基于LEM的Sentinel系统实用备用电池监测方案

支撑当代社会的基础设施必须以非常高的可靠性运行。互联网服务器群和通信交换中心为了保证近乎100％的“无故障运行时间”或系统可用性，它们大多都依赖 一项非常成熟的技术——铅酸电池，而数据存储中心采用的却是高新技术。通常，这些关键节点和许多其他重要部门均配备备用电源，备用电源的第一层一般是逆变 器，逆变器对阀控铅酸（VRLA）电池或性能类似的密封式胶体电池组装的电池组提供电源转换。

这项传统技术之所以广为应用，有很多原因，尤其是铅酸电池经济实惠，而且具备杰出的可靠性。不过虽然杰出却并不完美。VRLA电池使用寿命有限 （设计寿命一般为12年），通常关键系统使用这种电池作为备用电源，不过定期更换。故障可能、确实时有发生。在一个典型的备用电源系统中，这种电池的作用 正如其名—它们始终保持完全充满电的状态等待主电源失效。而完全充满电状态则通过连续的小电流“浮”充电维持。如果浮充电流低于某设定限值，则电池内部电 解产生的气体就会再化合。在这种情况下，浮充电压即使略高于单个电池标准值2.27 V，也有可能损坏电池。小幅过电压将导致电解液析出多于再化合处理量的更多气体，这些未被处理的气体会通过安全阀溢出。如果电池温度过高，即使充电电压适 当，也会导致电解液损耗。

其他失效模式包括早期硫酸化、极柱和板栅连接不良、极板和板栅连接不良、电解液层化及板栅加速腐蚀。另外还有一种虽然少却是灾难性的失效模式——热失控，这是VRLA和胶体电池所特有的一种失效模式，可以引起爆炸起火。防范热失控的唯一方法是监测电池内部温度。

仅仅监测电池电压对检测铅酸电池容量下降所起的作用非常有限，这一点已经得到业内公认。当电池性能正在下降时，通常呈现的是标称电压，直到释放大电流时方能显现出来，而这时它的容量已经严重降低，端电压过早跌落。通过测量电解液确切比重来确定电池状态，这种方法对密封VRLA或胶体电池不适用； 常规上，检验电池容量采用的唯一办法是将整个电池组放电至受控状态以下，不过这种方法需要电池停止使用。此外，深度放电还会降低铅酸电池的寿命；在定期对 其备用电池进行放电测试以及其主电源具备高可靠性的系统上，大多采用这种测试方案确定电池使用寿命。

近来，可以进行连续监测的非介入式电子法可以检测单个电池的临近失效状态，这种方法既能节约成本，又能维持整个系统的可用性。此类系统的前身通 常测量电池或电池组（电池行业术语，指封装于同一壳体内的多个电池）电压—尽管其局限性众所周知—加上充/放电流和周围温度。一些系统试图测量或推测电池 内阻，其成效各有不同。

LEM的Sentinel系统是基于依赖简单的基本参数模拟测量进行转变的领先产品，现在已经发展到第3代即Sentinel III。它在单片定制设计的SoC（系统芯片）集成电路上整合了模拟和数字技术。该装置配置在一个测量端电压、电池内部温度以及内部阻抗的模块内，对于可 以提供精确测量结果、费用又在大多数备用系统配置能承受的预算范围内的系统而言，它是设计时一个关键要素。

电池温度和/或以指数方式增长的内部阻抗值（图1），它们是临近失效的指示，数据记录系统监测数据随时间变化的趋势，识别潜在的临近失效。所有 Sentinel III模块都配置有一个外部温度测量探头或贴片，可以直接贴在单个电池或电池组的外壳上，以尽可能准确地跟踪电池温度。

电池正被使用或正在充电时，可以采用一项成熟的技术评定内部阻抗。通常，在浮充直流电压上叠加微弱的交流电压，测量此时的交流电压和 电流，然后根据测量结果推算内部阻抗，具体实施方法各有不同。不过这种方法有一定的局限性，它只能处理指数曲线形状。而即将失效的单个电池在失效过程中， 在数据记录器识别其失效趋势以前，显现良好的状态；相反地，到失效问题出现时，这个电池可能在短期内就会完全失效。

LEM开发了一种更成熟的算法，这种算法可以尽早检测出正在衰减的单个电池的性能。该成果是一种非常可靠的测试方法，它能彻底穿透单个电池的能 量层，确保最大程度的可靠性。它以俗称的Randles等效电路为基础，将电化学电池表现为一个由电学元件组成的电路网，每个电学元件都与构成单个电池的 一个物理因素相关。（参见图板）

图3显示了各种参数在单个电池寿命期间内的渐进曲线。同一特性在放电或容量下降期间也得到了证实。等效电路的全部阻抗因素都遵循近似的曲线；在 早期失效或容量下降阶段，没有大幅改变。如果将阻抗用作单个电池工作状态的主要指示，它将不会给出任何有意义的指示，除非容量下降幅度超过25-30%。 因为行业标准是更换性能下降至规定性能80％以下的电池，显而易见，必须尽早识别可能的失效。

不过，在Randles等效电路中，有一种参数在单个电池失效（单纯的金属腐蚀除外，这种失效模式会通过Rm参数的增大而显现）早期就会改变，这就是Cdl，双电层电容。图3最下面那条曲线显现了其特性；此外，对于处于正常放电阶段的性能正常的电池，以及假定完全充满电的正在失效的电池，其Cdl曲线的形状是相似的。