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文档内容摘要
ppt www.mgeups.com,UPS蓄电池 的维护和原理,MGE UPS SYSTEMS 梅兰日兰电子(中国)有限公司,,1 电池的工作原理,电池在UPS中的作用: 线性负载UPS要为负载提供一定的后备时间,就必须具有电能的储存;到目前为止,还没有找到一种技术能够储存交流电能,也就是说电能的储存技术仍然只能采用直流形式。 电池在UPS电源中的主要作用就是储存电能,一旦市电中断,由电池放电供给逆变器,由逆变器将电池释放出的直流电转变为正弦交流电,维持UPS电源的正常输出,确保计算机在一定的时间内正常用电。 在市电正常供电时,电池在整流-充电电路中储存电能,同时对直流电路起到平滑滤波的作用,并在逆变器发生过载时,起到缓冲器的作用。,page 2,电池的分类: 电池在UPS电源中已得到广泛的应用,其品种繁多,型号齐全,规格各异,但按其基本性质电池可以分为酸性电池和碱性电池两大类: 酸性电池:酸性电池的电解液一般是由稀硫酸(H2SO4)或者胶体硫酸构成,极板由铅Pb和过氧化铝PbO2构成,通过化学反应贮存电荷,起到电池储能的作用; 碱性电池:碱性电池的电解液一般是由氢氧化钾KOH或者氢氧化钠NaOH(烧碱)组成。极板由于电池的结构不同而各异。如镉镍电池正极板是氢氧化镍Ni(OH)3,负极板是镉Cd;铁镍电池的正极板是氢氧化镍Ni(OH)3,负极板是铁Fe;银锌电池的正极板是过氧化银Ag2O3,负极板是锌Zn。 电池也可以按照使用方式进行分类,可以分为开口型、密封型两大类电池。,page 3,1 电池的工作原理,铅酸蓄电池的分类,目前国内外生产的VRLA电池主要采用两种技术:AGM技术和GEL技术。AGM技术是贫液式设计,电池内部没有流动的电解液,它采用超细玻璃棉隔板,隔板吸收了足够的电解液后仍保持10%左右的孔隙作为氧气的复合通道,正极析出的氧到负极复合,以实现氧的循环。它具有自放电小、充电效率高的优点,极群采用紧装配,内阻小,适合大电流放电,气体复合效率高,酸雾逸出少,初期容量较高,有较好的低温放电性能。GEL技术即生产胶体电池的技术。胶体电池中氧的复合通道是胶体收缩时所产生的裂纹,由于采用富液式设计,深放电的恢复特性较好,能防止电解液干涸,胶体的固定作用使电解液几乎不存在分层现象,在较高的环境温度下,胶体电池有较长的寿命。但胶体电池在使用初期,裂纹少,复合效率低,控制阀经常打开排放酸雾,无法充分体现密封蓄电池在环保方面的优越性。经过一段时间,裂纹增多,这个缺点自然而然就会被克服。,铅酸蓄电池的分类,铅酸蓄电池正极活性物质是二氧化铅,负极活性物质是海绵铅,电解液是稀硫酸溶液, 其放电化学反应为二氧化铅、海绵铅与电解液反应生成硫酸铅和水,Pb(负极)+PbO2(正极)+2H2SO4====2PbSO4+2H2O(放电反应)其充电化学反应为硫酸铅和水转化为二氧化铅、海绵铅与稀硫酸。2PbSO4+2H2O====Pb(负极)+PbO2(正极)+2H2SO4 (充电反应),电池的充电: 电池的充电特性——曲线具有三个阶段: 恒流充电阶段:恒流充电的控制方法是降压限流,随着电池容量的恢复,电池的电压不断上升,一直达到恒压充电电压为止,因此这一过程也称之为升压充电(Boost-charging)。放电越深则恒流充电阶段越长,反之则较短。,page 6,恒压充电阶段:这一过程电池的电压保持不变,充电电流逐渐减小,对密封电池来说,应维持在6~8小时,然后转入浮充状态,恒压充电过程也称之为恢复充电(Recharging)。 浮充电阶段:这一过程是为保持电荷的储量及防止自放电所必需的维持充电。通常认为每安培小时的充电电流降至10毫安以下时即认为电池已进入浮充电状态。浮充电流通常很微弱故有时又称为涓流充电(Trickling charging)。,1 电池的工作原理,电池的放电: 电池的放电特性——曲线具有三个特征: 当负载(即放电电流)较小时,电池的放电曲线较平滑,放电的时间较长。 无论负载的轻重如何,在放电的初始阶段都有电池电压突然下降较多,然后略有回升的现象,这个过程形成电池电压有较大的低谷;,page 7,无论放电电流的大小,电池的端电压最终将出现急剧下降的拐点,以拐点连接得到的曲线就称为安全工作时的终止电压曲线,UPS的电池工作点都是设计在这条拐点曲线附近的。 电池最低放电电压曲线以下的部分,表示低于此电压将造成电池特性的永久损坏;在UPS中,当直流电压过低时,将引起逆变器脉宽调制波的进一步变宽,而过大的直流分量将引起逆变变压器的磁饱和现象,从而导致正弦波的失真。,1 电池的工作原理,2 电池后备时间的计算,电池后备时间的计算,主要依赖于电池品牌的选择,包括电池的类型、电池 的使用寿命、电池的安装方式等,可参照该品牌的电池参数,来计算电池的 容量和数量。 按照UPS功率计算电池容量 举例: 一台200KVA UPS,要求使用使用上海西恩迪的十年免维护电池,后备时间为30分钟。UPS的电池终止电压为338V,逆变器效率为0.94,输出功率因数为0.8,试选择电池容量、串连只数、并联组数。,page 8,page 9,按照UPS功率计算电池容量 UPS所需的直流功率为: 每组电池的串连只数为: 根据电池放电功率表,选择MPS12-100(12V-100AH)电池,每个单体放电功率为209W(1.65V/cell, 30分钟时),则需要的电池组数为: 即需要的电池配置为:12V-100AH电池34只×4组。,2 电池后备时间的计算,,page 10,按照放电电流计算电池容量 UPS所需的最大直流电流为: 根据汤浅电池放电曲线可知,当电池终止电压为1.65V/cell(9.9V/只)时,与30分钟的放电曲线交点为 1.05C,则需要电池的容量为: 即:200KVA 30分钟后备时间,需要100AH-12V的电池 5组并联,每组34只,选择NP12-100电池。,,2 电池后备时间的计算,实际后备时间显示,,微处理器 计算软件,初始电压Eo,初始内阻Ro,初始温度to, 初始容量C10,放电系数k1-k2,充电系数1-  2 串联只数,并联组数,终止电压等,市电正常时,显示额定后备时间,市电停电时,显示剩余后备时间,根据实际环境及电池参数 测量电池的实际后备时间,,3 电池的监测与保护,电池后备时间的监测功能,page 11,电池过放电的自动保护 当电池电压低于终止电压时,逆变器自动停机,切换至旁路供电;同时为了避免电池长时间小电流放电,造成电池永久性损坏,UPS可以设定时间T,在电池给逆变器供电达2T时,UPS会显示 “电池低电压”的预报警,当电池给逆变器供电达3T时,逆变器自动停机切换至旁路供电。,逆变器停止,3t,3t+2h,page 12,3 电池的监测与保护,温度补偿式充电 环境温度对电池的使用影响很大,电池温度上升,意味着化学反应增强,电池 的放电能力也增强,但电池寿命会降低。因此UPS中专门设置了电池温度传感 器,用以控制浮充电压和电流。,电池使用寿命的计算 UPS监视器还应设置计算电池寿命的计算器,根据电池温度和使用时间自动修正 电池寿命,到电池寿命终止时,产生更换电池的报警提示,page 13,3 电池的监测与保护,终止电压+10V,自动测试周期由用户设定: XX周,XX天,XX小时,page 14,电池自动放电检测功能,自动放电开始时,整流-充电器将输出电压降低到终止电压+10V,电池带逆变器负载放电2分钟,电池带真实负载放电,有利于活化电池性能; 2分钟之后,如果电池电压大于终止电压+10V,则整流-充电器自动起动,恢复正常运行; 如果在2分钟之内,电池电压降低到终止电压+10V,说明可能有电池故障,整流-充电器立即起动恢复到浮充电压,同时产生电池故障报警。,3 电池的监测与保护,4 电池的测量,.1早期蓄电池电压的测量法 蓄电池的性能状态最终体现在电池的容量与落后程度上,电池的电压可以在一定程度上反映出电池性能的好坏,当电池放电到一定程度后,其电压值便开始明显降低,在早期的电池维护中,由于测试仪器的匮乏,维护人员普遍采用万用表对电池电压进行测量,通过电压高低来简单判断电池性能的好坏,而电池的实际放电能力只能通过电池实际容量反映出来,通过测量电池端电压只能在一定程度上反映电池的落后情况。实际操作中,我们经常会发现,在浮充状态下,坏电池或者落后电池与正常电池的电压没有太明显区别,也没有太好的规律性可言,大量研究实践证明,即便是浅度放电状态,单纯通过电压高低完全不足以判别电池性能的好坏。 2核对放电法 长期以来,蓄电池放电试验主要沿用以下两种方式:一是利用实际负载进行核对性放电试验,二是利用传统电阻箱进行放电试验。传统电阻箱放电容量试验,蓄电池组须脱离系统,利用电阻箱对电池组进行放电试验,经过数小时后,可以找出最落后的一到几节电池,以落后电池到达终止电压时的放电时间与放电电流来估算其容量,并以此容量作为整组电池的容量。 容量试验是检测电池容量最直接、最可靠的方法,无论是在线还是离线进行检测,都必须设置备用电源作为防范措施,以保证通信安全。,4 电池的测量,传统的核对放电设备普遍采用电阻丝或者水阻进行核对放电,并且是人工操作,程序繁琐,存在一定的人身危险,这种传统的核对放电试验方式正在逐步被淘汰。目前,国内外普遍采用了新型的智能核对放电技术,该技术利用PWM控制原理,根据放电过程中电池组放电电压的变化,对放电假负载可以进行实时调整,以保证电池组恒流放电。 核对放电法具有容量测试准确可靠的优点,因此,仍然是目前世界上检测电池性能的最可靠方法,同时由于核对放电本身可以对电池起到一定的维护作用,所以,核对放电是其他设备暂时还不能替代的。不过它的缺点也很突出,主要表现为: ——核对放电时间长,风险大,电池组须脱离系统,蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉,既浪费了电能又费时费力,并且增加了系统断电风险; ——进行核对性放电试验,必须具备一定条件,首先,尽可能在市电基本保障的条件下进行;其次,机房必须有备用电池组,所以,更适于具备一主一备电池组结构的机房。 ——目前,核对放电只能测试整组电池容量,不能测试每一节单体电池容量,以容量最低的一节作为整组容量,而其他部分电池由于放电深度不够,其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来。 频繁地对蓄电池进行深放电,会产生硫酸铅沉淀,导致极板硫酸化,容量下降,电池落后,因此,不适宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。 所以,核对放电只能对蓄电池进行定期维护,无法满足日常维护的需要。,4 电池的测量,3在线快速容量测试法(电池巡检法) 在放电状态下,对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检,找出端电压下降最快的一只,将其确认为落后电池,再利用核对放电仪器,对该节电池进行核对放电,检测其容量,即代表该组电池的容量。 目前,用在线快速测试法可以较快地判定电池组中部分或者个别落后或劣化电池,但还不足以准确测定电池的好坏程度,包括电池的容量等指标,仅适宜作为一个定性测试的参考。以前有厂家根据客户的需求特点,推出一系列在线测试电池容量的设备与仪器,即在线监测仪或在线巡检仪,其宣传的重点是容量测试不仅快速准确可靠,而且可以在线进行。这种技术研究的思路是值得推广的,不过技术研究情况以及在各地基站进行的实地测试表明,除了少数情况外,一般都达不到一个很理想的效果。原因是多方面的,其中有蓄电池的生产制造工艺的原因,有蓄电池电化学特性的原因,有蓄电池的实际使用与维护的原因,有实际测试条件的原因等。 这种方法的优点是操作简单,风险系数小,并可以快速查找落后电池。不过最大的缺点还是测试精度低,只能作为电池落后状态判定依据,不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时测试要求较高,如要达到一定的测试精度,则机房一般应满足包括放电因素在内的系列条件,而机房实际情况却各有差别,大多达不到相应的测试要求,所以,测试情况还不是很理想,尤其是容量测试准确度较低。,4 电池的测量,4电导(内阻)测量法 电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号,测量出与电压同相位的交流电流值,其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数,不同的测试频率下有不同的电导值,在低频率下,电池电导与电池容量相关性很好,一般测量频率在30Hz左右,根据不同容量的电池其测量频率一般会作相应调整。电池的容量越小,电池电阻越大,电导值越小。 电导法能准确查出完全失效的电池,根据大量的实验分析及研究结果证明,电池的容量只有降低到50%以后,内阻或者电导会有较大变化,降低到40%以后,会有明显变化,所以,根据电池电导值或者内阻值,可以在一定程度上确定电池的性能,但对于电池的好坏程度,还不能提供准确的数据依据。因此,采用电导法测试电池的内阻或电导是判定蓄电池好坏的一种有价值的参考思路,但却不足以准确地测算出电池的实际性能指标,尤其是容量指标。 电导测量技术虽然测试工作比较简单,但是,由于内阻与容量线性关系不好,所以,测试结果不能很好地反映蓄电池的真实健康状况。,谢 谢 大 家!,