摘要：UPS供电系统在各行业数据中心中起到重要的电源保障作用，要为负载提供不间断的供电，就必须具有电能储存的功能。因此，蓄电池成为UPS供电系统的重要组成部分。

　　UPS供电系统在各行业数据中心中起到重要的电源保障作用，要为负载提供不间断的供电，就必须具有电能储存的功能。因此，蓄电池成为UPS供电系统的重要组成部分。而由于蓄电池本身或者管理上的原因，目前有许多UPS故障是由蓄电池引起。因此有必要加强对蓄电池特性的了解，正确选配和使用蓄电池，尽可能地延长蓄电池的使用寿命。同时，如何管理蓄电池成为各个UPS厂家及行业用户重点研究的问题。

　　以下对目前大型UPS系统广泛采用的蓄电池在UPS供电系统中的作用、工作原理、配置、选用、安装、维护等方面进行探讨。

　　一、蓄电池在UPS供电系统中的作用和意义

　　在UPS供电系统中，蓄电池大多采用免维护蓄电池。蓄电池在UPS供电系统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的电源输出，确保负载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。

　　而在日常工作中，人们往往片面地认为蓄电池是免维护的而不加重视。然而由于对蓄电池的不合理使用，产生了蓄电池的电解液干涸、热失控、早期容量损失、内部短路等问题，进而严重影响到供电系统的可靠性。有资料表明，蓄电池故障而引起UPS主机故障或工作不正常的比例大约为60%。由此可见，加强对UPS电池的正确使用与维护，对延长蓄电池的使用寿命，降低UPS供电系统故障率，有着越来越重要的意义。

　　二、蓄电池的种类

　　蓄电池在UPS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。

　　三、蓄电池的工作原理

　　19世纪中期，铅酸蓄电池的问世解决了部分用电设备的随机用电问题。但历经100多年的发展，其工作原理基本上没有什么变化，它的正常充放电的化学方程式为：

　　以上正常充放电化学方程式为理想化的原理方程式，似乎只要不受到机械损伤，一块铅酸蓄电池可无休止地使用下去，完成充放电过程。

　　蓄电池在充电时，正极由硫酸铅(PbSO4)转化为二氧化铅(PbO2)后将电能转化为化学能储存在正极板中;负极由硫酸铅(PbSO4)转化为海绵状铅(海绵状Pb)后将电能转化为化学能储存在负极板中。

　　蓄电池在放电时，正极由二氧化铅(PbO2)变成硫酸铅(PbSO4)而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅(海绵状Pb)变成硫酸铅(PbSO4)而将化学能转换成电能向负载供电。

　　目前UPS、直流电源设备常用的蓄电池都是铅酸蓄电池。而传统的铅酸蓄电池是开口式结构，电池在使用过程中，有氢气和氧气以及酸雾逸出，不仅污染环境还具有危险性，维护时需要加水、加酸，已逐渐被市场淘汰。现在UPS供电系统中蓄电池大多采用阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池。阀控式铅酸蓄电池的主要优点是在充电时正极板上产生的氧气，通过再化合反应在负极板上还原成水，使用时在规定浮充寿命期内不必加水维护，所以又称为免维护铅酸蓄电池。可见，免维护只是与普通蓄电池相比，运行中免去了添加纯水或蒸馏水，调整电解液液面的项目。当然也有一些较为突出的缺点：高昂的维修费用;可靠性的不可预见隐患;更换成本高;能量密度低;电池监测系统;高处理成本。

　　四、蓄电池的配置和选择

　　在UPS供电系统中，可以说蓄电池是这个系统的支柱。没有蓄电池的UPS只能称做稳压稳频电源。UPS之所以能实现不间断供电，就是因为有了蓄电池。在设计UPS时，首先应考虑选择什么型号的蓄电池，即蓄电池的额定电压、额定容量及应由多少节蓄电池组合等。

　　(1)蓄电池的选择

　　①短时间恒功率输出特性卓越：卓越的短时间(通常≤30min)恒功率输出特性,意味着在满足相同负载后备时间要求下可减小电池的容量,从而降低蓄电池成本;或采用相同容量的电池配置,可增加UPS系统总后备时间。

　　②高能量密度：选配合适的电池类型和容量、设计合理的组装结构,最优化的利用机房空间,提高蓄电池组的整体能量密度,有利于降低机房面积和成本。由于蓄电池的实际可使用容量与放电电流大小、系统电压、放电时间、蓄电池工作环境温度、蓄电池储存时间的长短、负载种类和特性等因素密切相关。蓄电池的容量一般是指在20°C，以20h放电率放电到1.75V/单体时，蓄电池输出的功率数(W)。

　　③高稳定性：蓄电池在有效寿命期间内,应有较低的故障率,尽量避免因个别蓄电池的故障或突然失效而造成的维修或更换,这对整个蓄电池系统的后期安全稳定具有重大意义。

　　⑤一致性：电池组的各单体的容量、开路电压、浮充电压等指标的一致性应符合相关标准。

　　⑥抗震性：电池组架设计满足抗8级烈度要求,电池之间连接建议采用软连接。

　　⑦便于安装：蓄电池的模块化结构设计及专用安装工具的提供,可降低整体安装成本。

　　⑨长使用寿命：电池应有合理的使用寿命要求,过短的使用寿命将增加UPS系统的不稳定性及成本。

　　(2)蓄电池的指标选择

　　内阻：应选择内阻小的蓄电池，这样才能持续大电流放电。如果内阻较大，在充放电过程中功耗加大，使蓄电池发烫。

　　浮充电压：在相同温度下，浮充电压值高意味着储能量大，质量差的蓄电池浮充电压值一般较小。蓄电池浮充电压值在不同的温度时应进行修正。

　　在大中型(几kVA-几千kVA)UPS中采用2V单体系列蓄电池，避免采用小容量组合蓄电池进行混联。

　　五、UPS的安装

　　一般UPS厂家会向用户提供完整、详细的UPS安装要求和注意事项，只有符合这个要求，才能保证UPS供电系统正常工作。

　　在实际应用中，工程师可根据要安装的UPS的实际情况将相关参数发给客户，以便客户按此要求施工。下面逐一进行说明：

　　1、用户为UPS提供的输入市电其波动值一般要小于UPS标称的允许市电波动值，例如某型号UPS标称允许市电输入电压波动在220V+20%，那么此项可要求用户市电波动在+15%，这样有利于UPS正常运行;零地电压一般要求在不带负载时小于1.5V，带满载时小于2V，工程师也可根据现场情况及负载要求提出此值。

　　2、UPS为了消除共模干扰，零、火线对地之间都加了滤波电容，零、火对地都有电流，可能造成零、火线上电流不等，从而使带漏电的断路器跳闸。所以UPS前级及负载回路不能装带漏电保护的断路器，以免造成UPS及其负载意外掉电。这里要指出的是，用户配UPS的主要目的是为了重要设备如计算机等的安全运行，而不是为了保障人员安全，所以也不应该对线路中带电部分如插座、断路器等频繁插拔、开合。

　　3、为了消除干扰，大多数UPS的输入零线与输出零线是隔离的或者是经过扼流圈的，所以在做UPS配电时不能把UPS输出(即负载)的零线接到输入配电的零线母排上。用户可将UPS输出(负载)零线接到单独一条零线排上。某些品牌的UPS在UPS内部输入零线与输出零线直通，就可以把输入零线与输出(负载)零线接到同一母排上。

　　4、UPS输入断路器是专为单独控制UPS输入电源的通断的，所以UPS输入断路器的下口不要再接其它的用电设备，以免影响UPS输入电的正常通断。

　　这里要说明一点，有些用户要求UPS在市电掉电后，UPS靠电池后备工作的时间很长，这样，UPS所配的外接长延时电池的容量会很大，为保证这部分外接电池能够有足够的充电电流(一般为外接电池总AH数的10%)，厂家会给UPS另外配一只外接长延时电池充电器，此充电器的交流输入电源要与UPS的输入电源同时通断，才能保证在有市电时，外接充电器对外接电池充电，市电断时，电池通过充电器立即向UPS逆变器放电。所以这种充电器的交流输入电是要与UPS的输入电接在同一断路器的下口的。

　　5、在为UPS选配输入输出断路器时，首先要求断路器标称的额定电压要符合UPS的额定输入输出电压，如单进单出UPS可选单极(或N+1，或两极)额定电压为AC220V或250V的断路器，三进三出UPS可选三极(或N+3，或四极)额定电压为AC380V或415V的断路器。要注意断路器的额定分断能力ICU要符合UPS厂家的要求，一般小型UPS为10KA或6KA，大中型UPS都要求在30KA以上。

　　6、UPS与外接长延时电池之间连线不宜过长，否则在电池连线上损失的压降过大。另外，用户往往十分注意UPS主机工作的环境温湿度，电池与主机一同放置可使电池也得到良好的工作环境。

　　7、建议用户为UPS及其负载单独设置配电盘(柜)，以便于对UPS及其保护的负载进行集中、可靠的控制。此配电盘(柜)要符合国家相关标准。

　　六、蓄电池的使用和维护

　　1丶VRLA蓄电池的运行环境

　　作为备用蓄电池，蓄电池平时都处于浮充状态，此时蓄电池内部仍进行着复杂的能量转换。浮充过程中所用的电能基本上转换为热能。因此要求蓄电池所处的环境应有良好的通风散热能力或有空调设备。

　　电池尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，并要避免受到阳光、加热或辐射热源的影响，让电池有一个良好的工作、储存环境。

　　蓄电池一般应在5℃～35℃范围内进行充电，低于5℃或高于35℃都会降低寿命，充电的设定电压应在指定范围内，如超出指定范围将造成蓄电池损坏、容量降低、寿命缩短。

　　(1)初充电：蓄电池在安装或大修后的第一次充电，称为初充电。初充电是否良好，将严重影响蓄电池的寿命。

　　(2)浮充充电：为了确保直流电源不间断，延长蓄电池的使用寿命，通常都采用充电电源与蓄电池组并联的浮充供电方式。

　　(3)均衡充电：在正常运行状态下的电池组，通常不需要均衡充电。但如果发现电池组中单体电池之间电压不均衡时，则应对电池组进行均衡充电。

　　(4)补充充电：电池在存放、运输、安装过程中，会因自放电而失去部分容量。因此，在安装后投入使用前，应根据电池的开路电压判断电池的剩余容量，然后采用不同的方法对蓄电池进行补充充电。对备用搁置的蓄电池，每3个月应进行一次补充充电。

　　2丶VRLA蓄电池的使用与维护

　　随着科技的不断发展，UPS的性能越来越好，平均无故障时间越来越长，整机的可靠性越来越高。做好UPS中蓄电池的使用与维护变得尤为重要。

　　(1)新电池的充电

　　新的蓄电池在安装完毕后，一般要进行一次较长时间的充电，充电要按说明书中的规定进行，待电池组充电完毕后，进行一次放电，放电后再次充电，目的是延长电池的使用寿命，提高电池的活性和充放电特性。

　　(2)定期充放电

　　UPS蓄电池长期闲置不用或使蓄电池长期处于浮充状态而不放电，会导致电池中大量的硫酸铅吸附到电池的阴极表面，导致内阻增大、活性下降，使蓄电池的使用寿命大大缩短。对于市电供电良好的单位，需要每隔三个月进行一次“治疗性”充、放电过程，即电池带载放电、再充电操作，并记录相关数据，与以前放电记录进行比较分析电池性能状况，对电池组整体进行维护检查，真正遇到市电停电时，才能有效保护负载安全。

　　(3)严禁深度放电

　　蓄电池的使用寿命与蓄电池的放电深度密切相关。深度放电会造成蓄电池内部极板表面硫酸盐化，导致蓄电池内阻增大，严重时会使个别电池出现“反极化”现象和电池的永久性损坏。电池的放电深度严重影响电池的使用寿命，非迫不得已，不要让电池处于深度放电状态。

　　(4)利用通讯功能

　　现在有大多数大中型的UPS都具有与微机通讯和程序控制等可操作功能。在微机上安装相应的软件，经过串/并口连接UPS，运转该程序，就能够利用微机与UPS进行通讯。一般具有信息查询、参数设置、守时设定、自动关机和报警等功能。经过信息查询，能够获取市电输入电压、UPS输出电压、负载利用率、电池容量利用率、机内温度和市电频率等信息;经过参数设置，能够设定UPS基本特性、电池可维持时间和电池用完告警等。经过这些智能化的操作，大大方便了UPS电源及其蓄电池的使用管理。

　　(5)及时更换废/坏电池

　　中大型UPS电源配备的蓄电池数量一般从8只到80只不等，甚至更多。满足UPS直流供电需要把单个电池通过电路连接构成电池组。性能和质量的差别，个别电池性能下降、蓄电容量达不到要求而损坏在UPS连续不断的运行使用中出现使难免的。维护人员应在电池组中某个/些电池出现损坏时对每只电池进行检查测试，这样可以排除掉损坏的电池。禁止防酸电池和密封电池、不同规格的电池混合使用，更换新的电池时，应该力求购买同厂家同型号的电池。

　　(6)其他注意事项

　　①每次蓄电池组放电后应及时充电;

　　②不要使蓄电池组被过电流或过电压充电;

　　③蓄电池应避免长期搁置不用，也不能长期浮充而不放电。

　　3丶充电方式选择

　　(1)恒流充电：恒流充电是用分段恒流的方法进行充电。一般是通过充电装置自身调整来实现的。可以任意选择和调整充电电流，适应性较强，特别适用于小电流长时间充电，也有利于容量恢复较慢的蓄电池充电。缺点是初始充电电流过小，充电后期充电电流又过大充电时间过长、析出气体多，一般在初充电和在小电流进行去硫充电使用。因恒流充电的变型是分段恒流充电，所以充电时为避免充电后期电流过大，应及时调整充电电流，还应注意充电电流的大小、充电时间、转换电流的时机及充电终止电压的选取等，应严格按照充电的范围来操作。

　　(2)恒压充电：恒压充电是指每只单格蓄电池均以一恒定电压(一般取单格电池乘以2.5V)进行充电。特点是：初始充电电流相当大，蓄电池电动势和电解液体相对密度上升较快，随着充电的延续，充电电流逐渐减少，在充电终期只有很小的电流通过：充电时间短、能耗低，一般充电4~5h蓄电池即可获得本身容量的90%~95%;如果充电电压选择得当，5h即可完成整个充电过程，且整个充电过程不需人照看，这种充电方式广泛用于补充充电。由于初始充电初电流过大，对放电深度过大的蓄电池充电时，会引起初始充电电流急骤上升，易造成被充蓄电池过流或充电设备损坏。充电过程中由于不能调整充电电流，因此不适用于蓄电池的初充电和去硫充电。充电过程中对蓄电池电压的变化很难补偿，所以对容量恢复较慢的蓄电池完全很难完成。

　　(3)快速充电：快速充电是指以大电流方法的充电方式。快速充电不产生大量的气泡又不发热从而可缩短充电时间。目前，常用的快速充电主要有脉冲充电和大电流速减快冲两种。

　　(4)均衡充电：均衡充电是以小电流(1/20C20A)进行1~3h的充电过程。主要用来消除一组浮充电运行(即将直流电源和蓄电池并联连接的工作方式)蓄电池在同样运行的条件下，由于某种原因造成的全组电池不均衡而形成的差别，以达到全组电池的均衡。此方法一般不能频繁使用，但当蓄电池出现下列情况之一时，必须进行均衡充电：

　　A蓄电池组长时间在电流放电，或长时间担负直流电荷后未及时充电时。

　　B蓄电池个别单格电压、电解液密度偏低，全组电池产生差别时。

　　C没有按规定周期实施充、放电。

　　(5)恒压限流充电：恒压限流充电主要是用来补救恒压充电时充电电流过大的缺点(方法同恒压充电)，通过充电电源和被充蓄电池之间串联一电阻(限流电阻)来自动调节充电电流。当充电电流过大时，其限流电阻上的压降也大，从而减少了充电电压;当充电电压过小时，限流电阻上的压降也很小，充电设备输出的电压损失也小，这样就自动调节了充电电流，使之不超过某个限度。该方法目前广泛应用于免维护电池的初充电和普通蓄电池的补充充电。

　　(6)智能充电：智能充电是目前较先进的充电方法，原理是在整个充电过程中动态跟踪蓄电池可接受的充电电流。应用du/dt技术，即充电电源根据蓄电池的状态自动确定充电工艺参数，使充电电流自始至终保持在蓄电池可接受的充电电池曲线附近，保持蓄电池几乎在无气体析出的状态下充电，从而保护蓄电池。该方法适用于对各种状态、类型的蓄电池充电、安全、可靠、省时和节能。

　　4丶铅酸蓄电池内部短路原因以及处理方法

　　(1)铅酸蓄电池短路现象

　　①开路电压低，闭路电压(放电)很快达到终止电压。

　　②大电流放电时，端电压迅速下降到零。

　　③开路时，电解液密度很低，在低温环境中电解液会出现结冰现象。

　　④充电时，电压上升很慢，始终保持低值(有时降为零)。

　　⑤充电时，电解液温度上升很高很快。

　　⑥充电时，电解液密度上升很慢或几乎无变化。

　　⑦充电时不冒气泡或冒气出现很晚。

　　(2)造成铅酸蓄电池内部短路的原因有：

　　①隔板质量不好或缺损，使极板活性物质穿过，致使正、负极板虚接触或直接接触。

　　②隔板窜位致使正负极板相连。

　　③极板上活性物质膨胀脱落，因脱落的活性物质沉积过多，致使正、负极板下部边缘或侧面边缘与沉积物相互接触而造成正负极板相连。

　　④导电物体落入电池内造成正、负极板相连。

　　⑤焊接极群时形成的"铅流"未除尽，或装配时有"铅豆"在正负极板间存在，在充放电过程中损坏隔板造成正负极板相连。

　　(3)铅酸蓄电池短路的处理方法

　　下面主要就充电电流过大，单只电池充电电压超过了2.4V，内部有短路或局部放电、温升超标、阀控失灵现象造成的铅酸蓄电池短路进行分析，总结出如下铅酸蓄电池短路的处理方法。

　　①减小充电电流，降低充电电压，检查安全阀体是否堵死。定期充电放电。UPS电源系统中的铅酸蓄电池浮充电压和放电电压，很多在出厂时均已调试到额定值，而放电电流的大小是随着负载的增大而增加的，使用中应合理调节负载，比如控制计算机等电子设备的使用台数。

　　一般情况下，负载不宜超过UPS额定负载的60%.在这个范围内，蓄电池就不会出现过度放电。铅酸蓄电池存放会因自放电而失去部分容量，因此，铅酸蓄电池在安装后投入使用前，应根据电池的开路电压判断电池的剩余容量，然后采用不同的方法对蓄电池进行补充充电。对备用搁置的蓄电池，每3个月应进行一次补充充电。可以通过测量松下蓄电池开路电压来判断电池的好坏。

　　②以12V电池为例，若开路电压高于12.5V，则表示电池储能还有80%以上，若开路电压低于12.5V，则应该立刻进行补充充电。若开路电压低于12V，则表示电池存储电能不到20%，电池不堪使用。蓄电池在短路状态时，其短路电流可达数百安培。短路接触越牢，短路电流越大，因此所有连接部分都会产生大量热量，在薄弱环节发热量更大，会将连接处熔断，产生短路现象。

　　蓄电池局部可能产生可爆气体(或充电时集存的可爆气体)，在连接处熔断时产生火花，会引起蓄电池爆炸;若蓄电池短路时间较短或电流不是特别大时，可能不会引起连接处熔断现象，但短路仍会有过热现象，会损坏连接条周围的粘结剂，使其留下漏液等隐患。

　　在安装铅酸蓄电池时，应使用的工具应采取绝缘措施，连线时应先将电池以外的电器连好，经检查无短路，最后连上蓄电池，布线规范应良好绝缘，防止重叠受压产生破裂。通过这些细致的工作，才能更好的预防铅酸蓄电池短路，使铅酸蓄电池更安全的使用，寿命也更长。

　　七、蓄电池的管理

　　蓄电池在正常情况下处于静态存放、备用工作状态，为防止用户在完全不知情的情况下，由于市电供电中断而造成UPS在极短时间内进入“蓄电池电压过低自动关机”的工作状态，从而停止向负载供电。这就要求维护人员不仅需要每日按照规定的时间段进行现场巡视外，还需要将蓄电池管理纳入UPS监控系统，UPS实时对电池的状态进行检测，并将电池的相关信息通过网络传送到值班室或控制室以便工作人员了解电池的状态，以保证电池的工作质量。为了提高电池的使用寿命，减少维护工作，降低维护成本。应建立良好的电池维护系统，一定要具备：

　　(1)自动均/浮充转换。即供电正常时对电池进行均恒充电。电池放电后自动对电池进行均恒充电，当电池充满后，自动转为浮充电。

　　(2)充电限流。采取先恒流后恒压的充电方式。充电初期，充电电流较大，UPS根据所配置的蓄电池电池容量，自动将充电电流限制在0.1～0.2C，对蓄电池进行恒流充电，确保蓄电池充电时安全快速。当蓄电池容量达到80%以后，UPS转为浮充电压对蓄电池进行恒压充电。

　　(3)后备时间显示及低电压报警。当UPS由于各种原因切换到蓄电池供电时，用户需要及时地了解系统的后备时间，且采取相应的措施。当蓄电池电压降到低限时，报警通知用户，然后自动关机以防止蓄电池深度放电。

　　(4)温度补偿。环境温度变化时，必须对浮充电压进行校正，校正系数为18mV/℃(标称12V的电池)。为简单计，可以分级校正。

　　电池静置时，温度太高，电池的自放电加剧。电池使用条件推荐为20℃～25℃，温度太低，电池放电容量降低，充电接受能力下降。温度太高，反应加剧，导致失水，极板腐蚀加剧。电池的充电电压通过温度补偿来改变，温度高时，充电电压降低，使电池处于最佳浮充状态。

　　因此，保证电池服务最佳方案是将环境温度控制在20℃～25℃，控制放电次数、放电深度、放电和充电电流以及定时充放电的周期。

　　八、结语

　　以上通过对阀控式密封铅酸蓄电池在UPS供电系统中的作用、工作原理、配置维护等方面进行进行全面分析，并结合实际工作经验，提出一些行之有效的方法，帮助用户提高蓄电池维护管理水平，更加明确了蓄电池在保障UPS供电系统安全运行中的重要作用。

　　责任编辑:DJ编辑