江蘇省通信管理局 劉永清

通信機房不間斷電源蓄電池的應用與維護

江蘇省通信管理局 劉永清

摘要：鉛酸蓄電池在UPS（不間斷電源）系統(tǒng)中占有十分重要的地位，若維護不當，則會導致UPS達不到電源后備的目的。從蓄電池的結(jié)構(gòu)、工作原理進行介紹，詳述了蓄電池的電壓、內(nèi)阻、容量、壽命等特性，提出了蓄電池維護的基本要求、充放電管理，以及UPS蓄電池容量配置方法。

關(guān)鍵詞：不間斷電源；鉛酸蓄電池；恒流充電；恒壓充電；涓流充電；端電壓；電池容量

據(jù)統(tǒng)計分析，由于通信電源系統(tǒng)故障造成的通信電路中斷大約占通信總中斷的70%～75%，而在電源設(shè)備事故中，因蓄電池導致的電源故障就占70%[1]。換言之，通信電路中斷故障中近一半是由蓄電池導致的。

1 蓄電池概述

閥控式鉛酸蓄電池[2]由于其密封程度高，無需添加蒸餾水、維護工作量少等優(yōu)點，故亦被稱之為免維護蓄電池，在當前通信機房UPS（不間斷電源）中廣泛使用。正是因為受到“免維護”提法的誤導，使得相當多的用戶忽略了必要的維護工作，造成蓄電池的漏液、鼓脹、容量不達標、使用壽命短等問題的發(fā)生。

1.1 蓄電池結(jié)構(gòu)

鉛酸蓄電池是指以鉛和硫酸的電化學反應為基礎(chǔ)而形成的一種能量儲存和轉(zhuǎn)化裝置。目前，UPS常用的是12 V的蓄電池，它實際上是由6節(jié)單體串聯(lián)而成。從蓄電池的剖面圖1可以看出，鉛酸蓄電池主要由正極板群、負極板群、電解液和隔板等組成。蓄電池充電后，正極板變成棕褐色的二氧化鉛（PbO2），負極板變成青灰色的海綿狀鉛（Pb），電解液則是硫酸（H2SO4）水溶液。Pb和PbO2是蓄電池的電化反應物，也稱為活性物質(zhì)。當蓄電池放電后，正負極都反應生成為硫酸鉛（PbSO4）。

鉛酸蓄電池的使用壽命一般受限于正極板。正極板在工廠化成時，會存在兩種結(jié)晶形態(tài)的PbO2，即α-PbO2和β-PbO2。α-PbO2屬斜方晶系，晶粒粗、密度大，起骨架作用，對電池壽命有利；而β-PbO2屬正方形晶系，晶粒細、表面積大，具有多孔性，主要參與充放電，對電池容量有利。在反復的充放電過程中，部分的α-PbO2會逐漸轉(zhuǎn)變成β-PbO2，使得電池容量在一定時期內(nèi)隨充放電循環(huán)而有所增加[3]。有的電池廠商，為了提高蓄電池的初期容量，在正極板上加多了β-PbO2而減少了α-PbO2，使得正極板過早軟化，導致了電池壽命的縮短。

1.2 蓄電池工作原理

蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸就會與正負極板上的活性物質(zhì)發(fā)生反應，生成硫酸鉛（PbSO4）和水（H2O）。隨著放電的進行，PbSO4逐漸增多，由于PbSO4是高阻不良導體，所以電極電阻逐漸增大，導致電池內(nèi)阻變大，從而使得蓄電池輸出電壓迅速減小。另一方面，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄。因此，電解液中的硫酸濃度也反應了蓄電池放電量或殘余電量。鉛酸蓄電池的化學反應式如下：

放電時生成的PbSO4，由于其是難溶性電解質(zhì)，當溫度降低時，PbSO4會重結(jié)晶析出在極板表面，重結(jié)晶后的晶體呈增大、變厚趨勢，導致充電接受率降低，無法完全還原為活性物質(zhì)，造成電池容量損失，這就是蓄電池極板的硫酸鹽化現(xiàn)象，簡稱“硫化”。延緩硫化的簡單方法就是蓄電池放電后及時充滿電，減少蓄電池中PbSO4的存在。

蓄電池在進行充電時，在正負極板上放電所產(chǎn)生的PbSO4會在充電時被分解還原成PbO2、Pb和H2SO4。隨著充電的進行，電解液的比重上升，并逐漸回復到放電前的濃度。當兩極的PbSO4被還原成原來的活性物質(zhì)時，蓄電池充電結(jié)束。

2 蓄電池的特性及維護

2.1 蓄電池的電壓

電池在無負載狀態(tài)下測得的端電壓，稱為開路端電壓，可以視為電池的電動勢。當在電池的兩端接上負載后，電路中便有電流通過，此時電池兩端測得電壓稱為閉路端電壓。大部分電池的電動勢是由電池電極的金屬材料確定的，對于鉛酸蓄電池，其電動勢與硫酸電解液的密度有關(guān)，單體電壓E用經(jīng)驗公式表示為

其中ρ為25℃時的硫酸溶液的密度，蓄電池出廠時的硫酸密度通常為1.28 g/m3，蓄電池的開路電壓約為（0.85+1.28）×6＝12.78 V。

有的廠商為了提高蓄電池電壓，在蓄電池生產(chǎn)時調(diào)高了硫酸溶液的濃度，加劇了電池極板與隔板的腐蝕，使電池的循環(huán)壽命縮短。蓄電池處于浮充狀態(tài)時，其端電壓與容量并不存在對應關(guān)系。但是，當蓄電池經(jīng)過一定深度的放電后，劣化電池要比正常電池的電壓低很多。因此，對蓄電池作放電測試時，通過測量電池兩端電壓可以檢測出容量損失的電池。

2.2 蓄電池的內(nèi)阻

蓄電池的內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻，歐姆電阻與正負極板的材料成分、電解液密度以及溫度等因素有關(guān)，而極化電阻也稱為假電阻，其值與電流強度有關(guān)，不服從歐姆定律。蓄電池的內(nèi)阻在充電后變小，放電后變大。蓄電池的內(nèi)阻為mΩ級別，對于充滿電后的100 Ah蓄電池，其內(nèi)阻通常在5 mΩ左右，因此，嚴禁將蓄電池的兩極短接，否將產(chǎn)生極大的短路電流。

蓄電池的內(nèi)阻與其容量的關(guān)聯(lián)性不強，但是當某一蓄電池的內(nèi)阻突然增大，將預示著該電池壽命存在問題。在蓄電池串并聯(lián)使用時，要求各電池的內(nèi)阻均衡性要好，否則，在充電時，就會造成一部分電池過充電，而另一部分電池處于欠充電狀態(tài)，影響電池的使用壽命。因此，在工程安裝中，要避免將不同品牌、不同型號、不同批次的電池混用。另外，若電池組采取并聯(lián)使用，則一般不要超過三組。

2.3 蓄電池的容量

蓄電池的容量單位為Ah，常用的有10 h率和20 h率兩種表示方式，分別記為C10和C20，它表示以1/10的C10和1/20的C20）A電流放電10 h和20 h所放出的電量。通信電源在設(shè)計上一般選用10 h時率蓄電池，而UPS電源通常采用20 h率蓄電池。

蓄電池的容量與放電電流有很大關(guān)系，放電電流大時，放電容量就會降低；放電電流小時，放電容量則會增大。此外，溫度對蓄電池的放電容量也有影響，當電解液溫度升高時，放電容量增大；溫度降低時，放電容量減小。圖2是某一蓄電池（其容量為C20）在不同放電電流下的溫度與放電容量的關(guān)系曲線，從圖2可以明顯地看出溫度和放電率對蓄電池放電容量的影響。

在實際應用中，蓄電池一般都是以串并聯(lián)的形式組成電池組。為了獲得較高的電壓，常將電池串聯(lián)使用，串聯(lián)電池組的放電容量由所有電池中的最小容量確定，如圖3(a)所示；另一方面，為了得到較大的放電容量，就需要將電池并聯(lián)使用，并聯(lián)電池的容量是所有電池的容量之和，如圖3(b)所示。

2.4 蓄電池的壽命

蓄電池在使用過程中存在兩種使用方式：一類為深循環(huán)使用的電池，如電動車蓄電池；另一類為浮充使用的“備用電源”電池，如UPS蓄電池。循環(huán)使用的電池以循環(huán)充放電次數(shù)來表示其使用壽命，一般壽命可達到500次以上；而浮充使用的電池，以使用年限表示其壽命，通?？蛇_到6～10年。當蓄電池容量降到初期容量的60%時，即認為壽命終止。

決定電池壽命的要素包括：產(chǎn)品質(zhì)量、維護情況、充電管理。雖然硫酸溶液密度、極板厚度等因素對電池的壽命有很大影響，但是這些屬于產(chǎn)品質(zhì)量，出廠時即已確定，用戶無法改變。然而在使用過程中加強對蓄電池的運行維護，也可以提高蓄電池的使用壽命。在眾多因素中，溫度對蓄電池壽命的影響最大。經(jīng)驗表明，當環(huán)境溫度超過25 ℃后，溫度每升高10 ℃，蓄電池壽命即縮短50%[4]。因此，使用中要注意蓄電池的環(huán)境溫度，通常適宜溫度為20～25 ℃，見圖4。

蓄電池的放電量對其壽命影響也較大，從圖5可以看出，蓄電池屢次深度放電，其壽命就會縮短。所以，在工作中應避免蓄電池的深度放電，同時減少蓄電池的放電次數(shù)。

3 蓄電池充放電管理

對鉛酸蓄電池來說，與其說是用壞的，還不如說是被充壞的。可見，充電管理對蓄電池的使用壽命至關(guān)重要。圖6模擬了32節(jié)蓄電池串聯(lián)在一起的電池組，接在UPS上充放電時的電壓電流曲線。

3.1 充電管理

蓄電池在放電后，需要及時充電，以盡快恢復其額定容量。通常采用恒壓限流充電方式。充電之初，因為蓄電池放電后電壓較低，所以充電電流較大。為了防止過大的充電電流損傷蓄電池，UPS充電器對其進行了限流，一般選擇限流為0.1C20A，通常不超過0.4C20A，故充電初期處于恒流狀態(tài)（T1階段）。當充入一定電量后，蓄電池電壓逐漸升高。當達到均充電壓時，再改用恒壓進行充電（T2階段），均充電壓通常為每節(jié)14.1 V。在恒壓均充階段，充電電流逐漸減小，當均充一定時間后，蓄電池的電量基本充滿。此時就要改用相對較低的恒壓進行充電（T3階段），稱為浮充，也稱涓流充電。浮充主要是為了彌補蓄電池的自放電引起的能量損失，使電池一直處于完全充電狀態(tài)。UPS中的蓄電池大部分時間處于浮充狀態(tài)。

浮充電壓的選擇十分重要，一般選擇為每節(jié)13.5 V。若浮充電壓過低，則蓄電池無法完全充滿電。若浮充電壓過高，則充電電流幾乎都在用于電解水，使得正極板析出氧氣，負極板析出氫氣。如果生成氣體的速率將超過氫氧的復合速率，那么將導致電池內(nèi)壓升高，氧氣和氫氣將從安全閥排出，使得蓄電池電解液量減少或枯竭，最終影響電池壽命。另外，若蓄電池在封閉的環(huán)境中使用，溢出的氧氣和氫氣存在觸發(fā)爆炸的危險。

蓄電池的充電電壓與溫度也有密切的關(guān)系，其值應根據(jù)環(huán)境溫度的高低作適當修正。蓄電池的充電電壓具有負溫度系數(shù)，以25 ℃為基準，溫度每升高1 ℃，蓄電池每節(jié)的充電電壓下降18～30 mV左右，如圖7所示。由于各廠家的蓄電池的差異性，具體的充電電壓和電流應以電池廠商的要求為準，在UPS安裝時，由工程人員根據(jù)電池說明書在UPS上設(shè)定。選擇的充電電壓過高或者過低，都會對UPS蓄電池造成不良影響。

3.2 放電管理

蓄電池放電時（T4階段），在放電初期，由于電解液密度驟減，在較短的時間內(nèi)電池的端電壓快速下降；在放電中期，電池內(nèi)部化學反應達到了動態(tài)平衡，蓄電池的端電壓降落速度變緩；而在放電后期，蓄電池的電壓又會快速降落，當端電壓下降到10.5 V時，放電就要終止，此電壓定為蓄電池的放電終止電壓。如果蓄電池低于終止電壓后繼續(xù)放電，將會加速蓄電池的硫化，再次充電時無法恢復到初期容量，這就是通常所說的電池被“放虧”。蓄電池的終止電壓與放電率有關(guān)，如圖8所示，通常放電電流越大，則終止電壓越低。

為了防止過放電對蓄電池造成損壞，應避免大電流放電，連續(xù)放電電流應小于3C20A。另一方面，還要避免小電流長時間放電，因為與大電流放電相比，小電流放電形成的PbSO4顆粒的尺寸要大，所以，小電流放電形成的PbSO4在充電時更難氧化。在相同放電深度下，小電流放電對電池的損壞更大。通常，蓄電池放電電流應控制在0.05～3C20A范圍內(nèi)。對于市電很少中斷的UPS，每年至少對UPS蓄電池進行一次放電測試，根據(jù)電池放電時的電壓降落，排查劣化的蓄電池。同時，經(jīng)過新一輪的充放電，使蓄電池的活性物質(zhì)得到活化，提高蓄電池的容量，也使得電池的一致性更好。

4 UPS電池容量配置

UPS廠家通常會根據(jù)自身UPS和電池型號有各自的計算方法，然而還有一個通用的計算方法：根據(jù)UPS預期負載求出蓄電池放電時所需提供的功率，進而求出電池放電電流，再根據(jù)用戶需求的后備時間找出對應的電池容量系數(shù)，最后用求出的放電電流與該容量系數(shù)相乘即可得到電池容量[5]。公式為

其中C為蓄電池容量，P為UPS預期負載，cos φ為USP輸出功率因數(shù)，U為電壓組端電壓，k為電池容量系數(shù)。UPS預期負載通常是指UPS所能帶的最大負載，單機按帶載60%～80%配置，雙機（1+1）冗余并機則按每臺帶載35%～40%配置。另外，電池容量系數(shù)需根據(jù)放電時間查表1確定。

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UPS蓄電池配置舉例：某電信運營商計劃安裝二臺80 kVA的UPS組成雙機冗余并機系統(tǒng)，該UPS采用12 V的蓄電池，要求停電后備時間不小于2 h，則可以按如下方法配置蓄電池：

1）確定UPS的預期負載，由于UPS系統(tǒng)為雙機冗余并機，考慮到系統(tǒng)可靠性，每臺UPS最大負載量為40%，即32 kVA。

2）確定UPS及電池的參數(shù)，該UPS每組電池需32節(jié)，即電池組端電壓（母線電壓）為12×32＝384 V，UPS輸出功率因數(shù)為0.8，UPS逆變效率約為0.85。

3）根據(jù)式（3）算得每臺UPS的電池容量為

所以，每臺UPS可以采用12 V、100 Ah的電池三組進行并聯(lián)，或者采用12 V、150 Ah的電池兩組進行并聯(lián)，即兩臺UPS的電池總量為：12 V、100 Ah電池32×3×2＝192節(jié)，或者12 V、150 Ah電池32×2×2＝128節(jié)。

5 總結(jié)

蓄電池在使用過程中，需要潔凈、通風的使用環(huán)境，定期對蓄電池進行檢查，發(fā)現(xiàn)有灰塵時，應用擰干的濕抺布進行清掃，不要用香蕉水、酒精或油類進行擦拭。同時應將環(huán)境溫度設(shè)定在20～25 ℃。蓄電池在放電時，需控制其放電電流，避免大電流放電或小電流長時間放電，放電電流應控制在0.05～3C20A內(nèi)。放電過后應及時充電，充電量設(shè)定為放電量的105%～110%，避免過充電和欠充電?？傊訌娙粘＞S護，可以提高UPS的可靠性，降低通信機房電力系統(tǒng)的故障率。

參考文獻：

[1] 步輝. 電力通信設(shè)備電源管理及運行維護[J]. 中國科技信息, 2011(10): 126-127.

[2] 陳福民. 新型蓄電池的發(fā)明[J]. 知識就是力量, 1999(5): 34.

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[4] 馬國杰, 劉東, 金瑛. 通信基站機房節(jié)能方案的實測與模擬研究[J]. 建筑節(jié)能, 2010(11): 44-48.

[5] 劉緬. UPS機房工程[EB/OL]. [2014-03-10]. http://wenku.baidu. com/view/635b39e9551810a6f524865d.html. ◆