UPS蓄電池

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作者：時間：2007-12-05 來源：電子元器件網(wǎng)

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　　蓄電池是UPS的主要組成部分，一般UPS中多采用鉛酸蓄電池，在一些要求高的地方采用鎘鎳蓄電池的也不少。

1.鉛酸蓄電池

　　鉛酸電池是UPS中應用最多的一種化學電源，其特點是以硫酸溶液和鉛元素的反應為主體的設(shè)備，近年來發(fā)展很快。為了適應設(shè)備的發(fā)展要求，又開發(fā)出膠體電池、鉛晶電池等等，更展寬了電池的應用溫度范圍，延長了電池的服務壽命和改善了電池的工作性能。

1.閥控鉛酸電池的簡單工作原理

　　所謂“閥控”又俗稱全密封免維護，就是利用電池加液口上的一個控制閥（蓋）來控制電池內(nèi)部的壓力，盡量減少內(nèi)部由于化學反應而造成的水分損失，以延長電池的使用壽命。因為電池在化學反映中釋放氣體，使電池內(nèi)部氣壓升高，如果這些被釋放出的氣體不能及時被內(nèi)部重新吸收和化合，就將使外殼膨脹甚至裂開。這些氣體是如何產(chǎn)生的，又如何控制氣體的產(chǎn)生速度、如何控制電池內(nèi)部的壓力，這就牽涉到一個使用和維護問題，為了更好地做好上述工作，有必要了解一下電池的工作原理和工作情況。

　　以往的電池都是開放式的，由于充放電時的電化學反映中造成水分的消耗，所以在使用過程中要經(jīng)常測相對密度和加電瓶水等。水分是如何消耗的、電解液的相對密度是如何變大的、這會帶來什么副作用等等，都和密封有關(guān)。因此首先看一下電化學反應的一般方程式：

（1）

　　放電時，正極板中的二氧化鉛和負極板中的絨狀鉛與電解液中的硫酸反應，生成硫酸鉛和水。隨著反應的進行，硫酸的濃度逐漸降低。

　　充電時，硫酸鉛又分別轉(zhuǎn)化成二氧化鉛和絨狀鉛，硫酸的濃度也逐漸升高，并有還原成原來狀態(tài)的傾向。所謂傾向，就是說一般不能還原成原來的樣子，這是因為在充電后期的電壓上升至某一值時，正極板上開始產(chǎn)生氧氣：

　　2H₂O→O₂↑+4H⁺+4e^- (2)

　　生成的氧氣傳到負極板上，與絨狀鉛反應生成氧化鉛：

　　2Pb+O₂→2PbO (3)

　　氧化鉛進一步與附近的硫酸反應，生成硫酸鉛：

　　2PbO+2H₂SO₄→2PbSO₄+2H₂O (4)

　　硫酸鉛正好是負極放電的產(chǎn)物，充電時轉(zhuǎn)化成絨狀鉛，即

　　2PbSO₄+4H⁺+4e^-→2Pb+2H₂SO₄ (5)

　　負極板上的總反應應該是式(3)+(4)+(5)，即

　　O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O (6)

　　這正是反應式(2)的逆反應。{{分頁}}

　　總結(jié)地說，正極板上由于電解水而產(chǎn)生的氧氣可以與負極板上的活性物質(zhì)進行反應并在充電時還原成水。這樣一來，由于整個化學反應都是在密閉的情況下進行的，化學成分并沒有發(fā)生變化，達到了密封免維護的目的，這是理想情況。所謂理想情況，是指所有這些反應都是在適合原設(shè)計的條件下進行的，包括溫度、濕度、放電率和充電電流等。遺憾的是在實際使用中往往不能完全滿足這些規(guī)定的條件，比如溫度過高或過低、放電電流和充電電流過大等，都會使電池內(nèi)部的反應超過設(shè)計要求，反應過程中產(chǎn)生的氣體也會因超過額定值而使氣壓升高，沖開安全閥將氣體逸出體外，造成了水的損耗；另一方面，也可能由于安全閥的質(zhì)量達不到要求，或由于極板過薄而造成加速損壞，從而使反應面積減小等等因素，都難以保證上述的理想情況，這就造成了設(shè)計壽命和使用壽命的不一致。

　　由上面的討論可見，初期選擇電池的質(zhì)量和保證使用條件是非常重要的。

2.電池的使用條件

　　(1)充電電壓和電流電池的充電，一般要求在25ºC時電池的浮充電壓為2.23~2.25V/單格，也有的高一些，比如FIAMM電池可達2.27V/單格。當環(huán)境溫度低于25ºC時，要求相應提高充電電壓，以防充電不足。對于不同的電池就有不同的溫度矯正系數(shù)，比如對于LECKY通常的矯正系數(shù)為-1mV/ºC/單格，也就是說，溫度每升高1ºC，充電電壓應降低1mV/單格。反之，就要提高1mV/單格；而對于CSB電池GP來說，其溫度矯正系數(shù)就是-3.3~-5mV/ºC/單格。這就是具有溫度補償充電功能充電器的設(shè)計根據(jù)。不過這只是一個理論值，在實際中還應進行調(diào)試。有許多UPS都設(shè)置了這種功能，如SILCON、SITEPRO等，從而比不設(shè)置此功能時延長了電池的使用壽命。

　　一般的電池充電電流限定為0.1~0.2C₁₀A（其中C₁₀為10h放電率放電到1.75V/單格時的容量）。這個充電電流也適合循環(huán)使用的情況，但循環(huán)使用情況的充電電壓要求在25ºC時為2.45V/單格，也作為均充電壓。同樣，對于不同品牌的電池也有不同的均充電壓值。

圖1 充電電壓與溫度的關(guān)系

　　圖1給出了充電電壓與溫度的關(guān)系曲線。由圖中可以看出，隨著溫度的不同應及時修正充電電壓，圖中也給出了一個修正范圍，只要修正值在最高和最低值所限定的范圍內(nèi)就可以。這對補償充電電路的設(shè)計提出了較低的要求。

　　(2)電池的放電一般說用戶最感興趣的是電池的放電參數(shù)，因為這就是選用電池容量的根據(jù)。通常人們常說用一個公式來計算電池的容量，而實際上沒有一個通用的公式適合于所有的情況。因為電池一的放電不是線性的，況且各種品牌的電池也不盡相同。比如以某品牌的10Ah的12V電池為例，以放電到10.5(1.75X6)V為準。{{分頁}}

　　如果按0.05C即0.5A放電時，可放20h，放出10Ah的容量；

　　如果按0.4C即4A放電時，可放2h，放出8Ah的容量；

　　如果按1C即10A放電時，可放0.5h，放出5Ah的容量；

　　如果按3C即30A放電時，可放0.025h，放出2.5Ah的容量。

　　就是說，放電電流越大，放出的容量就越小，計算出來的結(jié)果就越不準確。因此，若想在工程上比較精確地求出規(guī)定時間的電池容量，必須計算和查表或曲線相結(jié)合。這要分幾步走：

　?、匐娏鞣?。用電流法的目的是為了根據(jù)放電電流去查電池的“恒流放電曲線”或“恒流放電表”，以得到所需后備時間的電池容量。

　　一般放電電流的計算式是：

　　（7）

式中 I_D——電池的最大放電電流，A；它出現(xiàn)在逆變器低壓關(guān)機的前一瞬間；

P——UPS的額定輸出功率，VA；

PF——UPS的輸出功率因數(shù)；

η——逆變器的效率；

U_min——逆變器關(guān)機電壓，V_o

　　得出放電電流后，就可以用這個電流去查所用電池的廠家提供的上述恒流放電曲線或恒流放電表，就可得出較精確的電池容量。{{分頁}}

圖2 電流的恒流放電曲線示意圖

　　圖2示出了電池的恒流放電曲線示意圖?？v軸是放電時間，橫軸是放電電流；一般電池廠家在同一個圖上給出一組恒流放電曲線，如圖中的C₁、C₂、C₃等，以容量的大小從左向右排列。查表時，將由上式算得的放電電流值I_D對準“放電電流”軸上的相應位置，然后看對應這一電流的哪一條放電曲線滿足所要求的后備時間t，比如上圖中的I_D與容量為C₃的放電曲線相交點A正好對應所要求的后備時間t，那么C₃就是所求的電池容量。

　　也有廠家給出的是恒流放電表，如表1所示，就是SENRY電池放電時間與放電電流的對應表。

表1 SENRY電池放電時間與放電電流(A)對應表

　　例：20kVA SILCON UPS在負載功率因數(shù)PF=0.8的情況下，要求在后備時間為2h，蓄電池的容量為多少（比如已知SILCON UPS的額定電池電壓為12VX32=384V，機電壓設(shè)為317V，設(shè)效率為96%）?

　　根據(jù)式（7）求出放電電流I_D：

　　根據(jù)該電流值對應2h的一列，看到6FM150電池在2h的一行中是56A，因此應選該容量的電池，6FM150是12V 150（Ah），又因SILCON UPS是兩組電池串聯(lián)，故可用12V 75Ah的電池，實際中可選表中的6FM8064節(jié)。

　　以上得出的是SENRY電池的容量，用此方法也可求出其他品牌電池的容量。可以發(fā)現(xiàn)，所得到的電池容量非常接近，甚至一模一樣。這是因為電池的水平非常接近之故，由此就給出一個啟示：一般說用任一個放電曲線或放電表得出的電池容量結(jié)果可以通用。

　　往往有這樣的情況，比如對大容量UPS而言，不是53A，而是200A ，在上表內(nèi)就查不到了，因為目前12V電池最大一般不超過200Ah，盡管從2V電池的放電表上可以找到相應的容量，但因價格太貴，用戶又不想選用，這種情況下就可以采用幾組12V電池并聯(lián)的方法。比如后備時間仍是2h，由上表可以看到，6FM200(12V 200Ah)對應2h的是75A，因此就可以用3組6FM200(200Ah)并聯(lián)或4組6FM150(150Ah)并聯(lián)。但是有一點值得注意，一般說并聯(lián)數(shù)最好不要超過5組。{{分頁}}

　　這樣求出的電池容量是不是就100%的準確了呢，這還不能斷言，因為還有另外的因素所限。首先是廠家提供的放電表是否和電池對應，換言之，實際電池的容量是否足夠。其二，在查表時還應注意另一個因素，就是放電的終止電壓，電池廠家只能給出幾個典型的終止電壓值，如上表的1.6V、1.7V、1.75V/單格，而UPS逆變器的關(guān)機電壓也不正好是某一檔終止電壓值的倍數(shù)，比如上面317V的關(guān)機電壓所對應的終止電壓值：

　　U=317V/(6單格X32塊)=1.65V/單格

　　因此，這就產(chǎn)生了誤差；其三，由于廠家提供的放電表是在25ºC的典型值，所以在不同的溫度，電池放出的容量也不一樣。做這樣討論的目的是，由于電池的選擇受好多因素的影響，不可能一絲一毫地去強求。

　?、诤愎β史?。有的電池廠家提供的是恒功率放電表，這時就必須求出放電功率，然后再對照查表。

　　放電功率P_DW(W)的計算式為

　　（8）

式中 P——UPS的額定輸出功率，VA；

PF——UPS的輸出功率因數(shù)；

η——逆變器效率。

　　恒功率放電表的形式和表（1）一模一樣，不過方格內(nèi)一個填的是電流一個填的是功率罷了。查的方法也和電流的一樣。不過尚有一點需要注意，即用恒電流法和用恒功率法得出的電池容量不一樣，有時還差的比較多。理論上講，隨便取哪一個結(jié)果都可以，但如果把握不大，就取容量大的那一個就可以了。

　　還有的恒功率放電表中的放電功率指的是每一個2V單元，比如FIAMM、哈根等，如果正好采用的是2V電池，就可以直接應用查出的結(jié)果。否則，就要把查得的結(jié)果變成12V的組合，但手續(xù)要繁一些，因為：

　　a.首先要預先選一個容量的電池；

　　b.查出該電池在要求時間的單元放電功率P；

　　c.用單元放電功率P去除計算出的功率P_DW得出電池單元數(shù)N；

　　d.然后再用6去除電池單元數(shù)N，得出12V電池數(shù)n；

　　e.最后UPS電池組中所含12V電池的數(shù)量m去除上面得出12V電池數(shù)n；看是否可以整除，否則就要重新選擇電池的容量，還要重復a~e的程序。{{分頁}}

　　當然還有其他的求法，比如松下電池根據(jù)溫度查出后，再乘一個系數(shù)的辦法得出容量等等，由于這些方法不太常用，在此不做討論。

2.鎘鎳蓄電池

1.概述

　　鎘鎳蓄電池屬堿性電池范疇，因為它的電極間的是KOH、NaOH和LiOH等堿性電解液，所以又稱堿性電池，其電極也不是以鉛金屬為主的鉛板，而是其他很多金屬，比如應用最普遍的鎘鎳蓄電池就是以氧化鎳為正極，鎘鐵為負極，另外根據(jù)要求的不同還有銀鋅蓄電池、鎳氫蓄電池等等，即電極的材料來源比鉛酸蓄電池廣得多。

　　堿性蓄電池與鉛酸蓄電池比較有結(jié)構(gòu)堅固、維護簡便、腐蝕性小、壽命長、耐過充和放電能力強、自放電電流小，并且可以用不同的板極結(jié)構(gòu)來適應不同倍率電流的放電等優(yōu)點。比如堿性蓄電池的壽命可長達20年，100%深度充放電循環(huán)可在900次以上；使用溫度范圍比鉛酸蓄電池也寬，一般說可在-45~+45ºC環(huán)境下使用。

　　但因其造價比鉛酸蓄電池高，故在UPS中的應用受到了一定限制。

2.堿性蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　(1)電池的結(jié)構(gòu) 電池由正極活性物質(zhì)、負極活性物質(zhì)分別包在穿孔鋼帶中經(jīng)加工而成為正極板組和負極板組，以絕緣物隔離正負板極，而后組裝在鐵質(zhì)或塑料外殼內(nèi)。電池蓋上留有注液口，平時裝有頂端帶出氣孔的塑料氣塞，需注入電解液時可以隨時打開，也是釋放電池反應過程中所產(chǎn)生氣體的通道。

　　(2)堿性蓄電池組的結(jié)構(gòu) 因為堿性蓄電池單元的標稱電壓是1.2V，所以在使用中需要進行組合。這又是和鉛酸蓄電池不同的地方，鉛酸蓄電池有固定的組合產(chǎn)品，而堿性蓄電池一般只有單體產(chǎn)品，其根據(jù)需要的組合是在產(chǎn)品外部進行的。

　　(3)堿性蓄電池的工作原理蓄電池充電時，正極發(fā)生氧化反應，而負極則發(fā)生還原反應；放電時，負極發(fā)生氧化反映，而正極發(fā)生還原反應，其充放電過程中的化學反應如下：

　　 (9)

　　上式只是一個綜合反應的最終結(jié)果，實際上在反應進行過程中也有氫和氧的析出，因此造成水的損耗。比如，電池充滿電后，由于過充而造成水的損失，看下面的反應

　?、僭谡龢O板上

40H^-→2H₂O+4e^- （氧析出）

　?、谠谪摌O板上

4H₂O+4e^-→2H₂+4OH^- （氧析出）

　　氫氧的析出就意味著水的損失，就意味著電池容量的下降。因此防止過充也是保護容量不下降的一個有效措施。{{分頁}}

3.堿性蓄電池的主要性能

　　一般堿性蓄電池有低倍率和高倍率之分，比如鎘鎳低倍率電池適用于0.1~0.5C₅A電流放電；中倍率電池適用于0.5~3.5C₅A電流放電；其中C₅是5h放電時的容量。

　　(1)堿性蓄電池的標稱電壓堿性蓄電池的標稱電壓為U₁=1.2V/單元，電池組的標稱電壓可根據(jù)要求進行組合。

　　(2)鎘鎳蓄電池的浮充電壓鎘鎳蓄電池的浮充電壓和壽命有著直接的關(guān)系，浮充電壓越高，就意味著過充的幾率就高，因此水的損耗就多。比如瑞典的ALCAD Vantage電池是根據(jù)氧的復合原理工作的，因此大大降低了水的損耗。實際上，對于推薦的充電電壓來說，電池的氧復合率可達85%~95%。這就意味著在適當?shù)某潆婋妷汉蜏囟惹闆r下，Vantage電池至少可以20年不用補充水。圖3給出了20ºC時不同浮充電壓和免維護周期的關(guān)系。