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人们常说的免维护蓄电池正规名称叫做阀控式密封铅酸蓄电池。阀控式密封铅酸蓄电池从外表看，有外壳、阀盖、接线端子。接线端子周边的密封材料分别用红色和黑色(或者蓝色)来表明正极和负极。 12V的电池内部分为6个独立的相互隔绝的单格，每个单格内有用各自的汇流导体连接的正极板群和负极板群。铅酸蓄电池的极板犹如钢筋水泥的结构，是在合金丝的筛网状的骨架上涂敷（或者轧制）活性物质形成的：正极板上的物质是二氧化铅（PbO2），负极板上的物质是绒状铅（Pb）。每一个正、负极板之间都隔着多孔的超细纤维物质（也有使用二氧化硅胶物质填充的），其中吸附着硫酸（H2SO4）电解液，这个纤维物质（或硅胶物质）是电化学反应过程中液相传输和气相传输的通道，它和正、负极板群被紧密地装配在一起，形成一个2V的电池单体。由于铅酸蓄电池在充电时极板不可避免的会产生氢气和氧气，当它们产生的过多并且来不及化和成水的时候就会在单格内形成压力。为了保证蓄电池正常安全的工作，每个单格都设有自己的溢气阀，当压力过量时让气体自动逸出。相对于电池槽里装满电解液体的富液电池而言，阀控式密封铅酸蓄电池内部只蕴含着很少的电解液，属于贫液电池。尽管如此，由于设计时电解液有一定的冗余，并且在溢气阀压力的保护下只要使用合理，由气体逸出造成的水损失极小，以至阀控蓄电池的电解液在寿命过程中基本不用补充，因此阀控式密封铅酸蓄电池也被称为免维护蓄电池。蓄电池的电压多少伏算正常？人们常说：这个蓄电池电压是12V的。这里所说的12V是指蓄电池的最基本参数标称电势（单位V）。一个铅酸蓄电池单格标称电势为2V，由6个单格串连起来的蓄电池标称电势就是12V。电动车使用的电源一般都是用2到5个12V的蓄电池串连组成24V、36V、48V、60V电池组，这里都是指蓄电池组的标称电势，它是由蓄电池所采用活性物质的特性决定的理论值。实际上，不同的状况下蓄电池的电压和标称电势存在差异。比如：一个标称电势为12V的正常的铅酸蓄电池在充电过程的末期，充电极化达到最大值，电压可以达到14.4V或更高一点；在放电将终了时，放电极化达到最大值，电压可以低到9V左右。而充电或者放电停止并且静置数小时后，极化电压（浓度极化）完全消失，这个12V的蓄电池的电势可以在13.8V（充满后）至11V（放完后）之间，此时的差异是蓄电池内部的活性物质状态的改变造成的。电池容量（Ah）的含义是什么？蓄电池的额定容量C，单位安时（Ah），它是放电电流安（A）和放电时间小时（h）的乘积。由于对同一个电池采用不同的放电参数所得出的Ah是不同的，为了便于对电池容量进行描述、测量和比较，必须事先设定统一的条件。实践中，电池容量被定义为：用设定的电流把电池放电至设定的电压所给出的电量。也可以说电池容量是：用设定的电流把电池放电至设定的电压所经历的时间和这个电流的乘积。为了设定统一的条件，首先根据电池构造特征和用途的差异，设定了若干个放电时率，最常见的有20小时、10小时时率、电动车专用电池为2小时率，写做C20、C10和C2，其中C代表电池容量，后面跟随的数字表示该类电池以某种强度的电流放电到设定电压的小时数。于是，用容量除小时数即得出额定放电电流。也就是说，容量相同而放电时率不同的电池，它们的标称放电电流却相差甚远。比如，一个电动自行车用的电池容量10Ah、放电时率为2小时，写做10Ah2，它的额定放电电流为10（Ah）/ 2（h）=5A；而一个汽车启动用的电池容量为54Ah、放电时率为20小时，写做54Ah20，它的额定放电电流仅为54（Ah）/ 20（h）=2.7A！换一个角度讲，这两种电池如果分别用5A和2.7A的电流放电，则应该分别能持续2小时和20小时才下降到设定的电压。上述所谓设定的电压是指终止电压（单位V）。终止电压可以简单的理解为：放电时电池电压下降到不至于造成损坏的最低限度值。终止电压值不是固定不变的，它随着放电电流的增大而降低，同一个蓄电池放电电流越大，终止电压可以越低，反之应该越高。也就是说，大电流放电时容许蓄电池电压下降到较低的值，而小电流放电就不行，否则会造成损害。电池在工作中的电流强度还常常使用倍率来表示，写做NCh 。N是一个倍数，C代表容量的安时数，h 表示放电时率规定的小时数。在这里h的数值仅作为提示相关电池是属于那种放电时率，所以在具体描述某个时率的电池时，倍率常常写成NC的形式而不写下标。倍数N乘以容量C就等于电流A。比如20Ah电池采用0.5C倍率放电，0.520=10A。换一个角度举例：某汽车启动蓄电池容量54Ah，测得输出电流为5.4A，那么它此时的放电倍率N为5.4 / 54=0.1C 。铅酸蓄电池的工作原理1、铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质-氢氧化铅（Pb(OH)4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4）留在正极板上，故正极板上缺少电子铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如右图所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。2、铅酸蓄电池放电过程的电化反应铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。同时在电池内部进行化学反应。负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb2）与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板的铅离子（Pb4）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价铅离子（Pb2），与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板水解出的氧离子（O-2）与电解液中的氢离子（H）反应，生成稳定物质水。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。放电时H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO4）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。3、铅酸蓄电池充电过程的电化反应充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2）和硫酸根负离子（SO4-2），由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb2）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb4），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO2）。在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2）和硫酸根负离子（SO4-2），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb2）被中和为铅（Pb），并以绒状铅附着在负极板上。电解液中，正极不断产生游离的氢离子（H）和硫酸根离子（SO4-2），负极不断产生硫酸根离子（SO4-2），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。 4、铅酸蓄电池充放电后电解液的变化从上面可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。从上面可以看出，铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。 免维护铅酸蓄电池的使用与维护近年来，随着电力系统两网改造的深入，使用开关电源技术制造的高频开关电源和免维护铅酸蓄电池有了较广泛的应用。但由于运行经验不足，对直流电源尤其是蓄电池的维护不到位，使得直流电源的可靠性得不到有效保证。（1） 存在问题 2001年8月，系统某110kV变电所发生火灾，高压室严重烧毁。事后调查发现，当交流失压后，二次系统失去电源，保护装置无法动作，后经检查直流电源系统，发现有8只蓄电池的端电压几乎为零，这8只蓄电池内阻很大，直流无法输出，使事故扩大。直流电源装置中的关键设备是蓄电池组，事故暴露出运行人员在直流电源，尤其是蓄电池维护方面知识的欠缺，错误地认为免维护蓄电池就不必维护，因而没有定期对蓄电池进行均衡充电，使电池一直工作在浮充状态，单体电池的电压和容量出现的不平衡现象没有得到及时处理，致使电池损坏，直流装置如同虚设。（2） 2 蓄电池的特性（3）（4） 2.1 铅酸蓄电池的工作原理（5）（6） UPS中蓄电池大多采用铅酸蓄电池（下同），蓄电池是一种将化学能和电能相互转化的装置，蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来，蓄电池阳极的活性物质是二氧化铅（PbO2）阴极的活性物质是是铅(Pb)，电解液是稀硫酸(H2SO4).其化学反应式（7） （8）（9） 电池是由单个的“原电池”组成，每个原电池的电压大约是2V，一个12V的电池由6个原电池组成。 （10）（11） 2.2 免维护（12）（13） 封密式免维护铅酸蓄电池，具有敞口式铅酸蓄电池所有的优点，所谓免维护，是相对敞口式电池需要经常加水而言的。整个蓄电池是全封闭的（电池的氧化还原反应均在密闭的外壳内部循环进行），因此免维电池没有“有害气体”溢出。不需进行加水等日常的运行维护。可以安装在主机房，适合无人之手值守机房。 （14）（15） 2.3 电池容量与放电率的关系（16）（17） 蓄电池的容量是指它的蓄电能力。它是以充足了电的蓄电池，放电至规定的终止电压的电量。标准YD/T799-2002规定2V、6V、 12V密封蓄电池的额定容量均为标准温度下（25）10小时放电率（I=0.1C10A）的容量。该标准明确指出6V、12V蓄电池的容量以10h放电率为基准。但是老的行业惯例并且目前绝大部分厂家为：对于2V电池，是以10小时放电率（I=0.1C10A）来定义容量，而对于6V和12V电池，则以 20小时放电率（I=0.05C20A）的容量。（18） 放电率与容量的关系：蓄电池放出的容量随放电电流的增大而减少。高放电过程是极板表面的有效物质发生强制性的变化，生成的硫酸铅很容易堵塞极板上的小孔，极板深层的有效物质就没有参加化学反应。这样蓄电池的内阻增大，电压下降就快，使电池不能放出全部的容量。（19） 10h放电率放出容量为100，20h放电率放出容量为105，而3h放电率放出容量为75，1h放电率放出容量为52。放电电流与容量的关系可由下式决定：（20） Q=Q0(I/I0)n-1（21） 式中Q I放电电流时的容量（Ah）（22） Q0 10h放电率时的额定容量（Ah）（23） I0 10h放电率的额定放电电流（A）（24） I非10h放电率的放电电流（A）（25） n蓄电池放电容量指数，其值为I/I03n=1.313; I/I03, n=1.414（26） 以上意味着以10h放电率定义容量的蓄电池比20h放电率定义容量的电池的容量更足一些。在其它条件相同的条件下，则前者的成本更高些。（27）（28） 2.4 温度与容量的关系（29）（30） 一般情况下，容量与温度有如下关系：（31） C25-25时蓄电池的放电容量（Ah）（32） Ct-t时蓄电池的放电容量（Ah）（33） t-电解液的平均温度（）（34） 上式适应电解液温度为1535。若温度低于，则容量减少更为显著，当温度超过35时，则容量反而减少。（35） 特别对于室外型UPS用的蓄电池，如果需要尽可能充分利用蓄电池的容量，必须改善电池的外壳温度。（36）（37） 2.5 电解液数量和浓度与容量的关系（38）（39） 适当增加电解液数量和提高电解液的浓度，可以增加电池的容量，但必须在允许范围，否则会加速极板的腐蚀，缩短电池的寿命。（40）（41） 2.6 极板面积与容量的关系（42）（43） 对于一定厚度的极板，面积越大，参加反应的有效物质越多，电池的容量越大。（44）（45） 2.7 欠充电与容量的关系（46）（47） 几次欠充电后，极板深层的硫酸铅不能还原，负极板将硫化，极板的有效物质减少则电池容量减少，所以电池不能长期处于欠充电状态。对于配置电池容量较大的长延时UPS特别在停电比较频繁的地方使用，充电器的容量必须足够。（48）（49） 2.8 放电率与终止电压的关系（50）（51） 蓄电池放电时电压不能低于终止电压，否则会损害电池寿命。放电电流与终止电压关系如下表：（52） （53）（54）（55） 2.9 浮充与均充（56）（57） 由于电解液和极板中存在有杂质，这种杂质会在极板上形成局部放电，这种局部放电现象就是“自放电”，自放电随电池的老化程度而加剧。浮充电就是将充足电的蓄电池组与充电器同时并接在直流母线上，以补充电池的自放电，大体上使蓄电池经常保持在充满电的状态。浮充电的电压各个厂家稍有不同，在2.15 0.05左右，浮充电流可按（58） I=0.0009Q0（59） 式中I是浮充所需要的电流值（A），Q0是蓄电池的额定容量(Ah）。该电流值只是用于补充自放电的损失，如果电池没有充满，则该电流需要增大。（60） 以浮充电进行运行的蓄电池，由于电池组中每个电池的不均衡性造成每个电池的自放电是不一样的，而对电池组的浮充电流是一致的，结果会出现部分电池处于欠充电状态。 （61） 为了使蓄电池组中每个电池处于健康状态，一定的时间后必须对电池进行一次均充。均衡充电过程就是使蓄电池容量的恢复过程。均衡充电电压一般保持在2.35V.（62） 对于大部分中小容量UPS，采用的先限流后衡压的充电方式，限流值是根据充电器本身和电池容量而定的，不超过充电器的电流最大输出能力和0.25 C10 A的充电电流。至于限压值一般处于浮充和均充电压值之间的一个值，这个也与一些电池厂家表明不需要均充的说法一致。（63） 长期的均充（高压充电）容易造成电池过充，易使电池发热鼓包，从而缩短电池的使用寿命。只浮充不均充便会使电池欠充，造成个别电池落后。（64） 不同的电池有一个最佳的浮充电压（一定的温度下），有一定时间的均充效果更好。充电时间取决于放电量、充电电流和温度。（65）（66） 2.10 电池寿命与放电深度（67）（68） 电池的使用寿命与电池的放电深度密切相关，对于标称寿命为35年密封电池而言，其关系如下表：（69） （70）（71） 因此为了延长电池的使用寿命，非迫不得已，不要让电池处于深度放电状态，一般UPS厂家设计方案，当UPS处于满载或半载条件下放电到自动关机的电池的放电深度为50%左右（标机深度浅，长机深度深），如果UPS电源在过度轻载（放电电流小于005 C20 A）放电到UPS电源自动关机，则电池会因为深度放电而提早损坏。也是UPS厂家建议用户配置负载不要太轻的原因之一。当然，高档次的UPS除了有长机和标机有不同的终止电压，还有根据负载的大小来决定终止电压。有效的延长电池的使用寿命。（72） 另外将UPS的交流输入电压范围拓宽，可以有效的减少电池的放电次数， （73）（74） 3 UPS电源中蓄电池容量的配置（75）（76） 3.1UPS中电池电压设定（77）（78） 一般来说，UPS中的标称电池电压（或12V电池的个数）没有哪个标准规定，是厂家根据采用的电路拓扑需要、机箱结构、功率等级、成本需要等来设计的。（79） 后备式方波输出的UPS，一般采用12V或24V电池，经过推挽及变压器升压得到220V的交流方波。一般功率在1kVA以下。在线互动式一般采用24V或48V的电池。（80） 单进单出传统在线式，一般采用16节*12V=192V，充电电压为216V左右，因为该电压与低限值交流整流后的电压相当（75%*220*1.414*0.9=210V）。以315kVA单进单出机器居多。（81） 对于三进单出的传统电路结构，一般先采用自耦变压器（或隔离变压器）降压，也适用16节*12V=192V或者32节384V。（82） 至于三进三出机器，则电池电压等级更多，有348V、360V、576V、720V。（83） 对于小功率高频机器，1kVA的电池电压以36V的居多，也有24V或48V的，2kVA一般为72V，也有2kVA和3kVA为了电池兼容，都采用96V的。原则是采用N个7AH的电池满足标机的时间（510分钟）需要，以达到最佳性价比。（84）（85） 3.2 UPS中电池容量的配置计算（86）（87） 我们知道，电池实际可使用的容量与放电电流大小、环境温度、电池的新旧等有关。要想精确计算容量是很难的事情。（88） 假设放电过程中为恒功率放电，（UPS输出功率不变，尽管逆变效率在变，但为了计算方便，忽略不计），在放电初期，电池电压高，放电电流小，此时逆变的效率也高。相反，在放电将要终止时，电池电压低，放电电流大。也就是在放电过程中电流是变化的，并且从电池的放电特性曲线看，不同的放电电流，电池的端电压也不同，工程设计公式为：（89） （90）（91） P是UPS的标称输出功率（VA），cos是用户负载的功率因数，一般取为0.7。是UPS的逆变效率, N是电池个数，E是电池放电电压(V)，可以设定为12V(刚开始放电时电压高于12V，放电终止前电压低于12V，但是整个放电过程在12V左右支持时间最长).（92） 在得出电流后，根据用户需要的支持时间，I*t=Ah,便可以得到需要的安时数，然后再根据放电特性曲线或特性表进行修正。（93） 考虑到绝大多数用户实际使用的负载一般为额定值的5080%，因此很多UPS代理商一般按照80%甚至60%计算。因此有两种计算方法，一是按UPS额定输出容量计算，二是按实际负荷所需功率计算。（94） 下面对一台10KVA电池电压为192V 或240V的UPS分别需要1h3h10h24h的电池容量进行计算：（95） 放电电流：（96） （97）（98） 如果按100%的负载计算，则电池放电电流为42(A)（99） 如果用户需要支持时间为10小时,则容量100%可用,直接得出10h*42A=420Ah（100） 支持时间为24小时,则容量约105%可用,得24h*42A/105%=960Ah（101） 支持时间为3小时,则容量约75%可用,得3h*42A/75%=168Ah（102） 支持时间为1小时,则容量约52%可用,得1h*42A/52%=80Ah（103） 如果按80%的负载计算，则42*80%=33.6(A)（104） 如果用户需要支持时间为10小时,则容量100%可用,直接得出10h*33.6A=336Ah（105） 支持时间为24小时,则放电电流为1/24 C10A=0.042 C10A,查表知约105%容量可用,得24h*33.6A/105%=768Ah（106） 支持时间为3小时,则容量约75%可用,得3h*33.6A/75%=135Ah（107） 支持时间为1小时,则容量约52%可用,得1h*33.6A/52%=64Ah（108） 如果电池电压为240VDC，按100%的负载计算，电池电压高，相应逆变时效率比较高，（109） （110）（111） 则电池放电电流为32.4(A)，则单个电池的容量可以减小但是串连电池的数量增多。（112） 用户及销售工程师可能会根据实际需要情况、成本,决定是配置80%还是配置100%的电池容量。在资金容许的情况下,配置也可以选择高于计算值,但是也不宜超出太多，否则电池放电是处于小电流放电,寿命也会缩短。（113）（114） 4 UPS中蓄电池的管理（115）（116） UPS中采用电池的作用就是在停电时电池能起到不间断的作用,同时需要采用的电池的寿命尽可能长.电池管理的可靠性和完善性成为各个UPS厂家竞争的重点之一. （117）（118） 4.1 电池的充电管理（119）（120） （1） 基本的限流限压控制（121） 充电电流既不能太大，也不能太小。正常充电电流较小，电池负极析出的H2和正极析出的O2，几乎完全复合成H2O，如果充电电流过大，气体来不及全部复合，导致电池内部压力增大，引起排气阀门开启，造成电池失水，因此必须限制充电电流，一般不要超过0.25C（A）比较合适。由于电池在充电过程中，电池内阻会发生变化，所以以恒定的电流值充电会获得满意的结果。（122） 当充电电流减少，电压慢慢升高，电池容量慢慢增加，则电压便维持在一个恒定的值保持不变。此后便维持一个很小的电流对电池进行浮充。（123） （2）能进行均浮充转换（124） 首先进行限流限压充电，但是该“限压”是一个均衡的充电电压，比较高。均充一定时间后，再自动转为电压较低的浮充。（125） 在以下几种情况下，开始进行均充浮充的循环：（126） UPS的交流输入停电后再来电；（127） 手动开机后；（128） 电池进行自测完成后；（129） 长期浮充后。（130） （3）分阶段充电方式（131） 长期浮充会导致电池极板活性老化，使电池内阻增大，使充进去的能量除了补充电池自放电的消耗外，大部分转化为内阻发热的功率。采用分阶段充电克服该问题：（132） 分阶段充电方式方案：第一阶段是限流均衡充电阶段，均充到电池容量的大约90%（时间约5小时到48小时适宜）；第二阶段是间隙阶段，这时停止充电一个短时间（数分钟到数小时），让第一阶段析出的H2和析出的O2充分复合；第三阶段是浮充阶段，这阶段对电池进行浮充充电，将电池充到容量接近100%（一周左右）；第四阶段是休眠阶段，这阶段不给电池充电，利用电池的自身的漏电流放电，一直到规定的电压下限（2030天左右）。据试验该充电方式可以提高电池寿命40%左右。（133） （4）温度补偿（134） 环境温度变化时，必须对浮充电压进行校正，校正系数为18mV/（标称12V的电池）。为简单计，可以分级校正，如：（135） （136）（137） 电池静置时，温度太高，电池的自放电加剧。电池使用条件推荐为20-25，温度太低，电池放电容量降低，充电接受能力下降。温度太高，反映加剧，导致失水，极板腐蚀加剧。电池的充电电压通过温度补偿来改变，温度高时，充电电压降低，使电池处于最佳浮充状态。（138） 但是，当环境温度升高时，电池本身固有的寿命仍然会缩短。实践表明，即使配备了温度补偿，对这种电池固有的老化现象也无回天之力。（139） 严格讲，保证电池服务最佳方案是将环境温度控制在20-25，控制放电次数、放电深度、放电和充电电流以及定时冲放电的周期。几乎没有谁能满足电池厂家要求的条件，因此达到电池厂家给出的期望寿命是很难的。（140） 根据环境温度的高低