UPS蓄电池几个问题的探讨

1 引言

　　目前UPS已经广泛使用在各个经济领域，在通信、电子商务、金融、医疗、石化、工业自动化等领域起到重要的作用，不仅是保护UPS所带的负载本身，更重要是保护负载所生产出来的产品，如电脑中的数据。蓄电池作为UPS中的重要组成部分，对于标准时间机器，一般约占UPS电源总成本的1/4，对于长时间UPS电源而言，蓄电池的成本可能超过UPS电源主机的成本。由于蓄电池本身或者电池管理上的原因，目前有许多UPS电源故障是由蓄电池引起（1/3）。因此有必要加强对蓄电池特性的了解，正确选配和使用蓄电池，尽可能地延长蓄电池的使用寿命。同时如何管理蓄电池成为各个UPS厂家重点研究的问题。

2 蓄电池的特性

2.1 铅酸蓄电池的工作原理

　　UPS中蓄电池大多采用铅酸蓄电池（下同），蓄电池是一种将化学能和电能相互转化的装置，蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来，蓄电池阳极的活性物质是二氧化铅（PbO2）阴极的活性物质是是铅(Pb)，电解液是稀硫酸(H2SO4).其化学反应式

　　电池是由单个的“原电池”组成，每个原电池的电压大约是2V，一个12V的电池由6个原电池组成。

2.2 免维护

　　封密式免维护铅酸蓄电池，具有敞口式铅酸蓄电池所有的优点，所谓免维护，是相对敞口式电池需要经常加水而言的。整个蓄电池是全封闭的（电池的氧化还原反应均在密闭的外壳内部循环进行），因此免维电池没有“有害气体”溢出。不需进行加水等日常的运行维护。可以安装在主机房，适合无人之手值守机房。

2.3 电池容量与放电率的关系

　　蓄电池的容量是指它的蓄电能力。它是以充足了电的蓄电池，放电至规定的终止电压的电量。标准YD/T799-2002　　规定2V、6V、 12V密封蓄电池的额定容量均为标准温度下（25℃）10小时放电率（I=0.1C10A）的容量。该标准明确指出6V、12V蓄电池的容量以10h放电率为基准。但是老的行业惯例并且目前绝大部分厂家为：对于2V电池，是以10小时放电率（I=0.1C10A）来定义容量，而对于6V和12V电池，则以20小时放电率（I=0.05C20A）的容量。
　　放电率与容量的关系：蓄电池放出的容量随放电电流的增大而减少。高放电过程是极板表面的有效物质发生强制性的变化，生成的硫酸铅很容易堵塞极板上的小孔，极板深层的有效物质就没有参加化学反应。这样蓄电池的内阻增大，电压下降就快，使电池不能放出全部的容量。
10h放电率放出容量为100％，20h放电率放出容量为105％，而3h放电率放出容量为75％，1h放电率放出容量为52％。放电电流与容量的关系可由下式决定：
　　Q=Q0(I/I0)n-1
　　式中Q ――I放电电流时的容量（Ah）
　　Q0 ――10h放电率时的额定容量（Ah）
　　I0 ――10h放电率的额定放电电流（A）
　　I――非10h放电率的放电电流（A）
　　n――蓄电池放电容量指数，其值为I/I0＜3　n=1.313; I/I0≥3, n=1.414
　　以上意味着以10h放电率定义容量的蓄电池比20h放电率定义容量的电池的容量更足一些。在其它条件相同的条件下，则前者的成本更高些。

2.4 温度与容量的关系

　　一般情况下，容量与温度有如下关系：
　　C25---25℃时蓄电池的放电容量（Ah）
　　Ct---t℃时蓄电池的放电容量（Ah）
　　t---电解液的平均温度（℃）
　　上式适应电解液温度为－15℃～35℃。若温度低于，则容量减少更为显著，当温度超过35℃时，则容量反而减少。
　　特别对于室外型UPS用的蓄电池，如果需要尽可能充分利用蓄电池的容量，必须改善电池的外壳温度。

2.5 电解液数量和浓度与容量的关系

　　适当增加电解液数量和提高电解液的浓度，可以增加电池的容量，但必须在允许范围，否则会加速极板的腐蚀，缩短电池的寿命。

2.6 极板面积与容量的关系

　　对于一定厚度的极板，面积越大，参加反应的有效物质越多，电池的容量越大。

2.7 欠充电与容量的关系

　　几次欠充电后，极板深层的硫酸铅不能还原，负极板将硫化，极板的有效物质减少则电池容量减少，所以电池不能长期处于欠充电状态。对于配置电池容量较大的长延时UPS特别在停电比较频繁的地方使用，充电器的容量必须足够。

2.8 放电率与终止电压的关系

　　蓄电池放电时电压不能低于终止电压，否则会损害电池寿命。放电电流与终止电压关系如下表：

2.9 浮充与均充

　　由于电解液和极板中存在有杂质，这种杂质会在极板上形成局部放电，这种局部放电现象就是“自放电”，自放电随电池的老化程度而加剧。浮充电就是将充足电的蓄电池组与充电器同时并接在直流母线上，以补充电池的自放电，大体上使蓄电池经常保持在充满电的状态。浮充电的电压各个厂家稍有不同，在2.15±0.05左右，浮充电流可按
　　I=0.0009Q0
　　式中I是浮充所需要的电流值（A），Q0是蓄电池的额定容量(Ah）。该电流值只是用于补充自放电的损失，如果电池没有充满，则该电流需要增大。
　　以浮充电进行运行的蓄电池，由于电池组中每个电池的不均衡性造成每个电池的自放电是不一样的，而对电池组的浮充电流是一致的，结果会出现部分电池处于欠充电状态。　　
　　为了使蓄电池组中每个电池处于健康状态，一定的时间后必须对电池进行一次均充。均衡充电过程就是使蓄电池容量的恢复过程。均衡充电电压一般保持在2.35V.
　　对于大部分中小容量UPS，采用的先限流后衡压的充电方式，限流值是根据充电器本身和电池容量而定的，不超过充电器的电流最大输出能力和0.25 C10 A的充电电流。至于限压值一般处于浮充和均充电压值之间的一个值，这个也与一些电池厂家表明不需要均充的说法一致。
　　长期的均充（高压充电）容易造成电池过充，易使电池发热鼓包，从而缩短电池的使用寿命。只浮充不均充便会使电池欠充，造成个别电池落后。
　　不同的电池有一个最佳的浮充电压（一定的温度下），有一定时间的均充效果更好。充电时间取决于放电量、充电电流和温度。

2.10 电池寿命与放电深度

　　电池的使用寿命与电池的放电深度密切相关，对于标称寿命为3～5年密封电池而言，其关系如下表：