蓄電池在UPS電源供電系統(tǒng)的應(yīng)用與管理

UPS供電系統(tǒng)在各行業(yè)數(shù)據(jù)中心中起到重要的電源保障作用，要為負(fù)載提供不間斷的供電，就必須具有電能儲存的功能。因此，蓄電池成為UPS供電系統(tǒng)的重要組成部分。而由于蓄電池本身或者管理上的原因

?概述
??UPS供電系統(tǒng)在各行業(yè)數(shù)據(jù)中心中起到重要的電源保障作用，要為負(fù)載提供不間斷的供電，就必須具有電能儲存的功能。因此，蓄電池成為UPS供電系統(tǒng)的重要組成部分。而由于蓄電池本身或者管理上的原因，目前有許多UPS故障是由蓄電池引起。因此有必要加強(qiáng)對蓄電池特性的了解，正確選配和使用蓄電池，盡可能地延長蓄電池的使用壽命。同時，如何管理蓄電池成為各個UPS廠家及行業(yè)用戶重點(diǎn)研究的問題。
??以下對目前大型UPS系統(tǒng)廣泛采用的閥控式密封鉛酸（VRLA）蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的作用、工作原理、配置、選用、安裝、維護(hù)等方面進(jìn)行探討。
??蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的作用和意義
??在UPS供電系統(tǒng)中，蓄電池大多采用免維護(hù)蓄電池。蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的主要作用就是儲存電能，一旦市電中斷，由電池放電供給逆變器，由逆變器將電池釋放出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)檎医涣麟姡S持UPS的電源輸出，確保負(fù)載在一定的時間內(nèi)正常用電。
??在市電正常供電時，電池在整流－充電電路中儲存電能，同時對直流電路起到平滑濾波的作用，并在逆變器發(fā)生過載時，起到緩沖器的作用。
??而在日常工作中，人們往往片面地認(rèn)為蓄電池是免維護(hù)的而不加重視。然而由于對蓄電池的不合理使用，產(chǎn)生了蓄電池的電解液干涸、熱失控、早期容量損失、內(nèi)部短路等問題，進(jìn)而嚴(yán)重影響到供電系統(tǒng)的可靠性。有資料表明，蓄電池故障而引起UPS主機(jī)故障或工作不正常的比例大約為60%。由此可見，加強(qiáng)對UPS電池的正確使用與維護(hù)，對延長蓄電池的使用壽命，降低UPS供電系統(tǒng)故障率，有著越來越重要的意義。
??蓄電池的種類
??蓄電池在UPS中已得到廣泛的應(yīng)用，其品種繁多，型號齊全，規(guī)格各異，但按其基本性質(zhì)可以分為酸性電池和堿性電池兩大類：
??酸性電池：酸性電池的電解液一般是由稀硫酸（H2SO4）或者膠體硫酸構(gòu)成，極板由鉛Pb和過氧化鋁PbO2構(gòu)成，通過化學(xué)反應(yīng)貯存電荷，起到電池儲能的作用。
??堿性電池：堿性電池的電解液一般是由氫氧化鉀KOH或者氫氧化鈉NaOH（燒堿）組成。極板由于電池的結(jié)構(gòu)不同而各異。如鎘鎳電池正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3，負(fù)極板是鎘Cd；鐵鎳電池的正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3，負(fù)極板是鐵Fe；銀鋅電池的正極板是過氧化銀Ag2O3，負(fù)極板是鋅Zn。
??鉛酸蓄電池的工作原理
??UPS、直流電源設(shè)備常用的蓄電池是鉛酸蓄電池。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池是開口式結(jié)構(gòu)，電池在使用過程中，有氫氣和氧氣以及酸霧逸出，不僅污染環(huán)境還具有危險性，維護(hù)時需要加水、加酸，已逐漸被市場淘汰。現(xiàn)在UPS供電系統(tǒng)中蓄電池大多采用閥控式密封鉛酸（VRLA）蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點(diǎn)是在充電時正極板上產(chǎn)生的氧氣，通過再化合反應(yīng)在負(fù)極板上還原成水，使用時在規(guī)定浮充壽命期內(nèi)不必加水維護(hù)，所以又稱為免維護(hù)鉛酸蓄電池。可見，免維護(hù)只是與普通蓄電池相比，運(yùn)行中免去了添加純水或蒸餾水，調(diào)整電解液液面的項(xiàng)目，并非免去一切維護(hù)工作。
??閥控式密封鉛酸蓄電池的工作原理，基本上沿襲于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，其正極活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4），其電極反應(yīng)方程式如下：
??PbO2+2H2SO4+Pb≈2PbSO4+2H2O
??兩種閥控式密封鉛酸蓄電池比較
??目前閥控式密封鉛酸蓄電池主要有兩類，即玻璃纖維隔板陰極吸收式密封鉛蓄電池（如GNB、霍克電池）和硅凝膠密封鉛蓄電池（如德國的陽光電池）。
??兩種電池極板相同：正極板柵采用鉛鈣錫鋁四元合金或低銻多元合金，負(fù)極板柵采用鉛鈣錫鋁四元合金。并使用緊裝配和貧液設(shè)計，在電池的上蓋中設(shè)置了一個單向的安全閥。由于采用無銻的鉛鈣錫鋁四元合金，提高了負(fù)極析氫過電位，從而抑制氫氣的析出，同時，采用特制安全閥使電池保持一定的內(nèi)壓。
??兩種電池隔板不同：即分別采用超細(xì)玻璃纖維棉（AGM）隔板和硅凝膠二種不同方式來“固定”硫酸電解液。它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的，但給正極析出的氧氣到達(dá)負(fù)極提供的通道是不同的。對AGM密封鉛酸蓄電池而言，AGM隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液，但必須使10%的隔膜孔隙中不進(jìn)入電解液。正極生成的氧氣就是通過這部分孔隙到達(dá)負(fù)極而被負(fù)極吸收的。對膠體密封鉛酸蓄電池而言，電池內(nèi)的硅凝膠是以SiO2質(zhì)點(diǎn)作為骨架構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進(jìn)一步收縮，使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負(fù)極板之間，給正極析出的氧氣提供了到達(dá)負(fù)極的通道。
??由此看出，兩種電池的區(qū)別就在于電解液的“固定”方式和提供氧氣到達(dá)負(fù)極通道的方式有所不同，因而兩種電池的性能也各有千秋。
??UPS供電系統(tǒng)中蓄電池的配置和選擇
??在UPS供電系統(tǒng)中，可以說蓄電池是這個系統(tǒng)的支柱。沒有蓄電池的UPS只能稱做穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。UPS之所以能實(shí)現(xiàn)不間斷供電，就是因?yàn)橛辛诵铍姵亍Ｔ谠O(shè)計UPS時，首先應(yīng)考慮選擇什么型號的蓄電池，即蓄電池的額定電壓、額定容量及應(yīng)由多少節(jié)蓄電池組合等。
??蓄電池的額定容量選擇
??由于蓄電池的實(shí)際可使用容量與放電電流大小、系統(tǒng)電壓、放電時間、蓄電池工作環(huán)境溫度、蓄電池儲存時間的長短、負(fù)載種類和特性等因素密切相關(guān)。蓄電池的容量一般是指在20°C，以20h放電率放電到1.75V／單體時，蓄電池輸出的功率數(shù)（W）。
??蓄電池的指標(biāo)選擇
??內(nèi)阻：應(yīng)選擇內(nèi)阻小的蓄電池，這樣才能持續(xù)大電流放電。如果內(nèi)阻較大，在充放電過程中功耗加大，使蓄電池發(fā)燙。
??浮充電壓：在相同溫度下，浮充電壓值高意味著儲能量大，質(zhì)量差的蓄電池浮充電壓值一般較小。蓄電池浮充電壓值在不同的溫度時應(yīng)進(jìn)行修正。
??在大中型（幾kVA-幾千kVA）UPS中采用2V單體系列蓄電池，避免采用小容量組合蓄電池進(jìn)行混聯(lián)。
??蓄電池的使用和維護(hù)
??1VRLA蓄電池的運(yùn)行環(huán)境與安裝
??作為備用蓄電池，蓄電池平時都處于浮充狀態(tài)，此時蓄電池內(nèi)部仍進(jìn)行著復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換。浮充過程中所用的電能基本上轉(zhuǎn)換為熱能。因此要求蓄電池所處的環(huán)境應(yīng)有良好的通風(fēng)散熱能力或有空調(diào)設(shè)備。
??電池盡可能安裝在清潔、陰涼、通風(fēng)、干燥的地方，并要避免受到陽光、加熱或輻射熱源的影響，讓電池有一個良好的工作、儲存環(huán)境。
??蓄電池一般應(yīng)在5℃～35℃范圍內(nèi)進(jìn)行充電，低于5℃或高于35℃都會降低壽命，充電的設(shè)定電壓應(yīng)在指定范圍內(nèi)，如超出指定范圍將造成蓄電池?fù)p壞、容量降低、壽命縮短。
??1、初充電
??蓄電池在安裝或大修后的***次充電，稱為初充電。初充電是否良好，將嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。
??2、浮充充電
??為了確保直流電源不間斷，延長蓄電池的使用壽命，通常都采用充電電源與蓄電池組并聯(lián)的浮充供電方式。
??3、均衡充電
??在正常運(yùn)行狀態(tài)下的電池組，通常不需要均衡充電。但如果發(fā)現(xiàn)電池組中單體電池之間電壓不均衡時，則應(yīng)對電池組進(jìn)行均衡充電。
??4、補(bǔ)充充電
??電池在存放、運(yùn)輸、安裝過程中，會因自放電而失去部分容量。因此，在安裝后投入使用前，應(yīng)根據(jù)電池的開路電壓判斷電池的剩余容量，然后采用不同的方法對蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。對備用擱置的蓄電池，每3個月應(yīng)進(jìn)行一次補(bǔ)充充電。
??2VRLA蓄電池的使用與維護(hù)
??隨著科技的不斷發(fā)展，UPS的性能越來越好，平均無故障時間越來越長，整機(jī)的可靠性越來越高。做好UPS中蓄電池的使用與維護(hù)變得尤為重要。
??新電池的充電
??新的蓄電池在安裝完畢后，一般要進(jìn)行一次較長時間的充電，充電要按說明書中的規(guī)定進(jìn)行，待電池組充電完畢后，進(jìn)行一次放電，放電后再次充電，目的是延長電池的使用壽命，提高電池的活性和充放電特性。
??定期充放電
??UPS蓄電池長期閑置不用或使蓄電池長期處于浮充狀態(tài)而不放電，會導(dǎo)致電池中大量的硫酸鉛吸附到電池的陰極表面，導(dǎo)致內(nèi)阻增大、活性下降，使蓄電池的使用壽命大大縮短。對于市電供電良好的單位，需要每隔三個月進(jìn)行一次“治療性”充、放電過程，即電池帶載放電、再充電操作，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，與以前放電記錄進(jìn)行比較分析電池性能狀況，對電池組整體進(jìn)行維護(hù)檢查，真正遇到市電停電時，才能有效保護(hù)負(fù)載安全。
??嚴(yán)禁深度放電
??蓄電池的使用壽命與蓄電池的放電深度密切相關(guān)。深度放電會造成蓄電池內(nèi)部極板表面硫酸鹽化，導(dǎo)致蓄電池內(nèi)阻增大，嚴(yán)重時會使個別電池出現(xiàn)“反極化”現(xiàn)象和電池的***性損壞。電池的放電深度嚴(yán)重影響電池的使用壽命，非迫不得已，不要讓電池處于深度放電狀態(tài)。
??定期測量電池浮充電壓、內(nèi)阻
??隨著UPS使用時間的延長，總有部分電池的充放電特性會逐漸變壞，內(nèi)阻增大、端電壓明顯下降，需要及時發(fā)現(xiàn)、及時更換，否則會影響整組電池的使用。這種電池的性能不可能在依靠UPS內(nèi)部的充電電路來解決，繼續(xù)使用會存在隱患，需要維護(hù)人員定期進(jìn)行測量檢查每個單體電池的電壓、內(nèi)阻，發(fā)現(xiàn)超出范圍的電池進(jìn)行確認(rèn)、及時更換。
??其他注意事項(xiàng)
??①每次蓄電池組放電后應(yīng)及時充電；
??②不要使蓄電池組被過電流或過電壓充電；
??③蓄電池應(yīng)避免長期擱置不用，也不能長期浮充而不放電。
??蓄電池的智能管理
??蓄電池在正常情況下處于靜態(tài)存放、備用工作狀態(tài)，為防止用戶在完全不知情的情況下，由于市電供電中斷而造成UPS在極短時間內(nèi)進(jìn)入“蓄電池電壓過低自動關(guān)機(jī)”的工作狀態(tài)，從而停止向負(fù)載供電。這就要求維護(hù)人員不僅需要每日按照規(guī)定的時間段進(jìn)行現(xiàn)場巡視外，還需要將蓄電池管理納入UPS監(jiān)控系統(tǒng)，UPS實(shí)時對電池的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并將電池的相關(guān)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到值班室或控制室以便工作人員了解電池的狀態(tài)，以保證電池的工作質(zhì)量。為了提高電池的使用壽命，減少維護(hù)工作，降低維護(hù)成本。應(yīng)建立良好的電池維護(hù)系統(tǒng)，一定要具備：
??1、自動均/浮充轉(zhuǎn)換。即供電正常時對電池進(jìn)行均恒充電。電池放電后自動對電池進(jìn)行均恒充電，當(dāng)電池充滿后，自動轉(zhuǎn)為浮充電。
??2、充電限流。采取先恒流后恒壓的充電方式。充電初期，充電電流較大，UPS根據(jù)所配置的蓄電池電池容量，自動將充電電流限制在0.1～0.2C，對蓄電池進(jìn)行恒流充電，確保蓄電池充電時安全快速。當(dāng)蓄電池容量達(dá)到80%以后，UPS轉(zhuǎn)為浮充電壓對蓄電池進(jìn)行恒壓充電。
??3、后備時間顯示及低電壓報警。當(dāng)UPS由于各種原因切換到蓄電池供電時，用戶需要及時地了解系統(tǒng)的后備時間，且采取相應(yīng)的措施。當(dāng)蓄電池電壓降到低限時，報警通知用戶，然后自動關(guān)機(jī)以防止蓄電池深度放電。
??4、溫度補(bǔ)償。環(huán)境溫度變化時，必須對浮充電壓進(jìn)行校正，校正系數(shù)為18mV/℃（標(biāo)稱12V的電池）。為簡單計，可以分級校正。
??電池靜置時，溫度太高，電池的自放電加劇。電池使用條件推薦為20℃～25℃，溫度太低，電池放電容量降低，充電接受能力下降。溫度太高，反應(yīng)加劇，導(dǎo)致失水，極板腐蝕加劇。電池的充電電壓通過溫度補(bǔ)償來改變，溫度高時，充電電壓降低，使電池處于更佳浮充狀態(tài)。
??因此，保證電池服務(wù)更佳方案是將環(huán)境溫度控制在20℃～25℃，控制放電次數(shù)、放電深度、放電和充電電流以及定時充放電的周期。
??結(jié)束
??以上通過對閥控式密封鉛酸蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的作用、工作原理、配置維護(hù)等方面進(jìn)行進(jìn)行全面分析，并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，提出一些行之有效的方法，幫助用戶提高蓄電池維護(hù)管理水平，更加明確了蓄電池在保障UPS供電系統(tǒng)安全運(yùn)行中的重要作用。