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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,往往比较注重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往往会造成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。

   一、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。近期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推广。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。

二、UPS蓄电池的选择与维护

   (一)蓄电池容量(Ah)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。

 (二)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期地(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℃-25℃之间,低于15℃时,其放电容量下降,温度每降低1℃,其容量下降1%,而温度过高(大于30℃)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)定期充放电
   UPS电源内部的蓄电池长期闲置不用或使蓄电池长期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。
   5)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。
   6)尽量避免蓄电池过压充电
   过压充电往往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。
   7)更换活性下降、内阻过大的电池
   (1)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。
   (2)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10~30mΩ,如电池的内阻超过200mΩ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;而对于新电池,内阻较小,充电电压小但电流偏大,又容易造成过流现象,所以在充放电过程中应避免新旧电池混充。
   还有由于组合电池电压很高,存在电击危险,因此装卸导电连接条、输出线时应有安全保障;特性,延长使用寿命;搬运电池时不要触动极柱和安全排气阀;不能用二氧化碳灭火器,一旦发生火灾,可用四氧化碳之类的灭火器;不能把不同容量、不同厂家、不同性能的电池联在一起,否则会影响整组蓄电池的性能。同时,要定期对电池进行检查、测量,并做好记录。检查项目包括:整组电池的浮充电压,单体电池浮充电压,测单体电池电压时,应在电池放电状态下进行,否则测得的结果会是假电压,经验作法是在测量时,万用表两端并联一个1-3欧姆的电阻丝;检查电池是否损坏,壳、盖间有无泄漏,表面是否有灰尘等杂物,电池架、连接线、端子是否有松动或锈蚀等。单体电池电压不能低于标称值的70%,判断是漏液还是酸雾的标志是观察极柱是否有晶体淅出,有晶体淅出证明是漏液现象,否则是酸雾,漏液主要集中在蓄电池正、负极接线端子处,酸雾溢出主要是排气阀附近。一旦当发现电池电压异常、物理损伤、电解液泄漏、温度异常等现象,应找出原因并及时更换有故障的蓄电池。
   总之做好电池的维护工作,可以减少UPS的故障,提高生产的稳定性。通过对电池的维护可以提高电池的使用寿命。随着UPS电源的不断发展,智能化程度越来越高,对电池组的充放电、过压、过流等现象,都可以进行实时监控,减少不必要的损失,提高UPS的可维护性,为系统的稳定运行,为单位的稳定生产提供可靠的保障。

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