UPS蓄電池

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作者：時(shí)間：2007-12-05 來源：電子元器件網(wǎng)

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　　蓄電池是UPS的主要組成部分，一般UPS中多采用鉛酸蓄電池，在一些要求高的地方采用鎘鎳蓄電池的也不少。

1.鉛酸蓄電池

　　鉛酸電池是UPS中應(yīng)用最多的一種化學(xué)電源，其特點(diǎn)是以硫酸溶液和鉛元素的反應(yīng)為主體的設(shè)備，近年來發(fā)展很快。為了適應(yīng)設(shè)備的發(fā)展要求，又開發(fā)出膠體電池、鉛晶電池等等，更展寬了電池的應(yīng)用溫度范圍，延長(zhǎng)了電池的服務(wù)壽命和改善了電池的工作性能。

1.閥控鉛酸電池的簡(jiǎn)單工作原理

　　所謂“閥控”又俗稱全密封免維護(hù)，就是利用電池加液口上的一個(gè)控制閥（蓋）來控制電池內(nèi)部的壓力，盡量減少內(nèi)部由于化學(xué)反應(yīng)而造成的水分損失，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。因?yàn)殡姵卦诨瘜W(xué)反映中釋放氣體，使電池內(nèi)部氣壓升高，如果這些被釋放出的氣體不能及時(shí)被內(nèi)部重新吸收和化合，就將使外殼膨脹甚至裂開。這些氣體是如何產(chǎn)生的，又如何控制氣體的產(chǎn)生速度、如何控制電池內(nèi)部的壓力，這就牽涉到一個(gè)使用和維護(hù)問題，為了更好地做好上述工作，有必要了解一下電池的工作原理和工作情況。

　　以往的電池都是開放式的，由于充放電時(shí)的電化學(xué)反映中造成水分的消耗，所以在使用過程中要經(jīng)常測(cè)相對(duì)密度和加電瓶水等。水分是如何消耗的、電解液的相對(duì)密度是如何變大的、這會(huì)帶來什么副作用等等，都和密封有關(guān)。因此首先看一下電化學(xué)反應(yīng)的一般方程式：

（1）

　　放電時(shí)，正極板中的二氧化鉛和負(fù)極板中的絨狀鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)，生成硫酸鉛和水。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硫酸的濃度逐漸降低。

　　充電時(shí)，硫酸鉛又分別轉(zhuǎn)化成二氧化鉛和絨狀鉛，硫酸的濃度也逐漸升高，并有還原成原來狀態(tài)的傾向。所謂傾向，就是說一般不能還原成原來的樣子，這是因?yàn)樵诔潆姾笃诘碾妷荷仙聊骋恢禃r(shí)，正極板上開始產(chǎn)生氧氣：

　　2H₂O→O₂↑+4H⁺+4e^- (2)

　　生成的氧氣傳到負(fù)極板上，與絨狀鉛反應(yīng)生成氧化鉛：

　　2Pb+O₂→2PbO (3)

　　氧化鉛進(jìn)一步與附近的硫酸反應(yīng)，生成硫酸鉛：

　　2PbO+2H₂SO₄→2PbSO₄+2H₂O (4)

　　硫酸鉛正好是負(fù)極放電的產(chǎn)物，充電時(shí)轉(zhuǎn)化成絨狀鉛，即

　　2PbSO₄+4H⁺+4e^-→2Pb+2H₂SO₄ (5)

　　負(fù)極板上的總反應(yīng)應(yīng)該是式(3)+(4)+(5)，即

　　O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O (6)

　　這正是反應(yīng)式(2)的逆反應(yīng)。{{分頁}}

　　總結(jié)地說，正極板上由于電解水而產(chǎn)生的氧氣可以與負(fù)極板上的活性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)并在充電時(shí)還原成水。這樣一來，由于整個(gè)化學(xué)反應(yīng)都是在密閉的情況下進(jìn)行的，化學(xué)成分并沒有發(fā)生變化，達(dá)到了密封免維護(hù)的目的，這是理想情況。所謂理想情況，是指所有這些反應(yīng)都是在適合原設(shè)計(jì)的條件下進(jìn)行的，包括溫度、濕度、放電率和充電電流等。遺憾的是在實(shí)際使用中往往不能完全滿足這些規(guī)定的條件，比如溫度過高或過低、放電電流和充電電流過大等，都會(huì)使電池內(nèi)部的反應(yīng)超過設(shè)計(jì)要求，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體也會(huì)因超過額定值而使氣壓升高，沖開安全閥將氣體逸出體外，造成了水的損耗；另一方面，也可能由于安全閥的質(zhì)量達(dá)不到要求，或由于極板過薄而造成加速損壞，從而使反應(yīng)面積減小等等因素，都難以保證上述的理想情況，這就造成了設(shè)計(jì)壽命和使用壽命的不一致。

　　由上面的討論可見，初期選擇電池的質(zhì)量和保證使用條件是非常重要的。

2.電池的使用條件

　　(1)充電電壓和電流電池的充電，一般要求在25ºC時(shí)電池的浮充電壓為2.23~2.25V/單格，也有的高一些，比如FIAMM電池可達(dá)2.27V/單格。當(dāng)環(huán)境溫度低于25ºC時(shí)，要求相應(yīng)提高充電電壓，以防充電不足。對(duì)于不同的電池就有不同的溫度矯正系數(shù)，比如對(duì)于LECKY通常的矯正系數(shù)為-1mV/ºC/單格，也就是說，溫度每升高1ºC，充電電壓應(yīng)降低1mV/單格。反之，就要提高1mV/單格；而對(duì)于CSB電池GP來說，其溫度矯正系數(shù)就是-3.3~-5mV/ºC/單格。這就是具有溫度補(bǔ)償充電功能充電器的設(shè)計(jì)根據(jù)。不過這只是一個(gè)理論值，在實(shí)際中還應(yīng)進(jìn)行調(diào)試。有許多UPS都設(shè)置了這種功能，如SILCON、SITEPRO等，從而比不設(shè)置此功能時(shí)延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

　　一般的電池充電電流限定為0.1~0.2C₁₀A（其中C₁₀為10h放電率放電到1.75V/單格時(shí)的容量）。這個(gè)充電電流也適合循環(huán)使用的情況，但循環(huán)使用情況的充電電壓要求在25ºC時(shí)為2.45V/單格，也作為均充電壓。同樣，對(duì)于不同品牌的電池也有不同的均充電壓值。

圖1 充電電壓與溫度的關(guān)系

　　圖1給出了充電電壓與溫度的關(guān)系曲線。由圖中可以看出，隨著溫度的不同應(yīng)及時(shí)修正充電電壓，圖中也給出了一個(gè)修正范圍，只要修正值在最高和最低值所限定的范圍內(nèi)就可以。這對(duì)補(bǔ)償充電電路的設(shè)計(jì)提出了較低的要求。

　　(2)電池的放電一般說用戶最感興趣的是電池的放電參數(shù)，因?yàn)檫@就是選用電池容量的根據(jù)。通常人們常說用一個(gè)公式來計(jì)算電池的容量，而實(shí)際上沒有一個(gè)通用的公式適合于所有的情況。因?yàn)殡姵匾坏姆烹姴皇蔷€性的，況且各種品牌的電池也不盡相同。比如以某品牌的10Ah的12V電池為例，以放電到10.5(1.75X6)V為準(zhǔn)。{{分頁}}

　　如果按0.05C即0.5A放電時(shí)，可放20h，放出10Ah的容量；

　　如果按0.4C即4A放電時(shí)，可放2h，放出8Ah的容量；

　　如果按1C即10A放電時(shí)，可放0.5h，放出5Ah的容量；

　　如果按3C即30A放電時(shí)，可放0.025h，放出2.5Ah的容量。

　　就是說，放電電流越大，放出的容量就越小，計(jì)算出來的結(jié)果就越不準(zhǔn)確。因此，若想在工程上比較精確地求出規(guī)定時(shí)間的電池容量，必須計(jì)算和查表或曲線相結(jié)合。這要分幾步走：

　?、匐娏鞣?。用電流法的目的是為了根據(jù)放電電流去查電池的“恒流放電曲線”或“恒流放電表”，以得到所需后備時(shí)間的電池容量。

　　一般放電電流的計(jì)算式是：

　　（7）

式中 I_D——電池的最大放電電流，A；它出現(xiàn)在逆變器低壓關(guān)機(jī)的前一瞬間；

P——UPS的額定輸出功率，VA；

PF——UPS的輸出功率因數(shù)；

η——逆變器的效率；

U_min——逆變器關(guān)機(jī)電壓，V_o

　　得出放電電流后，就可以用這個(gè)電流去查所用電池的廠家提供的上述恒流放電曲線或恒流放電表，就可得出較精確的電池容量。{{分頁}}

圖2 電流的恒流放電曲線示意圖

　　圖2示出了電池的恒流放電曲線示意圖?？v軸是放電時(shí)間，橫軸是放電電流；一般電池廠家在同一個(gè)圖上給出一組恒流放電曲線，如圖中的C₁、C₂、C₃等，以容量的大小從左向右排列。查表時(shí)，將由上式算得的放電電流值I_D對(duì)準(zhǔn)“放電電流”軸上的相應(yīng)位置，然后看對(duì)應(yīng)這一電流的哪一條放電曲線滿足所要求的后備時(shí)間t，比如上圖中的I_D與容量為C₃的放電曲線相交點(diǎn)A正好對(duì)應(yīng)所要求的后備時(shí)間t，那么C₃就是所求的電池容量。

　　也有廠家給出的是恒流放電表，如表1所示，就是SENRY電池放電時(shí)間與放電電流的對(duì)應(yīng)表。

表1 SENRY電池放電時(shí)間與放電電流(A)對(duì)應(yīng)表

　　例：20kVA SILCON UPS在負(fù)載功率因數(shù)PF=0.8的情況下，要求在后備時(shí)間為2h，蓄電池的容量為多少（比如已知SILCON UPS的額定電池電壓為12VX32=384V，機(jī)電壓設(shè)為317V，設(shè)效率為96%）?

　　根據(jù)式（7）求出放電電流I_D：

　　根據(jù)該電流值對(duì)應(yīng)2h的一列，看到6FM150電池在2h的一行中是56A，因此應(yīng)選該容量的電池，6FM150是12V 150（Ah），又因SILCON UPS是兩組電池串聯(lián)，故可用12V 75Ah的電池，實(shí)際中可選表中的6FM8064節(jié)。

　　以上得出的是SENRY電池的容量，用此方法也可求出其他品牌電池的容量?？梢园l(fā)現(xiàn)，所得到的電池容量非常接近，甚至一模一樣。這是因?yàn)殡姵氐乃椒浅＝咏?，由此就給出一個(gè)啟示：一般說用任一個(gè)放電曲線或放電表得出的電池容量結(jié)果可以通用。

　　往往有這樣的情況，比如對(duì)大容量UPS而言，不是53A，而是200A ，在上表內(nèi)就查不到了，因?yàn)槟壳?2V電池最大一般不超過200Ah，盡管從2V電池的放電表上可以找到相應(yīng)的容量，但因價(jià)格太貴，用戶又不想選用，這種情況下就可以采用幾組12V電池并聯(lián)的方法。比如后備時(shí)間仍是2h，由上表可以看到，6FM200(12V 200Ah)對(duì)應(yīng)2h的是75A，因此就可以用3組6FM200(200Ah)并聯(lián)或4組6FM150(150Ah)并聯(lián)。但是有一點(diǎn)值得注意，一般說并聯(lián)數(shù)最好不要超過5組。{{分頁}}

　　這樣求出的電池容量是不是就100%的準(zhǔn)確了呢，這還不能斷言，因?yàn)檫€有另外的因素所限。首先是廠家提供的放電表是否和電池對(duì)應(yīng)，換言之，實(shí)際電池的容量是否足夠。其二，在查表時(shí)還應(yīng)注意另一個(gè)因素，就是放電的終止電壓，電池廠家只能給出幾個(gè)典型的終止電壓值，如上表的1.6V、1.7V、1.75V/單格，而UPS逆變器的關(guān)機(jī)電壓也不正好是某一檔終止電壓值的倍數(shù)，比如上面317V的關(guān)機(jī)電壓所對(duì)應(yīng)的終止電壓值：

　　U=317V/(6單格X32塊)=1.65V/單格

　　因此，這就產(chǎn)生了誤差；其三，由于廠家提供的放電表是在25ºC的典型值，所以在不同的溫度，電池放出的容量也不一樣。做這樣討論的目的是，由于電池的選擇受好多因素的影響，不可能一絲一毫地去強(qiáng)求。

　　②恒功率法。有的電池廠家提供的是恒功率放電表，這時(shí)就必須求出放電功率，然后再對(duì)照查表。

　　放電功率P_DW(W)的計(jì)算式為

　　（8）

式中 P——UPS的額定輸出功率，VA；

PF——UPS的輸出功率因數(shù)；

η——逆變器效率。

　　恒功率放電表的形式和表（1）一模一樣，不過方格內(nèi)一個(gè)填的是電流一個(gè)填的是功率罷了。查的方法也和電流的一樣。不過尚有一點(diǎn)需要注意，即用恒電流法和用恒功率法得出的電池容量不一樣，有時(shí)還差的比較多。理論上講，隨便取哪一個(gè)結(jié)果都可以，但如果把握不大，就取容量大的那一個(gè)就可以了。

　　還有的恒功率放電表中的放電功率指的是每一個(gè)2V單元，比如FIAMM、哈根等，如果正好采用的是2V電池，就可以直接應(yīng)用查出的結(jié)果。否則，就要把查得的結(jié)果變成12V的組合，但手續(xù)要繁一些，因?yàn)椋?/P>

　　a.首先要預(yù)先選一個(gè)容量的電池；

　　b.查出該電池在要求時(shí)間的單元放電功率P；

　　c.用單元放電功率P去除計(jì)算出的功率P_DW得出電池單元數(shù)N；

　　d.然后再用6去除電池單元數(shù)N，得出12V電池?cái)?shù)n；

　　e.最后UPS電池組中所含12V電池的數(shù)量m去除上面得出12V電池?cái)?shù)n；看是否可以整除，否則就要重新選擇電池的容量，還要重復(fù)a~e的程序。{{分頁}}

　　當(dāng)然還有其他的求法，比如松下電池根據(jù)溫度查出后，再乘一個(gè)系數(shù)的辦法得出容量等等，由于這些方法不太常用，在此不做討論。

2.鎘鎳蓄電池

1.概述

　　鎘鎳蓄電池屬堿性電池范疇，因?yàn)樗碾姌O間的是KOH、NaOH和LiOH等堿性電解液，所以又稱堿性電池，其電極也不是以鉛金屬為主的鉛板，而是其他很多金屬，比如應(yīng)用最普遍的鎘鎳蓄電池就是以氧化鎳為正極，鎘鐵為負(fù)極，另外根據(jù)要求的不同還有銀鋅蓄電池、鎳氫蓄電池等等，即電極的材料來源比鉛酸蓄電池廣得多。

　　堿性蓄電池與鉛酸蓄電池比較有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、維護(hù)簡(jiǎn)便、腐蝕性小、壽命長(zhǎng)、耐過充和放電能力強(qiáng)、自放電電流小，并且可以用不同的板極結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同倍率電流的放電等優(yōu)點(diǎn)。比如堿性蓄電池的壽命可長(zhǎng)達(dá)20年，100%深度充放電循環(huán)可在900次以上；使用溫度范圍比鉛酸蓄電池也寬，一般說可在-45~+45ºC環(huán)境下使用。

　　但因其造價(jià)比鉛酸蓄電池高，故在UPS中的應(yīng)用受到了一定限制。

2.堿性蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　(1)電池的結(jié)構(gòu) 電池由正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)分別包在穿孔鋼帶中經(jīng)加工而成為正極板組和負(fù)極板組，以絕緣物隔離正負(fù)板極，而后組裝在鐵質(zhì)或塑料外殼內(nèi)。電池蓋上留有注液口，平時(shí)裝有頂端帶出氣孔的塑料氣塞，需注入電解液時(shí)可以隨時(shí)打開，也是釋放電池反應(yīng)過程中所產(chǎn)生氣體的通道。

　　(2)堿性蓄電池組的結(jié)構(gòu) 因?yàn)閴A性蓄電池單元的標(biāo)稱電壓是1.2V，所以在使用中需要進(jìn)行組合。這又是和鉛酸蓄電池不同的地方，鉛酸蓄電池有固定的組合產(chǎn)品，而堿性蓄電池一般只有單體產(chǎn)品，其根據(jù)需要的組合是在產(chǎn)品外部進(jìn)行的。

　　(3)堿性蓄電池的工作原理蓄電池充電時(shí)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，而負(fù)極則發(fā)生還原反應(yīng)；放電時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反映，而正極發(fā)生還原反應(yīng)，其充放電過程中的化學(xué)反應(yīng)如下：

　　 (9)

　　上式只是一個(gè)綜合反應(yīng)的最終結(jié)果，實(shí)際上在反應(yīng)進(jìn)行過程中也有氫和氧的析出，因此造成水的損耗。比如，電池充滿電后，由于過充而造成水的損失，看下面的反應(yīng)

　?、僭谡龢O板上

40H^-→2H₂O+4e^- （氧析出）

　?、谠谪?fù)極板上

4H₂O+4e^-→2H₂+4OH^- （氧析出）

　　氫氧的析出就意味著水的損失，就意味著電池容量的下降。因此防止過充也是保護(hù)容量不下降的一個(gè)有效措施。{{分頁}}

3.堿性蓄電池的主要性能

　　一般堿性蓄電池有低倍率和高倍率之分，比如鎘鎳低倍率電池適用于0.1~0.5C₅A電流放電；中倍率電池適用于0.5~3.5C₅A電流放電；其中C₅是5h放電時(shí)的容量。

　　(1)堿性蓄電池的標(biāo)稱電壓堿性蓄電池的標(biāo)稱電壓為U₁=1.2V/單元，電池組的標(biāo)稱電壓可根據(jù)要求進(jìn)行組合。

　　(2)鎘鎳蓄電池的浮充電壓鎘鎳蓄電池的浮充電壓和壽命有著直接的關(guān)系，浮充電壓越高，就意味著過充的幾率就高，因此水的損耗就多。比如瑞典的ALCAD Vantage電池是根據(jù)氧的復(fù)合原理工作的，因此大大降低了水的損耗。實(shí)際上，對(duì)于推薦的充電電壓來說，電池的氧復(fù)合率可達(dá)85%~95%。這就意味著在適當(dāng)?shù)某潆婋妷汉蜏囟惹闆r下，Vantage電池至少可以20年不用補(bǔ)充水。圖3給出了20ºC時(shí)不同浮充電壓和免維護(hù)周期的關(guān)系。