1.multipower铅酸蓄电池

 

　　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，近年来发展很快。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。

 

1.multipower阀控铅酸电池的简单工作原理

 

　　所谓“阀控”又俗称全密封免维护，就是利用电池加液口上的一个控制阀（盖）来控制电池内部的压力，尽量减少内部由于化学反应而造成的水分损失，以延长电池的使用寿命。因为电池在化学反映中释放气体，使电池内部气压升高，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。这些气体是如何产生的，又如何控制气体的产生速度、如何控制电池内部的压力，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：

 

                 （1）

 

　　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，这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：

 

　　2H2O→O2↑+4H++4e-                                                    (2)

 

　　生成的氧气传到负极板上，与绒状铅反应生成氧化铅：

 

　　2Pb+O2→2PbO                                                          (3)

 

　　氧化铅进一步与附近的硫酸反应，生成硫酸铅：

 

　　2PbO+2H2SO4→2PbSO4+2H2O                                             (4)

 

　　硫酸铅正好是负极放电的产物，充电时转化成绒状铅，即

 

　　2PbSO4+4H++4e-→2Pb+2H2SO4                                             (5)

 

　　负极板上的总反应应该是式(3)+(4)+(5)，即

 

　　O2+4H++4e-→2H2O                                                       (6)

 

　　这正是反应式(2)的逆反应。{{分页}}

 

　　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，化学成分并没有发生变化，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，都会使电池内部的反应超过设计要求，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，都难以保证上述的理想情况，这就造成了设计寿命和使用寿命的不一致。

 

　　由上面的讨论可见，初期选择电池的质量和保证使用条件是非常重要的。

 

2.电池的使用条件

 

　　(1)充电电压和电流   电池的充电，一般要求在25ºC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。当环境温度低于25ºC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/ºC/单格，也就是说，温度每升高1ºC，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/ºC/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25ºC时为2.45V/单格，也作为均充电压。同样，对于不同品牌的电池也有不同的均充电压值。

 

 

 

图1 充电电压与温度的关系

 

　　图1给出了充电电压与温度的关系曲线。由图中可以看出，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尽相同。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}}

 

　　如果按0.05C即0.5A放电时，可放20h，放出10Ah的容量；

 

　　如果按0.4C即4A放电时，可放2h，放出8Ah的容量；

 

　　如果按1C即10A放电时，可放0.5h，放出5Ah的容量；

 

　　如果按3C即30A放电时，可放0.025h，放出2.5Ah的容量。

 

　　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。

 

　　一般放电电流的计算式是：

 

　　                                              （7）

 

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；

 

      P——UPS的额定输出功率，VA；

 

      PF——UPS的输出功率因数；

 

      η——逆变器的效率；

 

      Umin——逆变器关机电压，Vo

 

　　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意图

 

　　图2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，如图中的C1、C2、C3等，以容量的大小从左向右排列。查表时，将由上式算得的放电电流值ID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1 SENRY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ID：

 

 

 

　　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，用此方法也可求出其他品牌电池的容量。可以发现，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电池的放电表上可以找到相应的容量，但因价格太贵，用户又不想选用，这种情况下就可以采用几组12V电池并联的方法。比如后备时间仍是2h，由上表可以看到，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。但是有一点值得注意，一般说并联数最好不要超过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：

 

　　U=317V/(6单格X32块)=1.65V/单格

 

　　因此，这就产生了误差；其三，由于厂家提供的放电表是在25ºC的典型值，所以在不同的温度，电池放出的容量也不一样。做这样讨论的目的是，由于电池的选择受好多因素的影响，不可能一丝一毫地去强求。

 

　　②恒功率法。有的电池厂家提供的是恒功率放电表，这时就必须求出放电功率，然后再对照查表。

 

　　放电功率PDW(W)的计算式为

 

　　                                                     （8）

 

式中  P——UPS的额定输出功率，VA；

 

      PF——UPS的输出功率因数；

 

      η——逆变器效率。

 

　　恒功率放电表的形式和表（1）一模一样，不过方格内一个填的是电流一个填的是功率罢了。查的方法也和电流的一样。不过尚有一点需要注意，即用恒电流法和用恒功率法得出的电池容量不一样，有时还差的比较多。理论上讲，随便取哪一个结果都可以，但如果把握不大，就取容量大的那一个就可以了。

 

　　还有的恒功率放电表中的放电功率指的是每一个2V单元，比如FIAMM、哈根等，如果正好采用的是2V电池，就可以直接应用查出的结果。否则，就要把查得的结果变成12V的组合，但手续要繁一些，因为：

 

　　a.首先要预先选一个容量的电池；

 

　　b.查出该电池在要求时间的单元放电功率P；

 

　　c.用单元放电功率P去除计算出的功率PDW得出电池单元数N；

 

　　d.然后再用6去除电池单元数N，得出12V电池数n；

 

　　e.最后UPS电池组中所含12V电池的数量m去除上面得出12V电池数n；看是否可以整除，否则就要重新选择电池的容量，还要重复a~e的程序。{{分页}}

 

　　当然还有其他的求法，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，由于这些方法不太常用，在此不做讨论。

 

2.镉镍蓄电池

 

1.概述

 

　　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，并且可以用不同的板极结构来适应不同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~+45ºC环境下使用。

 

　　但因其造价比铅酸蓄电池高，故在UPS中的应用受到了一定限制。

 

2.碱性蓄电池的结构和工作原理

 

　　(1)电池的结构  电池由正极活性物质、负极活性物质分别包在穿孔钢带中经加工而成为正极板组和负极板组，以绝缘物隔离正负板极，而后组装在铁质或塑料外壳内。电池盖上留有注液口，平时装有顶端带出气孔的塑料气塞，需注入电解液时可以随时打开，也是释放电池反应过程中所产生气体的通道。

 

　　(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，所以在使用中需要进行组合。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：

 

　　                  (9)

 

　　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

 

　　①在正极板上

 

    40H-→2H2O+4e-                                         （氧析出）

 

　　②在负极板上

 

    4H2O+4e-→2H2+4OH-                                    （氧析出）

 

　　氢氧的析出就意味着水的损失，就意味着电池容量的下降。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

 

　　一般碱性蓄电池有低倍率和高倍率之分，比如镉镍低倍率电池适用于0.1~0.5C5A电流放电；中倍率电池适用于0.5~3.5C5A电流放电；其中C5是5h放电时的容量。

 

　　(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进行组合。

 

　　(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，因此大大降低了水的损耗。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%。这就意味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20ºC时不同浮充电压和免维护周期的关系。

 

 

 

图3 ALCAD Vantage电池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  不同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20ºC时以0.2C5A充电8h）。