电池容量的计算

1 概述

在很多的技术文章中经常这样描述蓄电池在UPS系统的重要性：蓄电池是UPS系统中的一个重要组成部分，它的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠程度。但很少关注蓄电池配置问题，正确的选择UPS后备电池容量，对UPS系统的正常运行也是至关重要的。电池容量选择过大造成投资的浪费，容量选择偏小不仅不能满足UPS后备时间，造成安全事故，还因电池放电倍率太大，严重影响电池使用性能和寿命。

UPS后备蓄电池容量计算方法很多，各行各业都有相应的计算方法选择其侧重点，下面收集行业中常用的几种计算方法，供大家参考。同时我们注意到现有部份行业中UPS系统的负荷，当电力出现问题时，负荷会分时段变化，此类系统中蓄电池容量的计算与选择也是众说纷纭，在此提供我们的计算方式供大家讨论。

2 UPS后备蓄电池容量计算方法介绍

首先我们需要明确一下蓄电池容量的概念，根据YD/T799-2002标准定义，蓄电池容量(AH)是指在标准环境温度下(25℃)，电池在给定时间指点终止电压时(1.80V)，可提供的恒定电流(0.1C10)A与持续放电时间(10h)H的乘积(I*T)。

确定了UPS和蓄电池的品牌和UPS系统的后备时间，我们可以根据蓄电池的放电性能参数，通过功率法，估算法以及电源法等计算方法来计算确定蓄电池的型号和容量。

在UPS系统中，市电正常时，市电为能量源，UPS为能量转换设备，蓄电池为能量储存，后接负荷为能量消耗源，市电出现问题时，蓄电池作为能量源，UPS为能量转换设备，后接负荷仍为消耗源。
 

图1

电力常用计算公式为W=UIt，P=UI。在电池作为能量源时同样适用，也是所有UPS后续蓄电池容量计算的依据所在。

2.1 恒功率法(查表法)

该方法是能量守恒定律的体现，蓄电池提供的功等于后者稍大于负荷消耗功。

W负荷≤W电池，P负荷≤P电池

P负荷={P(VA)*Pf}/η

P电池=电池实际试验的恒功率数据

P负荷：电池组提供的总功率

P(VA)：UPS标称容量(VA)

Pf：UPS功率因子

η：逆变器转换效率

Pnc：每cell需要提供的功率

n：机器配置的电池数量

N：单体电池cell数
V
min：电池单体终止电压

具体计算步骤如下：

P负荷={P(VA)*Pf}/η

Pnc=P负荷/(N*n)

我们可以在厂家提供的如表1所示Vmin下的恒功率放电参数表中，找出P电池等于或者稍大于Pnc的功率值所对应的型号蓄电池。如果表中所列的功率值P电池均小于Pnc，可以通过多组电池并联的方式达到要求。

表1
 

恒功率法(查表法)是UPS蓄电池容量计算的最常用方法，蓄电池容量及型号的确定是根据对应型号蓄电池实际试验数据得来的，电池放电功率数据有限，不能满足所有放电时间下的电池容量计算。不同电压等级电池和同电压等级不同容量电池因提供的恒功率与电池容量值没有线性关系，故不同电压等级和容量不可简单的数字换算来配置，需要严格按照提供的恒功率来配置。不同品牌蓄电池的产品性能存在差异，放电参数相差较大，顾同容量不同品牌电池也不可以互换。

蓄电池恒功率数据都来至与新电池试验数据，恒功率法(查表法)并没有考虑蓄电池的折旧以及温度的变化，顾该方法适用于UPS蓄电池运行环境稳定，且UPS负荷长时间在额定容量80%以下运行时选用。

2.2 估算法

该方法是电力公式和蓄电池容量概念的体现。

根据已经确定的UPS品牌及型号，我们可知蓄电池组最低电压Umin。

I电池=W电池/(U电池*T)=P电池/U电池

C10=I电池/KCh

C10：蓄电池10小时率容量

KCh：容量换算系数(1/h)

中达电通DCF126系列蓄电池不同放电时率不同放电终止电压下，电池的容量换算表(25℃)(表2)

表2
 

在UPS系统中，多数情况负荷容量是保持不变的，而电池组随着放电时间逐渐降低的，根据P=UI可知电池组放电电流逐渐增大。为了计算方便，我们选择蓄电池组的最大工作电流为我们的计算数据。

具体计算如下：

Imax：电池组提供最大电流

Umin：电池组最底工作电压值

Imax={P(VA)*Pf}/(η*Umin)

C10=I/KCh

从估算法在计算的公式中我们可以看出，由于采用了Umin(电池组最低工作电压值)，所以会导致要求的蓄电池组的安时容量偏大的局面。这是因为当蓄电池在刚放电时所需的放电电流明显小于Imax的缘故，按目前的使用经验，可以再计算出C10值的基础上再乘以0.75校正系数。

[page]2.3 电源法

该方法是在所介绍的UPS后备蓄电池容量计算方法中唯一标准(通信电源设备安装工程设计规范YD/T5040-2005)支持的方法。此方法是仍旧是电力公式与蓄电池容量概念的结合方法来确认蓄电池的容量，不过该方法比估算法更全面考虑UPS电池在整个服役期间的电池状态，在电池运行环境温度变化交大时，更能准确计算出电池的容量。具体计算方法如下：

I=(P(VA)*Pf)/µU
Q≥KIT/H(1+A(t-25))
I：电池组电流
Q：电池组容量(AH)
K：电池保险系数，取1.25
T：电池放电时间
H：电池放电系数，见表3
U：蓄电池放电时逆变器的输出电压(V)(单体电池电压为1.85V时)
A：电池温度系数(1/℃)当放电小时率≥10时，取0.006，当1≤放电率＜10时，取0.008，当放电率＜1时，取0.01。
t：实际电池所在地最低环境温度值，所在地有采暖设备时，按15℃考虑，无采暖设备时，按5℃考虑。

表3
 

此方法比较全面的考虑环境因数以及蓄电池容量衰减，UPS满荷使用机率较大，以及重要使用场合选用此方法计算配置电池容量。

举例说明：

台达NT系列80KVA UPS后备时间30min，选用中达电通DCF126-12系列电池，计算电池容量。

台达NT80KVA UPS直流终止电压为300V及U临界=300V，直流电压为348V电池组选用29只12V电池，故N=29，n=6，U终压=1.75V，UPS的功率因子Pf=0.8，逆变器转换效率η=0.95。

(1)恒功率法
P(W)={P(VA)*Pf}/η
={80*1000*0.8}/0.95=67368.4(W)
Pnc=P(W)/(N*n)
=67368.4/(29*6)=387.2(W)

查中达电通DCF126-12系列电池恒功率表(表1)可知

DCF126-12/120电池终止电压为1.75V时放电30min电池提供功率为217W。

电池组数量=387.2／217=1.78

即：选用2组120AH，计58节120AH电池。
(
2)估算法

Imax={P(VA)*Pf}/(η*Umin)=(80*1000*0.8)/(0.95*300)
=224.6(A)

查中达电通DCF126系列蓄电池不同放电时率不同放电终止电压下，电池的容量换算表(25℃)(表2)可知KCh=0.98。

C10=I/KCh=224.6A/0.98=229(AH)

按照使用经验，可在计算的基础上再乘0.75校正系数。故需要电池安时数为229*0.75=172(AH)。即：可选用1组172h电池可以满足负载的使用，根据中达电通12V系列蓄电池容量的设计规格，选用计1组12V/200AH电池或者2组12V/100AH电池，计29节200AH电池，或者58节100AH电池。

(3)电源法
Imax={P(VA)*Pf}/(η*U临界)=(80*1000*0.8)/(0.95*300)
=224.6(A)
Q≥KIT/{Hηk[1+A(t-25)]}
≥1.25*224.6*0.5/{0.4*0.8[1+A(t-25)]}
≥438AH

30min电池的容量换算系数取0.4，(引用中达电通DCF126电池不同放电时率不同放电终止电压下，电池的容量换算表)，温度为25℃。

因电池组在实际放电过程中，放电电流明显小于Imax的缘故，按照使用经验，可在计算的基础上再乘0.75校正系数。故需要电池安时数为438*0.75=328.5(AH)。即：选用3组120AH，计87节120AH电池。

3 UPS阶梯负荷后备蓄电池容量计算方法介绍

现在越来越多行业应用中特别是在铁路，地铁，能源行业中的UPS系统后接负荷会按照性质或用途进行分类，在市电出现问题时，负荷会按照负荷的性能和重要性先后退出系统，这就造成了UPS后接负荷是变化着，表现为阶梯式负载。负荷的变化带动了蓄电池的放电过来中放电功率和速率的变化。

从蓄电池容量换算系数(1/h)表2中可以看出蓄电池能够提供放电容量(功率)与持续放电时间相关联的。故至今没有一个方法能够很准确的计算出此类使用方式下的蓄电池实际需求容量。

阶梯负荷后备蓄电池容量的计算我们借鉴的是火力发电厂、变电所直流系统设计技术规定(DL/T5044-95)中D.2阶段负荷计算法，具体如下：

计算公式：
 

式中：
Cc：蓄电池放电率计算容量(AH)
KK：可靠系数，KK=Kt×Kd×Ka，Kk取1.40
Kt：温度补偿系数，取1.10
Kd：设计裕系数，取1.15
Ka：蓄电池老化系数，取1.10
I1，I2， ，In：各阶段事故负荷电流(A)
KC1，KC2 ，KCn：各阶段容量换算系数(1/h)。

在计算过程中，注意容量换算系数KC的选定，不同的蓄电池，不同的终止电压及不同的放电时间，KC值是不同的。

UPS系統阶梯式负荷的运行，如图2所示。
 

图2 阶段负荷功率变化图

为了计算方便，各阶梯假设是恒定的，采用极限法确定蓄电池组的放电电流值，U值我们选用的1.80V/cell.顾电池组放电电流(I=P/U)就可以为如图3所示。
 

图3 蓄电池组放电流

4 总结

UPS后备蓄电池的容量计算方法很多，我们很难说出那种计算方法是最准确的，各种计算方法各有侧重点，在实际应用中需要综合考虑蓄电池的使用情况，UPS所带负载情况以及应用的场合来选择适合的电池容量计算方法。■