通信机房不间断电源蓄电池的应用与维护

江苏省通信管理局 刘永清

通信机房不间断电源蓄电池的应用与维护

江苏省通信管理局 刘永清

摘要：铅酸蓄电池在UPS（不间断电源）系统中占有十分重要的地位，若维护不当，则会导致UPS达不到电源后备的目的。从蓄电池的结构、工作原理进行介绍，详述了蓄电池的电压、内阻、容量、寿命等特性，提出了蓄电池维护的基本要求、充放电管理，以及UPS蓄电池容量配置方法。

关键词：不间断电源；铅酸蓄电池；恒流充电；恒压充电；涓流充电；端电压；电池容量

据统计分析，由于通信电源系统故障造成的通信电路中断大约占通信总中断的70%～75%，而在电源设备事故中，因蓄电池导致的电源故障就占70%[1]。换言之，通信电路中断故障中近一半是由蓄电池导致的。

1 蓄电池概述

阀控式铅酸蓄电池[2]由于其密封程度高，无需添加蒸馏水、维护工作量少等优点，故亦被称之为免维护蓄电池，在当前通信机房UPS（不间断电源）中广泛使用。正是因为受到“免维护”提法的误导，使得相当多的用户忽略了必要的维护工作，造成蓄电池的漏液、鼓胀、容量不达标、使用寿命短等问题的发生。

1.1 蓄电池结构

铅酸蓄电池是指以铅和硫酸的电化学反应为基础而形成的一种能量储存和转化装置。目前，UPS常用的是12 V的蓄电池，它实际上是由6节单体串联而成。从蓄电池的剖面图1可以看出，铅酸蓄电池主要由正极板群、负极板群、电解液和隔板等组成。蓄电池充电后，正极板变成棕褐色的二氧化铅（PbO2），负极板变成青灰色的海绵状铅（Pb），电解液则是硫酸（H2SO4）水溶液。Pb和PbO2是蓄电池的电化反应物，也称为活性物质。当蓄电池放电后，正负极都反应生成为硫酸铅（PbSO4）。

铅酸蓄电池的使用寿命一般受限于正极板。正极板在工厂化成时，会存在两种结晶形态的PbO2，即α-PbO2和β-PbO2。α-PbO2属斜方晶系，晶粒粗、密度大，起骨架作用，对电池寿命有利；而β-PbO2属正方形晶系，晶粒细、表面积大，具有多孔性，主要参与充放电，对电池容量有利。在反复的充放电过程中，部分的α-PbO2会逐渐转变成β-PbO2，使得电池容量在一定时期内随充放电循环而有所增加[3]。有的电池厂商，为了提高蓄电池的初期容量，在正极板上加多了β-PbO2而减少了α-PbO2，使得正极板过早软化，导致了电池寿命的缩短。

1.2 蓄电池工作原理

蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸就会与正负极板上的活性物质发生反应，生成硫酸铅（PbSO4）和水（H2O）。随着放电的进行，PbSO4逐渐增多，由于PbSO4是高阻不良导体，所以电极电阻逐渐增大，导致电池内阻变大，从而使得蓄电池输出电压迅速减小。另一方面，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。因此，电解液中的硫酸浓度也反应了蓄电池放电量或残余电量。铅酸蓄电池的化学反应式如下：

放电时生成的PbSO4，由于其是难溶性电解质，当温度降低时，PbSO4会重结晶析出在极板表面，重结晶后的晶体呈增大、变厚趋势，导致充电接受率降低，无法完全还原为活性物质，造成电池容量损失，这就是蓄电池极板的硫酸盐化现象，简称“硫化”。延缓硫化的简单方法就是蓄电池放电后及时充满电，减少蓄电池中PbSO4的存在。

蓄电池在进行充电时，在正负极板上放电所产生的PbSO4会在充电时被分解还原成PbO2、Pb和H2SO4。随着充电的进行，电解液的比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度。当两极的PbSO4被还原成原来的活性物质时，蓄电池充电结束。

2 蓄电池的特性及维护

2.1 蓄电池的电压

电池在无负载状态下测得的端电压，称为开路端电压，可以视为电池的电动势。当在电池的两端接上负载后，电路中便有电流通过，此时电池两端测得电压称为闭路端电压。大部分电池的电动势是由电池电极的金属材料确定的，对于铅酸蓄电池，其电动势与硫酸电解液的密度有关，单体电压E用经验公式表示为

其中ρ为25℃时的硫酸溶液的密度，蓄电池出厂时的硫酸密度通常为1.28 g/m3，蓄电池的开路电压约为（0.85+1.28）×6＝12.78 V。

有的厂商为了提高蓄电池电压，在蓄电池生产时调高了硫酸溶液的浓度，加剧了电池极板与隔板的腐蚀，使电池的循环寿命缩短。蓄电池处于浮充状态时，其端电压与容量并不存在对应关系。但是，当蓄电池经过一定深度的放电后，劣化电池要比正常电池的电压低很多。因此，对蓄电池作放电测试时，通过测量电池两端电压可以检测出容量损失的电池。

2.2 蓄电池的内阻

蓄电池的内阻包括欧姆电阻和极化电阻，欧姆电阻与正负极板的材料成分、电解液密度以及温度等因素有关，而极化电阻也称为假电阻，其值与电流强度有关，不服从欧姆定律。蓄电池的内阻在充电后变小，放电后变大。蓄电池的内阻为mΩ级别，对于充满电后的100 Ah蓄电池，其内阻通常在5 mΩ左右，因此，严禁将蓄电池的两极短接，否将产生极大的短路电流。

蓄电池的内阻与其容量的关联性不强，但是当某一蓄电池的内阻突然增大，将预示着该电池寿命存在问题。在蓄电池串并联使用时，要求各电池的内阻均衡性要好，否则，在充电时，就会造成一部分电池过充电，而另一部分电池处于欠充电状态，影响电池的使用寿命。因此，在工程安装中，要避免将不同品牌、不同型号、不同批次的电池混用。另外，若电池组采取并联使用，则一般不要超过三组。

2.3 蓄电池的容量

蓄电池的容量单位为Ah，常用的有10 h率和20 h率两种表示方式，分别记为C10和C20，它表示以1/10的C10和1/20的C20）A电流放电10 h和20 h所放出的电量。通信电源在设计上一般选用10 h时率蓄电池，而UPS电源通常采用20 h率蓄电池。

蓄电池的容量与放电电流有很大关系，放电电流大时，放电容量就会降低；放电电流小时，放电容量则会增大。此外，温度对蓄电池的放电容量也有影响，当电解液温度升高时，放电容量增大；温度降低时，放电容量减小。图2是某一蓄电池（其容量为C20）在不同放电电流下的温度与放电容量的关系曲线，从图2可以明显地看出温度和放电率对蓄电池放电容量的影响。

在实际应用中，蓄电池一般都是以串并联的形式组成电池组。为了获得较高的电压，常将电池串联使用，串联电池组的放电容量由所有电池中的最小容量确定，如图3(a)所示；另一方面，为了得到较大的放电容量，就需要将电池并联使用，并联电池的容量是所有电池的容量之和，如图3(b)所示。

2.4 蓄电池的寿命

蓄电池在使用过程中存在两种使用方式：一类为深循环使用的电池，如电动车蓄电池；另一类为浮充使用的“备用电源”电池，如UPS蓄电池。循环使用的电池以循环充放电次数来表示其使用寿命，一般寿命可达到500次以上；而浮充使用的电池，以使用年限表示其寿命，通常可达到6～10年。当蓄电池容量降到初期容量的60%时，即认为寿命终止。

决定电池寿命的要素包括：产品质量、维护情况、充电管理。虽然硫酸溶液密度、极板厚度等因素对电池的寿命有很大影响，但是这些属于产品质量，出厂时即已确定，用户无法改变。然而在使用过程中加强对蓄电池的运行维护，也可以提高蓄电池的使用寿命。在众多因素中，温度对蓄电池寿命的影响最大。经验表明，当环境温度超过25 ℃后，温度每升高10 ℃，蓄电池寿命即缩短50%[4]。因此，使用中要注意蓄电池的环境温度，通常适宜温度为20～25 ℃，见图4。

蓄电池的放电量对其寿命影响也较大，从图5可以看出，蓄电池屡次深度放电，其寿命就会缩短。所以，在工作中应避免蓄电池的深度放电，同时减少蓄电池的放电次数。

3 蓄电池充放电管理

对铅酸蓄电池来说，与其说是用坏的，还不如说是被充坏的。可见，充电管理对蓄电池的使用寿命至关重要。图6模拟了32节蓄电池串联在一起的电池组，接在UPS上充放电时的电压电流曲线。

3.1 充电管理

蓄电池在放电后，需要及时充电，以尽快恢复其额定容量。通常采用恒压限流充电方式。充电之初，因为蓄电池放电后电压较低，所以充电电流较大。为了防止过大的充电电流损伤蓄电池，UPS充电器对其进行了限流，一般选择限流为0.1C20A，通常不超过0.4C20A，故充电初期处于恒流状态（T1阶段）。当充入一定电量后，蓄电池电压逐渐升高。当达到均充电压时，再改用恒压进行充电（T2阶段），均充电压通常为每节14.1 V。在恒压均充阶段，充电电流逐渐减小，当均充一定时间后，蓄电池的电量基本充满。此时就要改用相对较低的恒压进行充电（T3阶段），称为浮充，也称涓流充电。浮充主要是为了弥补蓄电池的自放电引起的能量损失，使电池一直处于完全充电状态。UPS中的蓄电池大部分时间处于浮充状态。

浮充电压的选择十分重要，一般选择为每节13.5 V。若浮充电压过低，则蓄电池无法完全充满电。若浮充电压过高，则充电电流几乎都在用于电解水，使得正极板析出氧气，负极板析出氢气。如果生成气体的速率将超过氢氧的复合速率，那么将导致电池内压升高，氧气和氢气将从安全阀排出，使得蓄电池电解液量减少或枯竭，最终影响电池寿命。另外，若蓄电池在封闭的环境中使用，溢出的氧气和氢气存在触发爆炸的危险。

蓄电池的充电电压与温度也有密切的关系，其值应根据环境温度的高低作适当修正。蓄电池的充电电压具有负温度系数，以25 ℃为基准，温度每升高1 ℃，蓄电池每节的充电电压下降18～30 mV左右，如图7所示。由于各厂家的蓄电池的差异性，具体的充电电压和电流应以电池厂商的要求为准，在UPS安装时，由工程人员根据电池说明书在UPS上设定。选择的充电电压过高或者过低，都会对UPS蓄电池造成不良影响。

3.2 放电管理

蓄电池放电时（T4阶段），在放电初期，由于电解液密度骤减，在较短的时间内电池的端电压快速下降；在放电中期，电池内部化学反应达到了动态平衡，蓄电池的端电压降落速度变缓；而在放电后期，蓄电池的电压又会快速降落，当端电压下降到10.5 V时，放电就要终止，此电压定为蓄电池的放电终止电压。如果蓄电池低于终止电压后继续放电，将会加速蓄电池的硫化，再次充电时无法恢复到初期容量，这就是通常所说的电池被“放亏”。蓄电池的终止电压与放电率有关，如图8所示，通常放电电流越大，则终止电压越低。

为了防止过放电对蓄电池造成损坏，应避免大电流放电，连续放电电流应小于3C20A。另一方面，还要避免小电流长时间放电，因为与大电流放电相比，小电流放电形成的PbSO4颗粒的尺寸要大，所以，小电流放电形成的PbSO4在充电时更难氧化。在相同放电深度下，小电流放电对电池的损坏更大。通常，蓄电池放电电流应控制在0.05～3C20A范围内。对于市电很少中断的UPS，每年至少对UPS蓄电池进行一次放电测试，根据电池放电时的电压降落，排查劣化的蓄电池。同时，经过新一轮的充放电，使蓄电池的活性物质得到活化，提高蓄电池的容量，也使得电池的一致性更好。

4 UPS电池容量配置

UPS厂家通常会根据自身UPS和电池型号有各自的计算方法，然而还有一个通用的计算方法：根据UPS预期负载求出蓄电池放电时所需提供的功率，进而求出电池放电电流，再根据用户需求的后备时间找出对应的电池容量系数，最后用求出的放电电流与该容量系数相乘即可得到电池容量[5]。公式为

其中C为蓄电池容量，P为UPS预期负载，cos φ为USP输出功率因数，U为电压组端电压，k为电池容量系数。UPS预期负载通常是指UPS所能带的最大负载，单机按带载60%～80%配置，双机（1+1）冗余并机则按每台带载35%～40%配置。另外，电池容量系数需根据放电时间查表1确定。

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UPS蓄电池配置举例：某电信运营商计划安装二台80 kVA的UPS组成双机冗余并机系统，该UPS采用12 V的蓄电池，要求停电后备时间不小于2 h，则可以按如下方法配置蓄电池：

1）确定UPS的预期负载，由于UPS系统为双机冗余并机，考虑到系统可靠性，每台UPS最大负载量为40%，即32 kVA。

2）确定UPS及电池的参数，该UPS每组电池需32节，即电池组端电压（母线电压）为12×32＝384 V，UPS输出功率因数为0.8，UPS逆变效率约为0.85。

3）根据式（3）算得每台UPS的电池容量为

所以，每台UPS可以采用12 V、100 Ah的电池三组进行并联，或者采用12 V、150 Ah的电池两组进行并联，即两台UPS的电池总量为：12 V、100 Ah电池32×3×2＝192节，或者12 V、150 Ah电池32×2×2＝128节。

5 总结

蓄电池在使用过程中，需要洁净、通风的使用环境，定期对蓄电池进行检查，发现有灰尘时，应用拧干的湿抺布进行清扫，不要用香蕉水、酒精或油类进行擦拭。同时应将环境温度设定在20～25 ℃。蓄电池在放电时，需控制其放电电流，避免大电流放电或小电流长时间放电，放电电流应控制在0.05～3C20A内。放电过后应及时充电，充电量设定为放电量的105%～110%，避免过充电和欠充电。总之，加强日常维护，可以提高UPS的可靠性，降低通信机房电力系统的故障率。

参考文献：

[1] 步辉. 电力通信设备电源管理及运行维护[J]. 中国科技信息, 2011(10): 126-127.

[2] 陈福民. 新型蓄电池的发明[J]. 知识就是力量, 1999(5): 34.

[3] 伊晓波. 铅酸蓄电池制造与过程控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[4] 马国杰, 刘东, 金瑛. 通信基站机房节能方案的实测与模拟研究[J]. 建筑节能, 2010(11): 44-48.

[5] 刘缅. UPS机房工程[EB/OL]. [2014-03-10]. http://wenku.baidu. com/view/635b39e9551810a6f524865d.html. ◆