浅谈UPS蓄电池的在线监测                      王力坚

浅谈UPS蓄电池的在线监测

                     中国人民银行清算总中心   王力坚

摘要：UPS是供电的核心设备，蓄电池是UPS储能部件，其状态好坏直接关系到UPS能否正常工作。本文通过蓄电池的失效分析，论述了蓄电池的在线监测的必要性，并结合蓄电池常见问题的解决，概括说明了蓄电池的在线监测系统的选择要点。

关键词：供电  UPS  电池  监控

On-line Monitoringof UPS Battery

Wang Lijian    China National Clearing Centerof PBC

Abstract:UPS is the core of power equipment, UPS batteries are energy storagecomponents, its status is directly related to UPS’s work properly or not. Throughanalysizing the battery failure and the common problems with batteries, the paperdiscusses the necessity for on-line monitoring of UPS batteries and overview thechoice of points of on-line monitoring system.

Keywords:Power, UPS, Battery, Monitoring

1 前言

可靠的供电是稳定业务运行的基本条件之一，在保证了供电的连续性，保证了供电系统的安全性方面，UPS电源时刻发挥着重要的安全保障作用。UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成的稳压稳频的不间断电源，市电供电中断时，UPS能保证输出供电的连续性。供电时间的长短是UPS的重要技术指标，因此蓄电池是UPS的重要组成部分，蓄电池作为动力提供的最后保障，无疑是UPS电源中的最后一道保险，其状态的好坏直接关系到UPS是否正常工作。

目前，UPS广泛使用着免维护密封铅酸蓄电池。然而，在使用过程中，人们往往错误地认为蓄电池是免维护的而不加重视，许多用户从装上电池后就基本没有进行过维护和管理。有资料统计，在对UPS的维修中，因蓄电池故障而引起UPS主机故障或工作不正常的比例大约为1/3。为使UPS充分发挥功能，必须对UPS蓄电池进行管理和维护。

《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）对蓄电池的管理提出了明确的要求，特别对A级机房的蓄电池要求监测到每一个电池块，这对于提高机房应对供电灾难的水平意义重大。

2蓄电池管理是UPS不间断供电系统维护的重要工作

由于蓄电池是化学电源，其在使用过程中一些蓄电池会提前老化或损坏，从而严重影响整个蓄电池组的供电水平甚至无法供电。UPS电池组在运行过程中，随着使用时间的增加必然会有个别或部分电池呈老化现象。整组电池的容量是以状况最差的那一块电池的容量值为准，而不是以平均值或额定值为准。若不及时检测，找出老化电池给予调整，电池组的容量将变小，电池寿命缩短，影响系统的高效安全运行。

其实从蓄电池产生的时候起，对蓄电池的管理就已经开始了，只不过那时管理的目的是进行出厂或投入使用前的检验，保证投入使用的蓄电池都是合格产品。

根据经验，在蓄电池使用到寿命的三分之一时个别电池便会出现问题，而且今后每年都将会发现有问题的电池，而如果不能及时发现这些有问题的电池，将影响蓄电池供电，有可能带来灾难性后果。所以让每一块蓄电池时刻处于完好状态是蓄电池管理的最主要的目的。蓄电池寿命无法达到设计要求，在实际应用中，几乎很少能够达到标称容量。

目前，有相当多蓄电池的维护人员认为“免维护”就是不需维护，认为采用到期就更换电池的措施能一劳永逸解决并代替维护检测。

目前，蓄电池运行中存在的隐患主要有：

　　（1）蓄电池寿命无法达到设计要求

目前我们使用的蓄电池或许存在这样的问题：在蓄电池安装时，蓄电池的厂家称阀控铅酸蓄电池在浮充下的使用寿命可以达到10年以上，但在实际中，蓄电池可能在三年时就出现劣化，以致使用不到5年的蓄电池就得淘汰。这其中存在两个方面的问题，其一，在使用中对没有合理、有效地对蓄电池进行管理和维护，造成蓄电池在早期就出现劣化，并且因为没有及时发现落后电池，致使蓄电池劣化积累、加剧，导致蓄电池组的过早报废。其二，个别蓄电池厂家夸大蓄电池的使用寿命。

（2）单体电池之间不均衡

　　目前蓄电池组往往有数量很多的单体电池组成（如64只、32只等），在实际运行中存在单体电池之间充电电压或内阻等差异较大的情况，特别是在浮充下，这种不均衡现象显得非常严重。

出现单体电池不均衡是一方面由于蓄电池在出厂配组中，没有进行一致性能的严格考核，新电池采购后，用户又缺乏严格的检测手段进行蓄电池的初检，因此蓄电池在运行前就带着问题投入运行。另一方面目前蓄电池的充电机制不但无法消除单体电池的一致性问题，并且会加剧单体电池的不均衡。

（3）蓄电池浮充下缺乏温度补偿

由于蓄电池的工作环境比较复杂，而环境温度对于蓄电池的影响，特别是电压、电流的影响较大。在25℃以上，每增加1℃，蓄电池充电电流将会增加10%，蓄电池失水将会增加1。5%。所以各个厂家都在产品的说明书上写明：根据环境温度，对于浮冲电压进行相应的补偿，补偿系数大约在3-5mv/℃。但在实际中能够作到温度补偿的很少，这是许多蓄电池无法达到设计寿命的重要原因之一。

　　（4）对于蓄电池的运行情况、性能状况不明

　　由于没有良好的手段以及管理，蓄电池的使用者对于蓄电池的运行情况缺乏足够的了解，特别是对于蓄电池历史数据的整理以及分析。

　　对于蓄电池内部性能参数，如蓄电池的内阻、当前的剩余容量，无法十分清楚地了解。因为蓄电池组中如果有落后的蓄电池，可以通过一定深度的放电、充电循环，可以一定程度上减少落后的差别。但由于情况不明，所以相应的措施就无法实施。

　　（5）蓄电池管理维护的理念需要改进

　　目前在很多蓄电池的维护人员，受到蓄电池厂家的误导，认为“免维护”就是不需维护，其实恰恰相反，“免维护”仅仅是不需要定期对蓄电池进行加水，由于采用负极吸收的办法，以及安全阀的设计，减少了蓄电池的失水。但同时对于蓄电池也无法像以往开口式蓄电池那样，通过测量蓄电池电解液的比重等手段，了解蓄电池性能状况。为此对于“免维护”铅酸蓄电池应该将以往的维护观念以及手段加以更新、提高，以适应新技术带来的管理监测水平的要求。

　　（6）蓄电池终止寿命无法提前判断以及蓄电池的更换缺乏科学的依据

　　我们对于蓄电池的寿命终止，希望能够提前作出判断，为蓄电池的更换赢得时间的提前量。但目前对于蓄电池的寿命的终止，没有一个可靠的手段，仅仅根据多年的经验来进行。所以在实际中，往往是蓄电池放电的容量低于最低要求后，才在放电中发现蓄电池的寿命终止。

如何提高UPS电源中蓄电池监测管理手段和水平，降低或杜绝蓄电池事故发生率，无疑对于用户具有很高的经济价值。提高UPS蓄电池运行的安全可靠性是目前困扰用户普遍存在的难题。

另外，从经济效益和社会效益上讲，管理蓄电池可以延长整个电池组的使用寿命，减少蓄电池更换量，从而节省费用，也利于环境保护。目前国内很多用户在电池使用一半寿命时就被全部更换掉，实际此时绝大部分电池还是完好的，这样被白白扔掉实在是严重的浪费。

3实时在线监测是蓄电池管理的有效手段

   如何测量管理蓄电池，这在不同的时期和不同的技术条件下是不同的：

前些年主要是由人工进行检测的，也就是工作人员使用测量仪表定期对电池的端电压或内阻进行实地测量，然后根据测量值判断电池的状态。这种测量方式由于不能在一个时点点同时测量，所以误差较大，测量周期长，特别是目前数据中心中的电池数量很大，人工测量工作量太大。

现在UPS系统中也配有蓄电池监测功能，能够对蓄电池的充放电情况进行监测（充电电流、放电容量等），如果电池组出现异常情况将发出报警。但是UPS系统只能对整个电池组进行监测，无法监测电池单元的状况，也就无法保证蓄电池组随时处于完好状态。

   目前公认的较好办法，就是对蓄电池进行实时在线监测，随时了解所有电池的状态，尽早发现有问题的电池单元，通过更换这些有问题的电池单元保证蓄电池随时可以投入工作。

UPS的许多用户认为UPS本身已带蓄电池监测功能，无需再安装另外的蓄电池监测系统。确实，大部分UPS都带有一定的蓄电池监测功能，可以监测组压及记录放电曲线，但是对于准确掌握每节蓄电池的运行状况这些监测是远远不够的。UPS一般只能监测组压，不能监测每节电池的电压，一旦某节电池失效，组压往往还是正常的，而对于串接的电池组来说，这是非常危险的。另外对电池来说极其重要的一个参数电池内阻UPS是无法监测的。对于许多失效电池来说，其电压仍然是正常的，但带载后电压就迅速下跌，原因是其内阻超出了正常范围。内阻变大的原因是电池内部金属导电部分的腐蚀及化学部分的硫化干沽等原因造成的，这些因素同样导致电池容量的下降，而电压是不能正确反映这些变化的。

蓄电池失效模式最为常见的是：蓄电池失水、负极硫酸化、正极腐蚀、热失控等四种方式，以下是对四种失效模式的分析：

　　（1）蓄电池失水

　　铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高、导致电池正极栅板的腐蚀，使电池的活性物质减少，从而使电池的容量降低而失效。

　　铅酸蓄电池密封的难点就是充电时水的电解。当充电达到一定电压时在蓄电池的正极上放出氧气，负极上放出氢气。一方面释放气体带出酸雾污染环境，另一方面电解液中水份减少，必须隔一段时间进行补加水维护。阀控式铅酸蓄电池就是为克服这些缺点而研制的产品，其产品已经采取了很多技术措施。

但在实际中，蓄电池的过充是存在的，特别是目前UPS蓄电池的充电是采用整组进行，蓄电池组中单体电池的差异是无法彻底消除，因此出现个别电池过充是较为普遍的，这样就因排气阀的频繁开启会引起电池失水。

　　（2）负极硫酸化

　　电池负极的主要活性物质是海棉状铅，电池充电时负极发生如下化学反应：

PbSO4+2e=Pb+SO4-

　　放电过程发生的化学反应是这一反应的逆反应，当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时，在电池的负极上就有PbSO4存在，PbSO4长期的存在会失去活性，不能再参与化学反应，这一现象称为活性物质的硫酸化，硫酸化使电池的活性物质减少，降低电池的有效容量，也影响电池的气体吸收能力，久之就会使电池失效。

　　但目前UPS蓄电池的充电机制（长期浮充），无法彻底实现蓄电池组中各个单体电池的充电均一性，因此出现个别电池过放、欠充的现象是无法彻底避免，长期的这种情况出现负极硫酸盐化是必然的。

　　（3）正极板腐蚀

正极腐蚀是铅酸蓄电工艺无法消除的，因为板栅的合金成份与活性物质不同，而活性物质是直接附着在板栅上，两者直接接触，并共同浸在硫酸电解液中，各自与电解液建立不同的平衡电极电位，而平衡电位的差别，构成短路微电池，造成正极的腐蚀必然。

　　而腐蚀后产生的致密腐蚀膜虽然可以阻碍腐蚀的深入发展，但也引起电阻增加，充电困难，与正极活性物质粘接能力差等问题，特别是当活性物质中含有大量的β-PbO2时，由于β-PbO2的粘接力较差，造成活性物质的脱落。

　　同时板栅的腐蚀也是造成板栅变形的重要原因。因为板栅腐蚀产生的致密PbO2分子体积是铅原子体积的1.4倍，由于合金板栅的体积与由其转化成腐蚀产物体积差别很大，从而对板栅给以张力，引起板栅的变形，并且腐蚀膜越厚，对板栅施加的张力越大，板栅变形越严重，由此加剧影响活性物质与合金板栅的粘接能力，从而引起活性物质的脱落，严重影响蓄电池的输出容量。这是目前铅酸蓄电池运行中容量下降的较为普遍原因。

　　（4）热失控

　　热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损坏蓄电池。造成热失控的根本原因是：因为不能通过失水的方式散发热量，VRLA电池过充电过程中产生的热量多于富液型铅酸蓄电池。

　　蓄电池工作温度每上升10℃，电极表面的电流密度就会增加一倍，由此增加了反应产生的热量，并提高了蓄电池的反应温度，因此形成一个恶性循环。

　　目前由于电池组中电池彼此的差异是存在的，而蓄电池组的充电方式无法避免个别电池的热失控。

造成蓄电池失效的主要模式包括：硫酸盐化、失水、正极板栅腐蚀、正极物质活性降低及隔膜收缩等。其中硫酸盐化和失水是蓄电池最常见的失效模式。保障蓄电池处于良好的运行环境，及时发现单体蓄电池的早期失效，是避免串连蓄电池组整体失效的最有效手段。对蓄电池的运行参数和性能参数进行综合监控是避免蓄电池的早期失效，延长蓄电池的使用寿命。

4 实时在线监测蓄电池的主要方法

我们所监测的蓄电池是作为UPS电源使用的，平时处于充电状态，与整流器的输出相联，一旦市电中断，蓄电池立即开始放电。与深度循环放电的蓄电池相比，由于UPS电池长期处于浮充状态，即使偶然放电，因放电深度较小（与市电中断时间有关），因此很难获得蓄电池的准确保有容量。而在电池运行过程中在线测量检测蓄电池的劣化的准确度和安全性程度是用户最为关心的问题，也是UPS蓄电池使用中的最大难题之一。

对于蓄电池的实际放电容量参数，由于其采集较为容易实现，我们不作较多说明。如何有效地对于蓄电池在正常状态进行检测与分析，预知它在放电状态下的实际容量，这是一个大家较为关注的问题。我们知道反映蓄电池性能的参数有两类：阻抗与容量。目前的技术发展对于蓄电池容量的测量而言，不经过一定程度的放电，测量的精度将无法达到要求（这同样是一个国际性的难题）。

通过以上的铅酸阀控蓄电池失效模式的分析，可以看出蓄电池的失效是逐渐的，并且都可以在内阻的变化上得到反映，并且目前还没有发现一只蓄电池性能丧失，而其内阻没有变化的实例。这就为我们提供了一个监测蓄电池性能状况的便捷途径：即连续监测蓄电池的运行参数（单电池电压、充放电电流、温度）以及内阻的变化，对于蓄电池进行全监测，通过蓄电池失效早期的特征，及时发现单体电池的不均衡性、以及失效、落后电池等情况，并进行及时有效的处理，就可以防止蓄电池劣化加剧，延长蓄电池的使用寿命。

　　铅酸蓄电池的端电压并不能反映电池的容量特性，实际使用中，能够直接测量的参数除电流、电压外，蓄电池内阻（或电导）是可以直接测量的一个参数，内阻（或电导）测试仪是一种普遍应用的测量工具。在实际测量电池的内阻后，能够发现电池的许多问题，尤其是能够立即判断严重失效的电池或存在连接问题的电池。电池的内阻已被公认为是一种迅速而又可靠的诊断电池健康状况的方法。

通常内阻的测量方式有以下两种目前：

　　（1）直流方法

　　直流方法是在电池组两端接入放电负载，测量电压的变化（U1-U2）和电流值（I）计算电池的内阻（R）。

　　蓄电池从浮充状态切换到放电状态，即停止充电后，电池回落到某平衡电位，接入放电负载后，电压发生阶跃变化。这样，根据在不同电流（I1、I2）下的电压变化（U1-U2）来计算内阻值。

　　由于内阻值很小，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确测量带来困难，由于放电过程电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值。实际测量中，直流方法所得数据的重复性较差、准确度很难达到10%以上。

　　　目前很多采用直流测试法的内阻测试设备都采用大电流放电，这样，需用使用大的放电器和大截面的导线同蓄电池连接，这在实际使用中会带来一定的安全隐患。同时由于需要对蓄电池进行动作（放电），在测量过程中，对于在线测量以及两次测量的时间间隔有一定的限制。

　　（2）交流方法

　　相对直流法，通过交流法测量蓄电池内阻就要简单一些。

　　当使用受控电流时，ΔI=ImaxSin(2πft)，产生的电压响应为：

　　　　　　　　　　　　　　　　ΔV=VmaxSin(2πft+φ)

　　若使用受控电压激励，ΔV=VmaxSin(2πft)，产生的电流响应为：

　　　　　　　　　　　　　　　　ΔI=VmaxSin(2πft-φ)

　　两种情况的阻抗均为：模|Z|=Vmax/Imax，相角为φ

　　即阻抗是与频率有关的复阻抗。

　　应控制激励引起的电压幅值变化量，以保证阻抗测量的线性。一般情况下使用方波在技术实现上更为简单，通过改变方波的频率可以测试电池的阻抗谱。

　　从理论上讲，向电池馈入一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻。

R=Vav/Iav

　　式中：Vav——检测到交流信号的平均值；

Iav——馈入交流信号的平均值。

　　在实际使用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧级，因此，产生的电压变化幅值也在微欧级，信号容易受到干扰。尤其是在线测量时，会受到整流器（充电器）充电或负载用电的影响。工频和射频干扰也影响读数。

　　而采用数字信号处理技术就可以有效克服外界干扰，获得比较稳定的内阻数据，同时该方法不需要增加蓄电池的任何动作，因而在在线测量、网络化方面具有很大的技术优势。

5 在使用蓄电池监测时需要注意的问题

5.1关于蓄电池监测的安全问题

很多用户似乎并没有非常重视这个问题，分析其原因可能是没有太多这方面的使用经验。但是这一点其实非常重要，我们监测蓄电池的目的是要提高信息系统的供电安全水平的，如果不能很好地解决监测蓄电池的安全问题，那么监测蓄电池反而使供电系统处于更高的危险中了。

简单连接监测电池是危险的，如果将监测线直接简单连接到电池的极柱上，必将带来严重的安全隐患。从目前对蓄电池进行在线监测的一些方法来看，从每一块电池的极柱上引出的大量监测线缠绕在一起，在具有腐蚀环境中使用几十年，有可能发生短路现象。如果发生短路，将会引起蓄电池放电、产生火花引起火灾、危及现场工作人员。另外由于监测系统与电池之间相连接，他们之间就有了相互干扰的通道，或监测系统出现故障影响蓄电池工作或蓄电池出现问题影响监测系统的测量。

怎样才能安全地监测蓄电池？目前蓄电池监测系统生产商采用了不同的方式来降低系统的危险性：有的在监测线与电池之间用保险丝连接，这样在监测线短路时，保险系将被熔断，可以避免电池放电；有的将监测线的安全级别提高以防止监测线老化造成的短路；有的在监测线与电池之间用电阻器连接，这样可以控制监测线中的电流。以上几种方法各有利弊：使用保险丝可以防止由于监测线短路引起的蓄电池放电，但是不能避免火花的产生。使用高级别的监测线能够降低线皮老化引起的危险，但是蓄电池间是高腐蚀环境，再加上安装、使用过程中的机械损坏，所以这种方法并不可靠。连接电阻器应为上策，但是所用的电阻应该足够高，要使监测线中的电流在任何时候都能被限制在安全范围内（我国的标准安全电流为10毫安）。但是这里有一个技术上的难题，就是连接了高电阻后，怎样从这样小的电流中提取有用的信号，需要克服微弱信号捕捉，抗环境干扰，经验分析等诸多技术障碍，。

电池内阻的在线测量各厂家具体实现技术的不同致使他们产品的安全性、内阻测量准确度，抗干扰能力和电池状态数据分析效果有很大的质量差别。

5.2 关于蓄电池的数据采集

目前的蓄电池监测系统可以提供以下参数：每组电池电流、电池总电流、每组总电压、每块电池电压、每块电池内阻、当前每组电池容量、电池总容量、电池总功率、电池表面温度、室内环境温度等。这里电流、电压是电池内部最基本的参数，其它参数都是根据这两个基本参数计算得来，市场上销售的各种仪表大多是根据这个基本原理工作的。电池表面温度的变化基本上是电池本身变化的反应，而环境温度则是影响蓄电池工作的重要因素，目前机房中大多已经配置了专门的环境监测系统。

如果不考虑其它因素（如安全）在现有的技术条件下，采集上述蓄电池的数据非常容易，电子市场上很容易买到各种传感器。但是我们得到了这些数据是不是就可以了呢？现在有些监测系统只是向用户提供这样的一堆数据，然后设置一个范围值，只要这些数据中有超出设置范围的，系统就发出报警，从而判断这个电池是有问题的。其实这是不完整的，用这些数据直接来判断电池的状况，准确性是非常有限的。

独立的、绝对的数据，对判断电池的状况作用有限。

当我们得到了电池的基本参数后，接下来还要做什么？

我们需要对这些数据加以分析，这时我们需要监测系统的大脑——软件。对于监测软件，应注意一下几方面：

（1）相对数据与绝对数据

在判断电池块状况时，我们要使用相对数值

就像前面提到的，一些监测系统在判断电池状况时是以电池厂家提供的数据为依据的，例如2V的电池，厂家规定电压的上下差值各在0.35V以内，所以当测得的电压超过2.35或低于1.65V时系统将发出报警。但是，在实际工作中，电池块电压并不是2V，这样将2V作为标准来判断电池的状况往往不准确。在一组蓄电池中，每一块电池的数值越接近它们的平均数，这组电池的状态越好。所以我们可以以所有电池的平均值作为标准，每一块电池与这个值相比较，差值范围参照厂家提供的标准，这样可以找到相对较差的电池块。

（2）历史数据的作用

蓄电池监测系统应该具有数据存储的功能。利用存储的历史数据可以看到蓄电池的变化趋势，从而提前预知电池可能出现的问题。

（3）同步采集数据的重要性

所谓同步采集数据，是指所有的监测点都在同一时间下获取数据，而不是用扫面的方式逐点获取各个监测点的数据，这样获取的数据才具有可比性。另外由于电流和电压是电池的基本参数，要想获得准确的其它相关数据，电流与电压的数据也应该同步获取。

（4）用户界面的人性化

日常用户对蓄电池的一切监测工作都是通过用户界面进行的，所以方便易懂的界面能够让用户工作起来更加轻松。良好的界面应该具备如下特点：

1）图表简单易懂，即使不是电池方面的专业人员也能发现有问题的电池；

2）没有多余的信息；

3）采用不同颜色加以区分；

4）在同一界面能显示多种数据，功能强大；

5）能转换成其它文件，便于管理。

6 结束语

清楚了蓄电池监控系统的重要意义，了解了蓄电池失效的主要形式，知道了蓄电池监控系统的工作原理，掌握了采购蓄电池监控系统中应注意的问题，我们就可以按照自己的需要配置合理适用的蓄电池监控系统，从而进一步提高供电的可靠性和稳定性。电池状态的评判工作交给蓄电池监控系统去做，使业务运行管理人员只需瞻前不用顾后，减轻了其工作负担。

参考文献：

[1]于雷，韩冬.后备VRLA电池运行中的问题及监测解决方案

[2]阀控铅酸蓄电池（VRLAB）在线检测管理系统产品白皮书.DELTO