UPS-時高蓄電池管理技術(shù)
摘 要：大量的運行實踐表明，由于對蓄電池的使用特性和對UPS的蓄電池管理功能不熟悉或理解不夠，致使原預(yù)期使用壽命為10年的蓄電池，其實實際使用壽命僅有1~2年。
在UPS的運行中，如何監(jiān)視蓄電池的工作狀態(tài)，并精確地預(yù)測其臨界失效期和如何延長蓄電池的有效壽命，是保證UPS供電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵。
能否正確地理解和選用好的UPS蓄電池管理功能，對UPS本身的高可靠性和高利用效率具有至關(guān)重要的影響。這是因為一旦市電電源因故發(fā)生故障時，UPS將依靠蓄電池組所提供的直流能源來維持UPS逆變器的正常工作。此時，如果因管理不善而導(dǎo)致蓄電池過早老化、損壞。它勢必會導(dǎo)致UPS電源自動關(guān)機，從而造成計算機網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵用戶工作的徹底癱瘓。
大量的運行實踐表明，由于對蓄電池的使用特性和對UPS的蓄電池管理功能不熟悉或理解不夠，致使原預(yù)期使用壽命為10年的蓄電池，其實實際使用壽命僅有1~2年?；谏鲜鲈?，有要對造成蓄電池加速老化，容量下降的原因進行分析，采用先進的蓄電池管理技術(shù)來延長蓄電池的實際使用壽命，從各種具有蓄電池管理功能的UPS產(chǎn)品中選擇出最適合供電要求的蓄電池配置和管理方案。從而盡可能降低由于蓄電池使用不當(dāng)所帶來的不必要的損失。
對精確地預(yù)測蓄電池臨界失效期，一般很少做到。有的UPS廠家已經(jīng)擁有這項技術(shù)，但并沒有真正應(yīng)用于產(chǎn)品，比如對每一屆蓄電池進行監(jiān)測;單元蓄電池定時充放電;某一節(jié)蓄電池出現(xiàn)故障，可以及時通知更換等，因成本太高，很少實際應(yīng)用。因此對大容量的UPS仍采用人工維護，定時監(jiān)測蓄電池狀況。
既然不能精確地預(yù)測蓄電池的臨界失效期，UPS廠商在盡可能延長蓄電池壽命上采取了相應(yīng)的技術(shù)措施，即蓄電池管理技術(shù)。由于產(chǎn)品成本的原因，大容量UPS應(yīng)用蓄電池管理技術(shù)比較完善，而對中小功率的UPS采用該項技術(shù)較少。但隨著技術(shù)的發(fā)展，有的UPS廠家已經(jīng)在小至lkVA的UPS內(nèi)設(shè)有豐富的蓄電池管理技術(shù)。
一、蓄電池管理技術(shù)
相關(guān)資料表明，造成蓄電池的實際容量(Ah數(shù))下降、內(nèi)阻增大等"老化"問題的主要原因是:在蓄電池不斷的充放電過程中，蓄電池內(nèi)部陽極極板鈍化，水分揮發(fā)丟失。顯然，一旦在蓄電池內(nèi)部過早地出現(xiàn)上述現(xiàn)象，必然會造成蓄電池的實際使用壽命遠遠低于其設(shè)計壽命。大量的運行統(tǒng)計資料表明，導(dǎo)致蓄電池性能惡化的因素可大致分為外部和內(nèi)部兩種，影響蓄電池壽命的外部因素有:
1.環(huán)境溫度
大量的運行數(shù)據(jù)證明，過高的環(huán)境工作溫度是導(dǎo)致免維護蓄電池使用壽命縮短的主要原因。環(huán)境溫度偏高導(dǎo)致蓄電池使用壽命縮短的原因有:
(1)當(dāng)環(huán)境溫度升高時，蓄電池所允許的浮充電壓的閥值將逐漸下降。此時，如果采用浮充電壓閥值為固定值的設(shè)計方案(對于12V蓄電池而言，浮充電壓為13.5V)，勢必會將蓄電池組置于“過電壓充電”工作狀態(tài)。顯然，這必將會導(dǎo)致蓄電池加速老化。解決蓄電池工作環(huán)境溫度變化對其壽命影響的技術(shù)措施是采用"帶溫度補償"的充電設(shè)計方案時，通過將蓄電池的典型浮充電壓-溫度關(guān)系曲線存儲在微處理器的EPROM存儲器中的辦法，再利用配置在蓄電池柜中的溫度傳感器所測得的蓄電池組的實測溫度信號來實時自動調(diào)整充電器的浮充電壓，從而將蓄電池組置于最佳的浮充電壓-溫度工作狀態(tài)，實現(xiàn)溫度補償功能。
(2)當(dāng)環(huán)境溫度升高時，蓄電池組本身固有的"存儲壽命"會逐漸縮短。
GFM系列蓄電池的放電容量和溫度的關(guān)系。蓄電池放電容量隨溫度的升、降而隨之增大、減小。
溫度升高時，應(yīng)降低充電電壓，否則蓄電池中極板受硫酸腐蝕加劇，從而使其壽命縮短。當(dāng)環(huán)境溫度低于25℃時，充電電壓應(yīng)提高，以防止充電不足。
實踐表明是否配置帶"溫度補償功能"的充電器對這種造成蓄電池壽命縮短有一定的影響，
從表1可見同未配置帶"溫度補償功能"的充電器相比，帶"溫度補償功能"的充電器可以使蓄電池組的實際使用壽命有一定的增長。然而，并不可能利用配置帶"溫度補償"充電器的辦法來徹底消除由于溫升偏高而造成蓄電池的實際使用壽命被縮短的問題。
當(dāng)環(huán)境溫度偏低時，盡管它不會對蓄電池的使用壽命造成不利影響。它會造成由免維護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0℃時，它會造成蓄電池的有效放電容量下降20%~30%。對于此點，當(dāng)今的UPS中的"溫度補償"充電器均對它無能為力，這是因為其溫度補償范圍被設(shè)計在25~55℃之間。
基于上述原因，對于絕大多數(shù)蓄電池組來說，要想真正消除它的實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，最佳選擇應(yīng)該是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)，當(dāng)用戶在使用帶"溫度補償功能"的充電器時，應(yīng)按照UPS廠家的安裝說明，正確地配置和安裝溫度傳感器在蓄電池柜中的位置和溫度傳感器與UPS主機的通信接口之間的通信電纜。否則，會導(dǎo)致因UPS的充電系統(tǒng)的“誤動作”而造成蓄電池被“過電壓充電”，從而加速老化，效果適得其反。
2.深度放電
蓄電池被深度放電是造成蓄電池的使用壽命被縮短的另一個重要原因，這種情況極易發(fā)生在蓄電池的自動關(guān)機保護電路采用具有固定的“蓄電池電壓過低自動關(guān)機”閥值設(shè)計方案的UPS中(絕大多數(shù)中小型UPS均采用此種設(shè)計方案)。當(dāng)這種UPS被配置成長延時UPS供電系統(tǒng)(例如：4h/8h蓄電池后備供電時間)，而它所接實際負(fù)載量較小時，一旦市電停電，蓄電池就會被"深度放電"。對于UPS供電系統(tǒng)而言，當(dāng)用戶的后接負(fù)載量很輕時(所謂的“大馬拉小車”現(xiàn)象)，對UPS主機而言，肯定有利于降低逆變器的故障。然而，對于同UPS配套的長延時蓄電池組而言，則會因蓄電池被"深度放電"而造成蓄電池的實際使用壽命成10倍地縮短。
當(dāng)蓄電池的放電速率為0.6C時，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，隨著停電時間的延長，蓄電池的端電壓將逐漸下降。當(dāng)放電時間為62min左右時，單元蓄電池的端電壓將下降到它的"蓄電池電壓過低自動關(guān)機"閥值1.67V(相對于2V蓄電池)，從而迫使UPS進入自動關(guān)機狀態(tài)，讓蓄電池停止放電。而此時的"蓄電池電壓過低自動關(guān)機"閥值比在0.6C放電速率下蓄電池所允許的臨界關(guān)機電壓值1.6V要高。所以，蓄電池是處于正常的放電狀態(tài)，而被自動關(guān)機終止放電。
當(dāng)蓄電池的放電速率為0.l6C時，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，一旦市電停電，而且讓蓄電池一直放電到因"蓄電池電壓過低"而自動關(guān)機時，此時由于單元蓄電池的實際放電電壓1.67V要比在0.16C放電速率時所允許的臨界放電電壓1.75V低，從而迫使蓄電池進入被“深度放電”的狀態(tài)，必將造成蓄電池組過早地報廢失效。
從上面的分析可見，為了能最大限度地獲得最長的"安全放電時間"，而又不致造成蓄電池被“深度放電”的關(guān)鍵是讓“蓄電池電壓過低自動關(guān)機電壓”的閥值能隨著用戶的負(fù)載量的大小而自動調(diào)整，并使它永遠高于在該放電速率下所允許的臨界放電電壓值。近年來，由于數(shù)字信號處理技術(shù)和微處理器被廣泛地應(yīng)用在UPS中，UPS開發(fā)了防蓄電池被“深度放電”的蓄電池管理系統(tǒng)。
3.蓄電池深度放電管理系統(tǒng)
(1)定時自動關(guān)機方案。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間超過原設(shè)計的"滿載后備供電時間"時，UPS所允許的最長放電時間為原來所預(yù)置的蓄電池“后備供電時間”的3倍。當(dāng)放電時間達到此時刻時，不管蓄電池組是否還有足夠的容量可供使用，UPS都將執(zhí)行自動關(guān)機操作，不讓蓄電池因放電電流過小而進入"深度放電"工作區(qū)。例如:如果UPS的蓄電池組后備時間為l5min(帶100%負(fù)載)，不管用戶的實際負(fù)載有多輕，只要市電的停電時間超過45min，UPS都將進入自動關(guān)機狀態(tài)(盡管此時的蓄電池還有數(shù)量可觀的可供安全使用的容量存在)。
(2)“三階段”調(diào)整的“蓄電池電壓過低自動關(guān)機”方案。為防止蓄電池被“深度放電”，UPS采用如下的三階調(diào)整“蓄電池自動關(guān)機”技術(shù):
1)當(dāng)蓄電池的放電時間小于30min時，它的“蓄電池電壓過低自動關(guān)機”閥值為1.67V/單元蓄電池(相當(dāng)于12V蓄電池的自動關(guān)機電壓為10V)。
2)當(dāng)蓄電池的放電時間大于30min，小于60min時，它的"蓄電池電壓過低自動關(guān)機電壓"值被自動調(diào)高到1.75V/單元蓄電池(相當(dāng)于12V蓄電池的關(guān)機電壓為10.5V)。
3)蓄電池的放電時間大于60min時，它的"蓄電池電壓過低自動關(guān)機電壓"值再被調(diào)到1.85V。單元蓄電池(相當(dāng)于12V蓄電池的關(guān)機電壓為11V)。
(3)閥值隨負(fù)載電流變化的全自動調(diào)整方案。這是一種用微處理器和數(shù)字信息處理技術(shù)來實時調(diào)節(jié)“蓄電池電壓過低”自動關(guān)機的最理想方案，UPS微處理器的EPRUM內(nèi)存儲有一條典型的蓄電池放電時間與其對應(yīng)的“蓄電池電壓過低自動關(guān)機”閥值的變化曲線，以保證在任何蓄電池放電時間，任何負(fù)載變化量的工作條件下，實際的"蓄電池自動關(guān)機"電壓值永遠高于其相對應(yīng)的允許臨界放電電壓值。當(dāng)市電供電中斷時，隨著蓄電池的實際放電時間的增長，UPS所執(zhí)行的"蓄電池電壓過低自動關(guān)機"的閥值也隨之而平滑地上調(diào)，從而到達既充分利用蓄電池的能源，又不致造成蓄電池被"深度放電"的雙贏目標(biāo)。
4.蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)
運行實踐表明，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是延長蓄電池使用壽命的有效途徑。近年來，由于在中、小型UPS整流器的設(shè)計中采用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)，將UPS的市電輸入電壓變化從傳統(tǒng)的220V±15%(滿載)擴展到220V—25%~220V+27%(滿載)的范圍。顯然，如果用戶選用這種UPS就會大大減少蓄電池組的充放電次數(shù)，有利于延長蓄電池的使用壽命。但對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)。一般來說，蓄電池的放電電流越小(這意味著蓄電池的放電時間越長)，則蓄電池所允許的充放電循環(huán)次數(shù)則越小。蓄電池所允許的充放電循環(huán)次數(shù)見表6。
用戶在配置長延時UPS時，應(yīng)充分考慮到蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)。為此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)，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導(dǎo)致設(shè)備的安裝成本增大。
5.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)，對蓄電池進行最優(yōu)充電，充電電流的紋波盡可能小，才能延長蓄電池的壽命。最優(yōu)充電電流隨著蓄電池容量的不同而不同，因此隨著后備時間的不同、蓄電池容量的不同要求充電器的充電電流可增加或減少?，F(xiàn)在有部分UPS產(chǎn)品為了共用充電器，將充電器的功率做得比較大，針對用戶的實際蓄電池配置，調(diào)整充電器的充電電流。這樣做的優(yōu)點是可以滿足不同蓄電池配置的要求，缺點是浪費成本，同時如果限制充電電流的裝置失效，或用戶維護不當(dāng)，就會損壞蓄電池。有的廠家采用正常配置設(shè)計充電器的功率，后備時間過長或過短的UPS就無法兼顧了?，F(xiàn)在最好的方案是充電器模塊設(shè)計，采用不同的數(shù)目模塊配置，以實現(xiàn)并聯(lián)均流的充電器，既可節(jié)約成本，又可滿足用戶不同的要求。www.bysoso.com
(2)均浮充功能。研究發(fā)現(xiàn)蓄電池在正常使用過程中，會發(fā)生電解液液面位置、密度、溫度的變化，各個蓄電池的端電壓、蓄電池內(nèi)阻的變化不均衡情況。這種不均衡情況會導(dǎo)致蓄電池組輸出電壓過低或蓄電池組內(nèi)阻過大，長期下去會縮短蓄電池的壽命。為防止這種不均衡情況不斷加劇，在一定時間內(nèi)，應(yīng)提高充電電壓，對蓄電池單元進行充電，使各蓄電池單元都達到均衡一致的狀態(tài)，起到活化蓄電池的目的。從而大大延長蓄電池壽命。均浮充轉(zhuǎn)換技術(shù)就是根據(jù)對蓄電池充電電流的檢測及蓄電池容量情況的判斷，自動進行蓄電池均浮充轉(zhuǎn)換。為此要求配置的充電器具有均浮充自動轉(zhuǎn)換功能，以提高UPS系統(tǒng)的可用性。www.bysoso.com
