1. 中國建筑設(shè)計研究院機電院，北京 100044； 2. 中國農(nóng)業(yè)銀行信息技術(shù)部，北京 100036

胡 桃1 / 于智勇2

障是由電池失效引起的，電池在保修期中失效的比例達到5%。電池（特別是閥控電池）可以在2天內(nèi)就由好變壞， 例如圖1 所示的電池。可以看到其內(nèi)阻在兩天內(nèi)爬升劇烈，此電池已失效。整組電池的性能往往受最差電池的影響，失效的電池對于組內(nèi)其他電池也是一個負面影響；設(shè)計壽命10年的電池實際使用往往只有46年的時間（特別是在UPS系統(tǒng)）。

設(shè)置昂貴的電池但不進行有效的監(jiān)測，其后備電源的可靠性遠不及具備了高質(zhì)量電池監(jiān)測的廉價電池系統(tǒng)，因此日常對蓄電池的監(jiān)測維護十分重要且必不可少。

1 引言

近年來數(shù)據(jù)中心的建設(shè)已成為電信業(yè)、金融業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)等行業(yè)的建設(shè)熱點，大型、超大型的數(shù)據(jù)機房不斷涌現(xiàn)。在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中花費巨大財力配置大量的UPS和發(fā)電機，作為市電斷電或發(fā)生異常等電網(wǎng)故障時的后備電源，24h全天候待命，其對數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的保障具有十分重要的核心意義。

2 為何對蓄電池進行監(jiān)測

UPS的核心組成是蓄電池，UPS能否正常工作運行取決于蓄電池是否正常。據(jù)統(tǒng)計，UPS系統(tǒng)超過75%的突發(fā)電源故

障是由電池失效引起的，電池在保修期中失效的比例達到5%。電池（特別是閥控電池）可以在2天內(nèi)就由好變壞， 例如圖1 所示的電池?？梢钥吹狡鋬?nèi)阻在兩天內(nèi)爬升劇烈，此電池已失效。整組電池的性能往往受最差電池的影響，失效的電池對于組內(nèi)其他電池也是一個負面影響；設(shè)計壽命10年的電池實際使用往往只有46年的時間（特別是在UPS系統(tǒng)）。

設(shè)置昂貴的電池但不進行有效的監(jiān)測，其后備電源的可靠性遠不及具備了高質(zhì)量電池監(jiān)測的廉價電池系統(tǒng)，因此日常對蓄電池的監(jiān)測維護十分重要且必不可少。

圖 1 電池內(nèi)阻曲線

3 電池監(jiān)測方法

自上世紀80年代以來，人們便開始研究電池的物理化學(xué)特性，設(shè)想通過測量代表電池性能的參數(shù)，預(yù)知電池的狀態(tài)變化。經(jīng)過20多年的反復(fù)驗證，電池的歐姆值的趨勢變化，能夠準確地反映電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的變化，為預(yù)判電池故障提供準確的依據(jù)。

如圖2所示是一組采用電池監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的電池曲線，這組電池中，25號電池和49號電池的內(nèi)阻發(fā)生異常，其數(shù)值超出了整組電池正常內(nèi)阻值的125%，并觸發(fā)報警。對這組電池進行放電試驗，如圖3可見，25號電池和49號電池的放電曲線顯示放電電壓落后，電池容量不足。

圖2 一組監(jiān)測中的電池的內(nèi)阻值曲線

圖3 一組監(jiān)測中電池的放電曲線

通常情況下，用戶每個季度或每半年才對電池做一次比較全面的人工電池檢測，有的甚至沒有檢測。與其他電子設(shè)備不同的是，電池作為一種電化學(xué)設(shè)備，其性能狀態(tài)很不穩(wěn)定，容易在短時間內(nèi)發(fā)生很大變化。即使是每周、每月進行定期檢測都無法保障電池在下一次檢測到來之前狀態(tài)依舊良好。常規(guī)的電池測試已無法滿足預(yù)防應(yīng)急供電故障的需要，因而為電池系統(tǒng)配備安裝實時在線式電池監(jiān)測系統(tǒng)，對于提高數(shù)據(jù)中心供電可靠性具有十分重要的現(xiàn)實意義。

以下為按IEEE推薦的蓄電池維護規(guī)程 (IEEE 1188)，傳統(tǒng)監(jiān)測與在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的比較：

IEEE 1188月度人工維護 在線式電池監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)電壓，充電電流，溫度，通風(fēng)和目測電流和溫度的實時監(jiān)控沒有通風(fēng)和目測季度每月檢查的基礎(chǔ)上電池單體內(nèi)阻，負極溫度，電池連接電阻半年電流和溫度的實時監(jiān)控電壓每小時測一次電池單體歐姆值每天測一次每月和每季的基礎(chǔ)上單體電池電壓電流和溫度的實時監(jiān)控電壓每小時測一次電池單體歐姆值每天測一次年度在所有上面內(nèi)容的基礎(chǔ)上電池單體間及連接配件的電阻容量測試電流和溫度的實時監(jiān)控電壓每小時測一次電池單體歐姆值每天測一次負載放電時給出放電性能曲線

4 在線式電池監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備的特性

1）便于安裝：考慮到UPS的使用特點和使用場合，電池監(jiān)測系統(tǒng)的安裝應(yīng)考慮以下兩個因素：

(1)設(shè)備停機時間：數(shù)據(jù)機房在正常的運行中，若要合理安排重要用電設(shè)備的停機時間是比較困難的，因為這可能造成業(yè)務(wù)中斷，導(dǎo)致經(jīng)濟上的損失；同時，操作人員的人身安全以及相關(guān)機電設(shè)備的安全也必須得到足夠的重視。如果用戶能夠通過交替關(guān)斷電池組的方式逐步完成安裝，似乎能避免上述情況，其實不然。根據(jù)鉛酸蓄電池的使用特點，如果一個電池系統(tǒng)包含兩個并聯(lián)電池組，可供電15min左右。在關(guān)斷其中一個電池組，保證另一組在線的情況下，系統(tǒng)所能提供的用電時間是遠遠少于7.5min的；大多數(shù)情況下，甚至少于1min。因此，由于安裝工程所帶來的供電中斷對整個用電系統(tǒng)的影響是十分巨大的。

(2)施工難度：在實際施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)線連接十分復(fù)雜，在安裝過程中很容易出現(xiàn)故障，難以排查，而且需要更多的維護和檢查。而對電池監(jiān)測系統(tǒng)的要求是：一定要比電池系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠,否則由電池監(jiān)測系統(tǒng)引發(fā)的頻繁誤報警，會使用戶忽視真正的故障警報。因此最有效、最安全的解決方案是使用光纖作為通訊媒介，避免大堆電線帶來的故障排查困難和安全隱患。

2) 擴展性：一套優(yōu)越的電池監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有很長的使用壽命，一定能夠經(jīng)歷很多代電池的使用時間。為了配合電池系統(tǒng)的更換、升級以及后備電源系統(tǒng)改造，電池監(jiān)測系統(tǒng)本身的可擴展性和靈活性顯得非常重要。因此，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有模塊化的設(shè)計，只需要增添個別模塊就可完全覆蓋改造后的電池系統(tǒng)。

3)兼容性：通過技術(shù)改進和產(chǎn)品升級，從而提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量在任何領(lǐng)域都是必不可少的，而由此帶來的兼容性問題也是不得不考慮的。對于使用壽命很長的電池監(jiān)測系統(tǒng)來說，更新后的系統(tǒng)一定要能夠與以前的所有老系統(tǒng)完全兼容。在使用初期來看，這一點的重要性好像并不突出。但當(dāng)用戶在使用監(jiān)測系統(tǒng)若干年以后，需要對新增添的若干組、每組若干個電池單體進行監(jiān)測時，從成本及安全性的角度出發(fā)，新老設(shè)備的兼容性就顯得十分重要了。

4)靈活性：電池監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能夠監(jiān)測含有不同額定電壓單體的電池組，當(dāng)將12V電池單體構(gòu)成的電池組添加到2V電池單體的電池系統(tǒng)時，無需另外單獨購買一套與其配套的電池監(jiān)測系統(tǒng)。

5)測量頻率：為了確保最佳的系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)應(yīng)具備每天進行歐姆值檢測的功能。同時，在進行歐姆值測量時，所使用的電流應(yīng)當(dāng)非常小，這樣才能保證不會對電池性能造成影響。

5 在線式電池監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

1)以Cellwatch電池監(jiān)測系統(tǒng)為例，圖4為Cellwatch電池監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場拓撲圖。

圖4 Cellwatch 系統(tǒng)現(xiàn)場拓撲圖

Cellwatch監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成單元有三部分：iBMU(集成電池監(jiān)控單元)、CU(控制單元)和DCM(數(shù)據(jù)采集模塊、見圖5)。DCM和電池連接,用來采集電池的內(nèi)阻、電壓，并把這些信息通過光纖匯總到CU，CU再匯總每組電池的電流和溫度測試信號，之后通過RS485把信息傳送到iBMU進行數(shù)據(jù)分析和圖形處理。任何復(fù)雜的大系統(tǒng)都是這幾個部分的組合，配置靈活。

圖5 Cellwatch數(shù)據(jù)采集模塊(DCM)

圖6 Cellwatch電池監(jiān)測系統(tǒng)組成單元

圖6 是Cellwatch基本組成部分的結(jié)構(gòu)圖。

正是這種模塊化的設(shè)計和拓撲結(jié)構(gòu)，使Cellwatch系統(tǒng)具有了以下優(yōu)勢：

(1) 沒有繁雜的線纜、線路條理清楚、連接線最少。

(2) 兼容各種電壓等級的蓄電池。

(3) 安裝容易、使用方便。

2) Cellwatch的軟件監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7中每一個模塊代表一顆電池，綠色表示電池性能良好，紅色為系統(tǒng)報警，表示該模塊所代表的電池單元（包括電池本身和連接條）發(fā)生故障， 需要維護。

把鼠標放置在單個模塊上就可以看到其所代表電池的浮充電壓、內(nèi)阻值，見圖8；而且如果把鼠標放在模塊之間的地方，還可以看到整組電池的浮充電壓和內(nèi)阻值，見圖9。

系統(tǒng)還能實時記錄整組電池的浮充電流和溫度，如圖10。如遇放電，系統(tǒng)亦會以23s的采樣間隔記錄單體電池的放電電壓，如圖11。放電曲線和每日測試參數(shù)均以文件的方式保存在系統(tǒng)中。

6 總結(jié)

圖7 Cellwatch 軟件監(jiān)控界面

圖10 Cellwatch 系統(tǒng)記錄的電流和溫度曲線

圖11 Cellwatch系統(tǒng)記錄的放電電壓曲線

圖8 單個電池的浮充電壓和內(nèi)阻值

圖9 整組電池的浮充電壓和內(nèi)阻值

著名的墨菲定律提醒我們：在重要的系統(tǒng)中絕對不能忽視小概率的危險事件，任何一次事故都可能給我們帶來巨大損失。作為對供電質(zhì)量要求極高的數(shù)據(jù)中心用戶，選用高可靠性在線式電池監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。系統(tǒng)可以根據(jù)今天電池的監(jiān)測數(shù)據(jù)，幫助用戶確信電池明天能否正常工作；能及時檢測出電池組中的不良電池單體；能夠每天提供單體電壓及單體歐姆值；節(jié)省人力成本，大大提升了用戶的管理水平，并真正消除了用戶后備電源可能存在的隱患。