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? ? ? ?蓄電池是UPS的心臟，不管UPS系統(tǒng)多么復(fù)雜，其性能取決于它的蓄電池。如果蓄電池失效，再好的UPS也無(wú)法提供后備電源。如何監(jiān)視蓄電池的工作狀態(tài)并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其臨界失效期和如何延長(zhǎng)蓄電池的有效壽命，是UPS供電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。
? ? ? ?能否正確地理解和選用好UPS的蓄電池管理功能，對(duì)UPS本身的高可靠性和高可利用效率具有至關(guān)重要的影響。這是因?yàn)橐坏┦须婋娫匆蚬拾l(fā)生故障時(shí)，UPS將依靠由蓄電池組所提供的直流電源來(lái)維護(hù)UPS逆變器的正常工作。此時(shí)，如果因管理不善而導(dǎo)致蓄電他過(guò)早地老化、損壞，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致UPS電源自動(dòng)關(guān)機(jī)，從而造成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵用戶工作設(shè)備的癱瘓。
? ? ? ?大量的運(yùn)行實(shí)踐表明，由于對(duì)蓄電他的使用特性和UPS蓄電池管理功能不熟悉或理解不夠，致使預(yù)期使用壽命為10年的蓄電池的實(shí)際使用壽命僅為1-2年的事例是屢見(jiàn)不鮮的?；谏鲜鲈?，有必要采用先進(jìn)的蓄電池管理功能來(lái)延長(zhǎng)蓄電池的實(shí)際使用壽命，從各種具有蓄電池管理功能的UPS產(chǎn)品中選擇出適合自己供電要求的蓄電池配置和管理方案，從而盡可能地降低由于蓄電池使用不當(dāng)所帶來(lái)的不必要的損失。
? ? ? ?準(zhǔn)確地預(yù)側(cè)蓄電池臨界失效期，一般很少可以做到。有的UPS廠家已擁有這項(xiàng)技術(shù)，比如對(duì)每一節(jié)蓄電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，單元蓄電池定時(shí)充放電，某一節(jié)蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)通知更換等，但并沒(méi)有應(yīng)用于產(chǎn)品。因此對(duì)大容量的UPS仍采用人工維護(hù)的方法，定時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池狀況。
一、蓄電池管理技術(shù)
? ? ? ?相關(guān)資料表明，造成蓄電池的實(shí)際容量下降、內(nèi)阻增大等“老化”電池不斷的充放電過(guò)程中蓄電池內(nèi)部陽(yáng)極極板鈍化和水分揮發(fā)丟失。的主要原因是，在蓄部過(guò)早地出現(xiàn)上述現(xiàn)象，顯然，一旦在蓄電池內(nèi)行統(tǒng)計(jì)資料表明，必然會(huì)造成蓄電池的實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)壽命。大量的運(yùn)導(dǎo)致蓄電池性能惡化的因素可大致分為外部因素和內(nèi)部因素兩種。影響蓄電池壽命的外部因素有以下幾種。
? ? ? ?1.環(huán)境溫度
? ? ? ?大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)證明，過(guò)高的環(huán)境工作溫度是導(dǎo)致密封型免維護(hù)蓄電池使用壽命縮短的***要因素。環(huán)境溫度偏高導(dǎo)致蓄電池使用壽命縮短的原因有兩個(gè):
? ? ? ?① 當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，蓄電池所允許的浮充電壓的閥值將逐漸下降。此時(shí)，如果采用浮充電壓閥值為固定值的設(shè)計(jì)方案的話(對(duì)于12V蓄電池而言，浮充電壓為13. 5V)，勢(shì)必會(huì)將蓄電池組置于過(guò)壓充電工作狀態(tài).顯然，這必將導(dǎo)致蓄電池加速老化。解決蓄電池工作環(huán)境溫度變化對(duì)其壽命影響的技術(shù)措施是采用帶溫度補(bǔ)償?shù)某潆娫O(shè)計(jì)方案時(shí)，將蓄電池的典型浮充電壓一溫度關(guān)系曲線存儲(chǔ)在微處理器的EPROM中，再利用配置在蓄電池柜中的溫度傳感器所測(cè)得的蓄電池組的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整充電器的浮充電壓，從而將蓄電池組置于浮充工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)蓄電池浮充電的溫度補(bǔ)償功能。
? ? ? ?② 當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，蓄電池組本身固有的存儲(chǔ)壽命會(huì)逐漸縮短。
? ? ? ?實(shí)踐表明，是否配置帶溫度補(bǔ)償功能的充電器以及環(huán)境溫度對(duì)蓄電池老化速度的影響見(jiàn)表3-4。
? ? ? ?從上表可見(jiàn)，同未配置帶溫度補(bǔ)償功能的充電器的UPS相比，盡管帶溫度補(bǔ)償功能的充電器的UPS可以使蓄電池組的實(shí)際使用壽命有相當(dāng)?shù)脑鲩L(zhǎng)，然而并不可能利用配置帶溫度補(bǔ)償充電器的辦法來(lái)消除由于溫升偏高而造成蓄電池的實(shí)際使用壽命被縮短的問(wèn)題。
? ? ? ?當(dāng)環(huán)境溫度偏低時(shí)，盡管它不會(huì)對(duì)蓄電池的使用壽命造成不利影響，但它會(huì)使密封免維護(hù)蓄電池所提供的有效容量下降。例如:當(dāng)環(huán)境溫度從25℃下降到?！鏁r(shí)，它會(huì)使蓄電池的有效放電容量下降20%-30%。對(duì)于此點(diǎn)，當(dāng)今UPS的溫度補(bǔ)償充電器均無(wú)能為力，這是因?yàn)槠錅囟妊a(bǔ)償范圍被設(shè)計(jì)在25℃ -55℃之間。
? ? ? ?基于上述原因，對(duì)于絕大多數(shù)蓄電池組來(lái)說(shuō)，要想消除它的實(shí)際使用壽命縮短或蓄電池的有效放電容量下降等不利影響，控制蓄電池的工作環(huán)境溫度，盡量設(shè)法將蓄電池的環(huán)境工作溫度控制在20℃-25℃范圍內(nèi).對(duì)于某些需野外工作的特殊用戶來(lái)說(shuō)，配置帶溫度補(bǔ)償充電器的UPS是其考慮方案之一。用戶在使用溫度補(bǔ)償充電器時(shí)，請(qǐng)務(wù)必按照UPS廠家的安裝說(shuō)明，正確地配置和安裝溫度傳感器在蓄電池柜中的位置及溫度傳感器與UPS主機(jī)的通信接口之間的通信電纜。否則，會(huì)導(dǎo)致因UPS的充電系統(tǒng)的誤動(dòng)作，造成蓄電池被過(guò)電壓充電，從而加速老化，效果適得其反。
二、深度放電
? ? ? ?蓄電池被深度放電是造成蓄電池使用壽命被縮短的另一個(gè)重要原因，這種情況極易發(fā)生在蓄電池自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)電路采用具有固定的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值設(shè)計(jì)方案的UPS中(絕大多數(shù)中、小型UPS均采用此種設(shè)計(jì)方案)。當(dāng)這種UPS被配置成長(zhǎng)延時(shí)UPS供電系統(tǒng)(例如4h, 8h蓄電池后備供電時(shí)間)，而且它們的后接實(shí)際負(fù)載功率較小時(shí)，一旦市電停電，蓄電池就會(huì)被深度放電。我們知道，當(dāng)用戶的后接負(fù)載功率很輕時(shí)(所謂的“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象)，對(duì)UPS主機(jī)而言。肯定有利于降低逆變器的故障。然而，對(duì)于同UPS配套的長(zhǎng)延時(shí)蓄電池組而言，則會(huì)因蓄電池被深度放電而造成蓄電池的實(shí)際使用壽命成10倍地被縮短。
? ? ? ?當(dāng)蓄電池的放電速率為0. 6C時(shí)，UPS的后接負(fù)載所需的蓄電池放電電流為蓄電池容量的60%。一旦市電停電時(shí)，隨著停電時(shí)間的延長(zhǎng)，蓄電池的端電壓將逐漸下降。當(dāng)放電時(shí)間為62min左右時(shí)，單元蓄電他的端電壓將下降到它的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值1. 67V(相對(duì)于2V蓄電池)，從而迫使UPS進(jìn)人自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)，讓蓄電池停止放電。而此時(shí)的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值比在0.6c放電速率下蓄電池所允許的臨界關(guān)機(jī)電壓值1. 6V要高。所以，蓄電池由正常的放電狀態(tài)而被自動(dòng)關(guān)機(jī)終止放電。
? ? ? ?當(dāng)蓄電池的放電速率為0.16C時(shí)，UPS的后接負(fù)載所需的蓄電池放電電流僅為蓄電池容量的16%，即用戶的負(fù)載很輕。這時(shí)一旦市電停電，而且讓蓄電池一直放電到因電壓過(guò)低而自動(dòng)關(guān)機(jī)，由于單元蓄電池的實(shí)際放電電壓1.67V要比放電速率為0.16C時(shí)所允許的臨界放電電壓1. 75V要低，從而迫使蓄電池進(jìn)人被深度放電的狀態(tài)，這必將造成蓄電池組過(guò)早地報(bào)廢失效。
? ? ? ?從上面的分析可見(jiàn)，為了能獲得安全放電時(shí)間而又不致造成蓄電池被深度放電的關(guān)鍵是，讓蓄電池的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值能隨著用戶負(fù)載量的大小而自動(dòng)調(diào)整，并使它永遠(yuǎn)高于在該放電速率下所允許的臨界放電電壓值。近年來(lái)，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微處理器被廣泛地應(yīng)用在UPS中，開(kāi)發(fā)了防蓄電池被深度放電的蓄電池管理系統(tǒng)。
三、電池深度放電管理系統(tǒng)
? ? ? ?(1) 定時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)方案
? ? ? ?當(dāng)市電停電后，如果蓄電池組因放電電流較小而使它的放電時(shí)間超過(guò)原設(shè)計(jì)的滿載后備供電時(shí)間，UPS所允許的放電時(shí)間將為原來(lái)所預(yù)置的蓄電池后備供電時(shí)間的3倍。當(dāng)放電時(shí)間達(dá)到此時(shí)刻時(shí)，不管蓄電池組是否還有足夠的容量可供使用，UPS都將執(zhí)行自動(dòng)關(guān)機(jī)操作，不讓蓄電池因放電電流過(guò)小而進(jìn)人自動(dòng)關(guān)機(jī)電壓值比蓄電池在這種小放電速率下的臨界放電電壓還低的深度放電工作區(qū)。例如:如果UPS的蓄電池組后備時(shí)間為15min(帶負(fù)載)的話，不管用戶的實(shí)際負(fù)載有多輕，只要市電的停電時(shí)間超過(guò)45min, UPS都將進(jìn)人自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)(盡管此時(shí)的蓄電池還有數(shù)量可觀的可供安全使用的容量存在)。
? ? ? ?(2) 三階段調(diào)整的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”方案
? ? ? ?為防止蓄電池被深度放電，技術(shù)。UPS采用如下的三階段調(diào)整“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”。
? ? ? ?① 當(dāng)蓄電池的放電時(shí)間小于30min時(shí)，單元蓄電池的”蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值為1.67 V(相當(dāng)于12V蓄電池的自動(dòng)關(guān)機(jī)電壓10V) ;
? ? ? ?② 當(dāng)蓄電池的放電時(shí)間大于30min而小于60min時(shí)，單元蓄電池的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值被自動(dòng)調(diào)高到1.67V〔相當(dāng)于12V蓄電池電壓過(guò)低10.5V);
? ? ? ?③ 蓄電池的放電時(shí)間大于60min時(shí)，單元蓄電池的二蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值再被調(diào)到1. 85V(相當(dāng)于12V蓄電池的關(guān)機(jī)電壓11V)。
? ? ? ?(3) 閥值隨負(fù)載電流變化而全自動(dòng)調(diào)整的方案
? ? ? ?這是一種需用微處理器和數(shù)字信息處理技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”的理想方案。該UPS微處理器的EPROM內(nèi)存儲(chǔ)有一條典型的蓄電池放電時(shí)間與其對(duì)應(yīng)的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值的變化曲線，以在任何蓄電池放電時(shí)間、任何負(fù)載變化量的工作條件下，實(shí)際的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值永遠(yuǎn)高于其相對(duì)應(yīng)的允許臨界放電電壓值。當(dāng)市電供電中斷時(shí)，隨著蓄電池實(shí)際放電時(shí)間的增長(zhǎng)，UPS所執(zhí)行的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值也隨之而平滑地上調(diào)，從而到達(dá)既充分利用蓄電池能源又不致造成蓄電池被探度放電的目標(biāo)。
四.蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)
? ? ? ?實(shí)踐表明，蓄電池所允許的充放電循環(huán)次數(shù)是有限的。因此，盡可能地選用具有寬輸入電壓變化范圍的UPS是延長(zhǎng)蓄電池使用壽命的有效途徑。近年來(lái)，由于在中、小型UPS的整流器設(shè)計(jì)中采用高頻脈寬調(diào)制班管調(diào)控技術(shù)，將UPS的市電輸人電壓變化范圍從傳統(tǒng)的220V±15%(滿載)擴(kuò)展到(220V-25%)~(220V+27%)(滿載)。顯然，如果用戶選用這種UPS電源就會(huì)大大減少蓄電池組可能產(chǎn)生的充放電次數(shù).有利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。但對(duì)于特定的蓄電池而言，它所允許的蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)還與蓄電池的放電電流大小密切相關(guān).一般來(lái)說(shuō)，蓄電池的放電電流越小(這意味著蓄電池的放電時(shí)間越長(zhǎng))，財(cái)蓄電池所允許的充放電循環(huán)次數(shù)越小。蓄電池所允許的充放電循環(huán)次數(shù)見(jiàn)表3-5。
? ? ? ?由此可見(jiàn)，用戶在配置長(zhǎng)延時(shí)UPS時(shí)，應(yīng)充分考慮到蓄電池的上述特性。為此用戶可以考慮采用將多組并聯(lián)蓄電池組中的各組蓄電池置于順序放電狀態(tài)的方式，而不是讓整組蓄電池處于統(tǒng)一的單組放電工作方式。當(dāng)然，采用這種配置方案會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的安裝成本增大。
五.蓄電池充電器
? ? ? ?(1) 充電器的性能
? ? ? ?采用恒壓恒流分段式充電技術(shù)，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，充電電流的紋波盡可能小，這樣才能延長(zhǎng)蓄電池的壽命。有的廠家采用正常配置設(shè)計(jì)充電器的功率，后備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的情況就無(wú)法兼顧了?，F(xiàn)在的方案是充電器模塊設(shè)計(jì)，采用不同的數(shù)目模塊配置。以實(shí)現(xiàn)井聯(lián)、均流不等的充電器，既可節(jié)約成本，又可滿足用戶不同的要求。
? ? ? ?(2) 均浮充功能
? ? ? ?研究發(fā)現(xiàn)，蓄電池在正常使用過(guò)程中電解液的液面位置、比重和溫度會(huì)發(fā)生變化，各個(gè)蓄電池的端電壓和內(nèi)阻也會(huì)出現(xiàn)變化不均衡情況。這種不均衡情況會(huì)導(dǎo)致蓄電池組輸出電壓過(guò)低或內(nèi)阻過(guò)大，長(zhǎng)期下去會(huì)縮短蓄電池的壽命。為防止這種不均衡情況不斷加劇。在一定時(shí)間內(nèi)應(yīng)提高充電電壓，對(duì)蓄電池單元進(jìn)行充電，使各蓄電池單元都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)，起到活化蓄電他的目的，從而大大延長(zhǎng)蓄電池壽命。均浮充轉(zhuǎn)換技術(shù)就是根據(jù)對(duì)蓄電池充電電流的檢測(cè)及容量情況的判斷，自動(dòng)進(jìn)行蓄電池均浮充轉(zhuǎn)換的。為此要求配置的充電器具有均浮充自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。以提高UPS系統(tǒng)的可用性。