蓄電池在數據中心領域是一個故障高發點。鼓脹、短路、漏液,嚴重時導致起火,造成的損失令人觸目驚心。國內外多個IDC機房均有電池起火的慘痛教訓。

如何防患於未然?UPS主機或直流電源自帶的電池監測係統很難完成此項重任。這些監測係統通常隻能監控整組電池的電壓、電流和環境溫度。對於每節電池單體的溫度、電壓和電流以及關鍵的電池內阻值無法做到在線監測,所以不能做到提前預警。電池長期處於浮充狀態時,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別,在電池浮充期間,隻監測電池電壓和電流,無法在線檢測出故障電池。隻有在蓄電池放電時,故障電池的端電壓將急劇下降。同一型號、同一批次的電池內阻值,在使用初期,參數往往相近,當電池老化或故障(斷路、短路、電池端子虛接)時,其內阻值會發生顯著變化。通過監測電池內阻值的相對變化,就可以實現電池故障提前預警。由此可知,在線監測單節蓄電池的內阻和溫度才是重中之重。有關標準在這點上均有明確要求:GB50174《電子信息機房設計規範》要求A級機房監測每一節蓄電池的電壓、阻抗和故障。美國電信聯合會TIA942要求Tier4機房必須配置在線自動檢測係統,監測每節電池電壓、溫度和內阻。

智能電池單體監測係統曆經三代的發展。第一代電池單體監測係統隻檢測電池電壓和電流,隻能在電池放電情況下,通過檢測電池端電壓發現故障電池;第二代集中式監測係統除了具備第一代係統功能外,還可以監測電池內阻。第二代采用集中式采集結構,基本能判斷單個電池故障。集中式通常采用非插拔式端子,故障發生時更換不易,接線繁瑣容易出錯,端子密集可能導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構,可以監測單節電池的電壓、內阻、溫度等。具備完善的告警和預告警功能。模塊化簡化了係統結構,使安裝和維護更加方便快捷。圖1為模塊化電池單體係統連接示意圖。

　　1 單體電池內阻測量方法

智能單體監測係統通常采用兩種方法來檢測電池內阻。

(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定後的瞬間恢複電壓差ΔU=U2-U1;

測量放電電流值I;

計算出電池內值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?新型的智能檢測係統采用脈寬調製放電模式,盡量減少放電時對電池的損害。艾特網能單體監測係統采用先進的四線內阻檢測法可以極大的降低線路阻抗對電池內阻檢測的影響,數據準確合理。圖3為四線內阻檢測法的原理圖。

(2)交流法

交流檢測法的檢測曲線如圖4所示。電池實際上等效於一個有源電阻。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);然後檢測出相應電池電壓的反饋變化,對其反饋電壓進行采樣,經過整流、濾波等一係列處理後,通過計算得到該電池的內阻值。

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係統產生*?優化的交流測試係統多采用非注入方式,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。艾特網能電池單體監測係統采用了兩種測試方法兼容模式,係統可以根據充電紋波自動選取最佳檢測方式。

　　2 溫度測量方法

傳統型集中式蓄電池內阻在線監測係統的溫度檢測,僅檢測1～4路溫度,且檢測的是環境溫度或者是蓄電池組的表麵溫度,不能真實的反映單個蓄電池的內部溫度。艾特網能電池采集模塊的溫度探頭,直接集成在測量線束上。可直接采集每節蓄電池的極柱溫度(見圖5)。一方麵可有效地避免單節電池熱失控現象的發生,另一方麵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。同時具有環境溫度檢測功能,可實現電池溫升報警、溫度報警等功能。智能監測係統可以在電池極柱溫度異常升高時,自動脫扣電池開關,切斷電池充放電回路,有效避免火災的發生。檢測每節電池的極柱溫度對蓄電池火災早期預警意義重大。

3 電池的自動均衡

艾特網能智能電池管理係統能實現電池在線自動均衡功能。可消除電池間的差異,保證組內電池的一致,提高電池的使用率。電池在浮充狀態時,係統通過電壓檢測,一旦發現某節電池電壓超過平均值或基準值的一定比例,係統進入均衡處理過程。電池均衡電路采用MOS開關對電池進行旁路脈衝式放電,防止電池過充,實現電壓均衡(見圖6)。

4 電池活化功能

在均衡電路基礎上,可進一步提供活化功能。係統通過內核的算法,確定脈寬調製的占空比,並發出活化均衡控製信號來控製MOS管變頻高速通斷,達到對該節電池進行小電流瞬時的可控充放電(斷開時恢複充電),從而實現對該節電池的激勵作用,持續高頻衝擊和破碎電池內部硫酸鹽層,活化電池。圖7為破碎硫酸鹽層的照片。

　　5 係統的安裝和維護

模塊化的設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,將墊片同時預裝,可大大節省電池監控係統安裝工時。電池采集線纜見圖8。

(2)電池采集模塊體積小巧,直接粘在蓄電池表麵

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據

各單元間采用總線方式數據連接,從電池櫃中僅需引出1～N根通訊線(根據電池組數而定,*方式不需要)即可,大大減少傳統電池監測係統的工程施工量。監控單元采用19寸機架結構,可以直接安裝在標準機櫃內,或直接掛牆和掛電池櫃上,方便安裝。圖9為智能電池監測係統現場安裝圖。

6 結束語

智能蓄電池單體監測係統彌補了UPS自帶整組電池監測係統的短板,使電池維護智能數據化,實時在線地監測每節單體,高效準確地發現單體電池故障，做到故障提前預警，有效避免了機房重大事故的發生，還能做到電池均衡和活化，是中高端數據中心生命周期管理中必不可少的安全保護係統。

作者簡介

溫順理,UPS高級工程師,中歐EMBA工商管理碩士,中國數據中心產業發展聯盟專家委員會常務委員,深圳市艾特網能技術有限公司UPS&供配電產品總監。從事UPS研發、設計及市場推廣工作20年,擁有業內豐富的數據中心和工業供配電係統實踐應用經驗,參與設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、中國建行武漢數據中心、中石油安寧煉化等國家級重大項目。多年來一直致力於供配電係統的技術應用研究。

編輯：Harris

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