鉅大LARGE | 點擊量：1030次 | 2021年12月22日
UPS用蓄電池的選擇和充電模式的研究
蓄電池的故障占UpS系統(tǒng)總體故障的40%以上，它是整個UpS系統(tǒng)中平均無故障時間(MrIBF)最短的器件之一。因此，UpS電池的選擇和充電模式的研究，不僅關(guān)系到經(jīng)濟(jì)成本問題，還直接影響UpS電源的不間斷供電。
1UpS電池的種類和工作原理
UpS要求所選用的蓄電池必須具有在短時間內(nèi)輸出大電流的特性。目前，在線運行的蓄電池基本上有兩種，它們都屬于鉛酸蓄電池。
1).防酸隔爆鉛酸蓄電池
這種電池在早期的UpS系統(tǒng)中使用較多，只要維護(hù)得當(dāng)，會有較長的使用壽命，但由于在運行中存在大量的電解液水分散失，需經(jīng)常性地測量電解液的溫度、密度，往電池內(nèi)部添加蒸餾水，維護(hù)工作量極大，現(xiàn)在的UpS系統(tǒng)中已很少配用。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電池化學(xué)反應(yīng)式如下：
pbO2+2H2SO4+pb=pbSO4+2H2O+pbSO4
由此化學(xué)反應(yīng)式得知，鉛酸蓄電池在放電之后，電解液因與正負(fù)極板生成pbSO而耗用硫酸，其結(jié)果電解液比重下降。反之充電時，正負(fù)極板之硫酸鉛中之硫酸漸漸被釋出，電解液硫酸濃度逐漸加大而比重上升。通常一般鉛酸電池于充電末期，正負(fù)極板都已還原成二氧化鉛及海綿狀鉛，此后之充電幾乎是在電解電解液之水而生成氧氣(陽極)及氫氣(陰極)逸出，其結(jié)果電解液減少，此所以為一般液式鉛酸電池要經(jīng)常補水之原因。
2).閥控式密封鉛酸蓄電池(VIqLA)
因其體積較小，密封性能好、絕少維護(hù)而被廣泛應(yīng)用于各類UpS電源中。VRLA防止電池內(nèi)部電解液流動有兩種技術(shù)方法：一種技術(shù)是將硫酸電解液與SiO：膠體混合后充滿電池內(nèi)部，制成膠體電池(簡稱GEL)。這類產(chǎn)品產(chǎn)量較低，約占VRLA電池總量的15%;另一種技術(shù)是利用超細(xì)玻璃棉將電解液不飽和地吸附住，制成吸液式電池或貧液式電池(簡稱AGM)。由于后者具有較好的大電流放電性能，在UpS系統(tǒng)中較多采用，國內(nèi)廠家也大多生產(chǎn)AGM蓄電池。
一般閥控式密封鉛酸蓄電池工作過程中陽極出現(xiàn)氧氣，而陰極尚未變成海綿狀鉛，亦即尚未充電完成，所以并未出現(xiàn)氫氣，此時陽極出現(xiàn)之氧氣迅速與陰極用途還原成水，是故水份不損耗，此即閥調(diào)式鉛酸電池免保養(yǎng)理由。
2UpS電池的性能指標(biāo)
①容量：表示電池在充滿電的情況下的儲能多少，用放電電流與放電時間的乘積來表示。C窖量(C)=I放電電蠢(A)×T城電時問(h)
②放電功率：表示放電至終止的電流的大小或時間的快慢，可用電流來表示。如一個6.5AH的電池，充滿之后以325mA恒流放電，經(jīng)過20小時后達(dá)到其放電終止電壓，放電率若以電流來表示則為0.325安率;若以放電時間來表示則為20小時放電率。
③放電電流：放電電流就是電池的輸出電流，它除了用安培來表示外，通常也用電池的容量乘以某個系數(shù)來表示。如關(guān)于6.5AH的電池，0.1C的放電電流的實際值為0.1×6.5=
0.65A。
④放電終止電壓：表示電池不允許再放出電能時的電壓，通常為1.75V/單格。
⑤標(biāo)稱容量：表示在20小時放電率下所測定的容量。
⑥自放電率：電池在不用時其內(nèi)部也會消耗能量，一般以×××C/天來表示，如0.08C/天。
3UpS電池的容量選擇
蓄電池容量的確定是UpS系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。過高和過低的電池容量關(guān)于UpS系統(tǒng)的運行都是不利的。容量過高，則新增投資成本，且易導(dǎo)致電池小電流深放電，造成電池永久性的損壞;容量過低，則不能滿足負(fù)載不間斷供電的要求，且大電流的充放電將縮短電池使用壽命。所以，正確選擇與UpS容量和負(fù)載容量相適應(yīng)的蓄電池容量是控制UpS系統(tǒng)投資成本，保證不間斷供電可靠性的關(guān)鍵。
3.1蓄電池放電時間的確定
UpS根據(jù)后備時間可分為標(biāo)準(zhǔn)型和長效型兩種。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)內(nèi)帶有電池組，在停電后可以持續(xù)較短時間的供電，一般不超過25rain;長效型機(jī)內(nèi)不帶電池，用戶可外接多組電池，以滿足長時間停電時持續(xù)供電的要，一般滿載配置可達(dá)數(shù)小時以上。
UpS電池后備時間確定的重要依據(jù)是市電供電類別。不同的供電類別，蓄電池的后備時間是不同的。一類市電供電的UpS，可按后備時間0.5h-1h配置;二類市電供電的UpS，可按后備時間1h-2h配置;三類市電供電的UpS，可按后備時間2h-8h配置;四類市電供電的UpS，可按后備時間8h-10h配置。然而，電池后備時間受電池成本、安裝空間、回充時間等因素的限制，大多數(shù)UpS電池后備時間以不超過2h為宜。在電力環(huán)境較差、停電較頻繁的地區(qū)，可以采用UpS與發(fā)電機(jī)配合供電的方式，提高UpS供電可靠性。
3.2UpS電池容量計算
掌握UpS電池的容量計算方法，對選購電池很有幫助。UpS電池容量在負(fù)載一按時，可依下列公式計算：
C=WT/(EfηVf)
C：電池容量(Ah)
W：負(fù)載容量(W)
T：放電時間(h)
Ef：機(jī)器轉(zhuǎn)換效率(約0.6～0.75)
η：電池放電效率(約0.7～0.8)
Vf：機(jī)器截止電壓
4UpS電池的充電模式
4.1恒流充電
恒流充電是用分段恒流的方法進(jìn)行充電。一般是通過充電裝置自身調(diào)整來實現(xiàn)的?？梢匀我膺x擇和調(diào)整充電電流，適應(yīng)性較強，特別適用于小電流長時間充電，也有利于容量恢復(fù)較慢的蓄電池充電。缺點是初始充電電流過小，充電后期充電電流又過大充電時間長、析出氣體多、對極板的沖擊較大、能耗較高、效率較低(不超過65%)，在充電過程中需有人看守，一般在初充電和在小電流進(jìn)行去硫充電才使用。因恒流充電的變型是分段恒流充電，所以充電時為防止充電后期電流過大，應(yīng)及時調(diào)整充電電流，還應(yīng)注意充電電流的大小、充電時間、轉(zhuǎn)換電流的時機(jī)及充電終止電壓的選取等，應(yīng)嚴(yán)格按照充電的規(guī)范(表1)來操作。
4.2恒壓充電
恒壓充電是指每只單格蓄電池均以一恒定電壓(一般取單格電池數(shù)乘以2.5v)進(jìn)行充電。特點是：初始充電電流相當(dāng)大，蓄電池電動勢和電解液體相對密度上升較快，隨著充電的延續(xù)，充電電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過;充電時間短、能耗低，一般充電4～5h蓄電池即可獲得本身容量的90%～95%;假如充電電壓選擇得當(dāng)，8h即可完成整個充電過程，且整個充電過程不需人照看，這種充電方式廣泛用于補充充電。由于初始充電初電流過大，對放電深度過大的蓄電池充電時，會引起初始充電電流急驟上升，易造成被充蓄電池過流或充電設(shè)備損壞。充電過程中由于不能調(diào)整充電電流，因此不適用于蓄電池的初充電和去硫充電。充電過程中對蓄電池電壓的變化很難補償，所以對容量恢復(fù)較慢的蓄電池完全充電很難完成。
在充電之前應(yīng)正確選擇充電電壓(表2)。若充電電壓過高，會引起充電初始充電電流過大，嚴(yán)重時會引起極板彎曲變形、活性物質(zhì)大量脫落以及蓄電池溫升過高等;過低則會使蓄電池充電不足，導(dǎo)致容量降低、壽命縮短。
4.3快速充電
快速充電是指以大電流方法的充電方式?？焖俪潆姴怀霈F(xiàn)大量的氣泡又不發(fā)熱，從而可縮短充電時間。目前，常用的快速充電重要有脈沖充電和大電流遞減快充兩種。
1.脈沖快速充電的特點是，采用1～2倍的C20A大電流充電，使蓄電池在短時間內(nèi)充至額定容量的50%～60%。當(dāng)蓄電池單格電壓充至2.4V時即停止充電，由控制電路自動轉(zhuǎn)為脈沖充電;即先停充25～40ms(前停充)，接著再放電或反充電，使蓄電池反向通過一個較大的脈沖電流(脈沖深度為充電電流的1.5～3倍，脈沖寬度為150～l000um)，然后再停止充電25ms(后停充)，如此循環(huán)直至充足。
2.大電流遞減充電重要是利用了蓄電池在低荷電狀態(tài)時具有高充電接受的特點，開始以大電流沖電(一般采用1～2倍C20A)，然后以一定的電流差值(50A)遞減，最后降至一定的電流值，直至蓄電池充足。上述方法具有充電時間短(一般新蓄電池初充電不超過5h，補充充電只需0.5～1.0h)、空氣污染小、省電節(jié)能以及不需專人看管等優(yōu)點。一般適用于要求在極短的時間內(nèi)對蓄電池執(zhí)行快速充電的場合，也普遍適用于城市公共汽車在停歇、休息時
間內(nèi)對蓄電池補充充電。
快速充電的能量轉(zhuǎn)換效率低?？焖倜}沖充電蓄電池析出的氣體總量雖然減少，但因出氣率高，易造成極板活性物質(zhì)脫落。因此在正常情況下不宜用此法對新啟用的蓄電池進(jìn)行初充電。
4.4均衡充電
均衡充電是以小電流(1/20C20A)進(jìn)行1—3h的充電過程。重要用來消除一組浮充電運行(即將直流電源和蓄電池并聯(lián)連接的工作方式)蓄電池在同樣運行條件下，由于某種原因造成的全組電池不均衡而形成的差別，以達(dá)到全組電池的均衡。此方法一般不能頻繁使用，但當(dāng)蓄電池出現(xiàn)下列情況之一時。必須進(jìn)行均衡充電：
1).蓄電池組長時間在電流放電，或長時間擔(dān)負(fù)直流電荷后
未及時充電時。
2).蓄電池個別單格電壓、電解液密度偏低，全組電池出現(xiàn)差別時。
3).沒有按規(guī)定周期執(zhí)行充、放電時。
4.5恒壓限流充電
恒壓限流充電重要是用來補救恒壓充電時充電電流過大的缺點(方法同恒壓充電)，通過充電電源和被充蓄電池之間串聯(lián)一電阻(限流電阻)來自動調(diào)節(jié)充電電流。當(dāng)充電電流過大時，其限流電阻上的壓降也大，從而減小了充電電壓;當(dāng)充電電壓過小時，限流電阻上的壓降也很小，充電設(shè)備輸出的電壓損失也小，這樣就自動調(diào)節(jié)了充電電流，使之不超過某個限度。該方法目前廣泛用于免維護(hù)電池的初充電和普通蓄電池的補充充電。
4.6智能充電
智能充電是目前較先進(jìn)的充電方法，原理是在整個充電過程中動態(tài)跟蹤蓄電池可接受的充電電流。應(yīng)用du/dt技術(shù)，即充電電源根據(jù)蓄電池的狀態(tài)自動確定充電工藝參數(shù)，使充電電流自始至終保持在蓄電池可接受的充電電流曲線附近，保持蓄電池幾乎在無氣體析出的狀態(tài)下充電，從而保護(hù)蓄電池。該方法適用于對各種狀態(tài)、類型的蓄電池充電，安全、可靠、省時和節(jié)能。
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