關(guān)于UPS中蓄電池充放電機(jī)制的研究

張朱園

摘要：現(xiàn)今時(shí)代，我國(guó)各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)發(fā)突飛猛進(jìn)，促進(jìn)了電力自動(dòng)化水平的提升。在當(dāng)前信息時(shí)代的背景下，大多企業(yè)電源供電系統(tǒng)都實(shí)施了相應(yīng)變革，基本上都轉(zhuǎn)變成UPS電源，應(yīng)用的范圍也隨著技術(shù)的進(jìn)步而愈加廣泛，而基于該電源系統(tǒng)下所實(shí)施的儲(chǔ)能功能，能夠使電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換更加有效的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：UPS;蓄電池;充放電機(jī)制

引言

UPS就是不間斷的系統(tǒng)，是一種含有蓄電池的設(shè)備，基于逆變器為主要能的恒壓、恒頻設(shè)備。在計(jì)算機(jī)以及電力電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用，可以為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供不間斷的電力。

1理論公式計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，交流不間斷電源（UPS）系統(tǒng)的蓄電池組總?cè)萘肯劝词?計(jì)算蓄電池組的計(jì)算放電電流I，再根據(jù)式2計(jì)算蓄電池組總?cè)萘縌。

計(jì)算蓄電池組的計(jì)算放電電流I：

其中，I為蓄電池的計(jì)算放電電流，S為UPS設(shè)備額定容量，cosφ為UPS設(shè)備輸出功率因數(shù)，μ為UPS主機(jī)逆變器的效率（可查閱UPS設(shè)備技術(shù)參數(shù)），U為UPS蓄電池放電逆變器的輸入電壓（2V電池單體電壓為1.85V×每組電池個(gè)數(shù)）。計(jì)算UPS蓄電池組總?cè)萘縌：

其中，Q為UPS蓄電池組總?cè)萘?K為安全系數(shù)，取值1.25;I為計(jì)算負(fù)荷電流;T為要求蓄電池后備時(shí)間;η為UPS蓄電池放電容量系數(shù)，如表1所示。

蓄電池后備時(shí)間

α為電池溫度補(bǔ)償系數(shù)（1/℃）：

當(dāng)UPS蓄電池后備時(shí)間<1時(shí)，取α=0.01;

當(dāng)1≤蓄電池后備時(shí)間<10時(shí)，取α=0.008;

當(dāng)蓄電池后備時(shí)間≥10時(shí)，取α=0.006。

t為UPS蓄電池所在地最低環(huán)境溫度值（若有加熱設(shè)備時(shí)，按15℃取值，無加熱設(shè)備時(shí)，按5℃取值）

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：

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

根據(jù)實(shí)際反應(yīng)情況，蓄電池在貯存過程中，析出H2的過電位大于析出Pb的過電位，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析出的過電位，析氣量隨之上升。

正極：

由上式可得出充電時(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：

2.2放電原理

放電過程中，PbO2晶體中的Pb4+接受由外部電路加載的電子而還原在Pb2+電解液中，與其中的 結(jié)合，生成PbSO4，當(dāng)PbSO4的濃度升高到一定值的時(shí)候沉淀為PbSO4固體附著在電極上。H+和OH-結(jié)合生成水。放電反應(yīng)過程中，PbSO4固體不斷生成，一般情況下，正極放電生成的PbSO4不會(huì)全部覆蓋在未反應(yīng)的PbO2上面，但是PbSO4的摩爾體積比PbO2的摩爾體積大，又因?yàn)镻bSO4會(huì)堵住電極的孔隙，PbO2由于缺乏電解液，以及PbSO4阻值很大，而不能完全地與電解液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極在放電的時(shí)候，鉛固體Pb在硫酸中的正極反應(yīng)過程中電勢(shì)低于某一數(shù)值時(shí)，氧化為Pb2+或者可溶性微粒鉛，這些Pb2+或者可溶性的鉛擴(kuò)散遠(yuǎn)離電極表面，與 結(jié)合生成PbSO4，當(dāng)PbSO4的濃度達(dá)到一定值的時(shí)候沉淀為PbSO4固體。具體的放電化學(xué)反應(yīng)如下。

負(fù)極：

由上式可得出放電時(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：

由上式可得出放電時(shí)正極發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)為：PbO2+H2SO4+2H++2e-=PbSO4+2H2O。

3UPS中蓄電池充放電機(jī)制

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。充電過程中充電電流不必調(diào)整，充電電流自動(dòng)減小，充電過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大，對(duì)處于過放電的蓄電池進(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)行充電過程中，間歇停充期間，蓄電池化學(xué)反應(yīng)過程中產(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，在充電過程中，電池電壓很快升到充電終止電壓。在放電過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，具體問題還沒有定論。

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，為避免電流過大而損壞電池，利用恒流充電來限制充電電流。充電過程中當(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，如過充判斷、浮充控制、溫度補(bǔ)償?shù)?，是一種很有效的充電方式，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。

結(jié)語

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。通過統(tǒng)計(jì)及分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)問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。

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