鉛酸蓄電池至今已經(jīng)存在了大約150年，至今仍然保持著最初的形式；富液蓄電池這么多年來幾乎沒有發(fā)生過任何重大改變。唯一的改變不外乎是在添加材料方面有一些改動，在有些特種的極板中少量加入了各種金屬，不過，即使在今天，純鉛極板蓄電池仍然是使用壽命最長、最可靠的鉛酸蓄電池類型之一。
在過去150年里，最大的進展無疑是大約三十多年前出現(xiàn)的密封式單體蓄電池Cell或整體蓄電池(Monobloc )。SLA（密封鉛酸）類型、VRLA（閥控式鉛酸）類型、AGM類型和凝膠類型都具有一個共同特征，即這些類型均為密封類型，并采用氣體再復合技術，使得氣體能夠在充電后重新復合成電解液。VRLA、AGM和SLA類型蓄電池的極板陣列附近存在充足的自由空間，為氣體的存儲、滲透創(chuàng)造了條件。這些蓄電池中不存在液態(tài)電解液，僅在玻璃纖維（如果是膠體電池，則為膠體懸濁液）中存在少量電解液。這就使得這些蓄電池類型能夠方便的應用在包括辦公室或公共區(qū)域等在內(nèi)的非專業(yè)受控環(huán)境（無需專門的蓄電池室）場合，可隨意疊放而無需制冷；不需要特別的環(huán)境控制或排風裝置等，很少或根本不需要進行任何維護。
電池廠家的宣傳大概就是以上這樣。當然，實際情況并非完全如此；密封電池并不是完全密封，而是采用了壓力（Presure value）排氣閥，排氣閥允許氣體在內(nèi)部壓力過大（通常是過度充電或不利環(huán)境引發(fā)的結果）時逸出。如果沒有足夠的制冷條件，則不能把這些電池安裝到狹小的空間，如果需要保證合理的使用壽命，則應安裝風扇?，F(xiàn)在，所有這些要求都已經(jīng)是一般性常識了，而不是最早引入密封蓄電池時所宣稱的那樣“無需特別維護”。
另外，已經(jīng)被實踐證明的是，新型蓄電池比傳統(tǒng)的富液蓄電池對充電和環(huán)境問題更敏感。即使輕微的長期過充都可能導致電解液損失，并且要達到聲稱的使用壽命，環(huán)境溫度必須穩(wěn)定在大約25攝氏度。
多年來，蓄電池行業(yè)已經(jīng)意識到，為了確保密封蓄電池能夠達到其最大可靠使用壽命，必須小心維護，并進行定期測試，以便在某些小問題影響到整個蓄電池組前被及時發(fā)現(xiàn)，以防在電網(wǎng)供電故障時蓄電池組不能向負載供電。
圖1：VRLA密封鉛酸蓄電池存在的一些問題
圖1列出了在密封蓄電池的使用壽命中會遇到的各種問題。有些問題是設計缺陷，有些是制造缺陷，其中至少兩種失效形式（硫化和正極板腐蝕）將最終導致所有鉛酸蓄電池徹底失效。盡管如此，監(jiān)控蓄電池組的浮充電和溫度從而避免過早出現(xiàn)硫化或正極板腐蝕仍然是很重要的。
圖2：使用壽命與持續(xù)不利溫度之間的關系
不利的環(huán)境條件會縮短備用蓄電池組的使用壽命；持續(xù)不利的環(huán)境溫度會顯著縮短密封蓄電池組的使用壽命（圖2）。
作為UPS系統(tǒng)的一個必要組成部分，蓄電池組的故障率與UPS或充電機的故障率不同，UPS或充電部分的電子器件的壽命可能會超過25年。大多數(shù)蓄電池組廠商都承認，對于一個設計壽命為10到12年的蓄電池，前五年內(nèi)的故障率為0.3%-0.4%是很合理的，對于電化學設備而言這樣的故障率已經(jīng)是很低的了。換句話說，這意味著每安裝1000個單體蓄電池（Cell）或整體蓄電池(Monobloc)，就會有3到4個會出現(xiàn)故障。
不幸的是，由于無法檢測到電池組中僅有的幾個蓄電池缺陷，以至于很多的備用蓄電池組甚至無法達到6到7年的使用壽命，與設計壽命相差甚遠。實際上，大多數(shù)故障條件都可以被及時檢測到，從而避免災難性故障的發(fā)生。在最早引入整體單元時，廠商聲稱無需維護，實際上，也確實沒有什么辦法可以測試和檢測這些密封、不透明的單元。在經(jīng)過許多年后，大量的實踐證據(jù)才迫使整個行業(yè)重新考慮這種免維護聲稱的合理性。
維護或監(jiān)控？
要了解為什么維護或監(jiān)控這些系統(tǒng)如此至關重要 ，必須了解以下事實：因為這些蓄電池以串聯(lián)方式連接成蓄電池組，一旦某個蓄電池發(fā)生故障而導致開路，整個蓄電池組就會徹底無法工作。每年都會有成百上千的備用蓄電池發(fā)生故障，而只有在出現(xiàn)電網(wǎng)供電故障時才會真正發(fā)現(xiàn)這些故障，為時已晚！這也相應地會對重要負載造成數(shù)以百萬英鎊計的資金損失。
另外，在實際使用中可以發(fā)現(xiàn)，存在早期缺陷的蓄電池也會“傳染”周圍的蓄電池，如果不采取補救措施，這種缺陷蓄電池會大大加速整個蓄電池組的惡化，這會比在發(fā)現(xiàn)問題后立即替換缺陷蓄電池的惡化速度要快得多。
計劃性維護（定期維護）
良好的計劃性維護是確保備用蓄電池組裝置達到其設計使用壽命的最起碼的手段和措施。至少建議對蓄電池組及其電氣連接進行外觀檢查，并每六個月（最好每三個月）利用一個優(yōu)質(zhì)阻抗測試儀測試一次所有蓄電池及其連接線。由于充電器決定了整個蓄電池組的充電電壓，蓄電池端電壓不會與標準參考值有太大差別，因此除非蓄電池已經(jīng)出現(xiàn)災難性故障，否則僅僅測量蓄電池的端電壓不大可能檢測到任何潛在故障。
應該至少每年對蓄電池組進行一次核對性放電測試。如果蓄電池組3-4年都不進行一次充/放電，蓄電池組電解液就會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，即電解液會分解為酸溶液濃度各不相同的液體層，這會影響到蓄電池在斷電時的供電能力。這種現(xiàn)象會最終導致在硫酸濃度較高的區(qū)域出現(xiàn)極板腐蝕。
計劃性維護的問題是，像汽車的年檢一樣，計劃維護實際上只針對當時有效。另外，因為測量或測試參數(shù)的不同，以及維護是否操作正確，有時甚至連當時有效都做不到。
圖3：連續(xù)阻抗監(jiān)控檢測到的蓄電池故障
許多失效模式可以在很短的時間內(nèi)發(fā)展成蓄電池徹底失效，有時候也就幾個星期。那么定期維護的方式能夠在蓄電池發(fā)生如上圖所示的故障的概率會有多大呢？
甚至I.E.E.E.所建議的維護，以及電阻或阻抗測試（即使更為全面），仍然無法讓用戶了解在定期維護期間到底會發(fā)生什么，這也就是定期維護的最大弱點。
實際上，除了電阻測試外，蓄電池單獨放電測試是維護中唯一真正有用的一件事。
這是判定蓄電池組是否能夠達標的唯一絕對有效的方法。不幸的是，電池組單獨測試與季度檢查會同樣遇到同一個基本問題：用戶在測試完成后的第二天就不敢說蓄電池組是否將會正常運行下去，實際上，在放電測試后進行充電常常會加速落后蓄電池的失效，這種現(xiàn)象并不少見，而這種失效通常在出現(xiàn)下一次電網(wǎng)供電故障時才會被檢測到。另外，獨立放電測試（通常會消耗幾個小時）是一個高成本、具有破壞性的過程（包括重新充滿電），大型系統(tǒng)甚至耗費1到2天才能完成此類測試。
連續(xù)監(jiān)控
監(jiān)控數(shù)據(jù)的質(zhì)量在很大程度上取決于被監(jiān)控的是什么參數(shù)。在十幾年前，廉價的監(jiān)控系統(tǒng)通常只會監(jiān)控蓄電池組的總電壓，有時會把蓄電池組一分為二進行比較。采用分別測量兩部分的電壓然后進行比較的方式對蓄電池組進行監(jiān)控，這種方式可以算得上是最不成功的方法了，因為此類系統(tǒng)不大可能敏感到可以檢測到因為一個缺陷蓄電池而導致的在半個蓄電池組的230伏電壓上出現(xiàn)的千分之幾伏的變化，同時，來自整流器/逆變器的大量系統(tǒng)噪音也會大大增加檢測難度。
有些連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控單個蓄電池的電壓，以及表示放電性能的電池組電流。如前所述，因為充電器/整流器決定了蓄電池組的總電壓，所以除非電池已經(jīng)發(fā)生災難性故障，否則蓄電池或整體單元電壓僅會發(fā)生微小變化。因此，監(jiān)控單個蓄電池電壓的主要優(yōu)點是在發(fā)生電網(wǎng)供電故障后的放電過程中或獨立放電測試過程中收集數(shù)據(jù)。
這種數(shù)據(jù)當然是非常有用的數(shù)據(jù)，如果對之加以合理記錄，可以幫助檢測到失效蓄電池。不過，這種監(jiān)控具有與定期維護相同的缺點，只有在放電過程中才會可靠地檢測到缺陷蓄電池（在實際使用中正常放電，或在每年一次的測試中放電）。
不過，多年來，更昂貴的蓄電池組監(jiān)控系統(tǒng)一直提供對單個蓄電池的內(nèi)部電阻或阻抗進行監(jiān)控的功能，這些功能屬于系統(tǒng)的標準功能。已經(jīng)有很多人針對此問題完成了許多測試，也過很多文章，就蓄電池劣化與內(nèi)部電阻或阻抗值之間的關系進行了對比。盡管兩者之間沒有直接關系，但通常與“新蓄電池”為基準，內(nèi)阻偏差的確可以指示出蓄電池存在潛在故障。
盡管阻抗已經(jīng)使用多年，而且看起來是一個無需進行昂貴的放電測試即可檢測蓄電池潛在失效故障的好辦法，不過某些行業(yè)人士對內(nèi)阻測試的方式還有疑問，認為這種這種方法不是非常可靠。稍后會對產(chǎn)生這種疑慮主要原因之一做出解釋。
選擇最有效的電池監(jiān)控系統(tǒng)
首先，我們必須確保電池監(jiān)控系統(tǒng)能夠測量所有關鍵參數(shù)。為確保最高的供電可靠性需要監(jiān)控蓄電 池組供電系統(tǒng)系統(tǒng)的五個關鍵參數(shù)，這些參數(shù)包括：
單個蓄電池端電壓：是在放電和充電過程中記錄充放電曲線，反映蓄電池性能的最有用的參數(shù)。
單個蓄電池溫度：是潛在蓄電池問題（包括熱失控）早期檢測中的關鍵參數(shù)。工作溫度對于密封蓄電池組尤其重要；過長時間處于不利溫度將顯著影響使用壽命。
對于溫度是可以補償?shù)模贿^有時候這會導致其自身出現(xiàn)問題，稍后會詳細討論這些問題。
單個蓄電池阻抗或電阻：該參數(shù)與單個蓄電池溫度參數(shù)大概是針對蓄電池失效模式進行檢測的兩個最有效的參數(shù)，不過這里有所保留，稍后進一步討論。
充電和放電電流（電池組）：用于正常放電電流檢測或?qū)Ρ憩F(xiàn)不良蓄電池組的即時放電檢測，也用于檢測在放電過程中同時也在吸收電流的蓄電池組（放電的同時也在充電），這是一個危險的狀態(tài)。
電池組浮充電流（LEM正在研發(fā)中）：盡管尚需生產(chǎn)出一種可靠的浮電流傳感器，可以肯定的一點是，處于失效狀態(tài)的蓄電池在浮充電流方面與正常狀態(tài)不同。
如果所有這些參數(shù)都被有效的監(jiān)控起來，您的蓄電池組基本上就擁有了當今最全面、最可靠（在檢測潛在蓄電池失效方面）的系統(tǒng)，不過在這些參數(shù)的測量方式上或許還存在著這樣或那樣的問題。
阻抗或電阻測量
盡管蓄電池“簡單”阻抗（單一頻率時的VAC/IAC）或電阻（復數(shù)的直流“實部”，與“虛部”相對應）值在失效蓄電池檢測過程中是一個非常強大的工具，不過通常認為這種方法提供的信息不是特別可靠。在實際應用中，經(jīng)常會出現(xiàn)電阻或阻抗監(jiān)控無法檢測到劣化蓄電池的事例，或者電阻值表明存在一個劣化蓄電池而在隨后的放電測試中被證明是好蓄電池的事例。某些事例可能是杜撰、沒有根據(jù)的，不過很多這樣的傳言確實影響到該參數(shù)監(jiān)控有效性和可靠性的推廣。
電阻或阻抗監(jiān)控的可靠性被懷疑的主要原因可能是：在蓄電池組處于浮充狀態(tài)下，采用小電流測試或不太可靠的測量方法測量內(nèi)阻或電阻，會得到各種非常戲劇性的測試結果。
|
|
圖4：不可靠內(nèi)阻測試技術
圖4示意圖圖解說明了小測試電流和/或不良測試技術下得到的內(nèi)阻結果。充滿狀態(tài)下的蓄電池開路電壓大約為每個蓄電池(Cell) 2.1-2.15伏（VPC）。在進行浮充時，該數(shù)值提高到大約2.27 VPC。對在浮充電狀態(tài)下的蓄電池進行測試時必須采用足夠電流以確保被測試的蓄電池的電壓響應來自于蓄電池本身“能量層”（Cell energy layer），而不是來自于可以被稱為“視在能量層”(Apparent energy layer)的區(qū)域，浮充時的過壓和電化學反應的反電動勢（Back EMF）導致生成這種視在能量層。1-2安培的低測試電流通常無法從蓄電池吸引足夠能量以穿透蓄電池能量層，從而會得出誤導性數(shù)據(jù)。
圖5示意圖說明了一個在浮充狀態(tài)下測試蓄電池內(nèi)阻的有效方法。這種方法采用一個持續(xù)幾秒鐘的單電流脈沖放電。這種方法采用40A或更高的測試電流，利用測試電流（N）剛剛停止后的初始恢復電壓除以點P處的測試電流，就可以得到穩(wěn)定的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。這種方法是最安全的內(nèi)阻測試方法之一，在實際運用中也得到了可靠的測試結果。但是該方法的缺點也很明顯，就是制造和安裝成本非常高，因為必須把承載著較高電流的連接電纜連接到監(jiān)控柜上，不夠安全。
圖5，一種高成本的大電流放電測試方法
另一種方法（圖6所示，安裝要簡單得多，電纜用量極少）是在每個蓄電池上連接一個很小的本地模塊，以吸收小測試脈沖電流。
圖6：一種成功的低成本中小電流測試方法
因為要在一個很小體積的模塊內(nèi)實現(xiàn)電流測試，出于溫升方面的考慮，需要對測試電流做一些限制（最大12A）。為保證此類系統(tǒng)的可靠性，可以配合采用某種算法與測試電流相匹配的方式進行，該算法可以保證蓄電池電壓的響應來源于蓄電池本身的能量層（而不是來自視在能量層），并且可以保證充電機以及蓄電池形成的該視在能量層不會對返回值的精確性造成影響。
圖7：LEM Sentinel模塊；一個體積小、低成本的可進行單個蓄電池有效阻抗和溫度測試的實例
因為這種設計采用了一個蓄電池配一個模塊的方式，并且其目標是為了降低對蓄電池組每只蓄電池都監(jiān)控起來的總成本（包括安裝成本和電纜連接），所以LEM Sentinel 采用了一個LEM定制的片上系統(tǒng)SoC；高度的集成度大大降低了模塊的成本，串行通信進一步簡化了安裝，更少的部件確保了模塊更高的可靠性。LEM Sentinel模塊采用和LEM其他傳感器器件一樣的質(zhì)量標準，目標是6西格瑪可靠性。
Sentinel模塊具有產(chǎn)生一個中等大小的電流測試信號的能力，即最大12A的測試電流。這種測試電流與一種特有的算法配合使用就可以判斷出電壓的響應是來自視在能量層還是來自蓄電池本身能量層， 從而可以保證該種阻抗測試方法的高可靠性?？捎脕頇z測蓄電池的老化或潛在失效問題。
圖8中列舉了一個實際測試波形圖的實例。在測試中，以預先設定好的方式從被測試的蓄電池獲取電流，并對響應電壓進行測量。然后利用這些波形進行分析，最后 計算出內(nèi)阻。
圖8中的波形為單一頻率波形，事實上我們也可以使用多種頻率波形，以便在高系統(tǒng)噪聲條件下得出更為安全的測試結果，這樣也可以對蓄電池的幾個參數(shù)分別測量，比如電解液電阻、雙層電容性阻抗和金屬電阻等
圖8：源自受控電流測試信號的電壓響應（LEM Sentinel產(chǎn)品）
單個蓄電池溫度
VRLA（閥控式鉛酸）蓄電池特別容易受到持續(xù)不利的溫度的影響。
充電器的充電電壓優(yōu)化會在一定程度上抵消對蓄電池的影響，繪制一張蓄電池組的溫度分布圖會比單純依賴于某一點的環(huán)境溫度要好的多，因為用這種方法可以通過某種方式（比如重新排列蓄電池擺放位置等）防止受影響的區(qū)域的蓄電池惡化。而不是僅僅根據(jù)一個溫度點來決定充電機總電壓的方式，這樣會使某些區(qū)域的電池情況更加惡化（圖8）。
圖8：一個蓄電池室的不良設計示意圖
在高于34攝氏度的溫度條件下，溫度補償功能會把浮充電壓降低到一個很低的數(shù)值（小于2.2VPC），這時正極板很可能會出現(xiàn)問題，硫化會大大加速，從而導致問題不但沒有解決，反而會更糟！
所以，在測量單個蓄電池溫度時，正確布置溫度測量設備是極端重要的。
連續(xù)監(jiān)控或計劃性定期維護—總結
除非使用者能做到每月至少一次認真完成定期維護，并且定期維護至少包括蓄電池的互連阻抗和單個蓄電池溫度，否則不大可能在故障變得嚴重前檢測到所有電池失效。這種方法要求投入大量人力，因而并不適合每種應用（比如無人值守的偏遠地區(qū)）。另外，必須保持定期維護的詳細記錄，以便確保可以利用這些 數(shù)據(jù)進行趨勢分析，從而檢測出可能的電池失效。實際上，如果頻繁進行（例如每月一次），許多計劃維護程序很有可能在月復一月、年復一年的執(zhí)行過程中變成敷衍了事。
連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)，除了需要對報警做出響應外，即使最基本的連續(xù)監(jiān)控過程也不需要任何人為干預。一旦完成投資，連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)就成為一個自動系統(tǒng)，不需任何進一步投資。（而且如果有必要，我們甚至可以說，很多監(jiān)控系統(tǒng)可以通過減少替換整個電池組的費用彌補）。如果把成本均攤到UPS及蓄電池組系統(tǒng)的整個使用壽命，其成本會比定期維護要低得多。另外，如果采用芯片級片上系統(tǒng)（SoC）技術和更好的安裝技術（例如，蓄電池連接采用定制好的插接件，并采用節(jié)省成本的預先準備好的插接電纜），蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的總體擁有成本（Total Cost of Ownership）會大幅下降。
只要對所有重要參數(shù)進行監(jiān)控，連續(xù)監(jiān)控就能夠?qū)崿F(xiàn)比年度維護更高的可靠性。目前連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)被大量使用的原因在于用戶越來越意識到認識到以上事實的重要性：畢竟連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)是一筆非常昂貴的投資，只有在真正需要時才會發(fā)揮作用。 另外，這種認識的提高的同時也伴隨著監(jiān)控成本的顯著降低，這種降低主要得益于此類監(jiān)控系統(tǒng)的生產(chǎn)方式，這種方式在設計上采用定制設計的芯片級片上系統(tǒng)（SoC）以便最大限度地降低部件數(shù)量，同時采用大規(guī)模工業(yè)化的生產(chǎn)方式，這是傳統(tǒng)小型手工作坊型公司完全不具備的
顯而易見，全面連續(xù)的監(jiān)控方式比傳統(tǒng)的計劃性定期維護不但是好得多、可靠得多的保護備用蓄電池的方法，而且在整個蓄電池組使用壽命內(nèi)比計劃性定期維護更節(jié)省成本，而且這些優(yōu)點隨著時間的推移會變得越來越突出。
目前LEM Sentinel蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)在全世界很多國家都有著非常好的應用。下面是LEM Sentinel系統(tǒng)的配置圖以及實際使用圖片。
