張朱園

摘要：現(xiàn)今時代，我國各項科學(xué)技術(shù)發(fā)突飛猛進，促進了電力自動化水平的提升。在當(dāng)前信息時代的背景下，大多企業(yè)電源供電系統(tǒng)都實施了相應(yīng)變革，基本上都轉(zhuǎn)變成UPS電源，應(yīng)用的范圍也隨著技術(shù)的進步而愈加廣泛，而基于該電源系統(tǒng)下所實施的儲能功能，能夠使電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換更加有效的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：UPS;蓄電池;充放電機制

引言

UPS就是不間斷的系統(tǒng)，是一種含有蓄電池的設(shè)備，基于逆變器為主要能的恒壓、恒頻設(shè)備。在計算機以及電力電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用，可以為設(shè)備的穩(wěn)定運行提供不間斷的電力。

1理論公式計算方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》的要求，交流不間斷電源（UPS）系統(tǒng)的蓄電池組總?cè)萘肯劝词?計算蓄電池組的計算放電電流I，再根據(jù)式2計算蓄電池組總?cè)萘縌。

計算蓄電池組的計算放電電流I：

其中，I為蓄電池的計算放電電流，S為UPS設(shè)備額定容量，cosφ為UPS設(shè)備輸出功率因數(shù)，μ為UPS主機逆變器的效率（可查閱UPS設(shè)備技術(shù)參數(shù)），U為UPS蓄電池放電逆變器的輸入電壓（2V電池單體電壓為1.85V×每組電池個數(shù)）。計算UPS蓄電池組總?cè)萘縌：

其中，Q為UPS蓄電池組總?cè)萘?K為安全系數(shù)，取值1.25;I為計算負荷電流;T為要求蓄電池后備時間;η為UPS蓄電池放電容量系數(shù)，如表1所示。

蓄電池后備時間

α為電池溫度補償系數(shù)（1/℃）：

當(dāng)UPS蓄電池后備時間<1時，取α=0.01;

當(dāng)1≤蓄電池后備時間<10時，取α=0.008;

當(dāng)蓄電池后備時間≥10時，取α=0.006。

t為UPS蓄電池所在地最低環(huán)境溫度值（若有加熱設(shè)備時，按15℃取值，無加熱設(shè)備時，按5℃取值）

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(xué)能轉(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生正負離子形成電流。具體的充電化學(xué)反應(yīng)如下所示。

負極：

由上式可得出充電時負極發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)為：PbSO4+H2O+2e-=Pb+H2SO4+2（OH）-。

根據(jù)實際反應(yīng)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：

由上式可得出充電時正極發(fā)生的總化學(xué)

反應(yīng)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(yīng)，O2析出量很少，在充電后期，因為正極活性物質(zhì)和外部的H+濃度嚴重失衡，導(dǎo)致O2的析出。在儲存期間，O2析出的化學(xué)反應(yīng)式如下：

2.2放電原理

放電過程中，PbO2晶體中的Pb4+接受由外部電路加載的電子而還原在Pb2+電解液中，與其中的 結(jié)合，生成PbSO4，當(dāng)PbSO4的濃度升高到一定值的時候沉淀為PbSO4固體附著在電極上。H+和OH-結(jié)合生成水。放電反應(yīng)過程中，PbSO4固體不斷生成，一般情況下，正極放電生成的PbSO4不會全部覆蓋在未反應(yīng)的PbO2上面，但是PbSO4的摩爾體積比PbO2的摩爾體積大，又因為PbSO4會堵住電極的孔隙，PbO2由于缺乏電解液，以及PbSO4阻值很大，而不能完全地與電解液進行化學(xué)反應(yīng)。負極在放電的時候，鉛固體Pb在硫酸中的正極反應(yīng)過程中電勢低于某一數(shù)值時，氧化為Pb2+或者可溶性微粒鉛，這些Pb2+或者可溶性的鉛擴散遠離電極表面，與 結(jié)合生成PbSO4，當(dāng)PbSO4的濃度達到一定值的時候沉淀為PbSO4固體。具體的放電化學(xué)反應(yīng)如下。

負極：

由上式可得出放電時負極發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)為：Pb+H2SO4+2（OH）-=PbSO4+H2O+2e-。

正極：

由上式可得出放電時正極發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)為：PbO2+H2SO4+2H++2e-=PbSO4+2H2O。

3UPS中蓄電池充放電機制

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(fù)，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(guān)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(diào)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(shè)備造成損壞。由于充電電流不能調(diào)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(xué)反應(yīng)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(nèi)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(yīng)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(jié)晶，外部為PbSO4，內(nèi)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(jié)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(dāng)電壓達到預(yù)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。

結(jié)語

實際應(yīng)用中蓄電池的使用壽命往往達不到設(shè)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(guān)重要的作用。

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