1.概述

UPS供電系統(tǒng)在各行業(yè)數(shù)據(jù)中心中起到重要的電源保障作用，要為負載提供不間斷的供電，就必須具有電能儲存的功能。因此，蓄電池成為UPS供電系統(tǒng)的重要組成部分。而由于蓄電池本身或者管理上的原因，目前有許多UPS故障是由蓄電池引起。因此有必要加強對蓄電池特性的了解，正確選配和使用蓄電池，盡可能地延長蓄電池的使用壽命。同時，如何管理蓄電池成為各個UPS廠家及行業(yè)用戶重點研究的問題。

以下對目前大型UPS系統(tǒng)廣泛采用的閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的作用、工作原理、配置、選用、安裝、維護等方面進行探討。

2.蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的作用和意義

在UPS供電系統(tǒng)中，蓄電池大多采用免維護蓄電池。蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的主要作用就是儲存電能，一旦市電中斷，由電池放電供給逆變器，由逆變器將電池釋放出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)檎医涣麟?，維持UPS的電源輸出，確保負載在一定的時間內(nèi)正常用電。

在市電正常供電時，電池在整流-充電電路中儲存電能，同時對直流電路起到平滑濾波的作用，并在逆變器發(fā)生過載時，起到緩沖器的作用。

而在日常工作中，人們往往片面地認為蓄電池是免維護的而不加重視。然而由于對蓄電池的不合理使用，產(chǎn)生了蓄電池的電解液干涸、熱失控、早期容量損失、內(nèi)部短路等問題，進而嚴重影響到供電系統(tǒng)的可靠性。有資料表明，蓄電池故障而引起UPS主機故障或工作不正常的比例大約為60%。由此可見，加強對UPS電池的正確使用與維護，對延長蓄電池的使用壽命，降低UPS供電系統(tǒng)故障率，有著越來越重要的意義。

3.蓄電池的種類

蓄電池在UPS中已得到廣泛的應用，其品種繁多，型號齊全，規(guī)格各異，但按其基本性質(zhì)可以分為酸性電池和堿性電池兩大類：

酸性電池：酸性電池的電解液一般是由稀硫酸(H2SO4)或者膠體硫酸構(gòu)成，極板由鉛Pb和過氧化鋁PbO2構(gòu)成，通過化學反應貯存電荷，起到電池儲能的作用。

堿性電池：堿性電池的電解液一般是由氫氧化鉀KOH或者氫氧化鈉NaOH(燒堿)組成。極板由于電池的結(jié)構(gòu)不同而各異。如鎘鎳電池正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3，負極板是鎘Cd;鐵鎳電池的正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3，負極板是鐵Fe;銀鋅電池的正極板是過氧化銀Ag2O3，負極板是鋅Zn。

4.鉛酸蓄電池的工作原理

UPS、直流電源設備常用的蓄電池是鉛酸蓄電池。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池是開口式結(jié)構(gòu)，電池在使用過程中，有氫氣和氧氣以及酸霧逸出，不僅污染環(huán)境還具有危險性，維護時需要加水、加酸，已逐漸被市場淘汰?，F(xiàn)在UPS供電系統(tǒng)中蓄電池大多采用閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點是在充電時正極板上產(chǎn)生的氧氣，通過再化合反應在負極板上還原成水，使用時在規(guī)定浮充壽命期內(nèi)不必加水維護，所以又稱為免維護鉛酸蓄電池?？梢姡饩S護只是與普通蓄電池相比，運行中免去了添加純水或蒸餾水，調(diào)整電解液液面的項目，并非免去一切維護工作。

閥控式密封鉛酸蓄電池的工作原理，基本上沿襲于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，其正極活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負極活性物質(zhì)是海綿狀鉛(Pb)，電解液是稀硫酸(H2SO4)，其電極反應方程式如下：

PbO2 2H2SO4 Pb≒2PbSO4 2H2O

5.兩種閥控式密封鉛酸蓄電池比較

目前閥控式密封鉛酸蓄電池主要有兩類，即玻璃纖維隔板陰極吸收式密封鉛蓄電池(如GNB、霍克電池)和硅凝膠密封鉛蓄電池(如德國的陽光電池)。

兩種電池極板相同：正極板柵采用鉛鈣錫鋁四元合金或低銻多元合金，負極板柵采用鉛鈣錫鋁四元合金。并使用緊裝配和貧液設計，在電池的上蓋中設置了一個單向的安全閥。由于采用無銻的鉛鈣錫鋁四元合金，提高了負極析氫過電位，從而抑制氫氣的析出，同時，采用特制安全閥使電池保持一定的內(nèi)壓。

兩種電池隔板不同：即分別采用超細玻璃纖維棉(AGM)隔板和硅凝膠二種不同方式來“固定”硫酸電解液。它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的，但給正極析出的氧氣到達負極提供的通道是不同的。對AGM密封鉛酸蓄電池而言，AGM隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液，但必須使10%的隔膜孔隙中不進入電解液。正極生成的氧氣就是通過這部分孔隙到達負極而被負極吸收的。對膠體密封鉛酸蓄電池而言，電池內(nèi)的硅凝膠是以SiO2質(zhì)點作為骨架構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進一步收縮，使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負極板之間，給正極析出的氧氣提供了到達負極的通道。

由此看出，兩種電池的區(qū)別就在于電解液的“固定”方式和提供氧氣到達負極通道的方式有所不同，因而兩種電池的性能也各有千秋。

6.UPS供電系統(tǒng)中蓄電池的配置和選擇

在UPS供電系統(tǒng)中，可以說蓄電池是這個系統(tǒng)的支柱。沒有蓄電池的UPS只能稱做穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。UPS之所以能實現(xiàn)不間斷供電，就是因為有了蓄電池。在設計UPS時，首先應考慮選擇什么型號的蓄電池，即蓄電池的額定電壓、額定容量及應由多少節(jié)蓄電池組合等。

（1）蓄電池的額定容量選擇

由于蓄電池的實際可使用容量與放電電流大小、系統(tǒng)電壓、放電時間、蓄電池工作環(huán)境溫度、蓄電池儲存時間的長短、負載種類和特性等因素密切相關(guān)。蓄電池的容量一般是指在20°C，以20h放電率放電到1.75V/單體時，蓄電池輸出的功率數(shù)(W)。

(2)蓄電池的指標選擇

內(nèi)阻：應選擇內(nèi)阻小的蓄電池，這樣才能持續(xù)大電流放電。如果內(nèi)阻較大，在充放電過程中功耗加大，使蓄電池發(fā)燙。

浮充電壓：在相同溫度下，浮充電壓值高意味著儲能量大，質(zhì)量差的蓄電池浮充電壓值一般較小。蓄電池浮充電壓值在不同的溫度時應進行修正。

在大中型(幾kVA-幾千kVA)UPS中采用2V單體系列蓄電池，避免采用小容量組合蓄電池進行混聯(lián)。

7.蓄電池的使用和維護

7.1VRLA蓄電池的運行環(huán)境與安裝

作為備用蓄電池，蓄電池平時都處于浮充狀態(tài)，此時蓄電池內(nèi)部仍進行著復雜的能量轉(zhuǎn)換。浮充過程中所用的電能基本上轉(zhuǎn)換為熱能。因此要求蓄電池所處的環(huán)境應有良好的通風散熱能力或有空調(diào)設備。

電池盡可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的地方，并要避免受到陽光、加熱或輻射熱源的影響，讓電池有一個良好的工作、儲存環(huán)境。

蓄電池一般應在5℃～35℃范圍內(nèi)進行充電，低于5℃或高于35℃都會降低壽命，充電的設定電壓應在指定范圍內(nèi)，如超出指定范圍將造成蓄電池損壞、容量降低、壽命縮短。

(1)初充電：蓄電池在安裝或大修后的第一次充電，稱為初充電。初充電是否良好，將嚴重影響蓄電池的壽命。

(2)浮充充電：為了確保直流電源不間斷，延長蓄電池的使用壽命，通常都采用充電電源與蓄電池組并聯(lián)的浮充供電方式。

(3)均衡充電：在正常運行狀態(tài)下的電池組，通常不需要均衡充電。但如果發(fā)現(xiàn)電池組中單體電池之間電壓不均衡時，則應對電池組進行均衡充電。

(4)補充充電：電池在存放、運輸、安裝過程中，會因自放電而失去部分容量。因此，在安裝后投入使用前，應根據(jù)電池的開路電壓判斷電池的剩余容量，然后采用不同的方法對蓄電池進行補充充電。對備用擱置的蓄電池，每3個月應進行一次補充充電。

7.2 VRLA蓄電池的使用與維護

隨著科技的不斷發(fā)展，UPS的性能越來越好，平均無故障時間越來越長，整機的可靠性越來越高。做好UPS中蓄電池的使用與維護變得尤為重要。

(1)新電池的充電

新的蓄電池在安裝完畢后，一般要進行一次較長時間的充電，充電要按說明書中的規(guī)定進行，待電池組充電完畢后，進行一次放電，放電后再次充電，目的是延長電池的使用壽命，提高電池的活性和充放電特性。

(2)定期充放電

UPS蓄電池長期閑置不用或使蓄電池長期處于浮充狀態(tài)而不放電，會導致電池中大量的硫酸鉛吸附到電池的陰極表面，導致內(nèi)阻增大、活性下降，使蓄電池的使用壽命大大縮短。對于市電供電良好的單位，需要每隔三個月進行一次“治療性”充、放電過程，即電池帶載放電、再充電操作，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，與以前放電記錄進行比較分析電池性能狀況，對電池組整體進行維護檢查，真正遇到市電停電時，才能有效保護負載安全。

(3)嚴禁深度放電

蓄電池的使用壽命與蓄電池的放電深度密切相關(guān)。深度放電會造成蓄電池內(nèi)部極板表面硫酸鹽化，導致蓄電池內(nèi)阻增大，嚴重時會使個別電池出現(xiàn)“反極化”現(xiàn)象和電池的永久性損壞。電池的放電深度嚴重影響電池的使用壽命，非迫不得已，不要讓電池處于深度放電狀態(tài)。

(4)定期測量電池浮充電壓、內(nèi)阻

隨著UPS使用時間的延長，總有部分電池的充放電特性會逐漸變壞，內(nèi)阻增大、端電壓明顯下降，需要及時發(fā)現(xiàn)、及時更換，否則會影響整組電池的使用。這種電池的性能不可能在依靠UPS內(nèi)部的充電電路來解決，繼續(xù)使用會存在隱患，需要維護人員定期進行測量檢查每個單體電池的電壓、內(nèi)阻，發(fā)現(xiàn)超出范圍的電池進行確認、及時更換。

(5)其他注意事項

①每次蓄電池組放電后應及時充電;

②不要使蓄電池組被過電流或過電壓充電;

③蓄電池應避免長期擱置不用，也不能長期浮充而不放電。

8.蓄電池的智能管理

蓄電池在正常情況下處于靜態(tài)存放、備用工作狀態(tài)，為防止用戶在完全不知情的情況下，由于市電供電中斷而造成UPS在極短時間內(nèi)進入“蓄電池電壓過低自動關(guān)機”的工作狀態(tài)，從而停止向負載供電。這就要求維護人員不僅需要每日按照規(guī)定的時間段進行現(xiàn)場巡視外，還需要將蓄電池管理納入UPS監(jiān)控系統(tǒng)，UPS實時對電池的狀態(tài)進行檢測，并將電池的相關(guān)信息通過網(wǎng)絡傳送到值班室或控制室以便工作人員了解電池的狀態(tài)，以保證電池的工作質(zhì)量。為了提高電池的使用壽命，減少維護工作，降低維護成本。應建立良好的電池維護系統(tǒng)，一定要具備：

(1)自動均/浮充轉(zhuǎn)換。即供電正常時對電池進行均恒充電。電池放電后自動對電池進行均恒充電，當電池充滿后，自動轉(zhuǎn)為浮充電。

(2)充電限流。采取先恒流后恒壓的充電方式。充電初期，充電電流較大，UPS根據(jù)所配置的蓄電池電池容量，自動將充電電流限制在0.1～0.2C，對蓄電池進行恒流充電，確保蓄電池充電時安全快速。當蓄電池容量達到80%以后，UPS轉(zhuǎn)為浮充電壓對蓄電池進行恒壓充電。

(3)后備時間顯示及低電壓報警。當UPS由于各種原因切換到蓄電池供電時，用戶需要及時地了解系統(tǒng)的后備時間，且采取相應的措施。當蓄電池電壓降到低限時，報警通知用戶，然后自動關(guān)機以防止蓄電池深度放電。

(4)溫度補償。環(huán)境溫度變化時，必須對浮充電壓進行校正，校正系數(shù)為18mV/℃(標稱12V的電池)。為簡單計，可以分級校正。

電池靜置時，溫度太高，電池的自放電加劇。電池使用條件推薦為20℃～25℃，溫度太低，電池放電容量降低，充電接受能力下降。溫度太高，反應加劇，導致失水，極板腐蝕加劇。電池的充電電壓通過溫度補償來改變，溫度高時，充電電壓降低，使電池處于最佳浮充狀態(tài)。

因此，保證電池服務最佳方案是將環(huán)境溫度控制在20℃～25℃，控制放電次數(shù)、放電深度、放電和充電電流以及定時充放電的周期。

9.結(jié)語

以上通過對閥控式密封鉛酸蓄電池在UPS供電系統(tǒng)中的作用、工作原理、配置維護等方面進行進行全面分析，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗，提出一些行之有效的方法，幫助用戶提高蓄電池維護管理水平，更加明確了蓄電池在保障UPS供電系統(tǒng)安全運行中的重要作用。

儲能電池及器件是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不可缺少的存儲能電能的部件，其主要功能是存儲光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能，并在日照量不足，夜間以及應急狀態(tài)下為負載供電。常用的儲能電池有鉛酸蓄電池、堿性蓄電池、鋰電池、超級電容，它們分別應用于不同場合或者產(chǎn)品中。目前應用最廣是鉛酸蓄電池，從19世紀50年代開發(fā)出來至今，已經(jīng)有160余年的歷史，目前衍生出很多種類，如富液鉛酸電池、閥控密封鉛酸電池、膠體電池，鉛碳電池等。

一、工作原理及基本結(jié)構(gòu)

鉛酸電池是用鉛和二氧化鉛作為電池負極和正極活性物質(zhì)，以稀硫酸為電解質(zhì)的化學儲能裝置，具有電能轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、端電壓高、安全性強、性價比高、安裝維護簡單等特點，目前是各類儲能、應急供電、啟動裝置中首選的化學電源。鉛酸電池的主要構(gòu)成包括：

1.極板：正負極板均是以特殊的合金板柵涂敷上活性物質(zhì)所得，極板在充放電時存儲和釋放能量，確保電池的容量和性能可靠。

2.隔板：是置放于電池正負極中間的一個隔離介質(zhì)，防止電池正負極直接接觸而短路的裝置，不同類型的鉛酸電池隔板材質(zhì)不同，閥控類電池主要以AGM、PE、PVC為主。

3.電解液：鉛酸電池的電解液是用蒸餾水配制的稀硫酸，電解液在充放電時起到在正負極間傳輸離子的作用，因而電解液必須要沒有雜質(zhì)。

4.容器（電池殼蓋）：電池包覆的容器，電解液和極板均在容器內(nèi)，主要起支撐作用，同時防止內(nèi)部物質(zhì)外溢，外部物質(zhì)進入內(nèi)部結(jié)構(gòu)污染電池。

二、種類及優(yōu)勢

鉛酸電池的工作原理就是通過電化學反應，電能和化學能之間相互轉(zhuǎn)化，電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。英語：Lead-acidbattery。

放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛。

充電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。

鉛酸蓄電池種類較多，應用在光伏儲能系統(tǒng)中，比較多的有三種，富液型鉛酸蓄電池、閥控式密封鉛酸蓄電池、鉛碳蓄電池等等。

2.1 富液型鉛酸蓄電池

鉛酸電池的電解液中的硫酸直接參與電池充放電反應過程，傳統(tǒng)鉛酸電池中，電池槽內(nèi)除去極板、隔板及其他固體組裝部件的剩余空間完全充滿硫酸電解液，電解液處于富余過量狀態(tài)，故被稱為“富液式”電池，電池極板完全浸泡在硫酸電解液中。富液式蓄電池頂部有一個能夠通氣而又能夠阻擋液體濺出的蓋子，在使用過程中由于水分的蒸發(fā)和分解損失，需要定期將蓋子打開補加蒸餾水及調(diào)整電解液密度，所以習慣上被稱為“開口式”蓄電池。

富液型鉛酸蓄電池特點是價格便宜，壽命長，缺點是需要經(jīng)常維護。

2.2 閥控式密封鉛酸蓄電池

閥控式密封鉛酸蓄電池，又稱免維護電池，分為AGM密封鉛蓄電池和GEL膠體密封鉛蓄電池兩種。

AGM型電池使用純的硫酸水溶液作電解液，大部分存在于玻璃纖維膜之中，同時極板內(nèi)部吸有一部分電解液外。AGM式密封鉛蓄電池電解液量少，極板的厚度較厚，活性物質(zhì)利用率低于開口式電池，因而電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。

AGM密封鉛蓄電池與當今的膠體密封電池相比，其放電容量要小一些。與富液型相同規(guī)格蓄電池相比，價格較高，具有以下優(yōu)點：

（1）循環(huán)充電能力比鉛鈣蓄電池高3倍，具有更長的使用壽命。

（2）在整個使用壽命周期內(nèi)具有更高的電容量穩(wěn)定性。

（3）低溫性能更可靠。

（4）降低事故風險，減少環(huán)境污染風險（由于酸液100%密封裝）。

（5）維護很簡單，減少深度放電。

膠體密封鉛蓄電池（即GEL型電池），膠體鉛酸蓄電池是對液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進，用膠體電解液代換了硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。其電解液是由硅溶膠和硫酸配成的，硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低，電解液的量比AGM式電池要多，跟富液式電池相當。這種電解質(zhì)以膠體狀態(tài)存在，充滿在隔膜中及正負極之間，硫酸電解液由凝膠包圍著，不會流出電池。

膠體密封鉛蓄電池其優(yōu)點如下：

（1）漏酸機率小。GEL型膠體電池是電解質(zhì)凝膠后沒有游離電液，因而漏酸的機率比AGM型電池小得多。

（2）失水少。因其灌注量比稀硫酸多，失水少，所以膠體電池不會因失水造成失效。

（3）有效延長電池壽命。膠體的灌入增加了隔板的強度，保護了極板，彌補了隔板遇酸收縮的缺陷，使裝配壓力不明顯降低是其具有延長電池壽命的原因之一。

（4）膠體鉛酸蓄電池抗過充能力強。

（5）嚴重放電情況下的恢復能力強。膠體填充了隔板與極板之間的空隙，降低了電池的內(nèi)阻，充電接受能力可因此而改善。

所以膠體電池的過放電，恢復能力和低溫充放性能都比AGM型電池優(yōu)越。

（6）體鉛酸蓄電池的自放電性能好，在同樣的硫酸純度和水質(zhì)情況下，蓄電池的存放時間可以延長2倍以上。

（7）膠體鉛酸蓄電池在嚴重缺電的情況下，抗硫化性能很明顯。

（8）膠體鉛酸蓄電池后期放電性能好。

2.3 鉛碳電池

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進出來的技術(shù)，它是在鉛酸電池的負極中加入了活性炭，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。

鉛碳電池是一種新型的超級電池，并結(jié)合了鉛酸電池和超級電容器兩者的優(yōu)勢:

（1）既發(fā)揮了超級電容瞬間大容量充電的優(yōu)點，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢，且擁有非常好的充放電性能。

（2）電池壽命延長。由于加了碳(石墨烯)，阻止了負極硫酸鹽化現(xiàn)象，改善了過去電池失效的一個因素，延長了電池壽命。

（3）度電成本下降。鉛炭電池的度電成本可低至0.5元/kWh，在規(guī)?；a(chǎn)的基礎上，鉛炭電池甚至有望將度電成本降至0.4元以下。

鉛炭電池是鉛酸蓄電池領(lǐng)域最先進的技術(shù)，也是國際新能源儲能行業(yè)的發(fā)展重點，具有非常廣闊的應用前景。廣泛應用于光伏電站儲能、風電儲能和電網(wǎng)調(diào)峰等儲能領(lǐng)域。

經(jīng)過多年的精耕細作，古瑞瓦特公司儲能產(chǎn)品線多樣化，包含了SPF系列家用離網(wǎng)控制逆變一體機，SP系列戶用并網(wǎng)儲能控制器，HPS系列商用光伏離并網(wǎng)儲能機，PCS系列雙向儲能變流器。古瑞瓦特公司的儲能產(chǎn)品涵蓋了家用，商用，微網(wǎng)等多種應用。這些產(chǎn)品兼容各種鉛酸蓄電池和鋰電池，并集成鉛酸蓄電池充放電管理和保護功能。