通信用UPS蓄电池的管理与维护
蓄电池是UPS的心脏,不管UPS供电系统多么复杂,其供电的时间和性能最终取决于它的电池,如果电池失效,再好的UPS也无法提供后备电源。管理和监控电池以精确地预测其临界失效期以及延长电池的有效寿命,是保证UPS供电系统稳定可靠的关键。
1 智能化管理的重要性
UPS蓄电池在通信用UPS供电设备中占据十分重要的地位。目前,中小型UPS中广泛使用的免维护密封式铅酸蓄电池,占据UPS供电系统总成本的1/4～1/2。不仅如此,实际情况也表明,约有50%以上的UPS故障与其蓄电池有关。无论作为UPS故障的起因还是结果,UPS蓄电池的失效都会直接表现为内阻增大、端电压不够、容量不足或瞬间放电电流不满足带载启动要求等。
通信用UPS蓄电池一定要具有电池智能化管理的功能。由于使用通信用UPS的都是通信系统中关键的部门和场合,如数据中心机房和网络监控中心等,因此对通信用UPS蓄电池的智能化管理要求是非常高的,在选型和验收的过程中,要予以充分重视。
2 智能化管理的实现
对蓄电池的简单管理,一般UPS产品都可以实现。但是,对于众多而分散的通信用UPS而言,管理起来是很不方便的。为了实现全方位的智能化监控,艾默生网络能源公司提供的PSMS动力与环境集中监控系统专门开发出UPS监控的软硬件产品,对分散的通信用UPS提供了远程集中监控的功能,此功能利用了通信用UPS本身具有的智能化管理功能,将UPS的监控模块或监控单元通过RS232或RS485接口,再通过协议转换器与网络监控中心连接起来,将UPS的监控模块或监控单元的数据直接传送到网络监控中心,这样就节约了大量人力物力。监控值班人员在机房就可以随时观察到通信用UPS的运行状态,真正实现了对通信用UPS及电池的集中智能化管理。
3 智能化管理的要求和技术
要实现UPS的电池智能管理要从多方面考虑，其中最重要的就是智能化的充放电管理和灵活的电池维护管理，而电池精确的充放电管理是延长电池寿命的重要因素。电池维护操作的方便灵活，则是保证系统安全、易用的关键。电池的智能化管理使全面提高UPS稳定性和可用性成为可能。
合理地进行UPS电池的充放电管理,首先要准确全面地监控每一节电池的状态,包括电池容量、后备时间等。目前,大多数中、大功率UPS都设计并具备了此项功能,其主要作用是检测电池性能以及电池回路是否正常。在放电环节需要特别控制过度放电给电池带来的损害。容易造成电池过放电的因素主要是电池最低保护电压设置错误,以及小负载、长时间小电流放电。最低保护电压设置的错误比较容易被修正，但小负载、长时间小电流放电由于其随机性，不容易被控制，且小电流放电极易造成电池的深度放电，损坏电池。这就需要UPS能够根据负载情况智能化地动态调整电池最低保护电压。艾默生网络能源公司提供的PSMS动力与环境监控系统能让值班人员实时监测通信用UPS的运行数据，包括电池的电压、温度，及时发现告警并通知维护人员，避免电池的过度放电或小电流深度放电等危及设备和通信安全的事件。
以APC公司的Smart-UPSRT系列为例,它具备智能化的电池诊断和充放电管理功能,拥有电池状态指示灯,可以提供非常直观的状态视图,能够实时显示电池容量和后备时间。其CellGuard智能电池管理功能可以实现精确的电池充电控制,防止电池的过充或欠充。定期的自动电池充放电管理系统能使电池长期保持极佳的状态,并可以对电池的损坏进行预警。另外其快速智能充电功能FastCharge、电池热补偿和保护功能,可有效地保护负载。
便于智能化管理的UPS,在设计、制造过程中都应该以用户的安全、易用为首要准则,充分考虑UPS在使用时的各种因素。目前,越来越多的UPS产品采用模块化电池阵列,甚至能实现在塔式和机架式之间进行灵活转换,既方便了安装和维护,又保证了系统的扩展性和兼容性。
APC的Smart-UPSRT就是能在塔式和机架式形态之间自由转换的典范,包括外置电池在内都能进行灵活的安排。其抽拉式电池设计,支持在线热更换,让用户能像拉抽屉一样替换电池,更为便捷与安全。
4 影响UPS电池使用寿命的因素
一般的UPS电池使用寿命为3～6年,而智能化管理保护下的电池,将获得更高的可用性。而可灵活更换的电池模块,也让个别电池的损坏不再成为影响整个UPS使用的致命伤。拥有了高度灵活、操作方便、智能管理的UPS系统,整个IT系统就拥有了一颗健康强力的心脏。
对UPS蓄电池精确地预测其临界失效期,一般的厂商很少做到。目前有的UPS厂家已拥有技术,但真正应用于产品的好象没有,比如对单元电池定时充放电;某一节电池出现故障,可以及时通知更换等功能,因成本太高,很少实际应用。因此对大容量的UPS只能采用人工维护,定时监测电池状况的方法。
既然不能精确地预测UPS蓄电池临界失效期,那就尽可能延长电池寿命。大容量UPS的电池管理比较完善,对中小功率UPS的厂家一般不太关注。当然随着技术的发展,有的UPS厂家已经在小至1kVA的机内设有丰富的电池管理技术。据研究,影响电池寿命的因素有:充电电流、充电电压、放电深度、环境温度、放电次数。针对这五个因素,一般有如下对策:
(1)充电器的性能
充电器的性能需大大增强,采用恒压恒流分段式充电技术,对电池进行最优充电,充电电流的纹波尽可能小,才能延长电池的寿命。最优充电电流随着电池容量的不同而不同,因此随着后备时间的不同、电池容量的不同要求充电器的充电电流可增加或减少。现在有的UPS厂家为了共用充电器,将充电器的功率做大,针对用户的实际电池配置,将充电器的电流调小。这样做的优点是可以满足不同电池配置的要求,缺点是浪费成本,同时如果限制充电电流的装置失效,或用户维护不当,就会损坏电池。用户看到的电池膨胀,有些就是充电电流太大,导致电池热失控引起的。有的厂家就以正常配置设计充电器的功率,后备时间过长的或过短的就无法兼顾了。现在最好的方案是充电器模块设计,可并联、均流。根据不同的配置选择数目不等的充电器,既可节约成本,又可满足用户不同的要求。
(2)放电深度的控制技术
目前UPS厂家对电池的终止放电电压在各种电池容量、各种负载下均是固定的。这对大电流放电时电池能量不能充分利用,而小电流放电时又极易造成电池的深度放电,损坏电池。大电流、小电流是针对电池容量而言的,例如100Ah的电池,当放电电流为0.5C,即100×0.5A=50A以上时称大电流放电;小于0.01C即1A的放电电流称小电流放电。小电流放电很容易造成涓流放电,使电池永久性损坏。研究发现,电池的放电电流越大,电池所允许的终止放电电压越小;相反,放电电流越小,电池所允许的终止放电电压就越大。可见电池放电终止电压是可变的。随着技术的发展,有的UPS厂家已提出了电池放电终止电压自动调节技术,通过实时监测放电电流的大小,自动调节电池终止放电电压。这样既能保护电池,又能最大限度地使用电池的电能。
(3)环境温度补偿技术
研究发现,当环境温度升高时,电池组本身固有的“存储寿命”会逐渐缩短。例如:电池的预期寿命在环温为20℃时为10年,在环温为45℃时只有5年。如果选配有温度补偿功能充电器的UPS可以使电池的寿命延长30%～50%。因为当环境温度升高时,电池所允许的浮充电压阈值下降。此时,若浮充电压为固定值,势必对电池组置于过压充电工作状态,加剧电池的化学反应,造成蓄电池中的水分子大量电解,放出氢气和氧气而逸出,电解液不断干涸,电池容量减少,从而缩短电池的寿命。环境温度补偿技术是指UPS可以根据环境温度的不同自动调整浮充电压,从而不会使电池处于过充状态,延长了电池的寿命。
(4)放电次数
放电次数与电池寿命是相对应的,减少放电次数就是延长电池寿命。因此要减少电池放电次数就得尽量减少电池工作,选择适应电网能力强的UPS首当其选,如允许输入电压范围宽、输入频率范围宽等。
(5)均浮充功能
研究发现蓄电池在正常使用过程中,会发生电解液液面位置、比重、温度的变化,以及各个电池的端电压、电池内阻的变化不均衡情况。这种不均衡情况会导致电池组输出电压过低或电池组内阻过大,长此以往会缩短电池的寿命。为防止这种不均衡情况不断加剧,在一定时间内,应提高充电电压,对电池单元进行充电,使各单元电池都达到均衡一致的状态,起到活化电池的目的,从而延长电池寿命。均浮充转换技术就是根据对电池充电电流的检测及电池容量情况判断,自动进行电池均浮充转换。