弱电安防-UPS蓄电池的种类、选择及维护

UPS蓄电池的种类、选择及维护一部分工程师人员在配置电源时，比较注重UPS主机的性能，却忽视了对ups蓄电池的选择。选择不恰当的配套蓄电池会造成ups后备时间不足、电池不能放电等事故，或电池的使用寿命很短量，下面就根据几个方面来分析下电池的选择。UPS蓄电池的种类蓄电池是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，然而蓄电池却又是整个UPS系统中平均无故障时间（MTBF）最短的一种器件。如果用户能够正确使用和维护，就能够延长其使用寿命，反之其使用寿命会大大缩短。蓄电池的种类一般可分为阀控式密封铅酸蓄电池、胶体电池等。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是这两种，不属于铅酸蓄电池。阀控式密封铅酸蓄电池（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GEL）。这类产品产量较低，约占VRLA电池总量的15%。另一种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。胶体电池胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。广义而言，胶体电池与常规铅酸电池的区别不仅仅在于电液改为胶凝状。例如非凝固态的水性胶体，从电化学分类结构和特性看同属胶体电池。又如在板栅中结附高分子材料，俗称陶瓷板栅，亦可视作胶体电池的应用特色。近已有实验室在极板配方中添加一种靶向偶联剂，大大提高了极板活性物质的反应利用率，据非公开资料表明可达到70wh/kg的重量比能量水平，这些都是现阶段工业实践及有待工业化的胶体电池的应用范例。胶体电池与常规铅酸电池的区别，从最初理解的电解质胶凝，进一步发展至电解质基础结构的电化学特性研究，以及在板栅和活性物质中的应用广。其最重要的特点为：用较小的工业代价，沿已有150年历史的铅酸电池工业路子制造出更优质的电池，其放电曲线平直，拐点高，比能量特别是比功率要比常规铅酸电池大20%以上，寿命一般也比常规铅酸电池长一倍左右，高温及低温特性要好得多。UPS蓄电池的选择蓄电池容量（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20、10、8、5、3、1、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。这种观点是有问题的，因为两种蓄电池具有相同额定容量，只表示它们的l0h放电性能一致，但在l0min和30min、lh和3h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l0h，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，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域值流放电曲线，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。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=Scose/(nNK)式中：S—UPS标称输出功率cose—ups输出功率因数；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，12V/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二Umin/(N*6)式中：Umin---UPS最低工作电压可以在厂家提供的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⑴得出P=354.6W，根据式⑵得出放电终止电压UT=1.67V。如选用美国GNBSprinter系列电池，根据GNBSprinter样本提供的在25笆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S12V370，其额定容量为100Ah，也就是说，用32节GNBS12V370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。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Scose/（r|Umin）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=Imax/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GNBSprinterl2V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⑵得出每2V单元的放电终止电压UT=1.67V。在sprinter恒流放电曲线图（）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=99.9Ah（即C10）。100Ah所对应的型号为S12V370，即用32节GNBS12V370。蓄电池寿命和使用环境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故隐患。所以，在选择蓄电池时，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，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笆，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20笆，中国、日本、美国等标准为25笆。20笆10年浮充寿命的蓄电池如换算到25笆标准，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。UPS蓄电池选择的其他问题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。2、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。3、蓄电池性能均一性从理论上讲，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压均一性来衡量，国内有多种标准要求，例如信息产业部YD/T799--1996标准要求为：25笆时整组蓄电池2V单元浮充电压差不大于土50mV，开路电压差不大于土20mV；电力部DL/T637--1997标准要求是：25笆时，如电池系统采用2V/节电池，开路电压最高的一节与最低的一节差异不超过30mV，6V/节电池不超过40mV，12V/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。UPS蓄电池的维护一般来说，在UPS中所用的蓄电池都是阈控式密封电池。因此，对电池的维护，仅局限于确保电池的工作环境温度尽可能地被控制在20〜25摄氏度和处于洁净和干燥的工作环境中即可。由于对阈控电池和非密封电池的维护操作步骤是完全不同的，一般说来，是不宜对密封免维护电池组执行“升压均衡”译电操作的。因为这是一种弊多利少的“均充”操作法。有关具体的操作步骤应遵照电池生产厂的要求进行最好能定地（半年左右）测量、记录下电池组中各单元电池的端电压数据，以便预测电池的老化趋势。蓄电池的维护及注意事项尽管使用的是免维护蓄电池，但从广义来说一定的维护还是必要的。1）环境温度要求较高工作环境一般要求在20笆-25笆之间，低于15笆时，其放电容量下降，温度每降低1笆，其容量下降1%，而温度过高（大于30笆）其寿命就会缩短；2）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。3）要防止电池短路或深度放电深度放电会造成电池内阻增大或充电电压过低从而导致降低甚至失去充电能力，放电程度越深，循环寿命越短；要避免大电流充放电，否则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，内阻增大，容量下降，寿命缩短；4）定充放电UPS电源内部的蓄电池长闲置不用或使蓄电池长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3〜4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1/3〜1/4为宜。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。尽量避免蓄电池过压充电过压充电会造成蓄电池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。更换活性下降、内阻过大的电池随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。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10〜30mQ，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。8）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，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