蓄電池在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域是一個故障高發(fā)點。鼓脹、短路、漏液,嚴重時導(dǎo)致起火,造成的損失令人觸目驚心。國內(nèi)外多個IDC機房均有電池起火的慘痛教訓(xùn)。

如何防患于未然?UPS主機或直流電源自帶的電池監(jiān)測系統(tǒng)很難完成此項重任。這些監(jiān)測系統(tǒng)通常只能監(jiān)控整組電池的電壓、電流和環(huán)境溫度。對于每節(jié)電池單體的溫度、電壓和電流以及關(guān)鍵的電池內(nèi)阻值無法做到在線監(jiān)測,所以不能做到提前預(yù)警。電池長期處于浮充狀態(tài)時,測得的電池端電壓是一個浮值,故障電池和正常電池的端電壓沒有明顯區(qū)別,在電池浮充期間,只監(jiān)測電池電壓和電流,無法在線檢測出故障電池。只有在蓄電池放電時,故障電池的端電壓將急劇下降。同一型號、同一批次的電池內(nèi)阻值,在使用初期,參數(shù)往往相近,當電池老化或故障(斷路、短路、電池端子虛接)時,其內(nèi)阻值會發(fā)生顯著變化。通過監(jiān)測電池內(nèi)阻值的相對變化,就可以實現(xiàn)電池故障提前預(yù)警。由此可知,在線監(jiān)測單節(jié)蓄電池的內(nèi)阻和溫度才是重中之重。有關(guān)標準在這點上均有明確要求:GB50174《電子信息機房設(shè)計規(guī)范》要求A級機房監(jiān)測每一節(jié)蓄電池的電壓、阻抗和故障。美國電信聯(lián)合會TIA942要求Tier4機房必須配置在線自動檢測系統(tǒng),監(jiān)測每節(jié)電池電壓、溫度和內(nèi)阻。

智能電池單體監(jiān)測系統(tǒng)歷經(jīng)三代的發(fā)展。第一代電池單體監(jiān)測系統(tǒng)只檢測電池電壓和電流,只能在電池放電情況下,通過檢測電池端電壓發(fā)現(xiàn)故障電池;第二代集中式監(jiān)測系統(tǒng)除了具備第一代系統(tǒng)功能外,還可以監(jiān)測電池內(nèi)阻。第二代采用集中式采集結(jié)構(gòu),基本能判斷單個電池故障。集中式通常采用非插拔式端子,故障發(fā)生時更換不易,接線繁瑣容易出錯,端子密集可能導(dǎo)致接線混亂和累積成高危險電壓;第三代采用分散模塊化結(jié)構(gòu),可以監(jiān)測單節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等。具備完善的告警和預(yù)告警功能。模塊化簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使安裝和維護更加方便快捷。圖1為模塊化電池單體系統(tǒng)連接示意圖。

　　1 單體電池內(nèi)阻測量方法

智能單體監(jiān)測系統(tǒng)通常采用兩種方法來檢測電池內(nèi)阻。

(1)直流法

如圖2所示。電池向檢測模塊放電;測量電池放電電壓穩(wěn)定后的瞬間恢復(fù)電壓差ΔU=U2-U1;

測量放電電流值I;

計算出電池內(nèi)值Ri=ΔU/I。

用戶對直流法的疑慮是直流法在電池放電過程中是否對電池有損害?新型的智能檢測系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制放電模式,盡量減少放電時對電池的損害。艾特網(wǎng)能單體監(jiān)測系統(tǒng)采用先進的四線內(nèi)阻檢測法可以極大的降低線路阻抗對電池內(nèi)阻檢測的影響,數(shù)據(jù)準確合理。圖3為四線內(nèi)阻檢測法的原理圖。

(2)交流法

交流檢測法的檢測曲線如圖4所示。電池實際上等效于一個有源電阻。給電池施加一定頻率和一定電流(目前一般使用100Hz～1kHz頻率、50mA小電流);然后檢測出相應(yīng)電池電壓的反饋變化,對其反饋電壓進行采樣,經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后,通過計算得到該電池的內(nèi)阻值。

用戶對交流法的疑慮是檢測過程中注入的交流信號是否會對系統(tǒng)產(chǎn)生*?優(yōu)化的交流測試系統(tǒng)多采用非注入方式,充分利用電池的充電紋波來進行測量。

兩種方法各有利弊。在充電電壓紋波較小時,直流法更加準確可靠。在電池充電壓紋波較大時,直流法會受到很大*,交流法更加精準。艾特網(wǎng)能電池單體監(jiān)測系統(tǒng)采用了兩種測試方法兼容模式,系統(tǒng)可以根據(jù)充電紋波自動選取最佳檢測方式。

　　2 溫度測量方法

傳統(tǒng)型集中式蓄電池內(nèi)阻在線監(jiān)測系統(tǒng)的溫度檢測,僅檢測1～4路溫度,且檢測的是環(huán)境溫度或者是蓄電池組的表面溫度,不能真實的反映單個蓄電池的內(nèi)部溫度。艾特網(wǎng)能電池采集模塊的溫度探頭,直接集成在測量線束上。可直接采集每節(jié)蓄電池的極柱溫度(見圖5)。一方面可有效地避免單節(jié)電池熱失控現(xiàn)象的發(fā)生,另一方面也可檢測電池大電流放電時極柱溫升情況,避免電池電纜過熱。同時具有環(huán)境溫度檢測功能,可實現(xiàn)電池溫升報警、溫度報警等功能。智能監(jiān)測系統(tǒng)可以在電池極柱溫度異常升高時,自動脫扣電池開關(guān),切斷電池充放電回路,有效避免火災(zāi)的發(fā)生。檢測每節(jié)電池的極柱溫度對蓄電池火災(zāi)早期預(yù)警意義重大。

3 電池的自動均衡

艾特網(wǎng)能智能電池管理系統(tǒng)能實現(xiàn)電池在線自動均衡功能。可消除電池間的差異,保證組內(nèi)電池的一致,提高電池的使用率。電池在浮充狀態(tài)時,系統(tǒng)通過電壓檢測,一旦發(fā)現(xiàn)某節(jié)電池電壓超過平均值或基準值的一定比例,系統(tǒng)進入均衡處理過程。電池均衡電路采用MOS開關(guān)對電池進行旁路脈沖式放電,防止電池過充,實現(xiàn)電壓均衡(見圖6)。

4 電池活化功能

在均衡電路基礎(chǔ)上,可進一步提供活化功能。系統(tǒng)通過內(nèi)核的算法,確定脈寬調(diào)制的占空比,并發(fā)出活化均衡控制信號來控制MOS管變頻高速通斷,達到對該節(jié)電池進行小電流瞬時的可控充放電(斷開時恢復(fù)充電),從而實現(xiàn)對該節(jié)電池的激勵作用,持續(xù)高頻沖擊和破碎電池內(nèi)部硫酸鹽層,活化電池。圖7為破碎硫酸鹽層的照片。

　　5 系統(tǒng)的安裝和維護

模塊化的設(shè)計使工程安裝極其方便。

(1)電池采集線纜

采用雙****線鼻和插拔線纜組合方式,方便施工安裝和線纜更換。在電池安裝時,將墊片同時預(yù)裝,可大大節(jié)省電池監(jiān)控系統(tǒng)安裝工時。電池采集線纜見圖8。

(2)電池采集模塊體積小巧,直接粘在蓄電池表面

采用配套專用測量線纜,測量線纜可以隨時從電池采集模塊上拆卸。通訊線采用網(wǎng)線串接在各個電池采集模塊之間(*模式不需要通訊線),模塊安裝采用魔術(shù)貼安裝方式,方便模塊的檢測、拆裝和再利用。

(3)采用主控顯示和分散模塊測量電池數(shù)據(jù)

各單元間采用總線方式數(shù)據(jù)連接,從電池柜中僅需引出1～N根通訊線(根據(jù)電池組數(shù)而定,*方式不需要)即可,大大減少傳統(tǒng)電池監(jiān)測系統(tǒng)的工程施工量。監(jiān)控單元采用19寸機架結(jié)構(gòu),可以直接安裝在標準機柜內(nèi),或直接掛墻和掛電池柜上,方便安裝。圖9為智能電池監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖。

6 結(jié)束語

智能蓄電池單體監(jiān)測系統(tǒng)彌補了UPS自帶整組電池監(jiān)測系統(tǒng)的短板,使電池維護智能數(shù)據(jù)化,實時在線地監(jiān)測每節(jié)單體,高效準確地發(fā)現(xiàn)單體電池故障，做到故障提前預(yù)警，有效避免了機房重大事故的發(fā)生，還能做到電池均衡和活化，是中高端數(shù)據(jù)中心生命周期管理中必不可少的安全保護系統(tǒng)。

作者簡介

溫順理,UPS高級工程師,中歐EMBA工商管理碩士,中國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟專家委員會常務(wù)委員,深圳市艾特網(wǎng)能技術(shù)有限公司UPS&供配電產(chǎn)品總監(jiān)。從事UPS研發(fā)、設(shè)計及市場推廣工作20年,擁有業(yè)內(nèi)豐富的數(shù)據(jù)中心和工業(yè)供配電系統(tǒng)實踐應(yīng)用經(jīng)驗,參與設(shè)計建造了北京奧運鳥巢休育場、國家信息安全中心、上海證交所、中國建行武漢數(shù)據(jù)中心、中石油安寧煉化等國家級重大項目。多年來一直致力于供配電系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用研究。

編輯：Harris

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