UPS不间断电源系统配套蓄电池

1、引言

计算机已在各行各业得到广泛应用。作为直接关系到计算机软硬件能否安全运行的一个重要因素——电源质量的可靠性应当成为中小企业首要考虑的问题。伴随着计算机的诞生而出现的UPS(Uninterrupted Power Supply)现已被广大计算机用户所接受。UPS主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。目前，UPS正在被广泛地应用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业。

不少电气工程人员在配置电源时，往往比较注重不间断电源(UPS)主机的性能，忽视了对UPS配套蓄电池的选择。不恰当的配套蓄电池选择往往会造成UPS后备时间不足、电池不能放电等事故，严重影响UPS的质量。

2、UPS的工作原理及种类

2.1 UPS的工作原理

UPS电源一般是由常用电源和备用电源通过转换开关组合而成，它们之间由逻辑电路进行控制，以保证在电网正常或停电状态下，整个系统都能可靠地工作。当市电正常时，UPS相当于一台交流稳压电源，它将市电稳压后再供给计算机，与此同时，它还向UPS内蓄电池充电。当市电突然中断时，UPS立刻转为逆变工作状态，小容量的UPS一般能持续供电5～20 min，所以能保证计算机系统的正常退出，使软硬件不受损失。图1为电源UPS原理图。

2.2 UPS的种类

UPS的分类方法多种多样，按功率大小可以分为大中小三种功率容量；按输出波形可以分为方波、梯形波或者正弦波；按输入输出方式可以分为单相入单相出、三相入单相出或三相入三相出；按工作原理还可以分为动态UPS和静态UPS两大类。动态不间断电源是依靠惯性飞轮存储的动能来维持负载电能供应的连续性的，这种不间断电源具有笨重、噪声大、效率低、切换时间长等缺点，已被静态不间断电源所取代。静态UPS以蓄电池组为储能工具，市电正常时交流市电经整流后变为直流电并将电能存储在蓄电池组中，当市电中断时再由逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电来维持向负载供电。根据工作方式的不同，静态UPS又可分为后备式UPS、在线式UPS、在线互动式UPS和Delta变换型UPS四种类型，下面分别加以介绍。

（1）后备式UPS

后备式UPS主要由充电器、蓄电池、逆变器和变压器抽头调压式稳压电源四部分组成。后备式UPS的工作原理如图2所示。后备式UPS具有电路简单、成本低、可靠性高的优点，但是其输出电压稳定精度差，市电掉电时负载供电有一段时间的中断。另外受切换电流和动作时间的限制，输出功率一般较小，一般后备式正弦波输出UPS，容量在2kVA以下，后备式方波输出UPS容量在lkvA以下。

（2）在线互动式UPS

在线互动式UPS，与在线式UPS相比，它省去了整流器和充电器，而由一个身兼二职的逆变器/充电器模块配以蓄电池组构成，其原理框图如图3所示。

在线互动式UPS具有效率高(可达98%以上)、结构简单、成本低、可靠性高的优点，但是它大部分时间由市电直接给负载供电，输出电压质量差，市电掉电时交流旁路开关存在断开时间，导致UPS输出存在一定时间的电能中断。

（3）Delta变换型UPS

Delta变换型UPS又称串并联UPS，它主要由低通滤波器、Delta变换器和主变换器构成，其原理框图如图4所示。

Delta变换型UPS的优点是：①、负载电压由主变换器的输出电压决定，输出电能质量好。②、主变换器和Delta变换器只对输出电压的差值进行调整和补偿，它们承担的最大功率仅为输出功率的20%(相当于输入市电电压的变化范围)，所以整机效率高，功率余量大，系统抗过载能力强。③、输入功率因数高，可达99%，输入谐波电流小。但是Delta变换型UPS主电路和控制电路相对复杂，可靠性差。

（4）在线式UPS

在线式UPS又称串联调整式UPS，目前绝大多数大中型UPS都是在线式的。在线式UPS一般由整流器、充电器、蓄电池组和逆变器等部分组成，其原理框图如图5所示。

在线式UPS的特点是：①、不论市电正常与否，负载都由逆变器供电，所以当市电发生故障的瞬间，UPS的输出电压不会产生任何间断。②、由于UPS逆变器采用高频SPWM调制和输出波形的反馈控制，可以向负载提供电压稳定度高、波形畸变小、频率稳定以及动态响应速度快的高质量的电能。③、全部负载功率都由逆变器提供，输出能力受限制。④、整流器和逆变器都承担全部负载功率，整机效率比较低。

从以上分析可以看出，按技术性能优劣排序，其顺序应为：在线式UPS>Delta变换型UPS>在线互动式UPS>后备式UPS。理想的UPS需要具有以下特性：①、输入有很高的功率因数。②、输出电压的谐波畸变率很低，特别是在非线性负载下的总谐波畸变率。③、输出电压有很高稳定度，包括幅值和频率的稳定。④、系统的动态响应速度非常快。⑤、系统有很强抗过载能力和抗负载冲击能力，包括人为的自然灾害。⑥、系统有低的电磁干扰，低的维护费用，低成本，重量轻，体积小。⑦、可多机并联运行以实现冗余式UPS供电系统。

3、UPS蓄电池的

阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA) Firstpower

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：一种技术是将硫酸电解液与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%；另一种技术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。

4、UPS蓄电池的选择

4.1 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20h率、10h率、8h率、5h率、3h率、1h率、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。这种观点是有偏颇的，因为两种蓄电池具有相同额定容量，只表示它们的10h放电性能一致，但在10min、30min、lh、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10h，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，我们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或恒流放电曲线，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。

（1）功率定型法

这种方法比较简便，根据蓄电池恒功率放电参数表可以快速准确地选出蓄电池型号。首先计算在后备时间内，每个2V的蓄电池至少应向UPS提供的恒功率：

P=Scosφ／(ηN·K)　　　　　　(1)

式中：S---UPS标称输出功率；cosφ---UPS输出功率因数；η　　---逆变器效率；N---在UPS中以12V电池计算时所需的串联电池个数，由UPS正常工作电压确定；K---系数，厂家提供的电池恒功率放电数据表，一般是以2V单元电池为计算基准的，12V／节电池相当于6个2V单元串联，此时取K=6；如果电池厂家提供的电池恒功率放电数据表是以12V单元电池为计算基准的，则K=1。然后确定蓄电池的放电终止电压UT:

UT=Umin／(N*6)　　　　　 (2)

式中：Umin ---UPS最低工作电压

我们可以在厂家提供的UT下的恒功率放电参数表中，找出等于或稍大于P的功率值，这一功率值所对应的型号即能满足UPS系统的要求。如果表中所列的功率值均小于P，可通过多组电池并联来达到功率要求，一般并联不应超过4组。

下面举例说明：例如一台80kVA梅兰日兰UPS后备15min，已知UPS输出功率因数cosφ为0.8，逆变器效率η为0.94，正常工作电压为384V，最低工作电压Umin为320V，则配套蓄电池组N应为32节(384V／12V)12V／节电池串联，根据式(1)得出P=354.6W，根据式(2)得出放电终止电压UT=1.67V。如我们选用Firstpower FP系列电池，根据Firstpower样本提供的在25℃时每单元恒功率放电数据表，查找15min列下等于或稍大于354.6W的功率值为373W，对应的型号为S12V370，其额定容量为100Ah，也就是说，用32节GNB S12V370蓄电池串联，可以满足该UPS系统的要求。如果选用2V／节电池串联，则在2V系列电池的恒功率放电数据表中查出相应型号，整组串联电池数量为6N。

（2）电流定型法

这是根据某一品牌蓄电池的恒流放电曲线来确定蓄电池容量和型号的方法。首先计算UPS系统要求的蓄电池最大放电电流：

Imax=Scosф／(ηUmin)　　　(3)

式(3)中各符号的含义与功率定型法中所定义的相同。在计算出电池串联数量N和放电终止电压UT后，就可以根据UPS要求的后备时间从蓄电池恒流放电曲线中查出放电速率n，然后根据放电速率的定义：n=Imax／C10，得出配置蓄电池的额定容量C10并确定电池型号。

下面仍以80kVA梅兰日兰UPS后备15min系统配套Firstpower l2V电池为例来说明。首先按式(3)计算蓄电池的最大放电电流，Imax =212．8A，由式(2)得出每2V单元的放电终止电压UT=1.67V。在Firstpower恒流放电曲线图中，根据后备时间15min(横坐标)和放电终止电压1.67V(纵坐标)，可得出放电速率n为2.13C(容量)。据此可得电池的额定容量为：C=Imax／n=100Ah(即C10)。100Ah所对应的型号为S12V370，即用32节GNB S12V370电池串联能满足系统要求。

4.2 蓄电池寿命的选择

蓄电池的寿命有两项衡量指标，一是浮充寿命，即在标准温度和连续浮充状态下，蓄电池能放出的最大容量不小于额定容量的80%时所使用的年限；二是80%深度循环充放电次数，即满容量电池放掉额定容量的80%后再充满电，如此可循环使用的次数。

通常，工程技术人员仅注重前者，而忽略了后者。80%深度循环充放电次数代表着蓄电池实际可以使用的次数，在经常停电或市电质量不高的情况下，当蓄电池的实际使用次数已经超过规定的循环充放电次数时，尽管实际使用时间还没达到标定的浮充寿命，但蓄电池其实已经失效，如果不能及时发现则会带来较大的事故隐患。所以，在选择蓄电池时，我们对两项寿命指标都应予以重视，在市电经常中断的条件下，后者就尤为重要。在选择UPS配套蓄电池时，我们应考虑足够的浮充寿命裕量。根据经验，蓄电池的实际使用寿命往往只有标定浮充寿命的50%～80%。这是因为蓄电池实际浮充寿命与定义标准温度、实际环境温度、电池充电电压、使用维护等众多因素有关。当实际环境温度比定义标准环境温度每升高10℃，蓄电池会因为内部化学反应速度增加一倍而导致浮充寿命缩短一半，所以，UPS蓄电池机房应配备空调设备。在定义温度值方面，欧洲标准为20℃，中国、日本、美国等标准为25℃。20℃10年浮充寿命的蓄电池如换算到25℃标准，仅相当于7～8年浮充寿命。

配套蓄电池的标称浮充寿命应该是用我们希望的蓄电池实际使用寿命除以一个寿命系数后所得的数值。这一寿命系数通常凭经验确定，蓄电池可靠性高的可取为0.8，可靠性低的可取为0.5。

4.3 单个蓄电池电压的选择

VRLA按单节电压分有12V／节、6V／节、4V／节和2V／节等四种不同形式。从经济方面来看，UPS正常工作电压一定，选用的电池单节电压越高，电池组所用的串联电池数量越少，配套电池组的价格也越便宜。但从安全性方面来看，选用的电池单节电压越低，整个系统越安全。如果12V／节的电池坏了一节，整个蓄电池后备系统就少了12V，UPS主机就有可能开启低压报警功能使整个UPS系统不能正常工作。所以在选用12V／节蓄电池时，多采用多组并联来达到UPS系统要求，万一有一组出问题，还有其他组的电池可运作。

4.4 蓄电池所能承受的纹波系数

在UPS系统中，蓄电池还起到滤波器的作用，承受UPs输入纹波电压和纹波电流的冲击。如果所选蓄电池承受纹波系数的能力较差，而纹波系数又比较大，则会使蓄电池过早地失效而引起不能放电的事故。IEC蓄电池标准规定，VRLA应能承受0.5%的纹波系数，但使用UPS的场合，纹波系数都比较大，有的甚至达到2%，所以应对蓄电池的可承受纹波系数按实际情况提出要求。

4.5 蓄电池性能均一性

从理论上讲，蓄电池的电压、内阻、寿命等性能应该是一致的，可以无限多组数地进行并联以达到要求的容量。但在实际生产过程中，由于所用材料纯度、生产工艺、工作人员、生产环境温度等差异，同一条流水线上制造的蓄电池通常在性能上有一定的差异，即使同一品牌同一型号相同生产日期生产的蓄电池，性能也不可能做得完全一致，这一点可以通过测量比较蓄电池的单节开路电压看出来。

工程人员通常采用便宜的小容量电池多组并联来达到UPS要求的较大蓄电池容量，如果采用性能均一性较差的电池多组并联，性能差、电压低的电池组就会将性能好的蓄电池组拖垮，导致整套UPS蓄电池系统提前失效。目前性能均一性主要根据蓄电池电压均一性来衡量，国内有多种标准要求，例如信息产业部YD／T 799--1996标准要求为：25℃时整组蓄电池2V单元浮充电压差不大于±50mV，开路电压差不大于±20mV；电力部DL／T637--1997标准要求是：25℃时，如电池系统采用2V／节电池，开路电压最高的一节与最低的一节差异不超过30mV，6V／节电池不超过40mV，12V／节电池则不超过60mV。一般蓄电池并联组数不应超过4组，为防止整套蓄电池系统的提前失效，在选择蓄电池时，应该在性能均一性方面提出要求。当确定了蓄电池型号之后，在一套UPS系统中最好要求厂家提供同一批次的蓄电池产品，以减小性能方面的差异。同样道理，不同品牌或者新旧程度不同的蓄电池，由于存在较大的性能差异，建议不要混合使用。最后，要特别指出的是即使选择了恰当的VRLA，也需要进行一些必要的日常维护和管理，避免蓄电池过早失效。

5、UPS蓄电池的维护

随着科技的不断发展，UPS的性能越来越好，平均无故障工作时间越来越长，整机的可靠性越来越高。做好UPS中消耗品蓄电池的维护变得尤为重要。

5.1 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。

5.2 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。

5.3 严禁深度放电

密封免维护蓄电池的使用寿命与蓄电池的放电深度密切相关。放电深度是指用户在蓄电池使用的过程中，电池放出的安时数占它的标称容量安时数的百分比。深度放电会造成蓄电池内部极板表面硫酸盐化，导致蓄电池的内阻增大，严重时会使个别电池出现“反极”现象和电池的永久性损坏。电池的放电深度严重影响电池的使用寿命，非迫不得已，不要让电池处于深度放电状态。

5.4 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。

5.5 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。

5.6 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。

5.7 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。

5.8 蓄电池的使用环境

电池的使用寿命与环境温度密切相关，电池处于较低温度时，蓄电池中的锌板容易粉化，失去蓄电性能，造成永久性损坏。温度过高时，电池的容量也会下降，严重的会造成永久性损坏。根据电池生产厂家的技术规范，电池的最佳使用温度是20～25℃，在该温度范围使用，可延长电池的使用寿命。

6、结束语

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。以往的维护，一般都是将一组电池全部更换，这样做浪费很大。实践中我们发现，更换的一组电池中多半是可以再利用的，只有少数电池单元不可靠、不具备支持UPS正常工作的条件。因此，将能利用的电池再利用可以为单位节约资金，降低成本。

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，为自控系统的稳定运行，为单位的稳定生产提供可靠的保障。

产品技术参数

1．放电

(表1)放电电流及放电终止电压

1）电池不宜放电至低于预定的终止电压，否则将导致过放电，而反复的过放电则会导致容量难以恢复，为达到最好的工作效率，放电应0.05-2C之间，放电终止电压如上表1所示。

2）放电后请迅速充电，特别是在深放电后更应立即充电，否则将可能导致电池容量无法恢复。

3）放电时请将电池温度控制在-15～50℃。

2．电池容量保持

以下因素将影响电池的使用寿命:

(1)重复的深放电，尤其是重复的浅充电后的深放电

(2)使用环境温度过高

(3)过充电，特别是涓涓浮充充电

(4)过大的充电电流.

(5)充好电的电池如果长时间未使用，特别是在高温环境下，将会导致自放电的加速和容量的减少。

3．电池的贮存

蓄电池应贮存在低温，干燥,通风，清洁的环境中，避免热源、火源、阳光直射，充足电存放，而每3-6个月补充电一次。

4．安装使用

(1)使用前请检查蓄电池的外观

(2)蓄电池的安装必须由专业人士来进行。

(3)电池不可在密闭或者高温的环境下使用（建议循环使用温度为-5～35℃.)

(4)安装搬运电池时应均匀受力，受力处应为蓄电池的壳部分，避免损伤极柱。

(5)电池在多只并联使用时，请按电池标识“+”、“－”极性依次排列，电池之间的距离不能小于－15mm。

(6)在电池连接过程中，请戴好防护手套，使用扭矩扳手等金属工具时，请将金属工具进行绝缘包装，绝对避免将金属工具同时接触到电池正、负端子.

(7)若需要电池并联使用，一般不要超过三组（只）并联.

(8)和外接设备连接之前，使设备处于断开状态，然后再将蓄电池（组）的正极连接设备的正极，蓄电池（组）的负极连接设备的负极端，并紧固好连接线。

5．注意事项

(1)非专业人士不得打开蓄电池，以免危险，如不慎电池壳破裂，接触到硫酸，请用大量清水冲洗，必要时请就医。

(2)使用多个电池时，要注意电池间的连线正确无误，注意不要短路。

(3)使用过程中应避免强烈震动或机械损伤

(4)使用上、下带有通气孔的电池容器以便散热。

(5)请不要让雨水淋到蓄电池，或者将电池浸入水中。

(6)电池的清扫请用尽量拧干的湿抹布进行，请不要使用干布或掸子等，请勿使用化学清洗剂清洗电池。

(7)请勿在同箱中混用容量不同，新旧不同，厂家不同的电池。