UPS电源系统蓄电池的选择和维护

1、UPS电源系统蓄电池的选择和维护作者：徐卫民摘？?要：介绍了选用UPS蓄电池时应考虑的几个重要因素，并提出了使用和维护时应注意的问题。关键词：不间断电源蓄电池Abstract : This paper introduces the mainly focuses on the selection ， use and maintenance of UPS battery .Keywords： UPS battery1、引言我厂化工装置和公用工程装置的操作、监视、控制都采用DCS系 统，如何向DCS系统提供高质量、安全可靠的电源就显得非常重要。 我厂采用UPS向 DCS系统供电，UPS系统由整流模块

2、、充电模块、蓄 电池、逆变模块、自动旁路开关、手动维修旁路开关等组成，UPS可以向DCS提供高质量、安全可靠的电源，保证化工生产的安全、稳定、 可靠。可是不少电气工程人员在配置电源时，往往比较注重不间断电源(UPS)主机的性能，忽视了对UPS配套蓄电池的选择。不恰当的配 套蓄电池选择往往会造成 UPS后备时间不足、电池不能放电等事故， 严重影响UPS的质量。2、UPS的工作原理UPS系统的工作原理：将供电质量较差的厂用电源首先经整流 装置变换成直流电源，一路经充电模块向蓄电池充电，另一路采用高 频脉宽调制(SPWM)法在逆变装置内重新将直流电源变成纯正的高质量的正弦波电源向负载供电。 当交流工

3、作电源消失或整流装置等 元器件故障时 , 由蓄电池组经电池开关向逆变装置供电。当逆变装置 故障输出电压异常或过载时 , 则切换到自动旁路开关由厂用电直接向 负载供电。3、UPS 蓄电池的种类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。3.1 、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。3.2 、阀控式密封铅酸蓄电池

4、(VRLA)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SiO2胶体混合后充满电池内部，制成胶体电池(简 称GEU)O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 AGh蓄电池。4、UPS蓄电池的选择4.1 、蓄电池容量 (Ah) 的选择蓄电池容量 (Ah) 是指在标准环境温度下，每 2V 电池单体在给定 时间至

5、 1.80V 终止电压时，可提供的恒定电流值 (A) 与持续放电时间 (h) 的乘积。给定持续放电时间为 10h 的容量称为 10h 率容量，用符 号 C10 来表示。蓄电池容量可用 20h 率、 10h 率、 8h 率、 5h 率、 3h 率、 1h 率、 0.5h 率等多种方法表示，一般采用 C10 作为蓄电池的额 定容量来标称蓄电池。 额定容量是蓄电池的主要参数， 不少工程人员 就认为，两种品牌相同额定容量的蓄电池可以在同一套 UPS系统中替 代使用。这种观点是有偏颇的，因为两种蓄电池具有相同额定容量， 只表示它们的 10h 放电性能一致，但在 10min、30min、 lh 、 3h

6、等时 间内可提供的恒功率值和恒电流值则可能差异较大，而UPS后备时间 通常不到10h,所以UPS配用蓄电池时，考察其在后备时间内的放电 性能就尤为重要。在已知UPS主机一些基本参数和确定蓄电池品牌后， 我们就可以 根据这一蓄电池品牌样本资料中提供的恒功率放电数据表或恒流放 电曲线，通过功率定型法或电流定型法来计算确定蓄电池的容量和型 号。1. 功率定型法这种方法比较简便， 根据蓄电池恒功率放电参数表可以快速准确 地选出蓄电池型号。首先计算在后备时间内，每个 2V 的蓄电池至少 应向UPS提供的恒功率：P二Seos /( n N- K)(1)式中：S-UPS标称输出功率；cos -UPS输出功率

7、因数；n - 逆变器效率；N-在UPS中以12V电池计算时所需的串联电池个数， 由UPS正常工作电压确定；K-系数，厂家提供的电池恒功率放电数 据表，一般是以2V单元电池为计算基准的，12N/节电池相当于6个 2V单元串联，此时取K=6;如果电池厂家提供的电池恒功率放电数据 表是以12V单元电池为计算基准的，则 K=1。然后确定蓄电池的放电 终止电压 UT:UT=Umin/(N*6)(2)式中 :Umin -UPS 最低工作电压我们可以在厂家提供的UT下的恒功率放电参数表中，找出等于 或稍大于P的功率值，这一功率值所对应的型号即能满足 UPS系统的 要求。如果表中所列的功率值均小于 P,可通过

8、多组电池并联来达到 功率要求，一般并联不应超过 4 组。下面举例说明：例如一台80kVA梅兰日兰UPS后备15min,已知 UPS输出功率因数cos 为0.8，逆变器效率n为0.94，正常工作 电压为384V,最低工作电压 Umin为320V,则配套蓄电池组 N应为 32节(384V/ 12V)12V/节电池串联，根据式(1)得出P=354.6W根据 式得出放电终止电压 UT=1.67V。如我们选用美国 GNB Sprinter 系列电池，根据GNB Sprinter样本提供的在25C时每单元恒功率放 电数据表，查找15min列下等于或稍大于354.6W的功率值为373W 对应的型号为S12V

9、370其额定容量为100Ah,也就是说，用32节 GNEB12V370蓄电池串联，可以满足该 UPS系统的要求。如果选用2V 节电池串联，则在 2V 系列电池的恒功率放电数据表中查出相应型 号，整组串联电池数量为 6N。2. 电流定型法 这是根据某一品牌蓄电池的恒流放电曲线来确定蓄电池容量和 型号的方法。首先计算UPS系统要求的蓄电池最大放电电流：Imax二Seos巾 /（ n Umin） （3）式（3） 中各符号的含义与功率定型法中所定义的相同。在计算出 电池串联数量N和放电终止电压UT后，就可以根据UPS要求的后备 时间从蓄电池恒流放电曲线中查出放电速率n,然后根据放电速率的定义：n=Im

10、ax/C10,得出配置蓄电池的额定容量 C10并确定电池型 号。下面仍以80kVA梅兰日兰UPS后备15min系统配套美国 GNB Sprinter l2V 电池为例来说明。首先按式 （3） 计算蓄电池的最大放电 电流，Imax =212 . 8A,由式得出每 2V单元的放电终止电压 UT=1.67乂在sprinter 恒流放电曲线图（图1）中，根据后备时间 15min（横坐标）和放电终止电压1.67V（纵坐标），可得出放电速率 n 为2.13C（容量）。据此可得电池的额定容量为：C=Imax/n=100Ah（即 C10）。100Ah所对应的型号为 S12V370即用32节GNBS12V370

11、电池 串联能满足系统要求。（图 1）4.2 、蓄电池寿命的选择蓄电池的寿命有两项衡量指标， 一是浮充寿命， 即在标准温度和连续浮充状态下，蓄电池能放出的最大容量不小于额定容量的80%时所使用的年限；二是 80%深度循环充放电次数，即满容量电池放掉额 定容量的 80%后再充满电，如此可循环使用的次数。通常，工程技术人员仅注重前者，而忽略了后者。 80%深度循环 充放电次数代表着蓄电池实际可以使用的次数， 在经常停电或市电质 量不高的情况下， 当蓄电池的实际使用次数已经超过规定的循环充放 电次数时， 尽管实际使用时间还没达到标定的浮充寿命， 但蓄电池其 实已经失效，如果不能及时发现则会带来较大的事

12、故隐患。所以，在 选择蓄电池时， 我们对两项寿命指标都应予以重视， 在市电经常中断 的条件下，后者就尤为重要。在选择 UPS配套蓄电池时，我们应考虑 足够的浮充寿命裕量。 根据经验， 蓄电池的实际使用寿命往往只有标 定浮充寿命的50%- 80%这是因为蓄电池实际浮充寿命与定义标准 温度、实际环境温度、电池充电电压、使用维护等众多因素有关。当 实际环境温度比定义标准环境温度每升高10 C，蓄电池会因为内部化学反应速度增加一倍而导致浮充寿命缩短一半，所以，UPS蓄电池机房应配备空调设备。在定义温度值方面，欧洲标准为20C，中国、日本、美国等标准为25C20C 10年浮充寿命的蓄电池如换算到 25C

13、 标准，仅相当于 7- 8 年浮充寿命。配套蓄电池的标称浮充寿命应该是用我们希望的蓄电池实际使 用寿命除以一个寿命系数后所得的数值。 这一寿命系数通常凭经验确 定，蓄电池可靠性高的可取为 0.8，可靠性低的可取为 0.5。4.3 、单个蓄电池电压的选择VRLA按单节电压分有12V/节、6V/节、4V/节和2V/节等四 种不同形式。从经济方面来看，UPS正常工作电压一定，选用的电池 单节电压越高， 电池组所用的串联电池数量越少， 配套电池组的价格 也越便宜。但从安全性方面来看，选用的电池单节电压越低，整个系 统越安全。如果12V/节的电池坏了一节，整个蓄电池后备系统就少 了 12V, UPS主机

14、就有可能开启低压报警功能使整个 UPS系统不能正 常工作。所以在选用12V/节蓄电池时，多采用多组并联来达到 UPS 系统要求,万一有一组出问题,还有其他组的电池可运作。4.4 、蓄电池所能承受的纹波系数在UPS系统中，蓄电池还起到滤波器的作用，承受UPs输入纹波 电压和纹波电流的冲击。如果所选蓄电池承受纹波系数的能力较差, 而纹波系数又比较大, 则会使蓄电池过早地失效而引起不能放电的事 故。IEC蓄电池标准规定，VRLA应能承受0.5%的纹波系数，但使用 UPS的场合，纹波系数都比较大，有的甚至达到 2%所以应对蓄电池 的可承受纹波系数按实际情况提出要求。4.5、蓄电池性能均一性 从理论上讲

15、,蓄电池的电压、内阻、寿命等性能应该是一致的, 可以无限多组数地进行并联以达到要求的容量。但在实际生产过程 中,由于所用材料纯度、 生产工艺、 工作人员、 生产环境温度等差异, 同一条流水线上制造的蓄电池通常在性能上有一定的差异, 即使同一 品牌同一型号相同生产日期生产的蓄电池, 性能也不可能做得完全一 致,这一点可以通过测量比较蓄电池的单节开路电压看出来。工程人员通常采用便宜的小容量电池多组并联来达到 UPS 要求 的较大蓄电池容量， 如果采用性能均一性较差的电池多组并联， 性能 差、电压低的电池组就会将性能好的蓄电池组拖垮，导致整套UPS蓄电池系统提前失效。 目前性能均一性主要根据蓄电池电

16、压均一性来衡 量，国内有多种标准要求，例如信息产业部 YDT 799-1996 标准要 求为：25C时整组蓄电池2V单元浮充电压差不大于士 50mV开路电 压差不大于士 20mV电力部DLZT637-1997标准要求是：25C时， 如电池系统采用2VZ节电池，开路电压最高的一节与最低的一节差 异不超过30mV6V/节电池不超过40mV12V/节电池则不超过60mV 一般蓄电池并联组数不应超过 4组，为防止整套蓄电池系统的提前失 效，在选择蓄电池时，应该在性能均一性方面提出要求。当确定了蓄 电池型号之后，在一套UPS系统中最好要求厂家提供同一批次的蓄电 池产品，以减小性能方面的差异。同样道理，不

17、同品牌或者新旧程度 不同的蓄电池，由于存在较大的性能差异， 建议不要混合使用。 最后， 要特别指出的是即使选择了恰当的VRLA也需要进行一些必要的日常维护和管理，避免蓄电池过早失效。5 UPS蓄电池的维护随着科技的不断发展，UPS的性能越来越好，平均无故障工作时 间越来越长，整机的可靠性越来越高。做好UPS中消耗品蓄电池的维 护变得尤为重要。5.1 、新电池的初充电新的蓄电池在安装完毕后， 一般要进行一次较长时间的充电， 充电电源要按照说明书中的规定进行充电， 待电池组充电完毕后， 进行 一次放电，放电后再次充电，目的是延长电池的使用寿命，提高电池 的活性和充放电特性。5.2 、定期充放电UP

18、S电源内部的蓄电池长期闲置不用或使蓄电池长期处在浮充状 态而不放电， 会导致电池中大量的硫酸铅吸附到电池的阴极表面， 形 成所谓的电池阴极板的“硫酸盐化”， 由于硫酸铅是一种绝缘体， 它 的形成必将对电池的充放电产生极不好的影响， 因为在阴极板上形成 的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的可充放电性能越差，从而导 致电池“老化”、“活性”下降，使蓄电池的使用寿命大大缩短。应 该每隔34个月，人为地通过中断市电或通过软件/硬件控制手段 将UPS的整流器/充电器置于关闭状态， 让UPS中的蓄电池放电。对 于这种为“激活”电池而进行的电池放电操作， 它的放电时间以控制 在正常放电时间的 1314 为宜

19、。5.3 、严禁深度放电密封免维护蓄电池的使用寿命与蓄电池的放电深度密切相关。 放 电深度是指用户在蓄电池使用的过程中， 电池放出的安时数占它的标 称容量安时数的百分比。 深度放电会造成蓄电池内部极板表面硫酸盐 化，导致蓄电池的内阻增大， 严重时会使个别电池出现“反极”现象 和电池的永久性损坏。 电池的放电深度严重影响电池的使用寿命， 非 迫不得已，不要让电池处于深度放电状态。5.4 、尽量避免过电流充电过流充电易造成电池内部的正负极板弯曲， 使极板表面的活性物 质脱落，造成电池可供使用容量下降， 严重的会造成电池内部极板短 路而损坏。5.5 、尽量避免蓄电池过压充电 过压充电往往会造成蓄电池

20、电解液所含的水被电解分离成氢气 和氧气而逸出，从而使电池使用寿命缩短。5.6 、更换活性下降、内阻过大的电池(1) 、随UPS电源使用时间的延长，总有部分电池的充放电特性 会逐渐变坏，端电压明显下降，这种电池的性能不可能再依靠 UPS电 源内部的充电电路来解决，继续使用会存在隐患，应及时更换。(2) 、对于蓄电池内阻增大，用正常的充电电压对电池进行充电 已不能使蓄电池恢复其充电特性的电池应及时更换。 电池的内阻一般 在1030mQ，如电池的内阻超过 200mQ上，将不足以维持 UPS的 正常运行，对内阻偏大的电池必须更换。5.7 、避免蓄电池新旧混用或新旧电池混合充电由于新电池的内阻都比较小，

21、 而旧电池的内阻都有不同程度的增 大，当新旧电池混合在一起充电时，由于旧电池的内阻大，分压会相 对偏大，极容易造成过压充电现象；而对于新电池，内阻较小，充电 电压小但电流偏大， 又容易造成过流现象， 所以在充放电过程中应避 免新旧电池混充。5.8 、蓄电池的使用环境电池的使用寿命与环境温度密切相关， 电池处于较低温度时， 蓄 电池中的锌板容易粉化，失去蓄电性能，造成永久性损坏。温度过高 时，电池的容量也会下降， 严重的会造成永久性损坏。根据电池生产 厂家的技术规范，电池的最佳使用温度是 2025C,在该温度范围 使用，可延长电池的使用寿命。6 结束语做好电池的维护工作，可以减少UPS的故障，提高生产的稳定性。 通过对电池的维护可以提高电池