蓄電池監(jiān)控在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用.doc

萊姆電子蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用1.數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心機(jī)房蓄電池在線監(jiān)測(cè)的必要性： 可靠穩(wěn)定的供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行業(yè)務(wù)的基本要求，數(shù)據(jù)中心必須保證供電的連續(xù)性和供電系統(tǒng)的安全性，在數(shù)據(jù)中心的信息中心機(jī)房一般都會(huì)用到UPS不間斷電源作為重要的安全保障。 UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要組成的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的不間斷電源，市電供電中斷時(shí)，UPS能保證輸出供電的連續(xù)性。而蓄電池是UPS的關(guān)鍵組成部分，蓄電池作為動(dòng)力提供的最后保障，無(wú)疑是UPS電源中的最后一道保險(xiǎn)，其狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到UPS是否正常工作。目前，UPS廣泛使用密封鉛酸蓄電池（VRLA ：Valve-Regulated Lead-Acid Battery）俗稱“免維護(hù)電池”，而這種稱謂也使得在蓄電池的使用過(guò)程中，人們往往錯(cuò)誤的認(rèn)為蓄電池是免維護(hù)的而不加重視，許多用戶從安裝上蓄電池后就基本沒(méi)有進(jìn)行過(guò)維護(hù)和管理。由于在實(shí)際應(yīng)用中，一般都是多個(gè)蓄電池串聯(lián)組成電池組，在串聯(lián)系統(tǒng)中，如果有一個(gè)蓄電池出現(xiàn)異常，則會(huì)影響整組蓄電池的正常使用，導(dǎo)致關(guān)鍵時(shí)刻，UPS不能正常供電，從而造成不可估量的損失。 目前市場(chǎng)上的鉛酸蓄電池生產(chǎn)廠家良莠不齊，很多蓄電池廠家宣稱閥控鉛酸蓄電池使用壽命可以達(dá)到10年以上，但在實(shí)際中，很多蓄電池使用半年就可能出現(xiàn)異常，或者在2-3年左右出現(xiàn)劣化，以致使用不到5年的蓄電池就得淘汰。 有資料統(tǒng)計(jì)，因蓄電池故障而引起UPS主機(jī)故障或工作不正常的比例大約占到30%以上。為使數(shù)據(jù)中心機(jī)房穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)UPS蓄電池進(jìn)行管理和維護(hù)。 2. 蓄電池工作中可能存在的問(wèn)題分析蓄電池是化學(xué)電源，在使用過(guò)程中一些蓄電池會(huì)提前老化或損壞，從而嚴(yán)重影響整個(gè)蓄電池組的供電水平甚至無(wú)法供電。UPS電池組在運(yùn)行過(guò)程中，隨著使用時(shí)間的增加必然會(huì)有個(gè)別或部分蓄電池出現(xiàn)老化現(xiàn)象。整組電池的容量是以狀況最差的那一塊電池的容量值為準(zhǔn)，而不是以平均值或額定值為準(zhǔn)。若不及時(shí)檢測(cè)，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，電池壽命縮短，影響系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題的蓄電池，將影響系統(tǒng)安全供電，有可能帶來(lái)災(zāi)難性后果。所以讓每一塊蓄電池時(shí)刻處于完好狀態(tài)是蓄電池監(jiān)測(cè)管理的最主要的目的。 目前，蓄電池運(yùn)行中存在的隱患主要有： 1） 蓄電池壽命無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求 目前我們使用的蓄電池或許存在這樣的問(wèn)題：在蓄電池安裝時(shí)，蓄電池的廠家稱閥控鉛酸蓄電池在浮充下的使用壽命可以達(dá)到10年以上，但在實(shí)際中，蓄電池可能在2-3年左右就出現(xiàn)劣化，以致使用不到5年的蓄電池就得淘汰。有的蓄電池甚至工作半年就出現(xiàn)異常。 2）蓄電池浮充下缺乏溫度補(bǔ)償 由于蓄電池的工作環(huán)境比較復(fù)雜，而環(huán)境溫度對(duì)于蓄電池的影響，特別是電壓、電流的影響較大。在25以上，每增加1，蓄電池充電電流將會(huì)增加10%，蓄電池失水將會(huì)增加1.5%。 3）對(duì)于蓄電池的運(yùn)行情況、性能狀況不明 由于沒(méi)有良好的手段以及管理，蓄電池的使用者對(duì)于蓄電池的運(yùn)行情況缺乏足夠的了解，特別是對(duì)于蓄電池歷史數(shù)據(jù)的整理以及分析。 4）蓄電池管理維護(hù)的理念和方法需要改進(jìn) 很多蓄電池的維護(hù)人員，受到蓄電池廠家的誤導(dǎo)，認(rèn)為“免維護(hù)”就是無(wú)需維護(hù)，其實(shí)“免維護(hù)”僅僅是不需要定期對(duì)蓄電池進(jìn)行加水?；蛘呤菍?duì)蓄電池的監(jiān)測(cè)仍然停留在人工定期監(jiān)測(cè)的辦法，耗費(fèi)了大量的人力和實(shí)踐，而且危險(xiǎn)性較高。 另外，從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益上講，管理蓄電池可以延長(zhǎng)整個(gè)電池組的使用壽命，減少蓄電池更換量，從而節(jié)省費(fèi)用，也利于環(huán)境保護(hù)。目前國(guó)內(nèi)很多用戶在電池使用一半壽命時(shí)就被全部更換掉，實(shí)際此時(shí)絕大部分電池還是完好的，這樣被白白扔掉實(shí)在是嚴(yán)重的浪費(fèi)。3.閥控式鉛酸蓄電池的失效模式 造成蓄電池失效的主要模式包括：硫酸鹽化（硫化）、失水、正極板柵腐蝕、正極物質(zhì)活性降低及隔膜收縮等。其中硫酸鹽化和失水是蓄電池最常見(jiàn)的失效模式。保障蓄電池處于良好的運(yùn)行環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)單體蓄電池的早期失效，是避免串連蓄電池組整體失效的最有效手段。對(duì)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)進(jìn)行綜合監(jiān)控是避免蓄電池的早期失效，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。 蓄電池常見(jiàn)的失效模式分析： 一類是閥控式鉛酸蓄電池原理的固有因素，主要有：1）正極板腐蝕：對(duì)浮充電使用的電池，設(shè)計(jì)使用壽命主要取決于板柵腐蝕速率，它受柵板材料、電解液密度和環(huán)境溫度的影響很大，然而這是一個(gè)緩慢的過(guò)程，由此引起的壽命終結(jié)可長(zhǎng)達(dá)十幾年。但是在電池過(guò)充電狀態(tài)下，通過(guò)氧復(fù)合通道，負(fù)極產(chǎn)生了水，降低了酸度，而正極反應(yīng)產(chǎn)生H+，加速了正極板柵的腐蝕。同樣在高溫環(huán)境下，正極板柵的腐蝕也會(huì)被加速，從而縮短電池的預(yù)期壽命。2）失水：由于閥控式鉛酸蓄電池是貧液式設(shè)計(jì)，電解液的吸儲(chǔ)量非常有限，失水將直接導(dǎo)致電池容量損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)有70%以上的電池失效是由于失水造成的。在充電過(guò)程中氧復(fù)合反應(yīng)不完全及板柵腐蝕將引起水的損失，當(dāng)每次充電時(shí)，由于產(chǎn)生氣體的速率大于氣體再化合速率，導(dǎo)致一部分氣體逸出，損成水的損失。正極柵的腐蝕也是造成水損失的因素之一。3）負(fù)極板硫酸鹽化：在充電過(guò)程中，一旦氧復(fù)合反應(yīng)發(fā)生，幾乎消耗了所有流入負(fù)極的電流，使得負(fù)極不可能被極化到開(kāi)路電極電位以上，這樣無(wú)論電池處于充電或放電狀態(tài)，負(fù)板總有硫酸鉛存在，使負(fù)極長(zhǎng)期處于非完全充電狀態(tài)，形成不可逆硫酸鉛，使電池容量逐漸減少，導(dǎo)致電池失效 。4）熱失控：在充電過(guò)程中，電池內(nèi)的再化合反應(yīng)將產(chǎn)生大量的熱能，由于蓄電池的密封結(jié)構(gòu)使熱量不易散出，導(dǎo)致電池溫升過(guò)高失效。電池生產(chǎn)工藝質(zhì)量的因素：在實(shí)際情況中，由于電池生產(chǎn)工藝質(zhì)量的問(wèn)題，如原材料成份不穩(wěn)定，極板涂膏量不一致，極耳腐蝕斷裂，殼體和殼蓋間滲透漏液，閥蓋開(kāi)閉不靈等，都造成電池性能離散性大，也是電池早期失效的主要因素。由于電池生產(chǎn)工藝、材料的離散性導(dǎo)致的電池性能離散性，將在電池使用中被反映，如浮充電壓的離散性，不可避免帶來(lái)單體電池的過(guò)充和欠充。使用環(huán)境因素：1）不合理設(shè)置充電電壓，過(guò)高的電壓設(shè)置將導(dǎo)致過(guò)充，而過(guò)低的設(shè)置也將導(dǎo)致欠充，二者都會(huì)影響電池壽命。2） 過(guò)高的環(huán)境溫度將加速電池柵板的腐蝕，影響電池壽命。3）存在頻繁停電使電池沒(méi)有充足又被放電的狀況，這將導(dǎo)致電池硫酸鹽化而不可恢復(fù)。通過(guò)以上的鉛酸閥控蓄電池失效模式的分析，可以看出蓄電池的失效是逐漸的，并且都可以在內(nèi)阻的變化上得到反映，并且目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一只蓄電池性能喪失，而其內(nèi)阻沒(méi)有變化的實(shí)例。這就為我們提供了一個(gè)監(jiān)測(cè)蓄電池性能狀況的便捷途徑：即連續(xù)監(jiān)測(cè)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)（單體蓄電池電壓、充放電電流、單體蓄電池溫度）以及單體蓄電池內(nèi)阻的變化，對(duì)于蓄電池進(jìn)行全監(jiān)測(cè)，通過(guò)蓄電池失效早期的特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)單體電池的不均衡性、以及失效電池的情況，并進(jìn)行及時(shí)有效的處理，就可以防止蓄電池劣化加劇，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。 鉛酸蓄電池的端電壓并不能反映電池的容量特性，實(shí)際使用中，能夠直接測(cè)量的參數(shù)除電流、電壓外，蓄電池內(nèi)阻是可以直接測(cè)量的一個(gè)參數(shù)，在實(shí)際測(cè)量電池的內(nèi)阻后，能夠發(fā)現(xiàn)電池的許多問(wèn)題，尤其是能夠立即判斷嚴(yán)重失效的電池或存在連接問(wèn)題的電池。電池的內(nèi)阻已被公認(rèn)為是一種迅速而又可靠的診斷電池健康狀況的方法。 4.實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)是蓄電池管理的有效手段 如何測(cè)量管理蓄電池，這在不同的時(shí)期和不同的技術(shù)條件下是不同的： 前些年主要是由人工進(jìn)行檢測(cè)的，也就是工作人員使用測(cè)量?jī)x表定期對(duì)電池的端電壓或內(nèi)阻進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量值判斷電池的狀態(tài)。這種測(cè)量方式由于不能在一個(gè)時(shí)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，所以誤差較大，測(cè)量周期長(zhǎng)，特別是目前數(shù)據(jù)中心中的電池?cái)?shù)量很大，人工測(cè)量工作量太大。 現(xiàn)在UPS系統(tǒng)中也配有蓄電池監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)π铍姵氐某浞烹娗闆r進(jìn)行監(jiān)測(cè)（充電電流、放電容量等），如果電池組出現(xiàn)異常情況將發(fā)出報(bào)警。但是UPS系統(tǒng)只能對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)法監(jiān)測(cè)電池單元的狀況，也就無(wú)法保證蓄電池組隨時(shí)處于完好狀態(tài)。目前較好的辦法，就是對(duì)蓄電池單體進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，隨時(shí)了解其狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的蓄電池單元，通過(guò)更換電池單元保證蓄電池隨時(shí)可以投入工作。 UPS的許多用戶認(rèn)為UPS本身已帶蓄電池監(jiān)測(cè)功能，無(wú)需再安裝另外的蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。確實(shí)，大部分UPS都帶有一定的蓄電池監(jiān)測(cè)功能，可以監(jiān)測(cè)組壓及記錄放電曲線，但是對(duì)于準(zhǔn)確掌握每節(jié)蓄電池的運(yùn)行狀況這些監(jiān)測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。UPS一般只能監(jiān)測(cè)組壓，不能監(jiān)測(cè)每節(jié)電池的電壓，一旦某節(jié)電池失效，組壓往往還是正常的，而對(duì)于串接的電池組來(lái)說(shuō)，這是非常危險(xiǎn)的。 另外對(duì)電池來(lái)說(shuō)極其重要的一個(gè)參數(shù)電池內(nèi)阻UPS是無(wú)法監(jiān)測(cè)的。對(duì)于許多失效電池來(lái)說(shuō)，其電壓仍然是正常的，但帶載后電壓就迅速下跌，原因是其內(nèi)阻超出了正常范圍。這同樣導(dǎo)致電池容量的下降，而電壓是不能正確反映這些變化的。由于電池組中電池彼此的差異是存在的，而蓄電池組的充電方式無(wú)法避免個(gè)別電池的熱失控。 5.實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)蓄電池的主要方法 目前優(yōu)化的方式是采用蓄電池在線監(jiān)測(cè)方法，在蓄電池的運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的內(nèi)阻及其他運(yùn)行參數(shù)，如電壓、電流、溫度、運(yùn)行時(shí)間等，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的工作狀態(tài)。 在國(guó)際上，安裝蓄電池在線檢測(cè)系統(tǒng)已是各行各業(yè)普遍現(xiàn)象，IEEE更在能源工程協(xié)會(huì)的IEEE1188標(biāo)準(zhǔn)：固定地點(diǎn)使用的免維護(hù)鉛蓄電池VRLA的維護(hù)、測(cè)試、替換推薦方法中推薦采用蓄電池在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)電池內(nèi)阻，以此判斷蓄電池的健康狀況。內(nèi)阻測(cè)量方法分為直流放電法和交流測(cè)試法。直流放電法在電池兩端接入放電負(fù)載，測(cè)量電池在放電過(guò)程的電壓變化。萊姆電子采用中小電流放電法，無(wú)需把電池從回路中斷開(kāi)，或關(guān)閉充電機(jī)。萊姆蓄電池監(jiān)控具有如下特點(diǎn)：在線交流內(nèi)阻測(cè)試技術(shù)難度大，各廠家的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)各有特點(diǎn)，其內(nèi)阻準(zhǔn)確度和抗干擾能力差別也很大。6.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能描述 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)包括：蓄電池組的組電壓、組電流、電池組溫度、單電池電壓值、電池組充電電流、電池組放電電流、設(shè)定電池組深度放電標(biāo)準(zhǔn)、單電池浮充電壓上限、單電池浮充電壓下限、單電池標(biāo)準(zhǔn)浮充電壓、單電池容量、單電池內(nèi)阻、 強(qiáng)大的監(jiān)控軟件功能可以實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的參數(shù)測(cè)試及監(jiān)測(cè)管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)查詢功能。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分可以查看電池組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括組電壓、組電流、溫度、組狀態(tài)、采集時(shí)間、電壓柱狀圖、內(nèi)阻柱狀圖、組電壓曲線、充放電曲線。數(shù)據(jù)查詢部分列出了當(dāng)前用戶所能看到的蓄電池信息，可以按照時(shí)間類型查看歷史數(shù)據(jù)，包括單電池的電壓、內(nèi)阻、采集時(shí)間、電壓曲線、內(nèi)阻曲線、充放電曲線。 設(shè)置報(bào)警記錄，可以查看系統(tǒng)當(dāng)前的報(bào)警信息。 報(bào)表報(bào)表，可以打印運(yùn)行月報(bào)表、核對(duì)性放電報(bào)表、報(bào)警事件記錄報(bào)表。 數(shù)據(jù)管理功能，數(shù)據(jù)清理頁(yè)面可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)以及機(jī)房設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行清理。 系統(tǒng)設(shè)置功能，可以進(jìn)行組織機(jī)構(gòu)設(shè)置、站點(diǎn)設(shè)置、CM設(shè)置、TM組設(shè)置、報(bào)警類別設(shè)置、用戶