支撐當代社會(huì )的基礎設施必須以非常高的可靠性運行?；ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)器群和通信交換中心為了保證近乎100％的“無(wú)故障運行時(shí)間”或系統可用性，它們大多都依賴(lài)一項非常成熟的技術(shù)——鉛酸電池，而數據存儲中心采用的卻是高新技術(shù)。通常，這些關(guān)鍵節點(diǎn)和許多其他重要部門(mén)均配備備用電源，備用電源的第一層一般是逆變器，逆變器對閥控鉛酸（VRLA）電池或性能類(lèi)似的密封式膠體電池組裝的電池組提供電源轉換。

　　這項傳統技術(shù)之所以廣為應用，有很多原因，尤其是鉛酸電池經(jīng)濟實(shí)惠，而且具備杰出的可靠性。不過(guò)雖然杰出卻并不完美。VRLA電池使用壽命有限（設計壽命一般為12年），通常關(guān)鍵系統使用這種電池作為備用電源，不過(guò)定期更換。故障可能、確實(shí)時(shí)有發(fā)生。在一個(gè)典型的備用電源系統中，這種電池的作用正如其名—它們始終保持完全充滿(mǎn)電的狀態(tài)等待主電源失效。而完全充滿(mǎn)電狀態(tài)則通過(guò)連續的小電流“浮”充電維持。如果浮充電流低于某設定限值，則電池內部電解產(chǎn)生的氣體就會(huì )再化合。在這種情況下，浮充電壓即使略高于單個(gè)電池標準值2.27 V，也有可能損壞電池。小幅過(guò)電壓將導致電解液析出多于再化合處理量的更多氣體，這些未被處理的氣體會(huì )通過(guò)安全閥溢出。如果電池溫度過(guò)高，即使充電電壓適當，也會(huì )導致電解液損耗。

　　其他失效模式包括早期硫酸化、極柱和板柵連接不良、極板和板柵連接不良、電解液層化及板柵加速腐蝕。另外還有一種雖然少卻是災難性的失效模式——熱失控，這是VRLA和膠體電池所特有的一種失效模式，可以引起爆炸起火。防范熱失控的唯一方法是監測電池內部溫度。

　　僅僅監測電池電壓對檢測鉛酸電池容量下降所起的作用非常有限，這一點(diǎn)已經(jīng)得到業(yè)內公認。當電池性能正在下降時(shí)，通常呈現的是標稱(chēng)電壓，直到釋放大電流時(shí)方能顯現出來(lái)，而這時(shí)它的容量已經(jīng)嚴重降低，端電壓過(guò)早跌落。通過(guò)測量電解液確切比重來(lái)確定電池狀態(tài)，這種方法對密封VRLA或膠體電池不適用；常規上，檢驗電池容量采用的唯一辦法是將整個(gè)電池組放電至受控狀態(tài)以下，不過(guò)這種方法需要電池停止使用。此外，深度放電還會(huì )降低鉛酸電池的壽命；在定期對其備用電池進(jìn)行放電測試以及其主電源具備高可靠性的系統上，大多采用這種測試方案確定電池使用壽命。

　　近來(lái)，可以進(jìn)行連續監測的非介入式電子法可以檢測單個(gè)電池的臨近失效狀態(tài)，這種方法既能節約成本，又能維持整個(gè)系統的可用性。此類(lèi)系統的前身通常測量電池或電池組（電池行業(yè)術(shù)語(yǔ)，指封裝于同一殼體內的多個(gè)電池）電壓—盡管其局限性眾所周知—加上充/放電流和周?chē)鷾囟?。一些系統試圖測量或推測電池內阻，其成效各有不同。

　　LEM的Sentinel系統是基于依賴(lài)簡(jiǎn)單的基本參數模擬測量進(jìn)行轉變的領(lǐng)先產(chǎn)品，現在已經(jīng)發(fā)展到第3代即Sentinel III。它在單片定制設計的SoC（系統芯片）集成電路上整合了模擬和數字技術(shù)。該裝置配置在一個(gè)測量端電壓、電池內部溫度以及內部阻抗的模塊內，對于可以提供精確測量結果、費用又在大多數備用系統配置能承受的預算范圍內的系統而言，它是設計時(shí)一個(gè)關(guān)鍵要素。

　　電池溫度和/或以指數方式增長(cháng)的內部阻抗值（圖1），它們是臨近失效的指示，數據記錄系統監測數據隨時(shí)間變化的趨勢，識別潛在的臨近失效。所有Sentinel III模塊都配置有一個(gè)外部溫度測量探頭或貼片，可以直接貼在單個(gè)電池或電池組的外殼上，以盡可能準確地跟蹤電池溫度。

電池內部阻抗并非是臨近失效的有效指示。指數曲線(xiàn)意味著(zhù)，早期失效難以察覺(jué)，但是后期性能劣化非?？?。.

　　電池正被使用或正在充電時(shí)，可以采用一項成熟的技術(shù)評定內部阻抗。通常，在浮充直流電壓上疊加微弱的交流電壓，測量此時(shí)的交流電壓和電流，然后根據測量結果推算內部阻抗，具體實(shí)施方法各有不同。不過(guò)這種方法有一定的局限性，它只能處理指數曲線(xiàn)形狀。而即將失效的單個(gè)電池在失效過(guò)程中，在數據記錄器識別其失效趨勢以前，顯現良好的狀態(tài)；相反地，到失效問(wèn)題出現時(shí)，這個(gè)電池可能在短期內就會(huì )完全失效。

　　LEM開(kāi)發(fā)了一種更成熟的算法，這種算法可以盡早檢測出正在衰減的單個(gè)電池的性能。該成果是一種非?？煽康臏y試方法，它能徹底穿透單個(gè)電池的能量層，確保最大程度的可靠性。它以俗稱(chēng)的Randles等效電路為基礎，將電化學(xué)電池表現為一個(gè)由電學(xué)元件組成的電路網(wǎng)，每個(gè)電學(xué)元件都與構成單個(gè)電池的一個(gè)物理因素相關(guān)。（參見(jiàn)圖板）

電化學(xué)電池的Randles等效電路。

　　圖3顯示了各種參數在單個(gè)電池壽命期間內的漸進(jìn)曲線(xiàn)。同一特性在放電或容量下降期間也得到了證實(shí)。等效電路的全部阻抗因素都遵循近似的曲線(xiàn)；在早期失效或容量下降階段，沒(méi)有大幅改變。如果將阻抗用作單個(gè)電池工作狀態(tài)的主要指示，它將不會(huì )給出任何有意義的指示，除非容量下降幅度超過(guò)25-30%。因為行業(yè)標準是更換性能下降至規定性能80％以下的電池，顯而易見(jiàn)，必須盡早識別可能的失效。

Randles參數隨電池壽命或放電而漸進(jìn)。不同電阻參數表現出相同的曲線(xiàn)形狀，而雙電層電容表現出的早期變化可以檢測到。

　　不過(guò)，在Randles等效電路中，有一種參數在單個(gè)電池失效（單純的金屬腐蝕除外，這種失效模式會(huì )通過(guò)Rm參數的增大而顯現）早期就會(huì )改變，這就是Cdl，雙電層電容。圖3最下面那條曲線(xiàn)顯現了其特性；此外，對于處于正常放電階段的性能正常的電池，以及假定完全充滿(mǎn)電的正在失效的電池，其Cdl曲線(xiàn)的形狀是相似的。

　　監測技術(shù)

　　本文未對這種監測技術(shù)詳加描述，下文對其進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

　　逐個(gè)向單個(gè)電池饋入測試信號，無(wú)需在整個(gè)電池組內注入大電流，也不存在對外部系統直流連接的干擾。采用雙極測試信號對原有算法進(jìn)行了改良，不過(guò)結果證明單極信號可靠性更高。然而，在采用單極信號進(jìn)行測試時(shí)，出現直流漂移。簡(jiǎn)單消除這種漂移并不能保持數據集特性，而其特性是準確測定參量所必需的。采用頻率掃描的方式重排不同頻率的信號脈沖（包含測試信號），可使電池電壓響應與預定曲線(xiàn)吻合。

　　一旦潛在漂移曲線(xiàn)變得有規則，就能設置固件算法對這種漂移建模并消除它，從而得到適合直接輸入Sentinel算法的平均零電壓數據集。這種方法可將漂移誤差降至0.1％以下，也不會(huì )導致數據集出現明顯失真。因此波形測量中也可以采用這種算法，從而使等效電路參數的準確度更高。

　　諸多測量功能和算法處理均被集成到單片集成電路中。Sentinel模塊既可測量單個(gè)電池單體，也可測量整個(gè)12V電池）。多達250個(gè)測量點(diǎn)，均以模塊形式開(kāi)展測量，測量結果可以通過(guò)專(zhuān)用數據總線(xiàn)提交到電池數據記錄器，S-Box。在大規模的電池組系統中，可以對幾股這樣的數據流進(jìn)行合成，使得本地或遠程上行管理系統可以利用S-Box內集成的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器經(jīng)由標準總線(xiàn)或因特網(wǎng)連接使用這些數據流。

　　通過(guò)利用測量SoC確定每個(gè)電池的真實(shí)狀態(tài)，不僅僅可以提供檢測臨近失效這種成熟的監測架構就能具備的功能；還可以設置其他功能和服務(wù)。

　　例如，電池組內的單個(gè)電池的內阻通常各不相同。隨著(zhù)時(shí)間推移，這種狀態(tài)就會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。SoC智能控制系統可以快速檢測這些單個(gè)電池，端電壓優(yōu)化系統可以轉移不能繼續充電的單個(gè)電池周?chē)母‰娏鳌?BR>
　　實(shí)時(shí)充電管理可以延長(cháng)電池壽命：在端電壓相同的情況下，VRLA電池內的浮充電流比富液電池內的高。這可能加速陽(yáng)極板腐蝕，降低電池的有效使用壽命，最多達30％。對一定比例使用壽命消除浮充可以降低這種不良效應。不過(guò)這種對循環(huán)壽命的副作用也有一個(gè)好處，就是降低熱失控的發(fā)生率。

　　一種電池安裝模塊也可以提供整個(gè)壽命周期內的端電壓和溫度記錄，以為制造商和用戶(hù)所用。

　　過(guò)度放電保護：這種裝置在充電器/UPS系統中很常見(jiàn)，尤其是電池監測器，它們根據平均單個(gè)電池電壓終止放電以保護電池。不過(guò)，性能較差的電池的端電壓可能比電池平均電壓低很多，而且在其達到終止電壓以前，一直放電良好。因此開(kāi)發(fā)了一種高精動(dòng)態(tài)‘Time To Run（剩余運行時(shí)間）’算法，在任何單個(gè)電池即將耗盡時(shí)均會(huì )給出警告。

　　備用電池參數監測必需盡可能詳盡，以便生成最能準確體現電池狀態(tài)的結果。這不僅僅是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)還是一個(gè)經(jīng)濟問(wèn)題。避免在用電池失效是不可或缺的，不過(guò)過(guò)早更換尚未臨近壽命終期的電池是極端不合算的。除了測量每個(gè)電池的電壓、阻抗和放電性能，LEM還將監測電池內部溫度設置為標準功能；這居于世界領(lǐng)先地位。目前LEM正在開(kāi)發(fā)一種采用磁通門(mén)技術(shù)的浮充傳感器，其分辨率高于10mA，沒(méi)有或幾乎沒(méi)有溫度漂移，大電流放電后幾乎沒(méi)有剩磁，測量重復精度更高。集成這些高級特性，電池監測器不再是價(jià)格昂貴的附加系統，而是極端合算的整體壽命管理系統。