电池温度会影响电池可靠性吗？电池寿命与UPS的关联分析

即使UPS使用的是同样的电池技术，不同厂家的电池寿命大不一样， 这一点对用户很重要，因为更换电池的成本很高(UPS售价的30％)。 电池故障会减小系统的可靠性，是非常烦人的事情。

电池温度影响电池可靠性

温度对电池的自然老化过程有很大影响。详细的实验数据表明温度每上升摄氏5度，电池寿命就下降10％，所以UPS的设计应让电池保持尽可能低的温度。所有在线式和后备／在线混合式UPS比后备式或在线互动式UPS运行时发热量要大( 所以前者要安装风扇)，这也是后备式或在线互动式UPS电池更换周期相对较长的一个重要原因。APC UPS电池的温度降到最低了，所以它能更好地满足系统可靠性要求。

电池充电器设计影响电池可靠性

电池充电器是UPS非常重要的一部分，电池的充电条件对电池寿命有很大影响。 如果电池一直处于恒压或“浮充”型电池充电状态，则UPS 电池寿命能最大程度提高。事实上电池充电状态的寿命比单纯储存状态的寿命长得多。因为电池充电能延缓电池的自然老化过程，所以UPS无论运行还是停机状态都应让电池保持充电。

所有APC UPS无论运行还是停机状态电池都处在充电状态，市场上的很多UPS没有这种功能。虽然这一功能使UPS 成本提高， 但如果考虑到更换电池的花费， 则UPS总的使用成本降低了。

电池电压影响电池可靠性

电池是个单个的“原电池”组成，每一个原电池电压大约2伏， 原电池串联起来就形成了电压较高的电池，一个12伏的电池由6个原电池组成，24 伏的电池由12个原电池组成等等。UPS的电池充电时，每个串联起来的原电池都被充电。 原电池性能稍微不同就会导致有些原电池充电电压比别的原电池高，这部分电池就会提前老化。只要串联起来的某一个原电池性能下降，则整个电池的性能就将同样下降。试验证明电池寿命和串联的原电池数量有关，电池电压越高，老化的就越快。

UPS容量一定时，设计时应尽可能让电池电压最低，这样UPS电池寿命就越长，对于电池电压一定时，应选择数量少电压高原电池串联的电池，不要选择数量多电压低的原电池串联的电池。有些厂家UPS的电池电压比较高，这是因为容量一定时， 电压越高，电流就越小，就可选用较细的导线和功率较小的半导体， 从而降低UPS成本。容量1KVA左右的UPS的电池电压一般为24￣96V。这种容量等级的APC UPS 如Smart-UPS 1250电池电压选择了最低的24V。 

APC UPS较低的电池电压相对延长了电池寿命，APC UPS电池寿命为3￣5年，而有些UPS的电池典型寿命只有1年！在UPS十年的使用期里，更换电池的成本比UPS本身售价高出两倍！虽然这类UPS设计比较容易，成本也较低， 但“潜在的”更换电池则成本很高。

电池纹波电流影响电池可靠性

理想情况下，为了延长UPS电池寿命， 应让电池总保持在“浮”充电或恒压充状态。这种状态下充满电的电池会吸收很小的充电器电流，它称为“浮”或“自放电”电流。尽管电池厂商如此推荐，有些UPS的设计(很多在线式) 使电池承受一些额外的小电流，称为纹波电流。纹波电流是当电池连续地向逆变器供电时产生的，因为据能量守恒原理，逆变器必须有输入直流电才能产生交流输出。这样电池形成了小充放电周期，充放电电流的频率是UPS输出频率(50或60Hz)的两倍。

普通后备式、APC在线互动式或后备／铁磁式UPS不会有纹波电流，其它设计的UPS会产生大小不等的纹波电流，这取决于具体的设计方法。只要检查一下UPS的结构图就能知道该UPS能否产生纹波电流。

如果在线式UPS的电池在充电器和逆变器之间，那么电池就会有纹波电流，这是普通的“双变换”UPS。

如果用截止二极管、继电器、变换器或整流器把电池与逆变器隔离开，那么电池就不会有纹波电流。当然这种设计的UPS不总是一直“在线”，所以这种UPS被称为“混合后备／在线式”UPS。

总结

电池是UPS系统中最不可靠的部分，但是UPS设计得好坏直接影响到电池的可靠性。让电池一直保持充电状态(即使UPS停机)能延长电池的寿命， 尽量避免选用电池电压高的UPS。有的UPS设计会使电池产生纹波电流，造成电池不必要的过热。大多数UPS使用的电池都差不多，但UPS设计不同会大大影响电池的寿命。

在移动设备的设计中，电池的工作时间是一项重要的因素。许多移动设备都加入了更多的功能，这些新增的功能会快速地缩短运行时间。工程师必须利用复杂的电源管理方案，以便使电池获得最长的运行时间。

工程师需要运用电池消耗分析来评估电池运行时间，这种分析需要分别在单独及整合在系统之中这两种情况下来描述设备、固件/软件及其子电路。分析技术包括描述电池电流消耗，以及如何受各种工作模式及使用概况的影响。借助于这种分析，工程师就可以做出电源管理设计权衡，以尽量延长电池寿命。

大多数电源管理系统都是通过在亚毫秒时间尺度上使没有在活跃使用中的子系统进入睡眠状态来节省电池能量的。其结果是，设备在不到1s内发生的开/关事件中具有快速变化的电流。例如，GSM手机在传输时可以具有560μs, 2A的脉冲，接着当处于待机模式下，在睡眠周期中电流水平可能会跌落到毫安级。

验证电池时间

验证电池工作时间的一种方法是使用电压跌落测试，使用一块充满电的电池来给待验证的、处于工作模式下的待测设备（DUT）供电，直到电池没电。这种测试可能相对比较耗时间，因为它需要全部过程运行完成来确定电压关闭点，以确定工作时间。同样，其结果依赖于电池的初始状态，而后者可能会千差万别。

另一种方法是执行电流消耗测量，它能为工作时间测量提供更高的可信度。DUT被置于待评估的工作模式下运行一小段时间，并测量在这种特定工作模式中的电流消耗。然后，通过将名义电池容量除以测得的电流消耗来计算出工作时间。使用这种方法，设计师无须等待电池充分放电就能确定出运行时间。

理想系统的组成部分

在用于执行电池消耗分析的理想系统中（如图1所示），需要的第一个要素是一种将DUT放入适当的工作模式中进行目标测试（DUT激励）的方法。对于移动电话而言，通常会使用基站仿真器。

其次，需要一种正确的DUT供电方法，使用电池或电源。电源的用途在于独立于电池来测试DUT，以确保测试的一致性，或者快速地复制各种电池状态而无须等待电池达到这些状态（充满电、部分放电、完全放电/寿命结束）。

其他重要的系统组成部分有：用于测量电流的电流转换器，用于记录电压和电流信号的数字化仪和用于分析和存储测试数据的软件，这些测试数据用于完成长期测试会非常庞大，能多达数吉字节。

测量考虑因素

电池消耗分析中使用的电源必须独立于电池来描述DUT。电源必须有快速的响应，以尽量减小DUT在切换模式或传输脉冲时所具有的快速回转电流脉冲所造成的瞬态电压跌落。

许多通用电源在这些条件下可能会出现高达1V的瞬态跌落，所以应该使用能够容忍这些条件而不出现电压下降的专用电源（有时称为电池仿真电源）。

从电池流向移动设备的快速变化的电流波形提出了两项测量难题：范围和速度。首先，电流的动态范围可能会超过1000:1，甚至1 000 000:1。全功率活动电流位于1～3A的量级，而低睡眠模式等级的电流位于数十微安的量级，所以待测电流的范围给电流转换器的选择提出了一项难题。

这里可以使用电流感知的电阻器或分流器，但选择大小合适的分流器却可能颇为棘手。如果分流器的大小适合于测量最小电流，那么在大电流事件中就会在分流器两端出现大的电压降幅，而这将给电路带来不可承受的电压负担。如果分流器的大小适合于测量大电流，那么当微安级电流流过时，就极有可能没有足够大的电压可供测量。通过配备几种分流器用于不同电流大小的测量，工程师可以解决信号级的问题，但这时切换分流器就意味着中断测量。

就测量速度而言，用于测量电流分流器电压和移动设备偏置电压的数字化仪应该具有50kHz或更快的采样率，以便捕获亚毫秒级脉冲，后者是复杂的电源管理方案的特征。

简化复杂的分析

像3G这样的通信系统采用复杂的调制格式，其特征是传输较高的数据率时所需的高阶幅度调制。从时域上看，生成的电流消耗波形是复杂而随机的。

当在较长时间内运行并进行不同的操作时，使用3个数据通道进行传输的一台cdma2000手机的射频功率放大器的电流消耗-时间图（如图2所示）变得复杂而不可预测。对于电池工作时间测试而言，这种情况很常见，并且难以观察到更改电流消耗设计的效果。

通过查看被抽取电流大小的统计分布，设计人员可以快速地看到设备在每种电流状态中工作的频繁程度。对于不同设计方案，比较这些CCDF图形，就可以看出设备何时消耗更多的能量（也就是说，在大电流状态下其时间的比例增加），或者何时消耗更少的能量（也就是说，在小电流状态下其时间的比例增加）。因此，工程师就可以评估出何时设计更好（需要较少的能量）或者找出设计缺陷（出人意料的需要更多能量）。

现成的解决方案

几家测试设备供应商所生产的产品可处理目标测试系统的不同部分。一些供应商所提供的电源可以在抽取快速电流脉冲时提供稳定的、类似于电池的输出。

入门级解决方案是安捷伦科技公司的移动通信直流源66300系列。这一系列是特别定制的，用于给移动设备供电并同时测量其电流消耗。它整合了电池仿真电源和类似于示波器的高速数字化测量系统，可以为设备的活动、待机和关闭模式提供准确的电流测量。

这种直流源及其配套的交钥匙软件可以使用户在无须任何编程的情况下，以类似于示波器的视图、数据记录仪视图并在CCDF图表上看到它们的电流波形。如果对精度和采样速率有更高的要求，还可以选择该公司提供的其他解决方案。