電池監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

1. 中國建筑設(shè)計(jì)研究院機(jī)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(dá)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(gè)負(fù)面影響；設(shè)計(jì)壽命10年的電池實(shí)際使用往往只有46年的時(shí)間（特別是在UPS系統(tǒng)）。

設(shè)置昂貴的電池但不進(jìn)行有效的監(jiān)測，其后備電源的可靠性遠(yuǎn)不及具備了高質(zhì)量電池監(jiān)測的廉價(jià)電池系統(tǒng)，因此日常對蓄電池的監(jiān)測維護(hù)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(diǎn)，大型、超大型的數(shù)據(jù)機(jī)房不斷涌現(xiàn)。在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中花費(fèi)巨大財(cái)力配置大量的UPS和發(fā)電機(jī)，作為市電斷電或發(fā)生異常等電網(wǎng)故障時(shí)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(jìn)行監(jiān)測

UPS的核心組成是蓄電池，UPS能否正常工作運(yùn)行取決于蓄電池是否正常。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)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(gè)負(fù)面影響；設(shè)計(jì)壽命10年的電池實(shí)際使用往往只有46年的時(shí)間（特別是在UPS系統(tǒng)）。

設(shè)置昂貴的電池但不進(jìn)行有效的監(jiān)測，其后備電源的可靠性遠(yuǎn)不及具備了高質(zhì)量電池監(jiān)測的廉價(jià)電池系統(tǒng)，因此日常對蓄電池的監(jiān)測維護(hù)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(jì)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(yàn)證，電池的歐姆值的趨勢變化，能夠準(zhǔn)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(zhǔn)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(bào)警。對這組電池進(jìn)行放電試驗(yàn)，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(gè)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(shí)間內(nèi)發(fā)生很大變化。即使是每周、每月進(jìn)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(shí)時(shí)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(shí)意義。

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

IEEE 1188月度人工維護(hù) 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(shí)時(shí)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(fù)極溫度，電池連接電阻半年電流和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓每小時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控電壓每小時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控電壓每小時(shí)測一次電池單體歐姆值每天測一次負(fù)載放電時(shí)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(diǎn)和使用場合，電池監(jiān)測系統(tǒng)的安裝應(yīng)考慮以下兩個(gè)因素：

(1)設(shè)備停機(jī)時(shí)間：數(shù)據(jù)機(jī)房在正常的運(yùn)行中，若要合理安排重要用電設(shè)備的停機(jī)時(shí)間是比較困難的，因?yàn)檫@可能造成業(yè)務(wù)中斷，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失；同時(shí)，操作人員的人身安全以及相關(guān)機(jī)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(shí)不然。根據(jù)鉛酸蓄電池的使用特點(diǎn)，如果一個(gè)電池系統(tǒng)包含兩個(gè)并聯(lián)電池組，可供電15min左右。在關(guān)斷其中一個(gè)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(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)用電系統(tǒng)的影響是十分巨大的。

(2)施工難度：在實(shí)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(hù)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(bào)警，會(huì)使用戶忽視真正的故障警報(bào)。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(kuò)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(shí)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(kuò)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(jì)，只需要增添個(gè)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(jìn)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(diǎn)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(gè)電池單體進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，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(shí)，無需另外單獨(dú)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(jìn)行歐姆值檢測的功能。同時(shí)，在進(jìn)行歐姆值測量時(shí)，所使用的電流應(yīng)當(dāng)非常小，這樣才能保證不會(huì)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?fù)鋱D。

圖4 Cellwatch 系統(tǒng)現(xiàn)場拓?fù)鋱D

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(jìn)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(gè)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(jì)和拓?fù)浣Y(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(gè)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(bào)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(hù)。

把鼠標(biāo)放置在單個(gè)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(biāo)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(shí)時(shí)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(huì)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(gè)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(xiǎn)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(shí)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。