UPS 中蓄电池的几个问题的探讨

1 引言

　　目前UPS已经广泛使用在各个经济领域，在通信、电子商务、金融、医疗、石化、工业自动化等领域起到重要的作用，不仅是保护UPS所带的负载本身，更重要是保护负载所生产出来的产品，如电脑中的数据。蓄电池作为UPS中的重要组成部分，对于标准时间机器，一般约占UPS电源总成本的1/4，对于长时间UPS电源而言，蓄电池的成本可能超过UPS电源主机的成本。由于蓄电池本身或者电池管理上的原因，目前有许多UPS电源故障是由蓄电池引起（1/3）。因此有必要加强对蓄电池特性的了解，正确选配和使用蓄电池，尽可能地延长蓄电池的使用寿命。同时如何管理蓄电池成为各个UPS厂家重点研究的问题。

2 蓄电池的特性

2.1 铅酸蓄电池的工作原理

　　UPS中蓄电池大多采用铅酸蓄电池（下同），蓄电池是一种将化学能和电能相互转化的装置，蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来，蓄电池阳极的活性物质是二氧化铅（PbO2）阴极的活性物质是是铅(Pb)，电解液是稀硫酸(H2SO4).其化学反应式

　　电池是由单个的"原电池"组成，每个原电池的电压大约是2V，一个12V的电池由6个原电池组成。

2.2 免维护

　　封密式免维护铅酸蓄电池，具有敞口式铅酸蓄电池所有的优点，所谓免维护，是相对敞口式电池需要经常加水而言的。整个蓄电池是全封闭的（电池的氧化还原反应均在密闭的外壳内部循环进行），因此免维电池没有"有害气体"溢出。不需进行加水等日常的运行维护。可以安装在主机房，适合无人之手值守机房。

2.3 电池容量与放电率的关系

　　蓄电池的容量是指它的蓄电能力。它是以充足了电的蓄电池，放电至规定的终止电压的电量。标准YD/T799-2002　　规定2V、6V、 12V密封蓄电池的额定容量均为标准温度下（25℃）10小时放电率（I=0.1C10A）的容量。该标准明确指出6V、12V蓄电池的容量以10h放电率为基准。但是老的行业惯例并且目前绝大部分厂家为：对于2V电池，是以10小时放电率（I=0.1C10A）来定义容量，而对于6V和12V电池，则以 20小时放电率（I=0.05C20A）的容量。
　　放电率与容量的关系：蓄电池放出的容量随放电电流的增大而减少。高放电过程是极板表面的有效物质发生强制性的变化，生成的硫酸铅很容易堵塞极板上的小孔，极板深层的有效物质就没有参加化学反应。这样蓄电池的内阻增大，电压下降就快，使电池不能放出全部的容量。
10h放电率放出容量为100％，20h放电率放出容量为105％，而3h放电率放出容量为75％，1h放电率放出容量为52％。放电电流与容量的关系可由下式决定：
　　Q=Q0(I/I0)n-1
　　式中Q ――I放电电流时的容量（Ah）
　　Q0 ――10h放电率时的额定容量（Ah）
　　I0 ――10h放电率的额定放电电流（A）
　　I――非10h放电率的放电电流（A）
　　n――蓄电池放电容量指数，其值为I/I0＜3　n=1.313; I/I0≥3, n=1.414
　　以上意味着以10h放电率定义容量的蓄电池比20h放电率定义容量的电池的容量更足一些。在其它条件相同的条件下，则前者的成本更高些。

2.4 温度与容量的关系

　　一般情况下，容量与温度有如下关系：
　　C25---25℃时蓄电池的放电容量（Ah）
　　Ct---t℃时蓄电池的放电容量（Ah）
　　t---电解液的平均温度（℃）
　　上式适应电解液温度为－15℃～35℃。若温度低于，则容量减少更为显著，当温度超过35℃时，则容量反而减少。
　　特别对于室外型UPS用的蓄电池，如果需要尽可能充分利用蓄电池的容量，必须改善电池的外壳温度。

2.5 电解液数量和浓度与容量的关系

　　适当增加电解液数量和提高电解液的浓度，可以增加电池的容量，但必须在允许范围，否则会加速极板的腐蚀，缩短电池的寿命。

2.6 极板面积与容量的关系

　　对于一定厚度的极板，面积越大，参加反应的有效物质越多，电池的容量越大。

2.7 欠充电与容量的关系

　　几次欠充电后，极板深层的硫酸铅不能还原，负极板将硫化，极板的有效物质减少则电池容量减少，所以电池不能长期处于欠充电状态。对于配置电池容量较大的长延时UPS特别在停电比较频繁的地方使用，充电器的容量必须足够。

2.8 放电率与终止电压的关系

　　蓄电池放电时电压不能低于终止电压，否则会损害电池寿命。放电电流与终止电压关系如下表：

2.9 浮充与均充

　　由于电解液和极板中存在有杂质，这种杂质会在极板上形成局部放电，这种局部放电现象就是"自放电"，自放电随电池的老化程度而加剧。浮充电就是将充足电的蓄电池组与充电器同时并接在直流母线上，以补充电池的自放电，大体上使蓄电池经常保持在充满电的状态。浮充电的电压各个厂家稍有不同，在2.15± 0.05左右，浮充电流可按
　　I=0.0009Q0
　　式中I是浮充所需要的电流值（A），Q0是蓄电池的额定容量(Ah）。该电流值只是用于补充自放电的损失，如果电池没有充满，则该电流需要增大。
　　以浮充电进行运行的蓄电池，由于电池组中每个电池的不均衡性造成每个电池的自放电是不一样的，而对电池组的浮充电流是一致的，结果会出现部分电池处于欠充电状态。　　
　　为了使蓄电池组中每个电池处于健康状态，一定的时间后必须对电池进行一次均充。均衡充电过程就是使蓄电池容量的恢复过程。均衡充电电压一般保持在2.35V.
　　对于大部分中小容量UPS，采用的先限流后衡压的充电方式，限流值是根据充电器本身和电池容量而定的，不超过充电器的电流最大输出能力和0.25 C10 A的充电电流。至于限压值一般处于浮充和均充电压值之间的一个值，这个也与一些电池厂家表明不需要均充的说法一致。
　　长期的均充（高压充电）容易造成电池过充，易使电池发热鼓包，从而缩短电池的使用寿命。只浮充不均充便会使电池欠充，造成个别电池落后。
　　不同的电池有一个最佳的浮充电压（一定的温度下），有一定时间的均充效果更好。充电时间取决于放电量、充电电流和温度。

2.10 电池寿命与放电深度

　　电池的使用寿命与电池的放电深度密切相关，对于标称寿命为3～5年密封电池而言，其关系如下表：


　　因此为了延长电池的使用寿命，非迫不得已，不要让电池处于深度放电状态，一般UPS厂家设计方案，当UPS处于满载或半载条件下放电到自动关机的电池的放电深度为50%左右（标机深度浅，长机深度深），如果UPS电源在过度轻载（放电电流小于0．05 C20 A）放电到UPS电源自动关机，则电池会因为深度放电而提早损坏。也是UPS厂家建议用户配置负载不要太轻的原因之一。当然，高档次的UPS除了有长机和标机有不同的终止电压，还有根据负载的大小来决定终止电压。有效的延长电池的使用寿命。
　　另外将UPS的交流输入电压范围拓宽，可以有效的减少电池的放电次数，

3 UPS电源中蓄电池容量的配置

3.1UPS中电池电压设定

　　一般来说，UPS中的标称电池电压（或12V电池的个数）没有哪个标准规定，是厂家根据采用的电路拓扑需要、机箱结构、功率等级、成本需要等来设计的。
　　后备式方波输出的UPS，一般采用12V或24V电池，经过推挽及变压器升压得到220V的交流方波。一般功率在1kVA以下。在线互动式一般采用24V或48V的电池。
　　单进单出传统在线式，一般采用16节*12V=192V，充电电压为216V左右，因为该电压与低限值交流整流后的电压相当（75%*220*1.414*0.9=210V）。以3～15kVA单进单出机器居多。
　　对于三进单出的传统电路结构，一般先采用自耦变压器（或隔离变压器）降压，也适用16节*12V=192V或者32节384V。
　　至于三进三出机器，则电池电压等级更多，有348V、360V、576V、720V。
　　对于小功率高频机器，1kVA的电池电压以36V的居多，也有24V或48V的，2kVA一般为72V，也有2kVA和3kVA为了电池兼容，都采用96V的。原则是采用N个7AH的电池满足标机的时间（5—10分钟）需要，以达到最佳性价比。

3.2 UPS中电池容量的配置计算

　　我们知道，电池实际可使用的容量与放电电流大小、环境温度、电池的新旧等有关。要想精确计算容量是很难的事情。
　　假设放电过程中为恒功率放电，（UPS输出功率不变，尽管逆变效率在变，但为了计算方便，忽略不计），在放电初期，电池电压高，放电电流小，此时逆变的效率也高。　　相反，在放电将要终止时，电池电压低，放电电流大。也就是在放电过程中电流是变化的，并且从电池的放电特性曲线看，不同的放电电流，电池的端电压也不同，工程设计公式为：

　　P是UPS的标称输出功率（VA），cosф是用户负载的功率因数，一般取为0.7。η是UPS的逆变效率, N是电池个数，E是电池放电电压(V)，可以设定为12V(刚开始放电时电压高于12V，放电终止前电压低于12V，但是整个放电过程在12V左右支持时间最长).
　　在得出电流后，根据用户需要的支持时间，I*t=Ah,便可以得到需要的安时数，然后再根据放电特性曲线或特性表进行修正。
　　考虑到绝大多数用户实际使用的负载一般为额定值的50～80%，因此很多UPS代理商一般按照80%甚至60%计算。因此有两种计算方法，一是按UPS额定输出容量计算，二是按实际负荷所需功率计算。
　　下面对一台10KVA电池电压为192V 或240V的UPS分别需要1h3h10h24h的电池容量进行计算：
　　放电电流：

　　如果按100%的负载计算，则电池放电电流为42(A)
　　如果用户需要支持时间为10小时,则容量100%可用,直接得出10h*42A=420Ah
　　支持时间为24小时,则容量约105%可用,得24h*42A/105%=960Ah
　　支持时间为3小时,则容量约75%可用,得3h*42A/75%=168Ah
　　支持时间为1小时,则容量约52%可用,得1h*42A/52%=80Ah
　　如果按80%的负载计算，则42*80%=33.6(A)
　　如果用户需要支持时间为10小时,则容量100%可用,直接得出10h*33.6A=336Ah
　　支持时间为24小时,则放电电流为1/24 C10A=0.042 C10A,查表知约105%容量可用,得24h*33.6A/105%=768Ah
　　支持时间为3小时,则容量约75%可用,得3h*33.6A/75%=135Ah
　　支持时间为1小时,则容量约52%可用,得1h*33.6A/52%=64Ah
　　如果电池电压为240VDC，按100%的负载计算，电池电压高，相应逆变时效率比较高，

　　则电池放电电流为32.4(A)，则单个电池的容量可以减小但是串连电池的数量增多。
　　用户及销售工程师可能会根据实际需要情况、成本,决定是配置80%还是配置100%的电池容量。在资金容许的情况下,配置也可以选择高于计算值,但是也不宜超出太多，否则电池放电是处于小电流放电,寿命也会缩短。

4 UPS中蓄电池的管理

　　UPS中采用电池的作用就是在停电时电池能起到不间断的作用,同时需要采用的电池的寿命尽可能长.电池管理的可靠性和完善性成为各个UPS厂家竞争的重点之一.

4.1 电池的充电管理

　　（1） 基本的限流限压控制
　　充电电流既不能太大，也不能太小。正常充电电流较小，电池负极析出的H2和正极析出的O2，几乎完全复合成H2O，如果充电电流过大，气体来不及全部复合，导致电池内部压力增大，引起排气阀门开启，造成电池失水，因此必须限制充电电流，一般不要超过0.25C（A）比较合适。由于电池在充电过程中，电池内阻会发生变化，所以以恒定的电流值充电会获得满意的结果。
　　当充电电流减少，电压慢慢升高，电池容量慢慢增加，则电压便维持在一个恒定的值保持不变。此后便维持一个很小的电流对电池进行浮充。
　　（2）能进行均浮充转换
　　首先进行限流限压充电，但是该"限压"是一个均衡的充电电压，比较高。均充一定时间后，再自动转为电压较低的浮充。
　　在以下几种情况下，开始进行均充浮充的循环：
　　UPS的交流输入停电后再来电；
　　手动开机后；
　　电池进行自测完成后；
　　长期浮充后。
　　（3）分阶段充电方式
　　长期浮充会导致电池极板活性老化，使电池内阻增大，使充进去的能量除了补充电池自放电的消耗外，大部分转化为内阻发热的功率。采用分阶段充电克服该问题：
　　分阶段充电方式方案：第一阶段是限流均衡充电阶段，均充到电池容量的大约90%（时间约5小时到48小时适宜）；第二阶段是间隙阶段，这时停止充电一个短时间（数分钟到数小时），让第一阶段析出的H2和析出的O2充分复合；第三阶段是浮充阶段，这阶段对电池进行浮充充电，将电池充到容量接近100%（一周左右）；第四阶段是休眠阶段，这阶段不给电池充电，利用电池的自身的漏电流放电，一直到规定的电压下限（20――30天左右）。据试验该充电方式可以提高电池寿命40%左右。
　　（4）温度补偿
　　环境温度变化时，必须对浮充电压进行校正，校正系数为18mV/℃（标称12V的电池）。为简单计，可以分级校正，如：

　　电池静置时，温度太高，电池的自放电加剧。电池使用条件推荐为20℃--25℃，温度太低，电池放电容量降低，充电接受能力下降。温度太高，反映加剧，导致失水，极板腐蚀加剧。电池的充电电压通过温度补偿来改变，温度高时，充电电压降低，使电池处于最佳浮充状态。
但是，当环境温度升高时，电池本身固有的寿命仍然会缩短。实践表明，即使配备了温度补偿，对这种电池固有的老化现象也无回天之力。
　　严格讲，保证电池服务最佳方案是将环境温度控制在20℃--25℃，控制放电次数、放电深度、放电和充电电流以及定时冲放电的周期。几乎没有谁能满足电池厂家要求的条件，因此达到电池厂家给出的期望寿命是很难的。
　　根据环境温度的高低来调节充电电压。对电池寿命有提高，但是最好的温度补偿是改善电池的环境温度，使之达到20℃--25℃

4.2 电池剩余容量的估算

　　电池容量动态计算,是通过电池电流对时间的积分来计算的,它反映了电池充入的或放出的容量的多少,同时有时需要大致了解电池的"好坏程度",因此需要进行容量的预计.用户可以启动容量预计来预测容量.
　　容量估算的基本方法是:获取一组完好的标准电池的0.05C10 A放电电压曲线后,对电池进行以0.05C10A电流放电,每隔一段时间比较一下放电端电压及放出的容量.例如某标准电池0.05C10A放电到 12.5V用了200分钟,而所测电池0.05C10A放电到12.5V只用了150分钟,则该电池的静置容量为额定容量的150/200*100%= 75%.
　　很多情况需要不是等真正停电后知道电池能支持多长时间，因为如果到这时才发现电池容量不够为时已晚。所以希望能对电池的容量能进行一个预估。在UPS开机时或运行一定时间时或能进行在线手动的对电池的测试。该测试特别是带了重要负载后的在线测试是承担一定的风险的。建议电池只支持很短的一个时间，最好是负载需要的能量由市电和电池分担，这样可以防止因电池容量不足造成猝不及防的UPS输出中断问题。
　　但是很多UPS的容量估算是根据电池的电压直接估算的百分比。不管怎样，容量估算仅仅是"估算"，一般做到10%的精度已经相当不错的了。

4.3 电池的放电管理

　　（1） 不同负载有不同的终止电压
　　电池容量得不到及时补充，长久使得负极板晶核，极板硫酸化，电池难以还原。因此必须防止电池过放电。一般要有欠压告警、低压关机功能。根据电池容量及负载大小来设置放电终止电压，既保证能达到放出足够的容量，充分利用电池的容量，又不对电池造成损害。对于长延时机器或小负载时，由于放电电流相对电池容量小，因此电池保护点应该设置较高
　　（2）二次下电功能
　　UPS在电池一定的前提下，负载小则放电时间长，负载大则放电时间短。而有时 UPS的负载有的更重要，需要支持更长的时间，如当UPS带移动基站时，传输设备比基站设备更重要，因为前者不仅影响该基站，而且会影响上级下级基站的信号传输，因此在市电停电后希望能支持更长的时间。所以当停电电池支持一定时间后第一次切除相对不重要的负载的供电，当电池电压达到终止电压时再关机断掉重要负载的供电。