UPS用蓄电池的选择和充电模式的研究

蓄电池的故障占UPS系统总体故障的40%以上，它是整个UPS 系统中平均无故障时间(MrIBF)最短的器件之一。因此，UPS 电池的选择和充电模式的研究，不仅关系到经济成本问题，还直接影响UPS 电源的不间断供电。

　　1 UPS电池的种类和工作原理

　　UPS要求所选用的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性。目前，在线运行的蓄电池基本上有两种，它们都属于铅酸蓄电池。

　　1). 防酸隔爆铅酸蓄电池

　　这种电池在早期的UPS系统中使用较多，只要维护得当，会有较长的使用寿命，但由于在运行中存在大量的电解液水分散失，需经常性地测量电解液的温度、密度，往电池内部添加蒸馏水，维护工作量极大，现在的UPS系统中已很少配用。

　　电池化学反应式如下：

　　PbO2+2H2SO4+Pb = PbSO4+2 H2O+PbSO4

　　由此化学反应式得知，铅酸蓄电池在放电之后，电解液因与正负极板生成PbSO而耗用硫酸，其结果电解液比重下降。反之充电时，正负极板之硫酸铅中之硫酸渐渐被释出，电解液硫酸浓度逐渐加大而比重上升。通常一般铅酸电池于充电末期，正负极板都已还原成二氧化铅及海绵状铅，此后之充电几乎是在电解电解液之水而生成氧气(阳极)及氢气(阴极)逸出，其结果电解液减少，此所以为一般液式铅酸电池需要经常补水之原因。

　　2). 阀控式密封铅酸蓄电池(VIqLA)

　　因其体积较小，密封性能好、绝少维护而被广泛应用于各类UPS电源中。VRLA防止电池内部电解液流动有两种技术方法：一种技术是将硫酸电解液与SiO：胶体混合后充满电池内部，制成胶体电池(简称GEL)。这类产品产量较低，约占VRLA电池总量的15% ;另一种技术是利用超细玻璃棉将电解液不饱和地吸附住，制成吸液式电池或贫液式电池(简称AGM)。由于后者具有较好的大电流放电性能，在UPS系统中较多采用，国内厂家也大多生产AGM 蓄电池。

　　一般阀控式密封铅酸蓄电池工作过程中阳极产生氧气，而阴极尚未变成海绵状铅，亦即尚未充电完成，所以并未产生氢气，此时阳极产生之氧气迅速与阴极作用还原成水，是故水份不损耗，此即阀调式铅酸电池免保养理由。

　　2 UPS电池的性能指标

　　① 容量：表示电池在充满电的情况下的储能多少，用放电电流与放电时间的乘积来表示。C窖量(C)=I放电电蠢(A)×T城电时问(h)

　　② 放电功率：表示放电至终止的电流的大小或时间的快慢，可用电流来表示。如一个6.5AH的电池，充满之后以325mA恒流放电，经过20小时后达到其放电终止电压，放电率若以电流来表示则为0.325安率;若以放电时间来表示则为20小时放电率。

　　③放电电流：放电电流就是电池的输出电流，它除了用安培来表示外，通常也用电池的容量乘以某个系数来表示。如对于6.5AH 的电池，0.1C的放电电流的实际值为0.1×6.5=

　　0.65A。

　　④放电终止电压：表示电池不允许再放出电能时的电压，通常为1.75V/单格。

　　⑤标称容量：表示在20小时放电率下所测定的容量。

　　⑥自放电率：电池在不用时其内部也会消耗能量，一般以×××C/天来表示，如0.08C/天。

　　3 UPS电池的容量选择

　　蓄电池容量的确定是UPS 系统设计的重要内容。过高和过低的电池容量对于UPS 系统的运行都是不利的。容量过高，则增加投资成本，且易导致电池小电流深放电，造成电池永久性的损坏;容量过低，则不能满足负载不间断供电的要求，且大电流的充放电将缩短电池使用寿命。所以，正确选择与UPS 容量和负载容量相适应的蓄电池容量是控制UPS 系统投资成本，保证不间断供电可靠性的关键。

　　3.1 蓄电池放电时间的确定

　　UPS 根据后备时间可分为标准型和长效型两种。一般来说，标准型机内带有电池组，在停电后可以持续较短时间的供电，一般不超过25 rain;长效型机内不带电池，用户可外接多组电池，以满足长时间停电时持续供电的需要，一般满载配置可达数小时以上。

　　UPS电池后备时间确定的主要依据是市电供电类别。不同的供电类别，蓄电池的后备时间是不同的。一类市电供电的UPS，可按后备时间0.5 h- 1 h配置;二类市电供电的UPS，可按后备时间1 h- 2 h配置;三类市电供电的UPS，可按后备时间2 h-8 h配置;四类市电供电的UPS，可按后备时间8 h-10 h配置。然而，电池后备时间受电池成本、安装空间、回充时间等因素的限制，大多数UPS电池后备时间以不超过2 h为宜。在电力环境较差、停电较频繁的地区，可以采用UPS与发电机配合供电的方式，提高UPS供电可靠性。

　　3.2 UPS电池容量计算

　　掌握UPS电池的容量计算方法，对选购电池很有帮助。UPS电池容量在负载一定时，可依下列公式计算：

　　C=WT/( Ef ηVf)

　　C：电池容量(Ah)

　　W：负载容量(W)

　　T：放电时间(h)

　　Ef：机器转换效率(约0.6～0.75)

　　η： 电池放电效率(约0.7～0.8)

　　Vf ：机器截止电压

　　4 UPS电池的充电模式

　　4.1 恒流充电

　　恒流充电是用分段恒流的方法进行充电。一般是通过充电装置自身调整来实现的。可以任意选择和调整充电电流，适应性较强，特别适用于小电流长时间充电，也有利于容量恢复较慢的蓄电池充电。缺点是初始充电电流过小，充电后期充电电流又过大充电时间长、析出气体多、对极板的冲击较大、能耗较高、效率较低(不超过65%)，在充电过程中需有人看守，一般在初充电和在小电流进行去硫充电才使用。因恒流充电的变型是分段恒流充电，所以充电时为避免充电后期电流过大，应及时调整充电电流，还应注意充电电流的大小、充电时间、转换电流的时机及充电终止电压的选取等，应严格按照充电的规范(表1)来操作。

4.2 恒压充电

　　恒压充电是指每只单格蓄电池均以一恒定电压(一般取单格电池数乘以2.5v)进行充电。特点是：初始充电电流相当大，蓄电池电动势和电解液体相对密度上升较快，随着充电的延续，充电电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过;充电时间短、能耗低，一般充电4～5h蓄电池即可获得本身容量的90% ～95% ;如果充电电压选择得当，8h即可完成整个充电过程，且整个充电过程不需人照看，这种充电方式广泛用于补充充电。由于初始充电初电流过大，对放电深度过大的蓄电池充电时，会引起初始充电电流急骤上升，易造成被充蓄电池过流或充电设备损坏。充电过程中由于不能调整充电电流，因此不适用于蓄电池的初充电和去硫充电。充电过程中对蓄电池电压的变化很难补偿，所以对容量恢复较慢的蓄电池完全充电很难完成。

　　在充电之前应正确选择充电电压(表2)。若充电电压过高，会引起充电初始充电电流过大，严重时会引起极板弯曲变形、活性物质大量脱落以及蓄电池温升过高等;过低则会使蓄电池充电不足，导致容量降低、寿命缩短。

　　4.3 快速充电

　　快速充电是指以大电流方法的充电方式。快速充电不产生大量的气泡又不发热，从而可缩短充电时间。目前，常用的快速充电主要有脉冲充电和大电流递减快充两种。

　　1.脉冲快速充电的特点是，采用1～2倍的C20 A大电流充电，使蓄电池在短时间内充至额定容量的50% ～60%。当蓄电池单格电压充至2.4V时即停止充电，由控制电路自动转为脉冲充电;即先停充25～40ms(前停充)，接着再放电或反充电，使蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流(脉冲深度为充电电流的1.5～3倍，脉冲宽度为150～l000um)，然后再停止充电25ms(后停充)，如此循环直至充足。

　　2.大电流递减充电主要是利用了蓄电池在低荷电状态时具有高充电接受的特点，开始以大电流冲电(一般采用1～2倍 C20A)，然后以一定的电流差值(50A)递减，最后降至一定的电流值，直至蓄电池充足。上述方法具有充电时间短(一般新蓄电池初充电不超过5h，补充充电只需0.5～1.0 h)、空气污染小、省电节能以及不需专人看管等优点。一般适用于要求在极短的时间内对蓄电池实施快速充电的场合，也普遍适用于城市公共汽车在停歇、休息时

　　间内对蓄电池补充充电。

　　快速充电的能量转换效率低。快速脉冲充电蓄电池析出的气体总量虽然减少，但因出气率高，易造成极板活性物质脱落。因此在正常情况下不宜用此法对新启用的蓄电池进行初充电。

　　4.4 均衡充电

　　均衡充电是以小电流(1/20C20A)进行1—3h的充电过程。主要用来消除一组浮充电运行(即将直流电源和蓄电池并联连接的工作方式)蓄电池在同样运行条件下，由于某种原因造成的全组电池不均衡而形成的差别，以达到全组电池的均衡。此方法一般不能频繁使用，但当蓄电池出现下列情况之一时。必须进行均衡充电：

　　1).蓄电池组长时间在电流放电，或长时间担负直流电荷后

　　未及时充电时。

　　2).蓄电池个别单格电压、电解液密度偏低，全组电池产生差别时。

　　3).没有按规定周期实施充、放电时。

　　4.5 恒压限流充电

　　恒压限流充电主要是用来补救恒压充电时充电电流过大的缺点(方法同恒压充电)，通过充电电源和被充蓄电池之间串联一电阻(限流电阻)来自动调节充电电流。当充电电流过大时，其限流电阻上的压降也大，从而减小了充电电压;当充电电压过小时，限流电阻上的压降也很小，充电设备输出的电压损失也小，这样就自动调节了充电电流，使之不超过某个限度。该方法目前广泛用于免维护电池的初充电和普通蓄电池的补充充电。

　　4.6 智能充电

　　智能充电是目前较先进的充电方法，原理是在整个充电过程中动态跟踪蓄电池可接受的充电电流。应用du/dt技术，即充电电源根据蓄电池的状态自动确定充电工艺参数，使充电电流自始至终保持在蓄电池可接受的充电电流曲线附近，保持蓄电池几乎在无气体析出的状态下充电，从而保护蓄电池。该方法适用于对各种状态、类型的蓄电池充电，安全、可靠、省时和节能。