電池基礎(chǔ)知識(shí)

　　電池是一種電的貯存裝置,當(dāng)兩種金屬（通常是性質(zhì)有差異的金屬）浸沒于電解液之中，它們可以導(dǎo)電，并在“極板”之間產(chǎn)生一定電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)大�。ɑ螂妷海┡c所使用的金屬有關(guān)，不同種類的電池其電動(dòng)勢(shì)也不同。鉛酸電池是指以二氧化鉛作正極、活性鉛作負(fù)極、稀硫酸作電解液的電池。它由電池殼、正負(fù)極板、電解液、隔板等部分組成。 鉛酸蓄電池充放電過程的化學(xué)反應(yīng)如下：

蓄電池原理示意圖

充電 放電

PbO2+2H2SO4 +Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4

　　上面充放電的可逆方程表達(dá)了鉛酸蓄電池具備充電儲(chǔ)能和放電的特性，每個(gè)單體電池具有2V電動(dòng)勢(shì)。使用時(shí)，可以串聯(lián)電池來獲得所需較高電壓，也可以并聯(lián)電池來獲得所需要較大容量。

　　按鉛酸蓄電池中電解液存在的方式，鉛酸蓄電池分為開口式（富液）鉛酸蓄電池和閥控式（貧液）密封鉛酸蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的工作原理是：氣體再化合，即： 正極產(chǎn)生的氧氣，通過AGM隔板中的孔隙（或膠體的裂縫）與負(fù)極活物質(zhì)和稀硫酸進(jìn)行反應(yīng)，再化合成水，同時(shí)使負(fù)極板的一部分處于放電狀態(tài)，從而抑制氫氣的產(chǎn)生。只要正極板氧氣的產(chǎn)生速度不超過負(fù)極板對(duì)氧氣的吸收速度，電池中不會(huì)有多余氣體產(chǎn)生，電池中的水也不會(huì)損失，，就可實(shí)現(xiàn)密封。實(shí)際在蓄電池實(shí)際使用過程中，總有少量的氣體不能被再化合，為防止電池內(nèi)部壓力過大，在電池蓋上安裝單向閥，排除電池內(nèi)部多余的氣體，這就是所謂的閥控。

　　閥控式密封鉛酸蓄電池具備低維護(hù)特點(diǎn)，因此可在辦公環(huán)境下使用, 當(dāng)今UPS配置的電池全面使用了閥控式密封鉛酸蓄電池。

　　電池的基本參數(shù)包括：電池電動(dòng)勢(shì)、開路電壓、終止電壓、工作電壓、放電電流、容量、比能量、電池內(nèi)阻、儲(chǔ)存性能、使用壽命（浮充放電循環(huán)壽命）等；性能指標(biāo)包括：最大放電電流、耐過充電能力、容量保存率、密封反應(yīng)性能、安全閥動(dòng)作、防爆性能、防酸霧性能等。

　　電池涉及的術(shù)語有（UPS電池標(biāo)準(zhǔn)參見日本JISC 8702-1995工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）：

　　1、容量：Ah容量、Wh容量，在選擇UPS配置電池時(shí)，按照客戶要求的系統(tǒng)滿載備電時(shí)間要求，可以計(jì)算出滿載下系統(tǒng)由電池提供的放電Wh數(shù)，根據(jù)電池廠商提供的不同容量電池、不同放電時(shí)間的Wh數(shù)據(jù)表，對(duì)照查表即可，無此數(shù)據(jù)表時(shí)需要求廠商提供；
　　2、放電率：依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，放電時(shí)間率有20、10、5、3、1、0.5小時(shí)率及分鐘率,分別表示為:20Hr、10Hr、5Hr、3Hr、2Hr、1Hr、0.5Hr等。

　　C10——10h率額定容量A•h，數(shù)值為1.00 C10
　　C3——3h率額定容量A•h，數(shù)值為0.75 C10
　　C1——1h率額定容量A•h，數(shù)值為0.55 C10
　　Ct——蓄電池實(shí)測(cè)容量A•h，是放電電流I(A)與放電時(shí)間t(h)的乘積
　　Ce——在基礎(chǔ)溫度(25℃)條件時(shí)的蓄電池實(shí)際容量, A•h
　　I10——10h率放電電流, 數(shù)值為1.00I10(A)
　　I3——3h率放電電流, 數(shù)值為2.50I10(A)
　　I1——1h率放電電流, 數(shù)值為5.50I10(A)

　　在選擇閥控鉛酸(VRLA)電池應(yīng)根據(jù)電池的應(yīng)用領(lǐng)域選擇不同的類型，給UPS配套使用時(shí)應(yīng)充分考慮其大電流放電能力，接入網(wǎng)類小電流長(zhǎng)時(shí)間放電應(yīng)充分考慮電池的耐深放電能力和恢復(fù)充電接受能力，不同的應(yīng)用場(chǎng)合我們要關(guān)注不同的指標(biāo)。

　　電池的電化學(xué)特性決定了電池是一種有使用壽命期限的器件，合理的使用和管理才能夠保證電池的健康。

　　電池應(yīng)用的基本要求：

　　1、環(huán)境要求
　　電池必須在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)應(yīng)用，超出規(guī)定溫度范圍必須降額使用；
　　電池應(yīng)安裝在相對(duì)濕度≤70%、通風(fēng)、散熱、無酸、堿或其它腐蝕性氣體的空間中，嚴(yán)禁安裝在完全密封的環(huán)境中。

　　2、安裝要求
　　安裝位置： 電池安裝時(shí)應(yīng)盡量與設(shè)備的其它部分隔離，盡量避免直接與印刷電路板連接，當(dāng)因設(shè) 計(jì)、空間限制或其它任何原因不能達(dá)到此兩項(xiàng)要求時(shí)，至少應(yīng)使電池位于設(shè)備或單板的最下端，以防止電池在意外情況下發(fā)生漏液腐蝕設(shè)備部件或單板；

　　周圍材料： 電池安裝空間的內(nèi)表面應(yīng)采用相應(yīng)的耐腐蝕性材料；
　　空間尺寸： 安裝電池的空間應(yīng)能滿足電池的最大外形尺寸并有一定余量，方便電池的安裝，同時(shí)考慮尺寸的兼容性；
　　連接： 電池與設(shè)備或單板之間連接件長(zhǎng)度應(yīng)盡量小，以減少壓降；連接件的橫截面積以能長(zhǎng)期承受電池充電或工作電流最大值2倍的電流為原則。

　　3、存放要求
　　蓄電池應(yīng)在完全充電條件下保存于干燥、潔凈、陰涼的環(huán)境中。
　　蓄電池存放若要達(dá)6個(gè)月或更長(zhǎng)的時(shí)間，則需要定期對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電。
　　蓄電池存放環(huán)境溫度最好保持在30℃以下

　　影響電池壽命的關(guān)鍵因素

　　1) 環(huán)境溫度：過高的環(huán)境工作溫度是導(dǎo)致密封免維護(hù)電池使用壽命縮短的首要原因,環(huán)境溫度超過25℃時(shí),溫度每增加10℃,就會(huì)導(dǎo)致電池的實(shí)際使用壽命縮短一半。一般來說,這種電池的最高環(huán)境工作溫度以不超過45℃為宜,當(dāng)溫度超過55℃時(shí)會(huì)造成電池毀滅性的損壞環(huán)境溫度偏低時(shí),盡管它不會(huì)因過壓充電對(duì)電池的使用壽命造成不利的影響,但會(huì)造成密封免維護(hù)電池所提供有效容量(Ａｈ數(shù))下降。

　　2）深度放電：電池的放電電流越小,電池的輸出電壓能維持穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)。放電電流越大,電池維持其輸出的電壓穩(wěn)定能力也差。因此，深度放電極易發(fā)生在UPS的“過度自動(dòng)關(guān)機(jī)點(diǎn)”被設(shè)計(jì)為在任何狀況下都是固定的情況下，這是一個(gè)使電池壽命縮短的重要原因。當(dāng)這種ＵＰＳ電源被配置成長(zhǎng)延時(shí)ＵＰＳ供電系統(tǒng),而實(shí)際負(fù)載較小時(shí),一旦市電停電,電池就會(huì)被深度放電。

　　3）大電流放電： 當(dāng)放電電流超過2Ｃ時(shí),不僅會(huì)大大縮短電池電壓穩(wěn)定工作時(shí)間,還會(huì)在接通負(fù)載的瞬間造成電池輸出電壓的迅速跌落,很有可能造成電池的永久損壞，

　　4）長(zhǎng)期充電：影響電池壽命的內(nèi)部因素就是大多數(shù)ＵＰＳ電源充電電路的充電方式,大多數(shù)ＵＰＳ都將電池組置于長(zhǎng)時(shí)期的“浮充充電”工作狀態(tài)之下,只要市電供電正常,其充電器總是以固定的充電電壓13.5Ｖ×ｎ(ｎ是電池組中的12Ｖ電池的串聯(lián)節(jié)數(shù))對(duì)電池進(jìn)行持續(xù)不斷的浮充充電,從而將電池置于只充電不放電的不合理工作狀態(tài),造成電池的陽極極板鈍化,電池的內(nèi)阻急劇增大,電池的實(shí)用容量大大低于其標(biāo)稱容量。

　　5）固定充電電壓：電池的實(shí)際容量與活性與溫度是相關(guān)的，溫度高時(shí)電池容量會(huì)上升，而溫度低時(shí)反之，如果采取固定的充電電壓會(huì)造成電池隨溫度的變化充不飽或者過充，嚴(yán)重影響電池的壽命。

　　以上涉及的影響電池壽命的5個(gè)問題中，問題1環(huán)境溫度可以通過配置空調(diào)等控制機(jī)房溫度的手段來避免，問題3可以通過電池容量的合理配置來避免。而其它因素需要電池的使用和管理者－UPS的功能來得到保證，您的電池的是否安全取決于您所選用的UPS的電池管理功能是否完善。

　　EMERSON UPS先進(jìn)的電池管理

　　UL33系列UPS系統(tǒng)具有先進(jìn)的電池管理功能，包括自動(dòng)均浮充轉(zhuǎn)換控制、電池預(yù)告警關(guān)機(jī)、定期自動(dòng)維護(hù)、手動(dòng)電池自檢等多項(xiàng)可提高電池使用壽命的先進(jìn)功能，同時(shí)還具備電池故障檢測(cè)、電池放電后備時(shí)間預(yù)測(cè)及電池特征曲線管理下載等領(lǐng)先業(yè)界的高端電池管理能力，能充分保證客戶配置電池的“不間斷”供電能力。

圖2 全數(shù)字化的電池曲線設(shè)置工具

　　1、自動(dòng)均、浮充轉(zhuǎn)換

　　電池充電過程能自動(dòng)根據(jù)電池電流判據(jù)實(shí)現(xiàn)均充、浮充自動(dòng)轉(zhuǎn)換， 設(shè)定的均充轉(zhuǎn)浮充判據(jù)為： I≦0.01C

　　2、電池浮充電壓溫度補(bǔ)償：
　　電池在浮充狀態(tài)下，浮充電壓可以根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償以20℃為中心點(diǎn)，在10 ℃-40 ℃內(nèi)全補(bǔ)償，計(jì)算公式：

　　溫度T>40，T=40；若T<10，T=10；
　　電池平均單體電壓應(yīng)調(diào)節(jié)為：V=V0+(20-T)•0.003
　　其中，V0為電池廠家給定的在20℃下的單體浮充電壓，可以根據(jù)不同電池在初次上電時(shí)進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)為2.23V。對(duì)均充電壓不補(bǔ)償，默認(rèn)的單體均充電壓為2.35V。

　　3、均充限時(shí)：
　　如果連續(xù)12小時(shí)處于均充狀態(tài)，控制系統(tǒng)將強(qiáng)制轉(zhuǎn)浮充狀態(tài)，此設(shè)置的條件是均充限流大于等于0.1C。

　　4、放電管理
　　結(jié)合本公司管理方案中電池截止放電前可指定實(shí)時(shí)放電時(shí)間段的特點(diǎn)，統(tǒng)一設(shè)置電池放電的截止電壓為每單體電池1.8V，實(shí)際截止電壓會(huì)隨電池老化程度不同而在此值附近向下浮動(dòng)，截止電壓為每單體電池1.8V的選取，已經(jīng)考慮到了大功率放電情況下電池容量的衰減。

　　5、容量檢測(cè)與定期維護(hù)
　　電池故障檢測(cè)是通過放電法來實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的，控制電池在某些確定的功率下放電，并測(cè)試停止放電時(shí)電池端電壓，用所得端電壓值與該種型號(hào)新電池同樣放電情況下的端電壓相比較，以確定其容量衰減比率，容量衰減超過某一設(shè)定比率時(shí)提示更換電池。

　　電池的定期自檢與定期維護(hù)放電兩者合二為一，每次讓電池以恒定功率P0放電，P0可按實(shí)際要求選定，可在電池管理數(shù)據(jù)文件中設(shè)定，超出 的部分由整流器提供。定期自檢中讓電池放出20%的新電池容量，并檢測(cè)電池的端電壓，將其和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中電池在不同剩余容量階段按P0放出20%容量（即20%TPB時(shí)間）后電池的端電壓相比，即可得到電池容量衰減百分比KP。對(duì)于缺乏基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)的非艾默生推薦電池，在上面電池以恒定功率P0的20%容量定期放電過程中，只對(duì)電池進(jìn)行定期維護(hù)而不進(jìn)行容量衰減百分比值自檢，容量衰減值按電池廠家提供的使用壽命年限估算。

　　6、后備時(shí)間預(yù)測(cè)
　　預(yù)測(cè)電池放電后備時(shí)間，以新電池恒功率放電曲線以及電池檢測(cè)所得電池容量衰減比率為依據(jù)，通過實(shí)時(shí)計(jì)算和監(jiān)測(cè)電池的容量，實(shí)現(xiàn)電池在任何狀態(tài)下對(duì)當(dāng)時(shí)負(fù)載放電的后備時(shí)間預(yù)測(cè)和顯示。

　　電池在以功率P進(jìn)行放電的狀態(tài)下的電池后備間： T=QTP，其中：

　　Q是表征電池放電當(dāng)時(shí)荷電狀態(tài)的一個(gè)系數(shù)，取值為0-1，Q值為1的時(shí)候表明電池處于充滿狀態(tài)。
　　TP是當(dāng)前負(fù)載功率P及環(huán)境溫度下、容量百分比為KP的電池從充滿狀態(tài)放電至截止電壓的備電時(shí)間。