人们通常将充电机充电蓄电池比喻为UPS供电系统的心脏,而UPS故障有多达50%是由充电机充电蓄电池故障引发的,充电机充电蓄电池故障是UPS事故发生率居高不下的一个重要原因。由此可见,提高充电机充电蓄电池运行安全可靠的必要性和迫切性。各行业用户应从确保运行质量、生产安全和财产安全的角度来重视充电机充电蓄电池的维护工作,因此购置充电机充电蓄电池维护仪表不是消费性的开支,而是一种对安全的长期投资。目前UPS业内普遍使用的都是阀控式铅酸充电机充电蓄电池,对充电机充电蓄电池的监控和维护是本文探讨的中心。

铅酸充电机充电蓄电池介绍
　　阀控式铅酸充电机充电蓄电池的英文名称为Valve Regulated Lead Battery(简称VRLA电池),其基本特点是使用期间不用加酸加水维护,电池为密封结构,不会漏酸,也不会排酸雾,电池盖子上设有单向排气阀(也叫安全阀),阀的作用是当电池内部气体量超过一定值(通常用气压值表示),即当电池内部气压升高到一定值时,排气阀会自动打开,排出
　　气体,然后自动关阀,防止空气进入电池内部。铅酸电池诞生于20世纪70年代,到1975年时,在一些发达国家已经形成了相当的生产规模,很快就形成了产业化并大量投放市场。因为其具有成本低,浮充性能好,免维护,易于回收等多种优点,而倍受用户欢迎。
UPS充电机充电蓄电池的安全隐患
　　UPS如今应用行业和场景越来越复杂多样,实际应用场景没有一个统一的管理标准,大部分维护人员也没有形成科学的维护理念或者具备有效地维护设施和手段。致使常常UPS安装完后,充电机充电蓄电池组就长期处于无人值守的状况,以致于这类UPS的充电机充电蓄电池组都可能存在很大的安全隐患。在UPS的应用场景中,数据中心(中心机房)往往配备大量的充电机充电蓄电池组,本文以这类UPS应用的典型代表为例,列举三点充电机充电蓄电池组可能存在的安全隐患。
导致网络中断事故

　　数据中心的供电保障系统是保证网络设备供电不中断的核心系统,后备充电机充电蓄电池组是网络的应急供电能源之所在。充电机充电蓄电池组能够在市电停电或交流侧发生电气短路中断时,通过逆变给后端设备提供足够的后备电能,以便数据的保存和通信的延展,不会直接导致通信网络的供电中断。在UPS系统中,只要逆变器及后续电路正常工作,就可以给后端负载供电。在设计之初，UPS的后备时间就在机房建设考虑中。然而，若充电机充电蓄电池组不良，极有可能在后备供电过程中发生机器宕机，造成负载设备掉电，导致网络中断故障，造成通讯故障，带来直接巨大的经济损失。据不完全统计，金融行业的数据中心每宕机1min，即可能造成约150万美元的损失。
短路危害大

　　一般情况下,发现电气短路起火时,首先要切断电源。对于交流电源而言,由于电能自上而下地来源于市电电网或柴油发电机组,当发生电气短路故障时,总会有一级保护器件产生动作,及时切断短路的电气电路。而当充电机充电蓄电池组位于电源供电系统的末端,电能是自下而上提供的,只要越过了充电机充电蓄电池组的保护断路器,则不会再有其它的保护。发生短路故障时,往往无法有效地切断短路的电气电路。加上直流电流不像交流正弦波,它没有过零点时的瞬间电动势为零的过程,一旦发生电气短路不能快速切除电弧,极易造成故障的蔓延,对负载和机房的其他设备,甚至值守人员带来危害。
引发机房火灾

　　充电机充电蓄电池充电过程中会有氢气的产生,氢气是易燃易爆的甲类物质,当室内氢气浓度达到爆炸极限(4%～75%)时,一遇火源就会发生气爆。另外电池因为材质、安装工艺、热失控等多种原因,发生充电机充电蓄电池组电气短路后,若不能及时发现和切断回路,则必然引起火灾。充电机充电蓄电池组的电量越足,危害性也越大,且火灾中会产生大量烟,迅速蔓延整个机房,即使机房配有单独的电池室,但因通道连通的关系,机房也有可能迅速被烟覆盖。造成更大的人员财产损失。

电池监控系统的必要性
　　铅酸电池的使用寿命号称有5～8年,不过在实际应用过程中,往往3～5年就面临需要更换的境地,尽管电池寿命的减短跟实际使用的很多因素有关,但在铅酸电池技术未有重大突破的前,电池寿命的延长主要还是依靠电池的日常维护和保养,而UPS的充电机充电蓄电池普遍缺乏正确的日常维护和科学的运维管理。部分客户通常是等到事故发生的时候,才知道电池出现故障了,不仅没法保证充足的后备时间,可能造成负载掉电。而且电池故障的解决方法只能通过换电池来处理。这不经济也不环保,无疑会降低数据中心的MTBF。而且最近还发生了几起机房电池火灾爆炸事故,譬如:北邮网络机房起火事故,导致了北京地区多所高校网络中断。所以,导入一款能够实现实时监控,均衡充电,提前报警的电池监控设备,从而达到延长充电机充电蓄电池的使用寿命,提高UPS充电机充电蓄电池的安全可靠性是目前困扰客户亟待解决的问题。
智能电池监控仪的总体结构
　　智能电池监控仪一般由一个主机模块和若干个检测及主动均衡模块构成,具有在线监测,异常告警,自动维护,远程控制4大功能。普遍都是用智能模块采集数据,当然各个厂商的数据测量方法多样,采集完数据后都会传输给主机,主机内部有接收数据的模块,通过处理和分析,来判断电池的好坏,来决定是否进行异常报警,处理后的数据通过LCD显示,并在主机内数据模块存储,系统的总体结构框图如图1所示。


1在线监测
　　电池状态有几个参数可以作为重要参考。以便我们对充电机充电蓄电池好坏有一个比较准确的判断。所以智能监控仪采集的数据,其主要内容一般都要包含电压、内阻、温度。
1
电池电压的监测及硬件思路
　　电压是充电机充电蓄电池当前状态的最直接的表征,也是最容易检测到能反馈电池当前状态的参数,而且电池过充或者过放都会造成电池永久性损坏。确保充电电压在一个合理范围内,能延长充电机充电蓄电池的使用寿命。为监测单个电池电压,电压的采样模块可采用分压电路+电压跟随器+A/D采样模块的硬件思路来实现(见图2)。


2
温度的检测及硬件思路


　　电池充放电过程中一般都会产生热量,如果电池没有办法及时的导走,会在充电机充电蓄电池内部堆积,皆可能导致充电机充电蓄电池过热,从而引发电池热失控等后果,充电机充电蓄电池的最佳应用环境温度在15～25℃。据试验测定,环境温度一旦超过25℃,每升高10℃,电池的寿命就要缩短一半,实际测量时,因为电池内部温度无法测量,测量模块一般将电池箱体的周边温度作为温度采集的数据。目前市面上常用硬件设计思路都是采用美国DALLAS公司推出的单线数字化智能集成温度传感器DS18B20来构成温度采样电路，该元件具有体积小，硬件开销低，抗*能力强，精度高等优点。且可以直接跟CPU相连，三个引脚分别接地、工作电源和CPU即可完成温度侦测。且数据最高精度可达到±0.5℃(见图3)。


3
电池内阻的检测及设计思路


　　内阻检测一般都是各厂商的核心技术,多数厂商也以内阻的测量的结果来作为判断电池的重要手段之一,市面上现有两种电池常见的内阻检测方法是直流放电法和交流注入法。交流注入法是在电池端子两端施加一个低频交流恒流信号,然后通过取样电路获取交流信号的交流电流值,计算公式为r=U/I(1)
　　而直流放电法则是通过对电池进行瞬间大电流放电,测量电池上的瞬间电压降,然后通过欧姆定律来得到电池内阻值,即
　　(2)
　　在线式内阻监测采用交流注入法会更方便,直流放电法会对电池造成一定的损害。


2自动维护
 
　　电池组的自动维护,是指在监测时能够使得电池组内的所有单体电池与相邻电池的电压趋近相等。使得整个电池组所有电池的电压相近或相等。尽可能的让每节电池都处于最佳活性状态,当相邻电池的电差大于控制电压差时,会启动均衡控制,控制充电过程中所有电池组中的所有电池同时达到充电限制电压。放电过程,所有电池同时达到放电截止电压,彻底解决落后电池的“木桶效应”。保证整组电池的电压一致性,提高电池组的综合利用率,有效的保护电池,保障电池组的运行稳定性。

3异常报警
 　
　　电池的相关数据经过采集后,传输到主机,主机内部会进行检测分析,对充电机充电蓄电池组的运行状况进行评估,如果确实有运行状态不良的充电机充电蓄电池,会给予异常告警,以便及时处理异常电池。

4远程监控

　远程控制,电池监控仪内置WEB服务器,通过匹配合适的IP地址,即可实现远程通讯。达到监测和控制的功能,通讯框图如图4所示。


结束语
END
在UPS行业,随着BMS的成熟,且电池应用数量的增长,对于充电机充电蓄电池安全性,稳定性和可靠性的需求也会越来越迫切。可以预见,充电机充电蓄电池的智能监控和维护设备在UPS电池管理方面的应用会更普及,这是技术发展,社会进步的必然结果。