UPS 中蓄電池的幾個(gè)問(wèn)題的探討

1 引言

　　目前UPS已經(jīng)廣泛使用在各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，在通信、電子商務(wù)、金融、醫(yī)療、石化、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域起到重要的作用，不僅是保護(hù)UPS所帶的負(fù)載本身，更重要是保護(hù)負(fù)載所生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，如電腦中的數(shù)據(jù)。蓄電池作為UPS中的重要組成部分，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間機(jī)器，一般約占UPS電源總成本的1/4，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間UPS電源而言，蓄電池的成本可能超過(guò)UPS電源主機(jī)的成本。由于蓄電池本身或者電池管理上的原因，目前有許多UPS電源故障是由蓄電池引起（1/3）。因此有必要加強(qiáng)對(duì)蓄電池特性的了解，正確選配和使用蓄電池，盡可能地延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。同時(shí)如何管理蓄電池成為各個(gè)UPS廠家重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

2 蓄電池的特性

2.1 鉛酸蓄電池的工作原理

　　UPS中蓄電池大多采用鉛酸蓄電池（下同），蓄電池是一種將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化的裝置，蓄電池需先用直流電源對(duì)其充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，蓄電池陽(yáng)極的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2）陰極的活性物質(zhì)是是鉛(Pb)，電解液是稀硫酸(H2SO4).其化學(xué)反應(yīng)式

　　電池是由單個(gè)的“原電池”組成，每個(gè)原電池的電壓大約是2V，一個(gè)12V的電池由6個(gè)原電池組成。

2.2 免維護(hù)

　　封密式免維護(hù)鉛酸蓄電池，具有敞口式鉛酸蓄電池所有的優(yōu)點(diǎn)，所謂免維護(hù)，是相對(duì)敞口式電池需要經(jīng)常加水而言的。整個(gè)蓄電池是全封閉的（電池的氧化還原反應(yīng)均在密閉的外殼內(nèi)部循環(huán)進(jìn)行），因此免維電池沒有“有害氣體”溢出。不需進(jìn)行加水等日常的運(yùn)行維護(hù)?？梢园惭b在主機(jī)房，適合無(wú)人之手值守機(jī)房。

2.3 電池容量與放電率的關(guān)系

　　蓄電池的容量是指它的蓄電能力。它是以充足了電的蓄電池，放電至規(guī)定的終止電壓的電量。標(biāo)準(zhǔn)YD/T799-2002　　規(guī)定2V、6V、 12V密封蓄電池的額定容量均為標(biāo)準(zhǔn)溫度下（25℃）10小時(shí)放電率（I=0.1C10A）的容量。該標(biāo)準(zhǔn)明確指出6V、12V蓄電池的容量以10h放電率為基準(zhǔn)。但是老的行業(yè)慣例并且目前絕大部分廠家為：對(duì)于2V電池，是以10小時(shí)放電率（I=0.1C10A）來(lái)定義容量，而對(duì)于6V和12V電池，則以 20小時(shí)放電率（I=0.05C20A）的容量。
　　放電率與容量的關(guān)系：蓄電池放出的容量隨放電電流的增大而減少。高放電過(guò)程是極板表面的有效物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)制性的變化，生成的硫酸鉛很容易堵塞極板上的小孔，極板深層的有效物質(zhì)就沒有參加化學(xué)反應(yīng)。這樣蓄電池的內(nèi)阻增大，電壓下降就快，使電池不能放出全部的容量。
10h放電率放出容量為100％，20h放電率放出容量為105％，而3h放電率放出容量為75％，1h放電率放出容量為52％。放電電流與容量的關(guān)系可由下式?jīng)Q定：
　　Q=Q0(I/I0)n-1
　　式中Q ――I放電電流時(shí)的容量（Ah）
　　Q0 ――10h放電率時(shí)的額定容量（Ah）
　　I0 ――10h放電率的額定放電電流（A）
　　I――非10h放電率的放電電流（A）
　　n――蓄電池放電容量指數(shù)，其值為I/I0＜3　n=1.313; I/I0≥3, n=1.414
　　以上意味著以10h放電率定義容量的蓄電池比20h放電率定義容量的電池的容量更足一些。在其它條件相同的條件下，則前者的成本更高些。

2.4 溫度與容量的關(guān)系

　　一般情況下，容量與溫度有如下關(guān)系：
　　C25---25℃時(shí)蓄電池的放電容量（Ah）
　　Ct---t℃時(shí)蓄電池的放電容量（Ah）
　　t---電解液的平均溫度（℃）
　　上式適應(yīng)電解液溫度為－15℃～35℃。若溫度低于，則容量減少更為顯著，當(dāng)溫度超過(guò)35℃時(shí)，則容量反而減少。
　　特別對(duì)于室外型UPS用的蓄電池，如果需要盡可能充分利用蓄電池的容量，必須改善電池的外殼溫度。

2.5 電解液數(shù)量和濃度與容量的關(guān)系

　　適當(dāng)增加電解液數(shù)量和提高電解液的濃度，可以增加電池的容量，但必須在允許范圍，否則會(huì)加速極板的腐蝕，縮短電池的壽命。

2.6 極板面積與容量的關(guān)系

　　對(duì)于一定厚度的極板，面積越大，參加反應(yīng)的有效物質(zhì)越多，電池的容量越大。

2.7 欠充電與容量的關(guān)系

　　幾次欠充電后，極板深層的硫酸鉛不能還原，負(fù)極板將硫化，極板的有效物質(zhì)減少則電池容量減少，所以電池不能長(zhǎng)期處于欠充電狀態(tài)。對(duì)于配置電池容量較大的長(zhǎng)延時(shí)UPS特別在停電比較頻繁的地方使用，充電器的容量必須足夠。

2.8 放電率與終止電壓的關(guān)系

　　蓄電池放電時(shí)電壓不能低于終止電壓，否則會(huì)損害電池壽命。放電電流與終止電壓關(guān)系如下表：

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/258949.htm


2.9 浮充與均充

　　由于電解液和極板中存在有雜質(zhì)，這種雜質(zhì)會(huì)在極板上形成局部放電，這種局部放電現(xiàn)象就是“自放電”，自放電隨電池的老化程度而加劇。浮充電就是將充足電的蓄電池組與充電器同時(shí)并接在直流母線上，以補(bǔ)充電池的自放電，大體上使蓄電池經(jīng)常保持在充滿電的狀態(tài)。浮充電的電壓各個(gè)廠家稍有不同，在2.15± 0.05左右，浮充電流可按
　　I=0.0009Q0
　　式中I是浮充所需要的電流值（A），Q0是蓄電池的額定容量(Ah）。該電流值只是用于補(bǔ)充自放電的損失，如果電池沒有充滿，則該電流需要增大。
　　以浮充電進(jìn)行運(yùn)行的蓄電池，由于電池組中每個(gè)電池的不均衡性造成每個(gè)電池的自放電是不一樣的，而對(duì)電池組的浮充電流是一致的，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)部分電池處于欠充電狀態(tài)。　　
　　為了使蓄電池組中每個(gè)電池處于健康狀態(tài)，一定的時(shí)間后必須對(duì)電池進(jìn)行一次均充。均衡充電過(guò)程就是使蓄電池容量的恢復(fù)過(guò)程。均衡充電電壓一般保持在2.35V.
　　對(duì)于大部分中小容量UPS，采用的先限流后衡壓的充電方式，限流值是根據(jù)充電器本身和電池容量而定的，不超過(guò)充電器的電流最大輸出能力和0.25 C10 A的充電電流。至于限壓值一般處于浮充和均充電壓值之間的一個(gè)值，這個(gè)也與一些電池廠家表明不需要均充的說(shuō)法一致。
　　長(zhǎng)期的均充（高壓充電）容易造成電池過(guò)充，易使電池發(fā)熱鼓包，從而縮短電池的使用壽命。只浮充不均充便會(huì)使電池欠充，造成個(gè)別電池落后。
　　不同的電池有一個(gè)最佳的浮充電壓（一定的溫度下），有一定時(shí)間的均充效果更好。充電時(shí)間取決于放電量、充電電流和溫度。

2.10 電池壽命與放電深度

　　電池的使用壽命與電池的放電深度密切相關(guān)，對(duì)于標(biāo)稱壽命為3～5年密封電池而言，其關(guān)系如下表：


　　因此為了延長(zhǎng)電池的使用壽命，非迫不得已，不要讓電池處于深度放電狀態(tài)，一般UPS廠家設(shè)計(jì)方案，當(dāng)UPS處于滿載或半載條件下放電到自動(dòng)關(guān)機(jī)的電池的放電深度為50%左右（標(biāo)機(jī)深度淺，長(zhǎng)機(jī)深度深），如果UPS電源在過(guò)度輕載（放電電流小于0．05 C20 A）放電到UPS電源自動(dòng)關(guān)機(jī)，則電池會(huì)因?yàn)樯疃确烹姸嵩鐡p壞。也是UPS廠家建議用戶配置負(fù)載不要太輕的原因之一。當(dāng)然，高檔次的UPS除了有長(zhǎng)機(jī)和標(biāo)機(jī)有不同的終止電壓，還有根據(jù)負(fù)載的大小來(lái)決定終止電壓。有效的延長(zhǎng)電池的使用壽命。
　　另外將UPS的交流輸入電壓范圍拓寬，可以有效的減少電池的放電次數(shù)，

3 UPS電源中蓄電池容量的配置

3.1UPS中電池電壓設(shè)定

　　一般來(lái)說(shuō)，UPS中的標(biāo)稱電池電壓（或12V電池的個(gè)數(shù)）沒有哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，是廠家根據(jù)采用的電路拓?fù)湫枰?、機(jī)箱結(jié)構(gòu)、功率等級(jí)、成本需要等來(lái)設(shè)計(jì)的。
　　后備式方波輸出的UPS，一般采用12V或24V電池，經(jīng)過(guò)推挽及變壓器升壓得到220V的交流方波。一般功率在1kVA以下。在線互動(dòng)式一般采用24V或48V的電池。
　　單進(jìn)單出傳統(tǒng)在線式，一般采用16節(jié)*12V=192V，充電電壓為216V左右，因?yàn)樵撾妷号c低限值交流整流后的電壓相當(dāng)（75%*220*1.414*0.9=210V）。以3～15kVA單進(jìn)單出機(jī)器居多。
　　對(duì)于三進(jìn)單出的傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，一般先采用自耦變壓器（或隔離變壓器）降壓，也適用16節(jié)*12V=192V或者32節(jié)384V。
　　至于三進(jìn)三出機(jī)器，則電池電壓等級(jí)更多，有348V、360V、576V、720V。
　　對(duì)于小功率高頻機(jī)器，1kVA的電池電壓以36V的居多，也有24V或48V的，2kVA一般為72V，也有2kVA和3kVA為了電池兼容，都采用96V的。原則是采用N個(gè)7AH的電池滿足標(biāo)機(jī)的時(shí)間（5—10分鐘）需要，以達(dá)到最佳性價(jià)比。

3.2 UPS中電池容量的配置計(jì)算

　　我們知道，電池實(shí)際可使用的容量與放電電流大小、環(huán)境溫度、電池的新舊等有關(guān)。要想精確計(jì)算容量是很難的事情。
　　假設(shè)放電過(guò)程中為恒功率放電，（UPS輸出功率不變，盡管逆變效率在變，但為了計(jì)算方便，忽略不計(jì)），在放電初期，電池電壓高，放電電流小，此時(shí)逆變的效率也高?！　∠喾?，在放電將要終止時(shí)，電池電壓低，放電電流大。也就是在放電過(guò)程中電流是變化的，并且從電池的放電特性曲線看，不同的放電電流，電池的端電壓也不同，工程設(shè)計(jì)公式為：

　　P是UPS的標(biāo)稱輸出功率（VA），cosф是用戶負(fù)載的功率因數(shù)，一般取為0.7。η是UPS的逆變效率, N是電池個(gè)數(shù)，E是電池放電電壓(V)，可以設(shè)定為12V(剛開始放電時(shí)電壓高于12V，放電終止前電壓低于12V，但是整個(gè)放電過(guò)程在12V左右支持時(shí)間最長(zhǎng)).
　　在得出電流后，根據(jù)用戶需要的支持時(shí)間，I*t=Ah,便可以得到需要的安時(shí)數(shù)，然后再根據(jù)放電特性曲線或特性表進(jìn)行修正。
　　考慮到絕大多數(shù)用戶實(shí)際使用的負(fù)載一般為額定值的50～80%，因此很多UPS代理商一般按照80%甚至60%計(jì)算。因此有兩種計(jì)算方法，一是按UPS額定輸出容量計(jì)算，二是按實(shí)際負(fù)荷所需功率計(jì)算。
　　下面對(duì)一臺(tái)10KVA電池電壓為192V 或240V的UPS分別需要1h3h10h24h的電池容量進(jìn)行計(jì)算：
　　放電電流：

　　如果按100%的負(fù)載計(jì)算，則電池放電電流為42(A)
　　如果用戶需要支持時(shí)間為10小時(shí),則容量100%可用,直接得出10h*42A=420Ah
　　支持時(shí)間為24小時(shí),則容量約105%可用,得24h*42A/105%=960Ah
　　支持時(shí)間為3小時(shí),則容量約75%可用,得3h*42A/75%=168Ah
　　支持時(shí)間為1小時(shí),則容量約52%可用,得1h*42A/52%=80Ah
　　如果按80%的負(fù)載計(jì)算，則42*80%=33.6(A)
　　如果用戶需要支持時(shí)間為10小時(shí),則容量100%可用,直接得出10h*33.6A=336Ah
　　支持時(shí)間為24小時(shí),則放電電流為1/24 C10A=0.042 C10A,查表知約105%容量可用,得24h*33.6A/105%=768Ah
　　支持時(shí)間為3小時(shí),則容量約75%可用,得3h*33.6A/75%=135Ah
　　支持時(shí)間為1小時(shí),則容量約52%可用,得1h*33.6A/52%=64Ah
　　如果電池電壓為240VDC，按100%的負(fù)載計(jì)算，電池電壓高，相應(yīng)逆變時(shí)效率比較高，

　　則電池放電電流為32.4(A)，則單個(gè)電池的容量可以減小但是串連電池的數(shù)量增多。
　　用戶及銷售工程師可能會(huì)根據(jù)實(shí)際需要情況、成本,決定是配置80%還是配置100%的電池容量。在資金容許的情況下,配置也可以選擇高于計(jì)算值,但是也不宜超出太多，否則電池放電是處于小電流放電,壽命也會(huì)縮短。

4 UPS中蓄電池的管理

　　UPS中采用電池的作用就是在停電時(shí)電池能起到不間斷的作用,同時(shí)需要采用的電池的壽命盡可能長(zhǎng).電池管理的可靠性和完善性成為各個(gè)UPS廠家競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)之一.

4.1 電池的充電管理

　?。?） 基本的限流限壓控制
　　充電電流既不能太大，也不能太小。正常充電電流較小，電池負(fù)極析出的H2和正極析出的O2，幾乎完全復(fù)合成H2O，如果充電電流過(guò)大，氣體來(lái)不及全部復(fù)合，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力增大，引起排氣閥門開啟，造成電池失水，因此必須限制充電電流，一般不要超過(guò)0.25C（A）比較合適。由于電池在充電過(guò)程中，電池內(nèi)阻會(huì)發(fā)生變化，所以以恒定的電流值充電會(huì)獲得滿意的結(jié)果。
　　當(dāng)充電電流減少，電壓慢慢升高，電池容量慢慢增加，則電壓便維持在一個(gè)恒定的值保持不變。此后便維持一個(gè)很小的電流對(duì)電池進(jìn)行浮充。
　?。?）能進(jìn)行均浮充轉(zhuǎn)換
　　首先進(jìn)行限流限壓充電，但是該“限壓”是一個(gè)均衡的充電電壓，比較高。均充一定時(shí)間后，再自動(dòng)轉(zhuǎn)為電壓較低的浮充。
　　在以下幾種情況下，開始進(jìn)行均充浮充的循環(huán)：
　　UPS的交流輸入停電后再來(lái)電；
　　手動(dòng)開機(jī)后；
　　電池進(jìn)行自測(cè)完成后；
　　長(zhǎng)期浮充后。
　?。?）分階段充電方式
　　長(zhǎng)期浮充會(huì)導(dǎo)致電池極板活性老化，使電池內(nèi)阻增大，使充進(jìn)去的能量除了補(bǔ)充電池自放電的消耗外，大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)阻發(fā)熱的功率。采用分階段充電克服該問(wèn)題：
　　分階段充電方式方案：第一階段是限流均衡充電階段，均充到電池容量的大約90%（時(shí)間約5小時(shí)到48小時(shí)適宜）；第二階段是間隙階段，這時(shí)停止充電一個(gè)短時(shí)間（數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)），讓第一階段析出的H2和析出的O2充分復(fù)合；第三階段是浮充階段，這階段對(duì)電池進(jìn)行浮充充電，將電池充到容量接近100%（一周左右）；第四階段是休眠階段，這階段不給電池充電，利用電池的自身的漏電流放電，一直到規(guī)定的電壓下限（20――30天左右）。據(jù)試驗(yàn)該充電方式可以提高電池壽命40%左右。
　?。?）溫度補(bǔ)償
　　環(huán)境溫度變化時(shí)，必須對(duì)浮充電壓進(jìn)行校正，校正系數(shù)為18mV/℃（標(biāo)稱12V的電池）。為簡(jiǎn)單計(jì)，可以分級(jí)校正，如：

　　電池靜置時(shí)，溫度太高，電池的自放電加劇。電池使用條件推薦為20℃--25℃，溫度太低，電池放電容量降低，充電接受能力下降。溫度太高，反映加劇，導(dǎo)致失水，極板腐蝕加劇。電池的充電電壓通過(guò)溫度補(bǔ)償來(lái)改變，溫度高時(shí)，充電電壓降低，使電池處于最佳浮充狀態(tài)。
但是，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，電池本身固有的壽命仍然會(huì)縮短。實(shí)踐表明，即使配備了溫度補(bǔ)償，對(duì)這種電池固有的老化現(xiàn)象也無(wú)回天之力。
　　嚴(yán)格講，保證電池服務(wù)最佳方案是將環(huán)境溫度控制在20℃--25℃，控制放電次數(shù)、放電深度、放電和充電電流以及定時(shí)沖放電的周期。幾乎沒有誰(shuí)能滿足電池廠家要求的條件，因此達(dá)到電池廠家給出的期望壽命是很難的。
　　根據(jù)環(huán)境溫度的高低來(lái)調(diào)節(jié)充電電壓。對(duì)電池壽命有提高，但是最好的溫度補(bǔ)償是改善電池的環(huán)境溫度，使之達(dá)到20℃--25℃

4.2 電池剩余容量的估算

　　電池容量動(dòng)態(tài)計(jì)算,是通過(guò)電池電流對(duì)時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算的,它反映了電池充入的或放出的容量的多少,同時(shí)有時(shí)需要大致了解電池的”好壞程度”,因此需要進(jìn)行容量的預(yù)計(jì).用戶可以啟動(dòng)容量預(yù)計(jì)來(lái)預(yù)測(cè)容量.
　　容量估算的基本方法是:獲取一組完好的標(biāo)準(zhǔn)電池的0.05C10 A放電電壓曲線后,對(duì)電池進(jìn)行以0.05C10A電流放電,每隔一段時(shí)間比較一下放電端電壓及放出的容量.例如某標(biāo)準(zhǔn)電池0.05C10A放電到 12.5V用了200分鐘,而所測(cè)電池0.05C10A放電到12.5V只用了150分鐘,則該電池的靜置容量為額定容量的150/200*100%= 75%.
　　很多情況需要不是等真正停電后知道電池能支持多長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)槿绻竭@時(shí)才發(fā)現(xiàn)電池容量不夠?yàn)闀r(shí)已晚。所以希望能對(duì)電池的容量能進(jìn)行一個(gè)預(yù)估。在UPS開機(jī)時(shí)或運(yùn)行一定時(shí)間時(shí)或能進(jìn)行在線手動(dòng)的對(duì)電池的測(cè)試。該測(cè)試特別是帶了重要負(fù)載后的在線測(cè)試是承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)的。建議電池只支持很短的一個(gè)時(shí)間，最好是負(fù)載需要的能量由市電和電池分擔(dān)，這樣可以防止因電池容量不足造成猝不及防的UPS輸出中斷問(wèn)題。
　　但是很多UPS的容量估算是根據(jù)電池的電壓直接估算的百分比。不管怎樣，容量估算僅僅是“估算”，一般做到10%的精度已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)的了。

4.3 電池的放電管理

　?。?） 不同負(fù)載有不同的終止電壓
　　電池容量得不到及時(shí)補(bǔ)充，長(zhǎng)久使得負(fù)極板晶核，極板硫酸化，電池難以還原。因此必須防止電池過(guò)放電。一般要有欠壓告警、低壓關(guān)機(jī)功能。根據(jù)電池容量及負(fù)載大小來(lái)設(shè)置放電終止電壓，既保證能達(dá)到放出足夠的容量，充分利用電池的容量，又不對(duì)電池造成損害。對(duì)于長(zhǎng)延時(shí)機(jī)器或小負(fù)載時(shí)，由于放電電流相對(duì)電池容量小，因此電池保護(hù)點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置較高
　?。?）二次下電功能
　　UPS在電池一定的前提下，負(fù)載小則放電時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)載大則放電時(shí)間短。而有時(shí) UPS的負(fù)載有的更重要，需要支持更長(zhǎng)的時(shí)間，如當(dāng)UPS帶移動(dòng)基站時(shí)，傳輸設(shè)備比基站設(shè)備更重要，因?yàn)榍罢卟粌H影響該基站，而且會(huì)影響上級(jí)下級(jí)基站的信號(hào)傳輸，因此在市電停電后希望能支持更長(zhǎng)的時(shí)間。所以當(dāng)停電電池支持一定時(shí)間后第一次切除相對(duì)不重要的負(fù)載的供電，當(dāng)電池電壓達(dá)到終止電壓時(shí)再關(guān)機(jī)斷掉重要負(fù)載的供電。