然后通過歐姆定律來得到電池內阻值,即
(2)
在線式內阻監測采用交流注入法會更方便,直流放電法會對電池造成一定的損害。
(2)自動維護
電池組的自動維護,是指在監測時能夠使得電池組內的所有單體電池與相鄰電池的電壓趨近相等。使得整個電池組所有電池的電壓相近或相等。盡可能的讓每節電池都處于最佳活性狀態,當相鄰電池的電差大于控制電壓差時,會啟動均衡控制,控制充電過程中所有電池組中的所有電池同時達到充電限制電壓。放電過程,所有電池同時達到放電截止電壓,徹底解決落后電池的“木桶效應”。保證整組電池的電壓一致性,提高電池組的綜合利用率,有效的保護電池,保障電池組的運行穩定性。
(3)異常報警
電池的相關數據經過采集后,傳輸到主機,主機內部會進行檢測分析,對蓄電池組的運行狀況進行評估,如果確實有運行狀態不良的蓄電池,會給予異常告警,以便及時處理異常電池。
(4)遠程監控
遠程控制,電池監控儀內置WEB服務器,通過匹配合適的IP地址,即可實現遠程通訊。達到監測和控制的功能,通訊框圖如圖4所示。
5 結束語
在UPS行業,隨著BMS的成熟,且電池應用數量的增長,對于蓄電池安全性,穩定性和可靠性的需求也會越來越迫切?？梢灶A見,蓄電池的智能監控和維護設備在UPS電池管理方面的應用會更普及,這是技術發展,社會進步的必然結果。
參考文獻
[1]郭亮.蓄電池在線監控系統的研究,碩士畢業論文,山西大學,2010
[2]趙龍.UPS蓄電池在線監控儀地研究,碩士畢業論文,哈爾濱工業大學,2010
[3]王秀蘭李莉.電力電源中蓄電池失效模式及在線監控,電源技術,200428(12)790-793
[4]劉純張曉娟等.蓄電池智能監控和維護系統,電源世界,20160628-30
[5]桂長清.密封鉛酸電池的內阻分析,通信電源技術,199917(3)1-4
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