霍克UPS蓄电池管理技术

 摘 要：大量的运行实践表明，由于对蓄电池的使用特性和对UPS的蓄电池管理功能不熟悉或理解不够，致使原预期使用寿命为10年的蓄电池，其实实际使用寿命仅有1~2年。

　　在UPS的运行中，如何监视蓄电池的工作状态，并精确地预测其临界失效期和如何延长蓄电池的有效寿命，是保证UPS供电系统稳定、可靠的关键。

　　能否正确地理解和选用好的UPS蓄电池管理功能，对UPS本身的高可靠性和高利用效率具有至关重要的影响。这是因为一旦市电电源因故发生故障时，UPS将依靠蓄电池组所提供的直流能源来维持UPS逆变器的正常工作。此时，如果因管理不善而导致蓄电池过早老化、损坏。它势必会导致UPS电源自动关机，从而造成计算机网络、电信网络和数据通信网络等关键用户工作的彻底瘫痪。

　　大量的运行实践表明，由于对蓄电池的使用特性和对UPS的蓄电池管理功能不熟悉或理解不够，致使原预期使用寿命为10年的蓄电池，其实实际使用寿命仅有1~2年。基于上述原因，有要对造成蓄电池加速老化，容量下降的原因进行分析，采用先进的蓄电池管理技术来延长蓄电池的实际使用寿命，从各种具有蓄电池管理功能的UPS产品中选择出最适合供电要求的蓄电池配置和管理方案。从而尽可能降低由于蓄电池使用不当所带来的不必要的损失。

　　对精确地预测蓄电池临界失效期，一般很少做到。有的UPS厂家已经拥有这项技术，但并没有真正应用于产品，比如对每一届蓄电池进行监测;单元蓄电池定时充放电;某一节蓄电池出现故障，可以及时通知更换等，因成本太高，很少实际应用。因此对大容量的UPS仍采用人工维护，定时监测蓄电池状况。

　　既然不能精确地预测蓄电池的临界失效期，UPS厂商在尽可能延长蓄电池寿命上采取了相应的技术措施，即蓄电池管理技术。由于产品成本的原因，大容量UPS应用蓄电池管理技术比较完善，而对中小功率的UPS采用该项技术较少。但随着技术的发展，有的UPS厂家已经在小至lkVA的UPS内设有丰富的蓄电池管理技术。

　　一、蓄电池管理技术

　　相关资料表明，造成蓄电池的实际容量(Ah数)下降、内阻增大等"老化"问题的主要原因是:在蓄电池不断的充放电过程中，蓄电池内部阳极极板钝化，水分挥发丢失。显然，一旦在蓄电池内部过早地出现上述现象，必然会造成蓄电池的实际使用寿命远远低于其设计寿命。大量的运行统计资料表明，导致蓄电池性能恶化的因素可大致分为外部和内部两种，影响蓄电池寿命的外部因素有:

　　1.环境温度

　　大量的运行数据证明，过高的环境工作温度是导致免维护蓄电池使用寿命缩短的主要原因。环境温度偏高导致蓄电池使用寿命缩短的原因有:

　　(1)当环境温度升高时，蓄电池所允许的浮充电压的阀值将逐渐下降。此时，如果采用浮充电压阀值为固定值的设计方案(对于12V蓄电池而言，浮充电压为13.5V)，势必会将蓄电池组置于“过电压充电”工作状态。显然，这必将会导致蓄电池加速老化。解决蓄电池工作环境温度变化对其寿命影响的技术措施是采用"带温度补偿"的充电设计方案时，通过将蓄电池的典型浮充电压-温度关系曲线存储在微处理器的EPROM存储器中的办法，再利用配置在蓄电池柜中的温度传感器所测得的蓄电池组的实测温度信号来实时自动调整充电器的浮充电压，从而将蓄电池组置于最佳的浮充电压-温度工作状态，实现温度补偿功能。

　　(2)当环境温度升高时，蓄电池组本身固有的"存储寿命"会逐渐缩短。

　　GFM系列蓄电池的放电容量和温度的关系。蓄电池放电容量随温度的升、降而随之增大、减小。

　　温度升高时，应降低充电电压，否则蓄电池中极板受硫酸腐蚀加剧，从而使其寿命缩短。当环境温度低于25℃时，充电电压应提高，以防止充电不足。

　　实践表明是否配置带"温度补偿功能"的充电器对这种造成蓄电池寿命缩短有一定的影响，

　　从表1可见同未配置带"温度补偿功能"的充电器相比，带"温度补偿功能"的充电器可以使蓄电池组的实际使用寿命有一定的增长。然而，并不可能利用配置带"温度补偿"充电器的办法来彻底消除由于温升偏高而造成蓄电池的实际使用寿命被缩短的问题。

　　当环境温度偏低时，尽管它不会对蓄电池的使用寿命造成不利影响。它会造成由免维护蓄电池所提供的有效容量下降。例如:当环境温度从25℃下降到0℃时，它会造成蓄电池的有效放电容量下降20%~30%。对于此点，当今的UPS中的"温度补偿"充电器均对它无能为力，这是因为其温度补偿范围被设计在25~55℃之间。

 

　　基于上述原因，对于绝大多数蓄电池组来说，要想真正消除它的实际使用寿命缩短或蓄电池的有效放电容量下降等不利影响，最佳选择应该是控制蓄电池的工作环境温度，尽量设法将蓄电池的环境工作温度控制在20~25℃范围内，当用户在使用带"温度补偿功能"的充电器时，应按照UPS厂家的安装说明，正确地配置和安装温度传感器在蓄电池柜中的位置和温度传感器与UPS主机的通信接口之间的通信电缆。否则，会导致因UPS的充电系统的“误动作”而造成蓄电池被“过电压充电”，从而加速老化，效果适得其反。

　　2.深度放电

　　蓄电池被深度放电是造成蓄电池的使用寿命被缩短的另一个重要原因，这种情况极易发生在蓄电池的自动关机保护电路采用具有固定的“蓄电池电压过低自动关机”阀值设计方案的UPS中(绝大多数中小型UPS均采用此种设计方案)。当这种UPS被配置成长延时UPS供电系统(例如：4h/8h蓄电池后备供电时间)，而它所接实际负载量较小时，一旦市电停电，蓄电池就会被"深度放电"。对于UPS供电系统而言，当用户的后接负载量很轻时(所谓的“大马拉小车”现象)，对UPS主机而言，肯定有利于降低逆变器的故障。然而，对于同UPS配套的长延时蓄电池组而言，则会因蓄电池被"深度放电"而造成蓄电池的实际使用寿命成10倍地缩短。

　　当蓄电池的放电速率为0.6C时，UPS的后接负载所需的蓄电池放电电流为蓄电池容量的60%。一旦市电停电，随着停电时间的延长，蓄电池的端电压将逐渐下降。当放电时间为62min左右时，单元蓄电池的端电压将下降到它的"蓄电池电压过低自动关机"阀值1.67V(相对于2V蓄电池)，从而迫使UPS进入自动关机状态，让蓄电池停止放电。而此时的"蓄电池电压过低自动关机"阀值比在0.6C放电速率下蓄电池所允许的临界关机电压值1.6V要高。所以，蓄电池是处于正常的放电状态，而被自动关机终止放电。

　　当蓄电池的放电速率为0.l6C时，UPS的后接负载所需的蓄电池放电电流仅为蓄电池容量的16%，即用户的负载很轻，一旦市电停电，而且让蓄电池一直放电到因"蓄电池电压过低"而自动关机时，此时由于单元蓄电池的实际放电电压1.67V要比在0.16C放电速率时所允许的临界放电电压1.75V低，从而迫使蓄电池进入被“深度放电”的状态，必将造成蓄电池组过早地报废失效。

　　从上面的分析可见，为了能最大限度地获得最长的"安全放电时间"，而又不致造成蓄电池被“深度放电”的关键是让“蓄电池电压过低自动关机电压”的阀值能随着用户的负载量的大小而自动调整，并使它永远高于在该放电速率下所允许的临界放电电压值。近年来，由于数字信号处理技术和微处理器被广泛地应用在UPS中，UPS开发了防蓄电池被“深度放电”的蓄电池管理系统。

　　3.蓄电池深度放电管理系统

　　(1)定时自动关机方案。当市电停电后，如果蓄电池组因放电电流较小而使它的放电时间超过原设计的"满载后备供电时间"时，UPS所允许的最长放电时间为原来所预置的蓄电池“后备供电时间”的3倍。当放电时间达到此时刻时，不管蓄电池组是否还有足够的容量可供使用，UPS都将执行自动关机操作，不让蓄电池因放电电流过小而进入"深度放电"工作区。例如:如果UPS的蓄电池组后备时间为l5min(带100%负载)，不管用户的实际负载有多轻，只要市电的停电时间超过45min，UPS都将进入自动关机状态(尽管此时的蓄电池还有数量可观的可供安全使用的容量存在)。

　　(2)“三阶段”调整的“蓄电池电压过低自动关机”方案。为防止蓄电池被“深度放电”，UPS采用如下的三阶调整“蓄电池自动关机”技术:

　　1)当蓄电池的放电时间小于30min时，它的“蓄电池电压过低自动关机”阀值为1.67V/单元蓄电池(相当于12V蓄电池的自动关机电压为10V)。

　　2)当蓄电池的放电时间大于30min，小于60min时，它的"蓄电池电压过低自动关机电压"值被自动调高到1.75V/单元蓄电池(相当于12V蓄电池的关机电压为10.5V)。

　　3)蓄电池的放电时间大于60min时，它的"蓄电池电压过低自动关机电压"值再被调到1.85V。单元蓄电池(相当于12V蓄电池的关机电压为11V)。

　　(3)阀值随负载电流变化的全自动调整方案。这是一种用微处理器和数字信息处理技术来实时调节“蓄电池电压过低”自动关机的最理想方案，UPS微处理器的EPRUM内存储有一条典型的蓄电池放电时间与其对应的“蓄电池电压过低自动关机”阀值的变化曲线，以保证在任何蓄电池放电时间，任何负载变化量的工作条件下，实际的"蓄电池自动关机"电压值永远高于其相对应的允许临界放电电压值。当市电供电中断时，随着蓄电池的实际放电时间的增长，UPS所执行的"蓄电池电压过低自动关机"的阀值也随之而平滑地上调，从而到达既充分利用蓄电池的能源，又不致造成蓄电池被"深度放电"的双赢目标。

　　4.蓄电池的充放电循环次数

　　运行实践表明，蓄电池所允许的充放电循环次数是有限的。因此，尽可能地选用具有宽输入电压变化范围的UPS是延长蓄电池使用寿命的有效途径。近年来，由于在中、小型UPS整流器的设计中采用高频脉宽调制技术，将UPS的市电输入电压变化从传统的220V±15%(满载)扩展到220V—25%~220V+27%(满载)的范围。显然，如果用户选用这种UPS就会大大减少蓄电池组的充放电次数，有利于延长蓄电池的使用寿命。但对于特定的蓄电池而言，它所允许的蓄电池充放电循环次数还与蓄电池的放电电流大小密切相关。一般来说，蓄电池的放电电流越小(这意味着蓄电池的放电时间越长)，则蓄电池所允许的充放电循环次数则越小。蓄电池所允许的充放电循环次数见表6。

　　用户在配置长延时UPS时，应充分考虑到蓄电池的充放电循环次数。为此可以考虑采用将多组并联蓄电池组中的各组蓄电池置于顺序放电状态，而不是让整组蓄电池处于统一的单组放电工作方式。当然，采用这种配置方案会导致设备的安装成本增大。

　　5.蓄电池充电器

　　(1)充电器的性能。采用恒压恒流分段式充电技术，对蓄电池进行最优充电，充电电流的纹波尽可能小，才能延长蓄电池的寿命。最优充电电流随着蓄电池容量的不同而不同，因此随着后备时间的不同、蓄电池容量的不同要求充电器的充电电流可增加或减少。现在有部分UPS产品为了共用充电器，将充电器的功率做得比较大，针对用户的实际蓄电池配置，调整充电器的充电电流。这样做的优点是可以满足不同蓄电池配置的要求，缺点是浪费成本，同时如果限制充电电流的装置失效，或用户维护不当，就会损坏蓄电池。有的厂家采用正常配置设计充电器的功率，后备时间过长或过短的UPS就无法兼顾了。现在最好的方案是充电器模块设计，采用不同的数目模块配置，以实现并联均流的充电器，既可节约成本，又可满足用户不同的要求。

　　(2)均浮充功能。研究发现蓄电池在正常使用过程中，会发生电解液液面位置、密度、温度的变化，各个蓄电池的端电压、蓄电池内阻的变化不均衡情况。这种不均衡情况会导致蓄电池组输出电压过低或蓄电池组内阻过大，长期下去会缩短蓄电池的寿命。为防止这种不均衡情况不断加剧，在一定时间内，应提高充电电压，对蓄电池单元进行充电，使各蓄电池单元都达到均衡一致的状态，起到活化蓄电池的目的。从而大大延长蓄电池寿命。均浮充转换技术就是根据对蓄电池充电电流的检测及蓄电池容量情况的判断，自动进行蓄电池均浮充转换。为此要求配置的充电器具有均浮充自动转换功能，以提高UPS系统的可用性。