蓄电池在数据中心领域是一个故障高发点。鼓胀、短路、漏液,严重时导致起火,造成的损失令人触目惊心。国内外多个IDC机房均有电池起火的惨痛教训。

如何防患于未然?UPS主机或直流电源自带的电池监测系统很难完成此项重任。这些监测系统通常只能监控整组电池的电压、电流和环境温度。对于每节电池单体的温度、电压和电流以及关键的电池内阻值无法做到在线监测,所以不能做到提前预警。电池长期处于浮充状态时,测得的电池端电压是一个浮值,故障电池和正常电池的端电压没有明显区别,在电池浮充期间,只监测电池电压和电流,无法在线检测出故障电池。只有在蓄电池放电时,故障电池的端电压将急剧下降。同一型号、同一批次的电池内阻值,在使用初期,参数往往相近,当电池老化或故障(断路、短路、电池端子虚接)时,其内阻值会发生显著变化。通过监测电池内阻值的相对变化,就可以实现电池故障提前预警。由此可知,在线监测单节蓄电池的内阻和温度才是重中之重。有关标准在这点上均有明确要求:GB50174《电子信息机房设计规范》要求A级机房监测每一节蓄电池的电压、阻抗和故障。美国电信联合会TIA942要求Tier4机房必须配置在线自动检测系统,监测每节电池电压、温度和内阻。

智能电池单体监测系统历经三代的发展。第一代电池单体监测系统只检测电池电压和电流,只能在电池放电情况下,通过检测电池端电压发现故障电池;第二代集中式监测系统除了具备第一代系统功能外,还可以监测电池内阻。第二代采用集中式采集结构,基本能判断单个电池故障。集中式通常采用非插拔式端子,故障发生时更换不易,接线繁琐容易出错,端子密集可能导致接线混乱和累积成高危险电压;第三代采用分散模块化结构,可以监测单节电池的电压、内阻、温度等。具备完善的告警和预告警功能。模块化简化了系统结构,使安装和维护更加方便快捷。图1为模块化电池单体系统连接示意图。

　　1 单体电池内阻测量方法

智能单体监测系统通常采用两种方法来检测电池内阻。

(1)直流法

如图2所示。电池向检测模块放电;测量电池放电电压稳定后的瞬间恢复电压差ΔU=U2-U1;

测量放电电流值I;

计算出电池内值Ri=ΔU/I。

用户对直流法的疑虑是直流法在电池放电过程中是否对电池有损害?新型的智能检测系统采用脉宽调制放电模式,尽量减少放电时对电池的损害。艾特网能单体监测系统采用先进的四线内阻检测法可以极大的降低线路阻抗对电池内阻检测的影响,数据准确合理。图3为四线内阻检测法的原理图。

(2)交流法

交流检测法的检测曲线如图4所示。电池实际上等效于一个有源电阻。给电池施加一定频率和一定电流(目前一般使用100Hz～1kHz频率、50mA小电流);然后检测出相应电池电压的反馈变化,对其反馈电压进行采样,经过整流、滤波等一系列处理后,通过计算得到该电池的内阻值。

用户对交流法的疑虑是检测过程中注入的交流信号是否会对系统产生*?优化的交流测试系统多采用非注入方式,充分利用电池的充电纹波来进行测量。

两种方法各有利弊。在充电电压纹波较小时,直流法更加准确可靠。在电池充电压纹波较大时,直流法会受到很大*,交流法更加精准。艾特网能电池单体监测系统采用了两种测试方法兼容模式,系统可以根据充电纹波自动选取最佳检测方式。

　　2 温度测量方法

传统型集中式蓄电池内阻在线监测系统的温度检测,仅检测1～4路温度,且检测的是环境温度或者是蓄电池组的表面温度,不能真实的反映单个蓄电池的内部温度。艾特网能电池采集模块的温度探头,直接集成在测量线束上。可直接采集每节蓄电池的极柱温度(见图5)。一方面可有效地避免单节电池热失控现象的发生,另一方面也可检测电池大电流放电时极柱温升情况,避免电池电缆过热。同时具有环境温度检测功能,可实现电池温升报警、温度报警等功能。智能监测系统可以在电池极柱温度异常升高时,自动脱扣电池开关,切断电池充放电回路,有效避免火灾的发生。检测每节电池的极柱温度对蓄电池火灾早期预警意义重大。

3 电池的自动均衡

艾特网能智能电池管理系统能实现电池在线自动均衡功能。可消除电池间的差异,保证组内电池的一致,提高电池的使用率。电池在浮充状态时,系统通过电压检测,一旦发现某节电池电压超过平均值或基准值的一定比例,系统进入均衡处理过程。电池均衡电路采用MOS开关对电池进行旁路脉冲式放电,防止电池过充,实现电压均衡(见图6)。

4 电池活化功能

在均衡电路基础上,可进一步提供活化功能。系统通过内核的算法,确定脉宽调制的占空比,并发出活化均衡控制信号来控制MOS管变频高速通断,达到对该节电池进行小电流瞬时的可控充放电(断开时恢复充电),从而实现对该节电池的激励作用,持续高频冲击和破碎电池内部硫酸盐层,活化电池。图7为破碎硫酸盐层的照片。

　　5 系统的安装和维护

模块化的设计使工程安装极其方便。

(1)电池采集线缆

采用双****线鼻和插拔线缆组合方式,方便施工安装和线缆更换。在电池安装时,将垫片同时预装,可大大节省电池监控系统安装工时。电池采集线缆见图8。

(2)电池采集模块体积小巧,直接粘在蓄电池表面

采用配套专用测量线缆,测量线缆可以随时从电池采集模块上拆卸。通讯线采用网线串接在各个电池采集模块之间(*模式不需要通讯线),模块安装采用魔术贴安装方式,方便模块的检测、拆装和再利用。

(3)采用主控显示和分散模块测量电池数据

各单元间采用总线方式数据连接,从电池柜中仅需引出1～N根通讯线(根据电池组数而定,*方式不需要)即可,大大减少传统电池监测系统的工程施工量。监控单元采用19寸机架结构,可以直接安装在标准机柜内,或直接挂墙和挂电池柜上,方便安装。图9为智能电池监测系统现场安装图。

6 结束语

智能蓄电池单体监测系统弥补了UPS自带整组电池监测系统的短板,使电池维护智能数据化,实时在线地监测每节单体,高效准确地发现单体电池故障，做到故障提前预警，有效避免了机房重大事故的发生，还能做到电池均衡和活化，是中高端数据中心生命周期管理中必不可少的安全保护系统。

作者简介

温顺理,UPS高级工程师,中欧EMBA工商管理硕士,中国数据中心产业发展联盟专家委员会常务委员,深圳市艾特网能技术有限公司UPS&供配电产品总监。从事UPS研发、设计及市场推广工作20年,拥有业内丰富的数据中心和工业供配电系统实践应用经验,参与设计建造了北京奥运鸟巢休育场、国家信息安全中心、上海证交所、中国建行武汉数据中心、中石油安宁炼化等国家级重大项目。多年来一直致力于供配电系统的技术应用研究。

编辑：Harris

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