王秋彥，劉春光

關于UPS中蓄電池充放電機制的研究

王秋彥，劉春光

（中國人民解放軍91550 部隊，遼寧 大連 116023）

對UPS中蓄電池做了簡要介紹，系統(tǒng)地研究了蓄電池充放電的工作原理，闡述了幾種充電模式，對幾種常用充電模式的優(yōu)劣性進行了分析研究。

UPS；蓄電池；充電；放電

蓄電池作為UPS的核心部件，在UPS系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。據(jù)統(tǒng)計，大約1/3的UPS電源故障是由于蓄電池的問題造成的。因此，蓄電池管理系統(tǒng)的質量直接關系著UPS系統(tǒng)整體運行狀況。本文分析了閥控式鉛酸蓄電池的充放電機理，并研究比較了幾種充電方式的優(yōu)劣性。

1 鉛酸蓄電池簡介

鉛酸蓄電池由五部分組成：正負極板、隔板、電解液、安全閥及外殼，如圖1所示。

圖1 鉛酸蓄電池結構示意圖

2 鉛酸蓄電池充放電原理

2.1 鉛酸蓄電池充電原理

鉛酸電池主要由PbO2、Pb和電解液H2SO4組成。充電時，正極板上PbO4氧化成PbO2，正極板變成PbO2，負極板上的PbSO4被還原成Pb，負極板變成Pb，電解液中H2SO4的濃度增大。放電時，電池將化學能轉化成電能輸出。正極板電子被還原，生成PbSO4，負極板失去電子被氧化，同樣生成PbSO4。在充放電過程中，鉛酸蓄電池的正負極板進行化學反應，產(chǎn)生正負離子形成電流。具體的充電化學反應如下所示。

負極：

Pb2++2e－=Pb （2）

2H2O=2H++2OH－（3）

由式（1）～式（4）可得出充電時負極發(fā)生的總化學反應為：PbSO4+H2O+2e－=Pb+H2SO4+2（OH）－。

析出H2的反應方程式為：PbSO4+H++2e－=Pb+HSO－，2H++2e－=H2↑。

根據(jù)實際反應情況，蓄電池在貯存過程中，析出H2的過電位大于析出Pb的過電位，H2產(chǎn)生的量很小。但在充電中后期，負極平衡電極電勢向負方向變化，降低了H2析出的過電位，析氣量隨之上升。

正極：

Pb2+=Pb4++2e－（6）

4H2O=4H++4OH－（7）

Pb4++4OH－=Pb（OH）4（8）

Pb（OH）4=PbO2+2H2O （9）

由式（5）～式（10）可得出充電時正極發(fā)生的總化學反應為：PbSO4+2H2O=PbO2+H2SO4+2H++2e－。

在充電初期，PbO2濃度大于PbSO4，所以主要表現(xiàn)為充電反應，O2析出量很少，在充電后期，因為正極活性物質和外部的H+濃度嚴重失衡，導致O2的析出。在儲存期間，O2析出的化學反應式如下：

2PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O+O2↑

2.2 鉛酸蓄電池放電原理

負極：

Pb=Pb2++2e－（11）

2H++2OH－=2H2O （13）

由式（11）～式（14）可得出放電時負極發(fā)生的總化學反應為：Pb+H2SO4+2（OH）－=PbSO4+H2O+2e－。

正極：

PbO2+2H2O=Pb（OH）4（15）

Pb（OH）4= Pb4++4OH－（16）

Pb2++2e－=Pb （17）

H++OH－=H2O （19）

由式（15）～式（20）可得出放電時正極發(fā)生的總化學反應為：PbO2+H2SO4+2H++2e－=PbSO4+2H2O。

3 鉛酸蓄電池充電模式

3.1 恒流充電

恒流充電是指充電電流一直保持恒定不變進行充電，適合對多個蓄電池串聯(lián)的蓄電池組進行充電。如果蓄電池組中某個電池電壓過低時，使該電池容量便于得到恢復，適用小電流長時間充電。

恒流充電的缺點是蓄電池的充電電流保持不變，在充電初期充電電流可能偏小，充電后期充電電流又偏大，特別在充電后期蓄電池端電壓偏高，蓄電池析出的氣體較多，造成充電效率下降，根據(jù)相關統(tǒng)計，充電效率最高為70%。

3.2 恒壓充電

恒壓充電是對蓄電池充電時充電電壓保持恒定不變，充電初期蓄電池電壓較低，充電電流較大，隨著蓄電池端電壓的不斷升高，充電電流隨之減少，在充電后期充電電流很小。充電過程中充電電流不必調整，充電電流自動減小，充電過程中蓄電池析氣量小，充電時間變短，能耗降低。

恒壓充電的缺點是充電初始階段電流過大，對處于過放電的蓄電池進行充電時，容易對充電設備造成損壞。由于充電電流不能調整，因此不適用于對蓄電池進行初始充電。

3.3 脈沖充電

脈沖充電是指先用脈沖電流對蓄電池進行充電，然后停充一段時間，循環(huán)地對蓄電池進行充電。脈沖充電對蓄電池進行充電過程中，間歇停充期間，蓄電池化學反應過程中產(chǎn)生的O2和H2有時間重新化合而被吸收，使?jié)獠顦O化和歐姆極化隨之得到消除，減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的恒流充電更加順利，使蓄電池吸收更多的電量。脈沖充電使蓄電池有了充分的反應時間，減少了蓄電池的氣體析出量，提高了蓄電池的充電效率。脈沖充電的缺點是由于長期欠充，電池正負極表面沉積了很多大顆粒、惰性的結晶，外部為PbSO4，內部為PbO2，在充電過程中，電池電壓很快升到充電終止電壓。在放電過程中又很快降到放電終止電壓，電池容量很難被充分利用。電池組中各單體電池特性存在差異，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各單體差異表現(xiàn)越來越顯著。況且采用多大的脈沖周期，期間占空比多少最合適，目前還在研究論證階段，具體問題還沒有定論。

3.4 恒壓限流充電

恒壓限流充電方式實際上是將恒壓充電和恒流充電相結合。在初始充電階段，為避免電流過大而損壞電池，利用恒流充電來限制充電電流。充電過程中當電壓達到預定值時，利用恒壓充電方式進行充電。充電后期電流變得很小，因此電解液中的析氣量減少，提高充電效率，避免蓄電池的溫升過快，損壞電池的極板。恒壓限流充電系統(tǒng)中增加了很多功能，如過充判斷、浮充控制、溫度補償?shù)?，是一種很有效的充電方式，蓄電池可以在這個系統(tǒng)下更好地工作。目前恒壓限流是電池廠商推薦的主流充電方式。

4 結語

實際應用中蓄電池的使用壽命往往達不到設計壽命，有的相差甚遠，這不僅影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且還造成了經(jīng)濟損失。影響蓄電池使用壽命的因素很多，如蓄電池本身的物理性能、使用環(huán)境、監(jiān)控管理方式和充放電制度等。通過統(tǒng)計及分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)問題都是由于充放電控制不合理而造成的。因此，選擇合理的充電方法對蓄電池進行充電對提高蓄電池的壽命起著至關重要的作用。

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TM912

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.002

2095－6835（2019）13－0003－02

王秋彥（1985—），男，碩士研究生，助理工程師，從事機房UPS和配電工作。劉春光（1981—），男，碩士研究生，工程師，從事機房安控、UPS和配電工作。

〔編輯：嚴麗琴〕