關(guān)于UPS中蓄電池充放電機(jī)制的研究

王秋彥，劉春光

關(guān)于UPS中蓄電池充放電機(jī)制的研究

王秋彥，劉春光

（中國(guó)人民解放軍91550 部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

對(duì)UPS中蓄電池做了簡(jiǎn)要介紹，系統(tǒng)地研究了蓄電池充放電的工作原理，闡述了幾種充電模式，對(duì)幾種常用充電模式的優(yōu)劣性進(jìn)行了分析研究。

UPS；蓄電池；充電；放電

蓄電池作為UPS的核心部件，在UPS系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約1/3的UPS電源故障是由于蓄電池的問(wèn)題造成的。因此，蓄電池管理系統(tǒng)的質(zhì)量直接關(guān)系著UPS系統(tǒng)整體運(yùn)行狀況。本文分析了閥控式鉛酸蓄電池的充放電機(jī)理，并研究比較了幾種充電方式的優(yōu)劣性。

1 鉛酸蓄電池簡(jiǎn)介

鉛酸蓄電池由五部分組成：正負(fù)極板、隔板、電解液、安全閥及外殼，如圖1所示。

圖1 鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖

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(shí)，正極板上PbO4氧化成PbO2，正極板變成PbO2，負(fù)極板上的PbSO4被還原成Pb，負(fù)極板變成Pb，電解液中H2SO4的濃度增大。放電時(shí)，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(fù)極板失去電子被氧化，同樣生成PbSO4。在充放電過(guò)程中，鉛酸蓄電池的正負(fù)極板進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生正負(fù)離子形成電流。具體的充電化學(xué)反應(yīng)如下所示。

負(fù)極：

Pb2++2e－=Pb （2）

2H2O=2H++2OH－（3）

由式（1）～式（4）可得出充電時(shí)負(fù)極發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)為：PbSO4+H2O+2e－=Pb+H2SO4+2（OH）－。

析出H2的反應(yīng)方程式為：PbSO4+H++2e－=Pb+HSO－，2H++2e－=H2↑。

根據(jù)實(shí)際反應(yīng)情況，蓄電池在貯存過(guò)程中，析出H2的過(guò)電位大于析出Pb的過(guò)電位，H2產(chǎn)生的量很小。但在充電中后期，負(fù)極平衡電極電勢(shì)向負(fù)方向變化，降低了H2析出的過(guò)電位，析氣量隨之上升。

正極：

Pb2+=Pb4++2e－（6）

4H2O=4H++4OH－（7）

Pb4++4OH－=Pb（OH）4（8）

Pb（OH）4=PbO2+2H2O （9）

由式（5）～式（10）可得出充電時(shí)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?yàn)檎龢O活性物質(zhì)和外部的H+濃度嚴(yán)重失衡，導(dǎo)致O2的析出。在儲(chǔ)存期間，O2析出的化學(xué)反應(yīng)式如下：

2PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O+O2↑

2.2 鉛酸蓄電池放電原理

負(fù)極：

Pb=Pb2++2e－（11）

2H++2OH－=2H2O （13）

由式（11）～式（14）可得出放電時(shí)負(fù)極發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)為：Pb+H2SO4+2（OH）－=PbSO4+H2O+2e－。

正極：

PbO2+2H2O=Pb（OH）4（15）

Pb（OH）4= Pb4++4OH－（16）

Pb2++2e－=Pb （17）

H++OH－=H2O （19）

由式（15）～式（20）可得出放電時(shí)正極發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)為：PbO2+H2SO4+2H++2e－=PbSO4+2H2O。

3 鉛酸蓄電池充電模式

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(jìn)行充電，適合對(duì)多個(gè)蓄電池串聯(lián)的蓄電池組進(jìn)行充電。如果蓄電池組中某個(gè)電池電壓過(guò)低時(shí)，使該電池容量便于得到恢復(fù)，適用小電流長(zhǎng)時(shí)間充電。

恒流充電的缺點(diǎn)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(jì)，充電效率最高為70%。

3.2 恒壓充電

恒壓充電是對(duì)蓄電池充電時(shí)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(guò)程中充電電流不必調(diào)整，充電電流自動(dòng)減小，充電過(guò)程中蓄電池析氣量小，充電時(shí)間變短，能耗降低。

恒壓充電的缺點(diǎn)是充電初始階段電流過(guò)大，對(duì)處于過(guò)放電的蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，容易對(duì)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(duì)蓄電池進(jìn)行初始充電。

3.3 脈沖充電

脈沖充電是指先用脈沖電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，然后停充一段時(shí)間，循環(huán)地對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。脈沖充電對(duì)蓄電池進(jìn)行充電過(guò)程中，間歇停充期間，蓄電池化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的O2和H2有時(shí)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(shí)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(diǎn)是由于長(zhǎng)期欠充，電池正負(fù)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(guò)程中，電池電壓很快升到充電終止電壓。在放電過(guò)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(lái)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(wèn)題還沒(méi)有定論。

3.4 恒壓限流充電

恒壓限流充電方式實(shí)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(guò)大而損壞電池，利用恒流充電來(lái)限制充電電流。充電過(guò)程中當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，利用恒壓充電方式進(jìn)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(guò)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(guò)充判斷、浮充控制、溫度補(bǔ)償?shù)龋且环N很有效的充電方式，蓄電池可以在這個(gè)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。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用中蓄電池的使用壽命往往達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命，有的相差甚遠(yuǎn)，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(jì)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(guò)統(tǒng)計(jì)及分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)問(wèn)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(duì)蓄電池進(jìn)行充電對(duì)提高蓄電池的壽命起著至關(guān)重要的作用。

［1］曹智，張宇，王飛，等.UPS蓄電池組全壽命周期運(yùn)行質(zhì)量控制研究［J］.現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2016（20）：62-63．

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TM912

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.002

2095－6835（2019）13－0003－02

王秋彥（1985—），男，碩士研究生，助理工程師，從事機(jī)房UPS和配電工作。劉春光（1981—），男，碩士研究生，工程師，從事機(jī)房安控、UPS和配電工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕