UPS蓄电池

  蓄电池是UPS的主要组成部分，一般UPS中多采用铅酸蓄电池，在一些要求高的地方采用镉镍蓄电池的也不少。

  铅酸电池是UPS中应用最多的一种化学电源，其特点是以硫酸溶液和铅元素的反应为主体的设备，近年来发展非常迅速。为了适应设备的发展要求，又开发出胶体电池、铅晶电池等等，更展宽了电池的应用温度范围，延长了电池的服务寿命和改善了电池的工作性能。

  所谓“阀控”又俗称全密封免维护，是利用电池加液口上的一个控制阀（盖）来控制电池里面的压力，最好能够降低内部由于化学反应而造成的水分损失，以延长电池的常规使用的寿命。因为电池在化学反映中释放气体，使电池里面气压升高，如果这些被释放出的气体不能及时被内部重新吸收和化合，就将使外壳膨胀甚至裂开。这些气体是怎么样产生的，又怎么来控制气体的产生速度、怎么来控制电池里面的压力，这就牵涉到一个使用和维护问题，为了更好地做好上述工作，有必要了解一下电池的工作原理和工作情况。

  以往的电池都是开放式的，由于充放电时的电化学反映中造成水分的消耗，所以在使用的过程中要经常测相对密度和加电瓶水等。水分是如何消耗的、电解液的相对密度是如何变大的、这会带来什么副作用等等，都和密封有关。因此首先看一下电化学反应的一般方程式：

  放电时，正极板中的二氧化铅和负极板中的绒状铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅和水。随着反应的进行，硫酸的浓度逐渐降低。

  充电时，硫酸铅又分别转化成二氧化铅和绒状铅，硫酸的浓度也逐渐升高，并有还原成原来状态的倾向。所谓倾向，就是说一般不能还原成原来的样子，是因为在充电后期的电压上升至某一值时，正极板上开始产生氧气：

  总结地说，正极板上由于电解水而产生的氧气可以与负极板上的活性物质进行反应并在充电时还原成水。这样一来，由于整个化学反应都是在密闭的情况下进行的，化学成分并没发生变化，达到了密封免维护的目的，这是理想情况。所谓理想情况，是指所有这些反应都是在适合原设计的条件下进行的，包括温度、湿度、放电率和充电电流等。遗憾的是在实际使用中往往不能完全满足这些规定的条件，比如温度过高或过低、放电电流和充电电流过大等，都会使电池里面的反应超出原有设计要求，反应过程中产生的气体也会因超过额定值而使气压升高，冲开安全阀将气体逸出体外，造成了水的损耗；另一方面，也可能由于安全阀的质量达不到要求，或由于极板过薄而造成加速损坏，从而使反应面积减小等等因素，都很难保证上述的理想情况，这就造成了设计寿命和常规使用的寿命的不一致。

  (1)充电电压和电流 电池的充电，一般要求在25C时电池的浮充电压为2.23~2.25V/单格，也有的高一些，比如FIAMM电池可达2.27V/单格。当环境和温度低于25C时，要求相应提高充电电压，以防充电不足。对于不同的电池就有不同的温度矫正系数，比如对于LECKY通常的矫正系数为-1mV/C/单格，也就是说，温度每升高1C，充电电压应降低1mV/单格。反之，就要提高1mV/单格；而对于CSB电池GP来说，其温度矫正系数就是-3.3~-5mV/C/单格。这就是具有温度补偿充电功能充电器的设计根据。不过这只是一个理论值，在实际中还应进行调试。有许多UPS都设置了这种功能，如SILCON、SITEPRO等，从而比不设置此功能时延长了电池的使用寿命。

  一般的电池充电电流限定为0.1~0.2C10A（其中C10为10h放电率放电到1.75V/单格时的容量）。这个充电电流也适合循环使用的情况，但循环使用情况的充电电压要求在25C时为2.45V/单格，也作为均充电压。同样，对于不一样的品牌的电池也有不同的均充电压值。

  图1给出了充电电压与温度的关系曲线。由图中能够准确的看出，随着温度的不同应及时修正充电电压，图中也给出了一个修正范围，只要修正值在最高和最低值所限定的范围内就可以。这对补偿充电电路的设计提出了较低的要求。

  (2)电池的放电 一般说用户最感兴趣的是电池的放电参数，因为这就是选用电池容量的根据。通常人们常说用一个公式来计算电池的容量，而实际上没有一个通用的公式适合于所有的情况。因为电池一的放电不是线性的，况且各种品牌的电池也不完全一样。比如以某品牌的10Ah的12V电池为例，以放电到10.5(1.75X6)V为准。{{分页}}

  就是说，放电电流越大，放出的容量就越小，计算出来的结果就越不准确。因此，若想在工程上比较精确地求出规定时间的电池容量，必须计算和查表或曲线相结合。这要分几步走：

  ①电流法。用电流法的目的是为了根据放电电流去查电池的“恒流放电曲线”或“恒流放电表”，以得到所需后备时间的电池容量。

  式中 ID——电池的最大放电电流，A；它出现在逆变器低压关机的前一瞬间；

  得出放电电流后，就可以用这个电流去查所用电池的厂家提供的上述恒流放电曲线或恒流放电表，就可得出较精确的电池容量。{{分页}}

  图2 电流的恒流放电曲线示出了电池的恒流放电曲线示意图。纵轴是放电时间，横轴是放电电流；一般电池厂家在同一个图上给出一组恒流放电曲线

  D对准“放电电流”轴上的相应位置，然后看对应这一电流的哪一条放电曲线满足所要求的后备时间t，比如上图中的ID与容量为C3的放电曲线相交点A正好对应所要求的后备时间t，那么C3就是所求的电池容量。也有厂家给出的是恒流放电表，如表1所示，就是SENRY电池放电时间与放电电流的对应表。表

  电池放电时间与放电电流(A)对应表例：20kVA SILCON UPS在负载功率因数PF=0.8的情况下，要求在后备时间为2h，蓄电池的容量为多少（比如已知SILCON UPS的额定电池电压为12VX32=384V，机电压设为317V，设效率为96%）?根据式（7）求出放电电流I

  根据该电流值对应2h的一列，看到6FM150电池在2h的一行中是56A，因此应选该容量的电池，6FM150是12V 150（Ah），又因SILCON UPS是两组电池串联，故可用12V 75Ah的电池，实际中可选表中的6FM8064节。

  以上得出的是SENRY电池的容量，用此方法也可求出另外的品牌电池的容量。不难发现，所得到的电池容量非常接近，甚至一模一样。这是因为电池的水平非常接近之故，由此就给出一个启示：一般说用任一个放电曲线或放电表得出的电池容量结果可以通用。

  往往有这样的情况，比如对大容量UPS而言，不是53A，而是200A ，在上表内就查不到了，因为目前12V电池最大一般不超过200Ah，尽管从2V电池的放电表上能够找到相应的容量，但因价格太贵，用户又不想选用，这样的一种情况下就能够使用几组12V电池并联的方法。比如后备时间仍是2h，由上表能够正常的看到，6FM200(12V 200Ah)对应2h的是75A，因此就可以用3组6FM200(200Ah)并联或4组6FM150(150Ah)并联。但是有一点有必要注意一下，一般说并联数建议还是不要超过5组。{{分页}}

  这样求出的电池容量是不是就100%的准确了呢，这还不能断言，因为还有另外的因素所限。首先是厂家提供的放电表是否和电池对应，换言之，实际电池的容量是否足够。其二，在查表时还应注意另一个因素，就是放电的终止电压，电池厂家只能给出几个典型的终止电压值，如上表的1.6V、1.7V、1.75V/单格，而UPS逆变器的关机电压也不正好是某一档终止电压值的倍数，比如上面317V的关机电压所对应的终止电压值：

  当然还有别的的求法，比如松下电池根据温度查出后，再乘一个系数的办法得出容量等等，由于这一些方法不太常用，在此不做讨论。

  镉镍蓄电池属碱性电池范畴，因为它的电极间的是KOH、NaOH和LiOH等碱性电解液，所以又称碱性电池，其电极也不是以铅金属为主的铅板，而是其他很多金属，比如应用最普遍的镉镍蓄电池就是以氧化镍为正极，镉铁为负极，另外根据要求的不同还有银锌蓄电池、镍氢蓄电池等等，即电极的材料来源比铅酸蓄电池广得多。

  碱性蓄电池与铅酸蓄电池比较有结构坚固、维护简便、腐蚀性小、寿命长、耐过充和放电能力强、自放电电流小，并能用不同的板极结构来适应不一样倍率电流的放电等优点。比如碱性蓄电池的寿命可长达20年，100%深度充放电循环可在900次以上；使用温度范围比铅酸蓄电池也宽，一般说可在-45~+45C环境下使用。

  (2)碱性蓄电池组的结构 因为碱性蓄电池单元的标称电压是1.2V，所以在使用中有必要进行组合。这又是和铅酸蓄电池不同的地方，铅酸蓄电池有固定的组合产品，而碱性蓄电池一般只有单体产品，其根据需要的组合是在产品外部进行的。(3)碱性蓄电池的工作原理 蓄电池充电时，正极发生氧化反应，而负极则发生还原反应；放电时，负极发生氧化反映，而正极发生还原反应，其充放电过程中的化学反应如下：

  上式只是一个综合反应的最终结果，实际上在反应进行过程中也有氢和氧的析出，因此造成水的损耗。比如，电池充满电后，由于过充而造成水的损失，看下面的反应

  -（氧析出）氢氧的析出就从另一方面代表着水的损失，就从另一方面代表着电池容量的下降。因此防止过充也是保护容量不下降的一个有效措施。{{分页}}3.碱性蓄电池的主要性能

  (1)碱性蓄电池的标称电压 碱性蓄电池的标称电压为U1=1.2V/单元，电池组的标称电压可根据要求做组合。(2)镉镍蓄电池的浮充电压 镉镍蓄电池的浮充电压和寿命有着直接的关系，浮充电压越高，就意味着过充的几率就高，因此水的损耗就多。比如瑞典的ALCAD Vantage电池是根据氧的复合原理工作的，因此大幅度的降低了水的损耗。实际上，对于推荐的充电电压来说，电池的氧复合率可达85%~95%。这就从另一方面代表着在适当的充电电压和温度情况下，Vantage电池至少可以20年不用补充水。图3给出了20C时不同浮充电压和免维护周期的关系。

  (3)碱性蓄电池的放电性能 不一样的材料的电池在放电性能上稍许有些差别，这里以镉镍袋式碱性电池为例，在不同倍率放电时要符合表2、表3的要求（首先在20C时以0.2C