UPS蓄電池幾個問題的探討

1 引言

　　目前UPS已經(jīng)廣泛使用在各個經(jīng)濟領(lǐng)域，在通信、電子商務(wù)、金融、醫(yī)療、石化、工業(yè)自動化等領(lǐng)域起到重要的作用，不僅是保護UPS所帶的負載本身，更重要是保護負載所生產(chǎn)出來的產(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，對于標準時間機器，一般約占UPS電源總成本的1/4，對于長時間UPS電源而言，蓄電池的成本可能超過UPS電源主機的成本。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）。因此有必要加強對蓄電池特性的了解，正確選配和使用蓄電池，盡可能地延長蓄電池的使用壽命。同時如何管理蓄電池成為各個UPS廠家重點研究的問題。

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其充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，蓄電池陽極的活性物質(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

　　電池是由單個的“原電池”組成，每個原電池的電壓大約是2V，一個12V的電池由6個原電池組成。

2.2 免維護

　　封密式免維護鉛酸蓄電池，具有敞口式鉛酸蓄電池所有的優(yōu)點，所謂免維護，是相對敞口式電池需要經(jīng)常加水而言的。整個蓄電池是全封閉的（電池的氧化還原反應(yīng)均在密閉的外殼內(nèi)部循環(huán)進行），因此免維電池沒有“有害氣體”溢出。不需進行加水等日常的運行維護。可以安裝在主機房，適合無人之手值守機房。

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。標準YD/T799-2002　　規(guī)定2V、6V、 12V密封蓄電池的額定容量均為標準溫度下（25℃）10小時放電率（I=0.1C10A）的容量。該標準明確指出6V、12V蓄電池的容量以10h放電率為基準。但是老的行業(yè)慣例并且目前絕大部分廠家為：對于2V電池，是以10小時放電率（I=0.1C10A）來定義容量，而對于6V和12V電池，則以20小時放電率（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。高放電過程是極板表面的有效物質(zhì)發(fā)生強制性的變化，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放電電流時的容量（Ah）
　　Q0 ――10h放電率時的額定容量（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℃時蓄電池的放電容量（Ah）
　　Ct---t℃時蓄電池的放電容量（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，當溫度超過35℃時，則容量反而減少。
　　特別對于室外型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，所以電池不能長期處于欠充電狀態(tài)。對于配置電池容量較大的長延時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

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

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并接在直流母線上，以補充電池的自放電，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。
　　以浮充電進行運行的蓄電池，由于電池組中每個電池的不均衡性造成每個電池的自放電是不一樣的，而對電池組的浮充電流是一致的，結(jié)果會出現(xiàn)部分電池處于欠充電狀態(tài)?！　?
　　為了使蓄電池組中每個電池處于健康狀態(tài)，一定的時間后必須對電池進行一次均充。均衡充電過程就是使蓄電池容量的恢復(fù)過程。均衡充電電壓一般保持在2.35V.
　　對于大部分中小容量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值，這個也與一些電池廠家表明不需要均充的說法一致。
　　長期的均充（高壓充電）容易造成電池過充，易使電池發(fā)熱鼓包，從而縮短電池的使用壽命。只浮充不均充便會使電池欠充，造成個別電池落后。
　　不同的電池有一個最佳的浮充電壓（一定的溫度下），有一定時間的均充效果更好。充電時間取決于放電量、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)，對于標稱壽命為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)計方案，當UPS處于滿載或半載條件下放電到自動關(guān)機的電池的放電深度為50%左右（標機深度淺，長機深度深），如果UPS電源在過度輕載（放電電流小于0．05 C20 A）放電到UPS電源自動關(guān)機，則電池會因為深度放電而提早損壞。也是UPS廠家建議用戶配置負載不要太輕的原因之一。當然，高檔次的UPS除了有長機和標機有不同的終止電壓，還有根據(jù)負載的大小來決定終止電壓。有效的延長電池的使用壽命。
　　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

　　一般來說，UPS中的標稱電池電壓（或12V電池的個數(shù)）沒有哪個標準規(guī)定，是廠家根據(jù)采用的電路拓撲需要、機箱結(jié)構(gòu)、功率等級、成本需要等來設(shè)計的。
　　后備式方波輸出的UPS，一般采用12V或24V電池，經(jīng)過推挽及變壓器升壓得到220V的交流方波。一般功率在1kVA以下。在線互動式一般采用24V或48V的電池。
　　單進單出傳統(tǒng)在線式，一般采用16節(jié)*12V=192V，充電電壓為216V左右，因為該電壓與低限值交流整流后的電壓相當（75%*220*1.414*0.9=210V）。以3～15kVA單進單出機器居多。
　　對于三進單出的傳統(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。
　　至于三進三出機器，則電池電壓等級更多，有348V、360V、576V、720V。
　　對于小功率高頻機器，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7AH的電池滿足標機的時間（5—10分鐘）需要，以達到最佳性價比。

3.2 UPS中電池容量的配置計算

　　我們知道，電池實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)。要想精確計算容量是很難的事情。
　　假設(shè)放電過程中為恒功率放電，（UPS輸出功率不變，盡管逆變效率在變，但為了計算方便，忽略不計），在放電初期，電池電壓高，放電電流小，此時逆變的效率也高?！　∠喾?，在放電將要終止時，電池電壓低，放電電流大。也就是在放電過程中電流是變化的，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)計公式為：

　　P是UPS的標稱輸出功率（VA），cosф是用戶負載的功率因數(shù)，一般取為0.7。η是UPS的逆變效率, N是電池個數(shù)，E是電池放電電壓(V)，可以設(shè)定為12V(剛開始放電時電壓高于12V，放電終止前電壓低于12V，但是整個放電過程在12V左右支持時間最長).
　　在得出電流后，根據(jù)用戶需要的支持時間，I*t=Ah,便可以得到需要的安時數(shù)，然后再根據(jù)放電特性曲線或特性表進行修正。
　　考慮到絕大多數(shù)用戶實際使用的負載一般為額定值的50～80%，因此很多UPS代理商一般按照80%甚至60%計算。因此有兩種計算方法，一是按UPS額定輸出容量計算，二是按實際負荷所需功率計算。
　　下面對一臺10KVA電池電壓為192V 或240V的UPS分別需要1h3h10h24h的電池容量進行計算：
　　放電電流：

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

　　則電池放電電流為32.4(A)，則單個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根據(jù)實際需要情況、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電池能起到不間斷的作用,同時需要采用的電池的壽命盡可能長.電池管理的可靠性和完善性成為各個UPS廠家競爭的重點之一.

4.1 電池的充電管理

　　（1） 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，如果充電電流過大，氣體來不及全部復(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0.25C（A）比較合適。由于電池在充電過程中，電池內(nèi)阻會發(fā)生變化，所以以恒定的電流值充電會獲得滿意的結(jié)果。
　　當充電電流減少，電壓慢慢升高，電池容量慢慢增加，則電壓便維持在一個恒定的值保持不變。此后便維持一個很小的電流對電池進行浮充。
　　（2）能進行均浮充轉(zhuǎn)換
　　首先進行限流限壓充電，但是該“限壓”是一個均衡的充電電壓，比較高。均充一定時間后，再自動轉(zhuǎn)為電壓較低的浮充。
　　在以下幾種情況下，開始進行均充浮充的循環(huán)：
　　UPS的交流輸入停電后再來電；
　　手動開機后；
　　電池進行自測完成后；
　　長期浮充后。
　?。?）分階段充電方式
　　長期浮充會導(dǎo)致電池極板活性老化，使電池內(nèi)阻增大，使充進去的能量除了補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%（時間約5小時到48小時適宜）；第二階段是間隙階段，這時停止充電一個短時間（數(shù)分鐘到數(shù)小時），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，這階段對電池進行浮充充電，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)試驗該充電方式可以提高電池壽命40%左右。
　?。?）溫度補償
　　環(huán)境溫度變化時，必須對浮充電壓進行校正，校正系數(shù)為18mV/℃（標稱12V的電池）。為簡單計，可以分級校正，如：

　　電池靜置時，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溫度補償來改變，溫度高時，充電電壓降低，使電池處于最佳浮充狀態(tài)。
但是，當環(huán)境溫度升高時，電池本身固有的壽命仍然會縮短。實踐表明，即使配備了溫度補償，對這種電池固有的老化現(xiàn)象也無回天之力。
　　嚴格講，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沖放電的周期。幾乎沒有誰能滿足電池廠家要求的條件，因此達到電池廠家給出的期望壽命是很難的。
　　根據(jù)環(huán)境溫度的高低來調(diào)節(jié)充電電壓。對電池壽命有提高，但是最好的溫度補償是改善電池的環(huán)境溫度，使之達到20℃--25℃

4.2 電池剩余容量的估算

　　電池容量動態(tài)計算,是通過電池電流對時間的積分來計算的,它反映了電池充入的或放出的容量的多少,同時有時需要大致了解電池的”好壞程度”,因此需要進行容量的預(yù)計.用戶可以啟動容量預(yù)計來預(yù)測容量.
　　容量估算的基本方法是:獲取一組完好的標準電池的0.05C10 A放電電壓曲線后,對電池進行以0.05C10A電流放電,每隔一段時間比較一下放電端電壓及放出的容量.例如某標準電池0.05C10A放電到12.5V用了200分鐘,而所測電池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時間，因為如果到這時才發(fā)現(xiàn)電池容量不夠為時已晚。所以希望能對電池的容量能進行一個預(yù)估。在UPS開機時或運行一定時間時或能進行在線手動的對電池的測試。該測試特別是帶了重要負載后的在線測試是承擔一定的風(fēng)險的。建議電池只支持很短的一個時間，最好是負載需要的能量由市電和電池分擔，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)相當不錯的了。

4.3 電池的放電管理

　?。?） 不同負載有不同的終止電壓
　　電池容量得不到及時補充，長久使得負極板晶核，極板硫酸化，電池難以還原。因此必須防止電池過放電。一般要有欠壓告警、低壓關(guān)機功能。根據(jù)電池容量及負載大小來設(shè)置放電終止電壓，既保證能達到放出足夠的容量，充分利用電池的容量，又不對電池造成損害。對于長延時機器或小負載時，由于放電電流相對電池容量小，因此電池保護點應(yīng)該設(shè)置較高
　　（2）二次下電功能
　　UPS在電池一定的前提下，負載小則放電時間長，負載大則放電時間短。而有時UPS的負載有的更重要，需要支持更長的時間，如當UPS帶移動基站時，傳輸設(shè)備比基站設(shè)備更重要，因為前者不僅影響該基站，而且會影響上級下級基站的信號傳輸，因此在市電停電后希望能支持更長的時間。所以當停電電池支持一定時間后第一次切除相對不重要的負載的供電，當電池電壓達到終止電壓時再關(guān)機斷掉重要負載的供電。