蓄電池在UPS供電系統(tǒng)的應(yīng)用與管理
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(chǔ)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(duì)蓄電池特性的了解，正確選配和使用蓄電池，盡可能地延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。同時(shí)，如何管理蓄電池成為各個(gè)UPS廠(chǎng)家及行業(yè)用戶(hù)重點(diǎn)研究的問(wèn)題。
以下對(duì)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(chǔ)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(shí)間內(nèi)正常用電。
在市電正常供電時(shí)，電池在整流－充電電路中儲(chǔ)存電能，同時(shí)對(duì)直流電路起到平滑濾波的作用，并在逆變器發(fā)生過(guò)載時(shí)，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(duì)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(wèn)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(jiàn)，加強(qiáng)對(duì)UPS電池的正確使用與維護(hù)，對(duì)延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，降低UPS供電系統(tǒng)故障率，有著越來(lái)越重要的意義。
蓄電池的種類(lèi)
蓄電池在UPS中已得到廣泛的應(yīng)用，其品種繁多，型號(hào)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(lèi)：
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(guò)氧化鋁PbO2構(gòu)成，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)貯存電荷，起到電池儲(chǔ)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(guò)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(kāi)口式結(jié)構(gòu)，電池在使用過(guò)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(xiǎn)性，維護(hù)時(shí)需要加水、加酸，已逐漸被市場(chǎng)淘汰�，F(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(shí)正極板上產(chǎn)生的氧氣，通過(guò)再化合反應(yīng)在負(fù)極板上還原成水，使用時(shí)在規(guī)定浮充壽命期內(nèi)不必加水維護(hù)，所以又稱(chēng)為免維護(hù)鉛酸蓄電池�？梢�(jiàn)，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(lèi)，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(guó)的陽(yáng)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(jì)，在電池的上蓋中設(shè)置了一個(gè)單向的安全閥。由于采用無(wú)銻的鉛鈣錫鋁四元合金，提高了負(fù)極析氫過(guò)電位，從而抑制氫氣的析出，同時(shí)，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(lái)“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(duì)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(guò)這部分孔隙到達(dá)負(fù)極而被負(fù)極吸收的。對(duì)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(shuō)蓄電池是這個(gè)系統(tǒng)的支柱。沒(méi)有蓄電池的UPS只能稱(chēng)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�。在設(shè)計(jì)UPS時(shí)，首先應(yīng)考慮選擇什么型號(hào)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(shí)間、蓄電池工作環(huán)境溫度、蓄電池儲(chǔ)存時(shí)間的長(zhǎng)短、負(fù)載種類(lèi)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(shí)，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(guò)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(chǔ)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(shí)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(shí)都處于浮充狀態(tài)，此時(shí)蓄電池內(nèi)部仍進(jìn)行著復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換。浮充過(guò)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(yáng)光、加熱或輻射熱源的影響，讓電池有一個(gè)良好的工作、儲(chǔ)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(huì)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第一次充電，稱(chēng)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(zhǎng)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(shí)，則應(yīng)對(duì)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(guò)程中，會(huì)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(kāi)路電壓判斷電池的剩余容量，然后采用不同的方法對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。對(duì)備用擱置的蓄電池，每3個(gè)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(lái)越好，平均無(wú)故障時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，整機(jī)的可靠性越來(lái)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(zhǎng)時(shí)間的充電，充電要按說(shuō)明書(shū)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(zhǎng)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(zhǎng)期閑置不用或使蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)而不放電，會(huì)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(duì)于市電供電良好的單位，需要每隔三個(gè)月進(jìn)行一次“治療性”充、放電過(guò)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(duì)電池組整體進(jìn)行維護(hù)檢查，真正遇到市電停電時(shí)，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(huì)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(shí)會(huì)使個(gè)別電池出現(xiàn)“反極化”現(xiàn)象和電池的永久性損壞。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(cè)量電池浮充電壓、內(nèi)阻
隨著UPS使用時(shí)間的延長(zhǎng)，總有部分電池的充放電特性會(huì)逐漸變壞，內(nèi)阻增大、端電壓明顯下降，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)更換，否則會(huì)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(lái)解決，繼續(xù)使用會(huì)存在隱患，需要維護(hù)人員定期進(jìn)行測(cè)量檢查每個(gè)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(shí)更換。
其他注意事項(xiàng)
①每次蓄電池組放電后應(yīng)及時(shí)充電；
②不要使蓄電池組被過(guò)電流或過(guò)電壓充電；
③蓄電池應(yīng)避免長(zhǎng)期擱置不用，也不能長(zhǎng)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(hù)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(shí)間內(nèi)進(jìn)入“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)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(shí)間段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視外，還需要將蓄電池管理納入U(xiǎn)PS監(jiān)控系統(tǒng)，UPS實(shí)時(shí)對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將電池的相關(guān)信息通過(guò)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(dòng)均/浮充轉(zhuǎn)換。即供電正常時(shí)對(duì)電池進(jìn)行均恒充電。電池放電后自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行均恒充電，當(dāng)電池充滿(mǎn)后，自動(dòng)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(dòng)將充電電流限制在0.1～0.2C，對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電，確保蓄電池充電時(shí)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(duì)蓄電池進(jìn)行恒壓充電。
3、后備時(shí)間顯示及低電壓報(bào)警。當(dāng)UPS由于各種原因切換到蓄電池供電時(shí)，用戶(hù)需要及時(shí)地了解系統(tǒng)的后備時(shí)間，且采取相應(yīng)的措施。當(dāng)蓄電池電壓降到低限時(shí)，報(bào)警通知用戶(hù)，然后自動(dòng)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(shí)，必須對(duì)浮充電壓進(jìn)行校正，校正系數(shù)為18mV/℃（標(biāo)稱(chēng)12V的電池）。為簡(jiǎn)單計(jì)，可以分級(jí)校正。
電池靜置時(shí)，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(guò)溫度補(bǔ)償來(lái)改變，溫度高時(shí)，充電電壓降低，使電池處于最佳浮充狀態(tài)。
因此，保證電池服務(wù)最佳方案是將環(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(shí)充放電的周期。
結(jié)束
以上通過(guò)對(duì)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(hù)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。
