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数据中心机房UPS蓄电池充电放电原理以及几种充电方式解析

时间:2020-04-13 点击次数:274

前言:

蓄电池在机房UPS中广泛的应用,铅酸蓄电池的充放电是个复杂的电化学过程,尽管很多电池都有很长的设计寿命,但在实际应用中,由于充电方式不当或维护不到位,大大缩短了电池寿命,为了延长电池使用寿命,必须理解充电原理并采用合理的充电放电方式,本文在介绍电池故障原因的同时,着重分析蓄电池充电放电的原理以及UPS蓄电池的几种充电方式。

 

 

机房UPS蓄电池充电原理

1、UPS浮充充电时,请用充电电压2.275V/单格(20℃时的设定值),进行定电压充电或0.002CA以下的电流进行定电流充电。温度有0C以下或40C以上时,有必要对充电电压进行修正,以20C为起点每变化一度,单格电压变化-3mv。

2、循环充电时,充电电压以2.40-2.50V/单格(20℃时的设定值),进行定电压电压充电。温度在5C以下或35℃以上进行充电时,以20℃为起点,每变化一度充电电压调整-4mv/单格。

3、充电初期电流控制在0.25CA以下。

4、充电量设为放电量的100-120%,但环境温度在5C以下时,设为120-130%。

5、温度越低(5C以下)充电结束时间越长,温度越高(35C以上)越容易发生过充电,所以特别是在循环使用时,在5C~30C内进行充电较好。

6、为防止过充电尽量安装充电计时器,或自动转换成涓流式充电方式。

7、充电时电池温度要控制在-15C~+40C的范围内。

 

 

机房UPS蓄电池放电原理

1、放电时请将电池温度控制在-15℃-+50℃的范围内。

2、连续放电电流请控制在3CA以下(H控制在6CA以下)。

3、放电终止电压依电流的大小而变化,大体如下所述。注意放时,电压不得低于下述电压。

4、放电以后请迅速充电。如不小心过放电之后也请立即充电。

 

 

UPS蓄电池的几种充电方式

UPS蓄电池的充电方式主要有恒流充电、恒压充电、快速充电、均衡充电、恒压限流充电、智能充电这几种方式:

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UPS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长、析出气体多、对极板的冲击较大、能耗较高、效率较低(不超过65%),在充电过程中需有人看守,一般在初充电和在小电流进行去硫充电才使用。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。

一阶段充电至单格电压上升至2.4V且电解也有气泡冒出,电解液相对密度2h时不变时时转入第二阶段,第二阶段充至电解液大量。放出气泡且相对密度和蓄电池单格电压3h时不变时为止,经过充电循环,继续充电至电解液密度上升至1.150g/cm3,后不再上升为止。同步充电,充电时间h25-3520-3010-123-56。

 

 

2、恒压充电

恒压充电是指每只单格UPS蓄电池均以一恒定电压(一般取单格电池数乘以2.5v)进行充电。特点是:初始充电电流相当大,UPS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,充电电流逐渐减小,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4~5hUPS蓄电池即可获得本身容量的90%~95%;如果充电电压选择得当,8h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UPS蓄电池充电时,会引起初始充电电流急骤上升,易造成被充UPS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UPS蓄电池的初充电和去硫充电。充电过程中对UPS蓄电池电压的变化很难补偿,所以对容量恢复较慢的UPS蓄电池完全充电很难完成。

在充电之前应正确选择充电电压(表2)。若充电电压过高,会引起充电初始充电电流过大,严重时会引起极板弯曲变形、活性物质大量脱落以及UPS蓄电池温升过高等;过低则会使UPS蓄电池充电不足,导致容量降低、寿命缩短。

 

 

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递减快充两种。

(1)脉冲快速充电的特点是,采用1~2倍的C20A大电流充电,使UPS蓄电池在短时间内充至额定容量的50%~60%。当UPS蓄电池单格电压充至2.4V时即停止充电,由控制电路自动转为脉冲充电;即先停充25~40ms(前停充),接着再放电或反充电,使UPS蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流(脉冲深度为充电电流的1.5~3倍,脉冲宽度为150~l000um),然后再停止充电25ms(后停充),如此循环直至充足。

(2)大电流递减充电主要是利用了UPS蓄电池在低荷电状态时具有高充电接受的特点,开始以大电流冲电(一般采用1~2倍C20A),然后以一定的电流差值(50A)递减,最后降至一定的电流值,直至UPS蓄电池充足。上述方法具有充电时间短(一般新UPS蓄电池初充电不超过5h,补充充电只需0.5~1.0h)、空气污染小、省电节能以及不需专人看管等优点。一般适用于要求在极短的时间内对UPS蓄电池实施快速充电的场合,也普遍适用于城市公共汽车在停歇、休息时间内对UPS蓄电池补充充电。

快速充电的能量转换效率低。快速脉冲充电UPS蓄电池析出的气体总量虽然减少,但因出气率高,易造成极板活性物质脱落。因此在正常情况下不宜用此法对新启用的UPS蓄电池进行初充电。

 

 

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UPS蓄电池并联连接的工作方式)UPS蓄电池在同样运行条件下,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UPS蓄电池出现下列情况之一时。必须进行均衡充电:

(1)UPS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。

(2)UPS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。

(3)没有按规定周期实施充、放电时。

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UPS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,从而减小了充电电压;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。该方法目前广泛用于免维护电池的初充电和普通UPS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UPS蓄电池可接受的充电电流。应用du/dt技术,即充电电源根据UPS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UPS蓄电池可接受的充电电流曲线附近,保持UPS蓄电池几乎在无气体析出的状态下充电,从而保护UPS蓄电池。该方法适用于对各种状态、类型的UPS蓄电池充电,安全、可靠、省时和节能。

蓄电池的充电方法

(1)蓄电池故障的原因有很多,有自身质量问题,也和电池充电有一定关系。目前蓄电池的充电方式主要有以下几种:

(2)恒流充电:恒流充电是一种比较简单的充电方式,但有较大的局限,充电电流过大会造成温度上升和电池寿命缩短,而过小又会延长充电时间。

(3)恒压充电:恒压充电控制简单,充电初始由于电池电压低,则充电电流大,会对电池造成损害。后期电流迅速减小,这种充电方式也会造成温度上升和电池寿命缩短,且无法充分利用充电器的容量。

(4)恒压限流充电:实际上是恒压充电与恒流充电的结合,开始阶段为避免电流过大就采用恒流充电法。当电压达到预定值时,进入恒压充电方式。这是大多数厂商推荐和使用的充电方式,节省电能,降低蓄电池的温升,配合上温度补偿等就可以使电池在这套充电系统下良好的工作。

 

 

蓄电池的充电管理

我们了解了各种充电方法,其中恒压限流是符合电池特性的充电方法。电池未满时,设置较高的电压以激活电池,称为均充,充满后,电流变小,继续充电补足自放电,称为浮充,浮充电压低于均充电压。

长期均充容易造成电池过充膨胀,工作中常有客户会提出关闭UPS均充功能的需求。我们不建议这样操作,只浮充不均充会使电池欠充,个别电池落后,进而影响整组电池。均充、浮充电压根据具体电池的不同而不同,在25℃时,某品牌的蓄电池单体均充电压2.35V,浮充电压2.25V,充电电流不超过25A。进行均充时,要随时监测电流,当电流降到0.006C且保持3小时不变时,即表示电池充满可进入浮充,一般UPS都配置自动均浮充转换电路。

为了维护电池性能,当有以下情况时,必须对电池进行均充:

① 单体电池浮充电压低于2.18V;

② 新电池安装调试后需进行12小时的均充;

③ 电池放出5%以上的额定容量;

④ 电池搁置不用超过三个月;

⑤ 全浮充运行六个月以上;

为了减小温度对电池寿命的影响,必须对温度进行补偿。在均充时,单体电,池充电电压补偿值为-5mV/℃,浮充时,单体电池充电电压补偿值为-3.5mV/℃。

 

 

蓄电池的保管

1、保管时请注意温度不要超过-20℃~+40℃范围.

2、保管电池时必须使电池在完全充电状态下进行保管。由于在运输途中或保存期内因自放电会损失一部分容量,使用时请补充电。

3、长期保管时,为弥补保管期间的自放电,请进行补充电。在超过40C条件下保管时,对电池寿命有很坏影响,请避免!

4、请在干燥低温,通风良好的地方进行保管。

5、如在保管或转移过程中电池包装不慎被水淋湿,应立即除掉包装纸箱,以避免被水打湿的纸箱成为导体造成电池放电或烧坏正极端子。

蓄电池失效模式

常见的失效模式有电池失水、极板硫酸盐化、正极板腐蚀、热失控等几种。

(1) 电池失水电池失水的原因主要有:电池密封不严,充电产生的氧会从电池壳体中逸出;浮充电压设置不当;正极板腐蚀消耗水分;自放电过程损失水分。

(2) 负极板硫酸盐化电池负极的主要活性物质是海绵状铅,电池充电时,

负极发生还原反应:PbSO4+2e=Pb+SO4¬¬¬¬²-

正极发生氧化反应:PbSO4+2H2O=¬¬PbO2+4H++SO4¬¬¬¬²-+2e

 

 

放电过程发生的化学反应是此反应的逆反应。正常情况下,负极板放电产生的硫酸铅颗粒较小,充电时很容易生出海绵状铅,但是如果电池经常处于充电不足或过放电状态,负极就会逐渐形成一种粗大坚硬的颗粒状硫酸铅,从而失去活性,不能再参与化学反应,这一现象称为活性物质的硫酸盐化。硫酸盐化使电池有效容量降低,久而久之会使电池失效。为防止这一现象应该对电池及时充电,且避免过放电。

(3) 正极板腐蚀电池的浮充过程一方面可阻止电池的自放电,另一方面也存在腐蚀正极板的趋势,使栅板材料Pb氧化为PbO,腐蚀伴随着水的消耗,电解液浓度增高,加速正极板的腐蚀。

(4) 热失控若电池工作环境温度过高,或充电设备电压失控,则电池充电电流和温度发生一种积累性的互增,直到热失控使电池壳体变形、膨胀,最终电池失效。

蓄电池日常检查及维护保管

1、定期对电池进行检查,如发现有灰尘等外观污染情况时,请用水或温水浸湿的布片进行清扫。不要用汽油、香蕉水等有机溶剂或油类进行清洗,另外请避免使用化纤布。

2、浮充时,电池充电过程中总电压或指示盘上电压表的指标值偏离下表所示基准值时(±0.05V/单格)应调查原因并作处理。

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