弱電安防-UPS蓄電池的種類、選擇及維護(hù)

UPS蓄電池的種類、選擇及維護(hù)一部分工程師人員在配置電源時(shí)，比較注重UPS主機(jī)的性能，卻忽視了對(duì)ups蓄電池的選擇。選擇不恰當(dāng)?shù)呐涮仔铍姵貢?huì)造成ups后備時(shí)間不足、電池不能放電等事故，或電池的使用壽命很短量，下面就根據(jù)幾個(gè)方面來(lái)分析下電池的選擇。UPS蓄電池的種類蓄電池是UPS系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)UPS系統(tǒng)的可靠程度，然而蓄電池卻又是整個(gè)UPS系統(tǒng)中平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）最短的一種器件。如果用戶能夠正確使用和維護(hù)，就能夠延長(zhǎng)其使用壽命，反之其使用壽命會(huì)大大縮短。蓄電池的種類一般可分為閥控式密封鉛酸蓄電池、膠體電池等。UPS要求所選用的蓄電池必須具有在短時(shí)間內(nèi)輸出大電流的特性。目前，在線運(yùn)行的蓄電池基本上是這兩種，不屬于鉛酸蓄電池。閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）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(dòng)有兩種技術(shù)方法：一種是將硫酸電解液與SiO2，膠體混合后充滿電池內(nèi)部，制成膠體電池（簡(jiǎn)稱GEL）。這類產(chǎn)品產(chǎn)量較低，約占VRLA電池總量的15%。另一種是利用超細(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(jiǎn)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(guó)內(nèi)廠家也大多生產(chǎn)AGM蓄電池。膠體電池膠體電池屬于鉛酸蓄電池的一種發(fā)展分類，最簡(jiǎn)單的做法，是在硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電液變?yōu)槟z態(tài)。電液呈膠態(tài)的電池通常稱之為膠體電池。廣義而言，膠體電池與常規(guī)鉛酸電池的區(qū)別不僅僅在于電液改為膠凝狀。例如非凝固態(tài)的水性膠體，從電化學(xué)分類結(jié)構(gòu)和特性看同屬膠體電池。又如在板柵中結(jié)附高分子材料，俗稱陶瓷板柵，亦可視作膠體電池的應(yīng)用特色。近已有實(shí)驗(yàn)室在極板配方中添加一種靶向偶聯(lián)劑，大大提高了極板活性物質(zhì)的反應(yīng)利用率，據(jù)非公開資料表明可達(dá)到70wh/kg的重量比能量水平，這些都是現(xiàn)階段工業(yè)實(shí)踐及有待工業(yè)化的膠體電池的應(yīng)用范例。膠體電池與常規(guī)鉛酸電池的區(qū)別，從最初理解的電解質(zhì)膠凝，進(jìn)一步發(fā)展至電解質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的電化學(xué)特性研究，以及在板柵和活性物質(zhì)中的應(yīng)用廣。其最重要的特點(diǎn)為：用較小的工業(yè)代價(jià)，沿已有150年歷史的鉛酸電池工業(yè)路子制造出更優(yōu)質(zhì)的電池，其放電曲線平直，拐點(diǎn)高，比能量特別是比功率要比常規(guī)鉛酸電池大20%以上，壽命一般也比常規(guī)鉛酸電池長(zhǎng)一倍左右，高溫及低溫特性要好得多。UPS蓄電池的選擇蓄電池容量（Ah）是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下，每2V電池單體在給定時(shí)間至1.80V終止電壓時(shí)，可提供的恒定電流值（A）與持續(xù)放電時(shí)間（h）的乘積。給定持續(xù)放電時(shí)間為10h的容量稱為10h率容量，用符號(hào)C10來(lái)表示。蓄電池容量可用20、10、8、5、3、1、0.5h率等多種方法表示，一般采用C10作為蓄電池的額定容量來(lái)標(biāo)稱蓄電池。額定容量是蓄電池的主要參數(shù)，不少工程人員就認(rèn)為，兩種品牌相同額定容量的蓄電池可以在同一套UPS系統(tǒng)中替代使用。這種觀點(diǎn)是有問(wèn)題的，因?yàn)閮煞N蓄電池具有相同額定容量，只表示它們的l0h放電性能一致，但在l0min和30min、lh和3h等時(shí)間內(nèi)可提供的恒功率值和恒電流值則可能差異較大，而UPS后備時(shí)間通常不到l0h，所以UPS配用蓄電池時(shí)，考察其在后備時(shí)間內(nèi)的放電性能就尤為重要。在已知UPS主機(jī)一些基本參數(shù)和確定蓄電池品牌后，就可以根據(jù)這一蓄電池品牌樣本資料中提供的恒功率放電數(shù)據(jù)表域值流放電曲線，通過(guò)功率定型法或電流定型法來(lái)計(jì)算確定蓄電池的容量和型號(hào)。功率定型法這種方法比較簡(jiǎn)便，根據(jù)蓄電池恒功率放電參數(shù)表可以快速準(zhǔn)確地選出蓄電池型號(hào)。首先計(jì)算在后備時(shí)間內(nèi)，每個(gè)2V的蓄電池至少應(yīng)向UPS提供的恒功率：P=Scose/(nNK)式中：S—UPS標(biāo)稱輸出功率cose—ups輸出功率因數(shù)；n----逆變器效率；N---在UPS中以12V電池計(jì)算時(shí)所需的串聯(lián)電池個(gè)數(shù)，由UPS正常工作電壓確定；K---系數(shù)，廠家提供的電池恒功率放電數(shù)據(jù)表，一般是以2V單元電池為計(jì)算基準(zhǔn)的，12V/節(jié)電池相當(dāng)于6個(gè)2V單元串聯(lián)，此時(shí)取K=6；如果電池廠家提供的電池恒功率放電數(shù)據(jù)表是以12V單元電池為計(jì)算基準(zhǔn)的，則K=1。然后確定蓄電池的放電終止電壓UT：UT二Umin/(N*6)式中：Umin---UPS最低工作電壓可以在廠家提供的UT下的恒功率放電參數(shù)表中，找出等于或稍大于P的功率值，這一功率值所對(duì)應(yīng)的型號(hào)即能滿足UPS系統(tǒng)的要求。如果表中所列的功率值均小于P，可通過(guò)多組電池并聯(lián)來(lái)達(dá)到功率要求，一般并聯(lián)不應(yīng)超過(guò)4組。下面舉例說(shuō)明：例如一臺(tái)80kVA梅蘭日蘭UPS后備15min，已知UPS輸出功率因數(shù)cos,為0.8，逆變器效率n為0.94，正常工作電壓為384V，最低工作電壓Umin為320V，則配套蓄電池組N應(yīng)為32節(jié)(384V/12V)12V/節(jié)電池串聯(lián)，根據(jù)式⑴得出P=354.6W，根據(jù)式⑵得出放電終止電壓UT=1.67V。如選用美國(guó)GNBSprinter系列電池，根據(jù)GNBSprinter樣本提供的在25笆時(shí)每單元恒功率放電數(shù)據(jù)表，查找15min列下等于或稍大于354.6W的功率值為373W，對(duì)應(yīng)的型號(hào)為S12V370，其額定容量為100Ah，也就是說(shuō)，用32節(jié)GNBS12V370蓄電池串聯(lián)，可以滿足該UPS系統(tǒng)的要求。如果選用2V/節(jié)電池串聯(lián)，則在2V系列電池的恒功率放電數(shù)據(jù)表中查出相應(yīng)型號(hào)，整組串聯(lián)電池?cái)?shù)量為6N。電流定型法這是根據(jù)某一品牌蓄電池的恒流放電曲線來(lái)確定蓄電池容量和型號(hào)的方法。首先計(jì)算UPS系統(tǒng)要求的蓄電池最大放電電流：Imax二Scose/（r|Umin）式（3）中各符號(hào)的含義與功率定型法中所定義的相同。在計(jì)算出電池串聯(lián)數(shù)量N和放電終止電壓UT后，就可以根據(jù)UPS要求的后備時(shí)間從蓄電池恒流放電曲線中查出放電速率n,然后根據(jù)放電速率的定義：n=Imax/C10,得出配置蓄電池的額定容量C10并確定電池型號(hào)。下面仍以80kVA梅蘭日蘭UPS后備15min系統(tǒng)配套美國(guó)GNBSprinterl2V電池為例來(lái)說(shuō)明。首先按式（3）計(jì)算蓄電池的最大放電電流，Imax=212.8A,由式⑵得出每2V單元的放電終止電壓UT=1.67V。在sprinter恒流放電曲線圖（）中，根據(jù)后備時(shí)間15min（橫坐標(biāo)）和放電終止電壓1.67V（縱坐標(biāo)），可得出放電速率n為2.13C（容量）。據(jù)此可得電池的額定容量為：C=Imax/n=99.9Ah（即C10）。100Ah所對(duì)應(yīng)的型號(hào)為S12V370，即用32節(jié)GNBS12V370。蓄電池壽命和使用環(huán)境蓄電池的壽命有兩項(xiàng)衡量指標(biāo)，一是浮充壽命，即在標(biāo)準(zhǔn)溫度和連續(xù)浮充狀態(tài)下，蓄電池能放出的最大容量不小于額定容量的80%時(shí)所使用的年限；二是80%深度循環(huán)充放電次數(shù)，即滿容量電池放掉額定容量的80%后再充滿電，如此可循環(huán)使用的次數(shù)。通常，工程技術(shù)人員僅注重前者，而忽略了后者。80%深度循環(huán)充放電次數(shù)代表著蓄電池實(shí)際可以使用的次數(shù)，在經(jīng)常停電或市電質(zhì)量不高的情況下，當(dāng)蓄電池的實(shí)際使用次數(shù)已經(jīng)超過(guò)規(guī)定的循環(huán)充放電次數(shù)時(shí)，盡管實(shí)際使用時(shí)間還沒(méi)達(dá)到標(biāo)定的浮充壽命，但蓄電池其實(shí)已經(jīng)失效，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)則會(huì)帶來(lái)較大的事故隱患。所以，在選擇蓄電池時(shí)，對(duì)兩項(xiàng)壽命指標(biāo)都應(yīng)予以重視，在市電經(jīng)常中斷的條件下，后者就尤為重要。在選擇UPS配套蓄電池時(shí)，應(yīng)考慮足夠的浮充壽命裕量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，蓄電池的實(shí)際使用壽命只有標(biāo)定浮充壽命的50%?80%。這是因?yàn)樾铍姵貙?shí)際浮充壽命與定義標(biāo)準(zhǔn)溫度、實(shí)際環(huán)境溫度、電池充電電壓、使用維護(hù)等眾多因素有關(guān)。當(dāng)實(shí)際環(huán)境溫度比定義標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度每升高10笆，蓄電池會(huì)因?yàn)閮?nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度增加一倍而導(dǎo)致浮充壽命縮短一半，所以，UPS蓄電池機(jī)房應(yīng)配備空調(diào)設(shè)備。在定義溫度值方面，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為20笆，中國(guó)、日本、美國(guó)等標(biāo)準(zhǔn)為25笆。20笆10年浮充壽命的蓄電池如換算到25笆標(biāo)準(zhǔn)，僅相當(dāng)于7?8年浮充壽命。配套蓄電池的標(biāo)稱浮充壽命應(yīng)該是用希望的蓄電池實(shí)際使用壽命除以一個(gè)壽命系數(shù)后所得的數(shù)值。這一壽命系數(shù)通常憑經(jīng)驗(yàn)確定，蓄電池可靠性高的可取為0.8，可靠性低的可取為0.5。UPS蓄電池選擇的其他問(wèn)題單個(gè)蓄電池電壓的選擇VRLA按單節(jié)電壓分有12V/節(jié)、6V/節(jié)、4V/節(jié)和2V/節(jié)等四種不同形式。從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)看，UPS正常工作電壓一定，選用的電池單節(jié)電壓越高，電池組所用的串聯(lián)電池?cái)?shù)量越少，配套電池組的價(jià)格也越便宜。但從安全性方面來(lái)看，選用的電池單節(jié)電壓越低，整個(gè)系統(tǒng)越安全。如果12V/節(jié)的電池壞了一節(jié)，整個(gè)蓄電池后備系統(tǒng)就少了12V,UPS主機(jī)就有可能開啟低壓報(bào)警功能使整個(gè)UPS系統(tǒng)不能正常工作。所以在選用12V/節(jié)蓄電池時(shí)，多采用多組并聯(lián)來(lái)達(dá)到UPS系統(tǒng)要求，萬(wàn)一有一組出問(wèn)題，還有其他組的電池可運(yùn)作。2、蓄電池所能承受的紋波系數(shù)在UPS系統(tǒng)中，蓄電池還起到濾波器的作用，承受UPs輸入紋波電壓和紋波電流的沖擊。如果所選蓄電池承受紋波系數(shù)的能力較差，而紋波系數(shù)又比較大，則會(huì)使蓄電池過(guò)早地失效而引起不能放電的事故。IEC蓄電池標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，VRLA應(yīng)能承受0.5%的紋波系數(shù)，但使用UPS的場(chǎng)合，紋波系數(shù)都比較大，有的甚至達(dá)到2%，所以應(yīng)對(duì)蓄電池的可承受紋波系數(shù)按實(shí)際情況提出要求。3、蓄電池性能均一性從理論上講，蓄電池的電壓、內(nèi)阻、壽命等性能應(yīng)該是一致的，可以無(wú)限多組數(shù)地進(jìn)行并聯(lián)以達(dá)到要求的容量。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于所用材料純度、生產(chǎn)工藝、工作人員、生產(chǎn)環(huán)境溫度等差異，同一條流水線上制造的蓄電池通常在性能上有一定的差異，即使同一品牌同一型號(hào)相同生產(chǎn)日生產(chǎn)的蓄電池，性能也不可能做得完全一致，這一點(diǎn)可以通過(guò)測(cè)量比較蓄電池的單節(jié)開路電壓看出來(lái)。工程人員通常采用便宜的小容量電池多組并聯(lián)來(lái)達(dá)到UPS要求的較大蓄電池容量，如果采用性能均一性較差的電池多組并聯(lián)，性能差、電壓低的電池組就會(huì)將性能好的蓄電池組拖垮，導(dǎo)致整套UPS蓄電池系統(tǒng)提前失效。目前性能均一性主要根據(jù)蓄電池電壓均一性來(lái)衡量，國(guó)內(nèi)有多種標(biāo)準(zhǔn)要求，例如信息產(chǎn)業(yè)部YD/T799--1996標(biāo)準(zhǔn)要求為：25笆時(shí)整組蓄電池2V單元浮充電壓差不大于土50mV，開路電壓差不大于土20mV；電力部DL/T637--1997標(biāo)準(zhǔn)要求是：25笆時(shí)，如電池系統(tǒng)采用2V/節(jié)電池，開路電壓最高的一節(jié)與最低的一節(jié)差異不超過(guò)30mV，6V/節(jié)電池不超過(guò)40mV，12V/節(jié)電池則不超過(guò)60mV。一般蓄電池并聯(lián)組數(shù)不應(yīng)超過(guò)4組，為防止整套蓄電池系統(tǒng)的提前失效，在選擇蓄電池時(shí)，應(yīng)該在性能均一性方面提出要求。當(dāng)確定了蓄電池型號(hào)之后，在一套UPS系統(tǒng)中最好要求廠家提供同一批次的蓄電池產(chǎn)品，以減小性能方面的差異。同樣道理，不同品牌或者新舊程度不同的蓄電池，由于存在較大的性能差異，建議不要混合使用。最后，要特別指出的是即使選擇了恰當(dāng)?shù)腣RLA，也需要進(jìn)行一些必要的日常維護(hù)和管理，避免蓄電池過(guò)早失效。UPS蓄電池的維護(hù)一般來(lái)說(shuō)，在UPS中所用的蓄電池都是閾控式密封電池。因此，對(duì)電池的維護(hù)，僅局限于確保電池的工作環(huán)境溫度盡可能地被控制在20?25攝氏度和處于潔凈和干燥的工作環(huán)境中即可。由于對(duì)閾控電池和非密封電池的維護(hù)操作步驟是完全不同的，一般說(shuō)來(lái)，是不宜對(duì)密封免維護(hù)電池組執(zhí)行“升壓均衡”譯電操作的。因?yàn)檫@是一種弊多利少的“均充”操作法。有關(guān)具體的操作步驟應(yīng)遵照電池生產(chǎn)廠的要求進(jìn)行最好能定地（半年左右）測(cè)量、記錄下電池組中各單元電池的端電壓數(shù)據(jù)，以便預(yù)測(cè)電池的老化趨勢(shì)。蓄電池的維護(hù)及注意事項(xiàng)盡管使用的是免維護(hù)蓄電池，但從廣義來(lái)說(shuō)一定的維護(hù)還是必要的。1）環(huán)境溫度要求較高工作環(huán)境一般要求在20笆-25笆之間，低于15笆時(shí)，其放電容量下降，溫度每降低1笆，其容量下降1%，而溫度過(guò)高（大于30笆）其壽命就會(huì)縮短；2）新電池的初充電新的蓄電池在安裝完畢后，一般要進(jìn)行一次較長(zhǎng)時(shí)間的充電，充電電源要按照說(shuō)明書中的規(guī)定進(jìn)行充電，待電池組充電完畢后，進(jìn)行一次放電，放電后再次充電，目的是延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高電池的活性和充放電特性。3）要防止電池短路或深度放電深度放電會(huì)造成電池內(nèi)阻增大或充電電壓過(guò)低從而導(dǎo)致降低甚至失去充電能力，放電程度越深，循環(huán)壽命越短；要避免大電流充放電，否則會(huì)造成電池極板膨脹變形，使得極板活性物質(zhì)脫落，內(nèi)阻增大，容量下降，壽命縮短；4）定充放電UPS電源內(nèi)部的蓄電池長(zhǎng)閑置不用或使蓄電池長(zhǎng)處在浮充狀態(tài)而不放電，會(huì)導(dǎo)致電池中大量的硫酸鉛吸附到電池的陰極表面，形成所謂的電池陰極板的“硫酸鹽化”，由于硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對(duì)電池的充放電產(chǎn)生極不好的影響，因?yàn)樵陉帢O板上形成的硫酸鹽越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的可充放電性能越差，從而導(dǎo)致電池“老化”、“活性”下降，使蓄電池的使用壽命大大縮短。應(yīng)該每隔3?4個(gè)月，人為地通過(guò)中斷市電或通過(guò)軟件/硬件控制手段將UPS的整流器/充電器置于關(guān)閉狀態(tài)，讓UPS中的蓄電池放電。對(duì)于這種為“激活”電池而進(jìn)行的電池放電操作，它的放電時(shí)間以控制在正常放電時(shí)間的1/3?1/4為宜。盡量避免過(guò)電流充電過(guò)流充電易造成電池內(nèi)部的正負(fù)極板彎曲，使極板表面的活性物質(zhì)脫落，造成電池可供使用容量下降，嚴(yán)重的會(huì)造成電池內(nèi)部極板短路而損壞。盡量避免蓄電池過(guò)壓充電過(guò)壓充電會(huì)造成蓄電池電解液所含的水被電解分離成氫氣和氧氣而逸出，從而使電池使用壽命縮短。更換活性下降、內(nèi)阻過(guò)大的電池隨UPS電源使用時(shí)間的延長(zhǎng)，總有部分電池的充放電特性會(huì)逐漸變壞，端電壓明顯下降，這種電池的性能不可能再依靠UPS電源內(nèi)部的充電電路來(lái)解決，繼續(xù)使用會(huì)存在隱患，應(yīng)及時(shí)更換。對(duì)于蓄電池內(nèi)阻增大，用正常的充電電壓對(duì)電池進(jìn)行充電已不能使蓄電池恢復(fù)其充電特性的電池應(yīng)及時(shí)更換。電池的內(nèi)阻一般在10?30mQ，如電池的內(nèi)阻超過(guò)200mQ上，將不足以維持UPS的正常運(yùn)行，對(duì)內(nèi)阻偏大的電池必須更換。8）避免蓄電池新舊混用或新舊電池混合充電由于新電池的內(nèi)阻都比較小，而舊電池的內(nèi)阻都有不同程度的增大，當(dāng)新舊電池混合在一起充電時(shí)，由于舊電池的內(nèi)阻大，分壓會(huì)相對(duì)偏大，極容易造成過(guò)壓充電現(xiàn)象；而對(duì)