艾默生iTrust UL33 UPS電池管理方案(圖)
2005/12/16 10:36:10
艾默生網絡能源有限公司 供稿
電池基礎知識
電池是一種電的貯存裝置,當兩種金屬（通常是性質有差異的金屬）浸沒于電解液之中，它們可以導電，并在“極板”之間產生一定電動勢。電動勢大小（或電壓）與所使用的金屬有關，不同種類的電池其電動勢也不同。鉛酸電池是指以二氧化鉛作正極、活性鉛作負極、稀硫酸作電解液的電池。它由電池殼、正負極板、電解液、隔板等部分組成。 鉛酸蓄電池充放電過程的化學反應如下：
蓄電池原理示意圖
充電 放電
PbO2+2H2SO4 +Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4
上面充放電的可逆方程表達了鉛酸蓄電池具備充電儲能和放電的特性，每個單體電池具有2V電動勢。使用時，可以串聯電池來獲得所需較高電壓，也可以并聯電池來獲得所需要較大容量。
按鉛酸蓄電池中電解液存在的方式，鉛酸蓄電池分為開口式（富液）鉛酸蓄電池和閥控式（貧液）密封鉛酸蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的工作原理是：氣體再化合，即： 正極產生的氧氣，通過AGM隔板中的孔隙（或膠體的裂縫）與負極活物質和稀硫酸進行反應，再化合成水，同時使負極板的一部分處于放電狀態，從而抑制氫氣的產生。只要正極板氧氣的產生速度不超過負極板對氧氣的吸收速度，電池中不會有多余氣體產生，電池中的水也不會損失，，就可實現密封。實際在蓄電池實際使用過程中，總有少量的氣體不能被再化合，為防止電池內部壓力過大，在電池蓋上安裝單向閥，排除電池內部多余的氣體，這就是所謂的閥控。
閥控式密封鉛酸蓄電池具備低維護特點，因此可在辦公環境下使用, 當今UPS配置的電池全面使用了閥控式密封鉛酸蓄電池。
電池的基本參數包括：電池電動勢、開路電壓、終止電壓、工作電壓、放電電流、容量、比能量、電池內阻、儲存性能、使用壽命（浮充放電循環壽命）等；性能指標包括：最大放電電流、耐過充電能力、容量保存率、密封反應性能、安全閥動作、防爆性能、防酸霧性能等。
電池涉及的術語有（UPS電池標準參見日本JISC 8702-1995工業標準）：
1、容量：Ah容量、Wh容量，在選擇UPS配置電池時，按照客戶要求的系統滿載備電時間要求，可以計算出滿載下系統由電池提供的放電Wh數，根據電池廠商提供的不同容量電池、不同放電時間的Wh數據表，對照查表即可，無此數據表時需要求廠商提供；
2、放電率：依據IEC標準，放電時間率有20、10、5、3、1、0.5小時率及分鐘率,分別表示為:20Hr、10Hr、5Hr、3Hr、2Hr、1Hr、0.5Hr等。
C10——10h率額定容量A•h，數值為1.00 C10
C3——3h率額定容量A•h，數值為0.75 C10
C1——1h率額定容量A•h，數值為0.55 C10
Ct——蓄電池實測容量A•h，是放電電流I(A)與放電時間t(h)的乘積
Ce——在基礎溫度(25℃)條件時的蓄電池實際容量, A•h
I10——10h率放電電流, 數值為1.00I10(A)
I3——3h率放電電流, 數值為2.50I10(A)
I1——1h率放電電流, 數值為5.50I10(A)
在選擇閥控鉛酸(VRLA)電池應根據電池的應用領域選擇不同的類型，給UPS配套使用時應充分考慮其大電流放電能力，接入網類小電流長時間放電應充分考慮電池的耐深放電能力和恢復充電接受能力，不同的應用場合我們要關注不同的指標。
電池的電化學特性決定了電池是一種有使用壽命期限的器件，合理的使用和管理才能夠保證電池的健康。
電池應用的基本要求：
1、環境要求
電池必須在規定的環境溫度范圍內應用，超出規定溫度范圍必須降額使用；
電池應安裝在相對濕度≤70%、通風、散熱、無酸、堿或其它腐蝕性氣體的空間中，嚴禁安裝在完全密封的環境中。
2、安裝要求
安裝位置： 電池安裝時應盡量與設備的其它部分隔離，盡量避免直接與印刷電路板連接，當因設 計、空間限制或其它任何原因不能達到此兩項要求時，至少應使電池位于設備或單板的最下端，以防止電池在意外情況下發生漏液腐蝕設備部件或單板；
周圍材料： 電池安裝空間的內表面應采用相應的耐腐蝕性材料；
空間尺寸： 安裝電池的空間應能滿足電池的最大外形尺寸并有一定余量，方便電池的安裝，同時考慮尺寸的兼容性；
連接： 電池與設備或單板之間連接件長度應盡量小，以減少壓降；連接件的橫截面積以能長期承受電池充電或工作電流最大值2倍的電流為原則。
3、存放要求
蓄電池應在完全充電條件下保存于干燥、潔凈、陰涼的環境中。
蓄電池存放若要達6個月或更長的時間，則需要定期對蓄電池進行補充電。
蓄電池存放環境溫度最好保持在30℃以下
影響電池壽命的關鍵因素
1) 環境溫度：過高的環境工作溫度是導致密封免維護電池使用壽命縮短的首要原因,環境溫度超過25℃時,溫度每增加10℃,就會導致電池的實際使用壽命縮短一半。一般來說,這種電池的最高環境工作溫度以不超過45℃為宜,當溫度超過55℃時會造成電池毀滅性的損壞環境溫度偏低時,盡管它不會因過壓充電對電池的使用壽命造成不利的影響,但會造成密封免維護電池所提供有效容量(Ａｈ數)下降。
2）深度放電：電池的放電電流越小,電池的輸出電壓能維持穩定時間也越長。放電電流越大,電池維持其輸出的電壓穩定能力也差。因此，深度放電極易發生在UPS的“過度自動關機點”被設計為在任何狀況下都是固定的情況下，這是一個使電池壽命縮短的重要原因。當這種ＵＰＳ電源被配置成長延時ＵＰＳ供電系統,而實際負載較小時,一旦市電停電,電池就會被深度放電。
3）大電流放電： 當放電電流超過2Ｃ時,不僅會大大縮短電池電壓穩定工作時間,還會在接通負載的瞬間造成電池輸出電壓的迅速跌落,很有可能造成電池的永久損壞，
4）長期充電：影響電池壽命的內部因素就是大多數ＵＰＳ電源充電電路的充電方式,大多數ＵＰＳ都將電池組置于長時期的“浮充充電”工作狀態之下,只要市電供電正常,其充電器總是以固定的充電電壓13.5Ｖ×ｎ(ｎ是電池組中的12Ｖ電池的串聯節數)對電池進行持續不斷的浮充充電,從而將電池置于只充電不放電的不合理工作狀態,造成電池的陽極極板鈍化,電池的內阻急劇增大,電池的實用容量大大低于其標稱容量。
5）固定充電電壓：電池的實際容量與活性與溫度是相關的，溫度高時電池容量會上升，而溫度低時反之，如果采取固定的充電電壓會造成電池隨溫度的變化充不飽或者過充，嚴重影響電池的壽命。
以上涉及的影響電池壽命的5個問題中，問題1環境溫度可以通過配置空調等控制機房溫度的手段來避免，問題3可以通過電池容量的合理配置來避免。而其它因素需要電池的使用和管理者－UPS的功能來得到保證，您的電池的是否安全取決于您所選用的UPS的電池管理功能是否完善。
EMERSON UPS先進的電池管理
UL33系列UPS系統具有先進的電池管理功能，包括自動均浮充轉換控制、電池預告警關機、定期自動維護、手動電池自檢等多項可提高電池使用壽命的先進功能，同時還具備電池故障檢測、電池放電后備時間預測及電池特征曲線管理下載等領先業界的高端電池管理能力，能充分保證客戶配置電池的“不間斷”供電能力。
圖2 全數字化的電池曲線設置工具
1、自動均、浮充轉換
電池充電過程能自動根據電池電流判據實現均充、浮充自動轉換， 設定的均充轉浮充判據為： I≦0.01C
2、電池浮充電壓溫度補償：
電池在浮充狀態下，浮充電壓可以根據溫度進行補償，溫度補償以20℃為中心點，在10 ℃-40 ℃內全補償，計算公式：
溫度T>40，T=40；若T<10，T=10；
電池平均單體電壓應調節為：V=V0+(20-T)•0.003
其中，V0為電池廠家給定的在20℃下的單體浮充電壓，可以根據不同電池在初次上電時進行設置，默認為2.23V。對均充電壓不補償，默認的單體均充電壓為2.35V。
3、均充限時：
如果連續12小時處于均充狀態，控制系統將強制轉浮充狀態，此設置的條件是均充限流大于等于0.1C。
4、放電管理
結合本公司管理方案中電池截止放電前可指定實時放電時間段的特點，統一設置電池放電的截止電壓為每單體電池1.8V，實際截止電壓會隨電池老化程度不同而在此值附近向下浮動，截止電壓為每單體電池1.8V的選取，已經考慮到了大功率放電情況下電池容量的衰減。
5、容量檢測與定期維護
電池故障檢測是通過放電法來實現在線檢測的，控制電池在某些確定的功率下放電，并測試停止放電時電池端電壓，用所得端電壓值與該種型號新電池同樣放電情況下的端電壓相比較，以確定其容量衰減比率，容量衰減超過某一設定比率時提示更換電池。
電池的定期自檢與定期維護放電兩者合二為一，每次讓電池以恒定功率P0放電，P0可按實際要求選定，可在電池管理數據文件中設定，超出 的部分由整流器提供。定期自檢中讓電池放出20%的新電池容量，并檢測電池的端電壓，將其和基礎數據中電池在不同剩余容量階段按P0放出20%容量（即20%TPB時間）后電池的端電壓相比，即可得到電池容量衰減百分比KP。對于缺乏基礎測試數據的非艾默生推薦電池，在上面電池以恒定功率P0的20%容量定期放電過程中，只對電池進行定期維護而不進行容量衰減百分比值自檢，容量衰減值按電池廠家提供的使用壽命年限估算。
6、后備時間預測
預測電池放電后備時間，以新電池恒功率放電曲線以及電池檢測所得電池容量衰減比率為依據，通過實時計算和監測電池的容量，實現電池在任何狀態下對當時負載放電的后備時間預測和顯示。
電池在以功率P進行放電的狀態下的電池后備間： T=QTP，其中：
Q是表征電池放電當時荷電狀態的一個系數，取值為0-1，Q值為1的時候表明電池處于充滿狀態。
TP是當前負載功率P及環境溫度下、容量百分比為KP的電池從充滿狀態放電至截止電壓的備電時間。
電池是一種電的貯存裝置,當兩種金屬（通常是性質有差異的金屬）浸沒于電解液之中，它們可以導電，并在“極板”之間產生一定電動勢。電動勢大小（或電壓）與所使用的金屬有關，不同種類的電池其電動勢也不同。鉛酸電池是指以二氧化鉛作正極、活性鉛作負極、稀硫酸作電解液的電池。它由電池殼、正負極板、電解液、隔板等部分組成。 鉛酸蓄電池充放電過程的化學反應如下：
蓄電池原理示意圖
充電 放電
PbO2+2H2SO4 +Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4
上面充放電的可逆方程表達了鉛酸蓄電池具備充電儲能和放電的特性，每個單體電池具有2V電動勢。使用時，可以串聯電池來獲得所需較高電壓，也可以并聯電池來獲得所需要較大容量。
按鉛酸蓄電池中電解液存在的方式，鉛酸蓄電池分為開口式（富液）鉛酸蓄電池和閥控式（貧液）密封鉛酸蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的工作原理是：氣體再化合，即： 正極產生的氧氣，通過AGM隔板中的孔隙（或膠體的裂縫）與負極活物質和稀硫酸進行反應，再化合成水，同時使負極板的一部分處于放電狀態，從而抑制氫氣的產生。只要正極板氧氣的產生速度不超過負極板對氧氣的吸收速度，電池中不會有多余氣體產生，電池中的水也不會損失，，就可實現密封。實際在蓄電池實際使用過程中，總有少量的氣體不能被再化合，為防止電池內部壓力過大，在電池蓋上安裝單向閥，排除電池內部多余的氣體，這就是所謂的閥控。
閥控式密封鉛酸蓄電池具備低維護特點，因此可在辦公環境下使用, 當今UPS配置的電池全面使用了閥控式密封鉛酸蓄電池。
電池的基本參數包括：電池電動勢、開路電壓、終止電壓、工作電壓、放電電流、容量、比能量、電池內阻、儲存性能、使用壽命（浮充放電循環壽命）等；性能指標包括：最大放電電流、耐過充電能力、容量保存率、密封反應性能、安全閥動作、防爆性能、防酸霧性能等。
電池涉及的術語有（UPS電池標準參見日本JISC 8702-1995工業標準）：
1、容量：Ah容量、Wh容量，在選擇UPS配置電池時，按照客戶要求的系統滿載備電時間要求，可以計算出滿載下系統由電池提供的放電Wh數，根據電池廠商提供的不同容量電池、不同放電時間的Wh數據表，對照查表即可，無此數據表時需要求廠商提供；
2、放電率：依據IEC標準，放電時間率有20、10、5、3、1、0.5小時率及分鐘率,分別表示為:20Hr、10Hr、5Hr、3Hr、2Hr、1Hr、0.5Hr等。
C10——10h率額定容量A•h，數值為1.00 C10
C3——3h率額定容量A•h，數值為0.75 C10
C1——1h率額定容量A•h，數值為0.55 C10
Ct——蓄電池實測容量A•h，是放電電流I(A)與放電時間t(h)的乘積
Ce——在基礎溫度(25℃)條件時的蓄電池實際容量, A•h
I10——10h率放電電流, 數值為1.00I10(A)
I3——3h率放電電流, 數值為2.50I10(A)
I1——1h率放電電流, 數值為5.50I10(A)
在選擇閥控鉛酸(VRLA)電池應根據電池的應用領域選擇不同的類型，給UPS配套使用時應充分考慮其大電流放電能力，接入網類小電流長時間放電應充分考慮電池的耐深放電能力和恢復充電接受能力，不同的應用場合我們要關注不同的指標。
電池的電化學特性決定了電池是一種有使用壽命期限的器件，合理的使用和管理才能夠保證電池的健康。
電池應用的基本要求：
1、環境要求
電池必須在規定的環境溫度范圍內應用，超出規定溫度范圍必須降額使用；
電池應安裝在相對濕度≤70%、通風、散熱、無酸、堿或其它腐蝕性氣體的空間中，嚴禁安裝在完全密封的環境中。
2、安裝要求
安裝位置： 電池安裝時應盡量與設備的其它部分隔離，盡量避免直接與印刷電路板連接，當因設 計、空間限制或其它任何原因不能達到此兩項要求時，至少應使電池位于設備或單板的最下端，以防止電池在意外情況下發生漏液腐蝕設備部件或單板；
周圍材料： 電池安裝空間的內表面應采用相應的耐腐蝕性材料；
空間尺寸： 安裝電池的空間應能滿足電池的最大外形尺寸并有一定余量，方便電池的安裝，同時考慮尺寸的兼容性；
連接： 電池與設備或單板之間連接件長度應盡量小，以減少壓降；連接件的橫截面積以能長期承受電池充電或工作電流最大值2倍的電流為原則。
3、存放要求
蓄電池應在完全充電條件下保存于干燥、潔凈、陰涼的環境中。
蓄電池存放若要達6個月或更長的時間，則需要定期對蓄電池進行補充電。
蓄電池存放環境溫度最好保持在30℃以下
影響電池壽命的關鍵因素
1) 環境溫度：過高的環境工作溫度是導致密封免維護電池使用壽命縮短的首要原因,環境溫度超過25℃時,溫度每增加10℃,就會導致電池的實際使用壽命縮短一半。一般來說,這種電池的最高環境工作溫度以不超過45℃為宜,當溫度超過55℃時會造成電池毀滅性的損壞環境溫度偏低時,盡管它不會因過壓充電對電池的使用壽命造成不利的影響,但會造成密封免維護電池所提供有效容量(Ａｈ數)下降。
2）深度放電：電池的放電電流越小,電池的輸出電壓能維持穩定時間也越長。放電電流越大,電池維持其輸出的電壓穩定能力也差。因此，深度放電極易發生在UPS的“過度自動關機點”被設計為在任何狀況下都是固定的情況下，這是一個使電池壽命縮短的重要原因。當這種ＵＰＳ電源被配置成長延時ＵＰＳ供電系統,而實際負載較小時,一旦市電停電,電池就會被深度放電。
3）大電流放電： 當放電電流超過2Ｃ時,不僅會大大縮短電池電壓穩定工作時間,還會在接通負載的瞬間造成電池輸出電壓的迅速跌落,很有可能造成電池的永久損壞，
4）長期充電：影響電池壽命的內部因素就是大多數ＵＰＳ電源充電電路的充電方式,大多數ＵＰＳ都將電池組置于長時期的“浮充充電”工作狀態之下,只要市電供電正常,其充電器總是以固定的充電電壓13.5Ｖ×ｎ(ｎ是電池組中的12Ｖ電池的串聯節數)對電池進行持續不斷的浮充充電,從而將電池置于只充電不放電的不合理工作狀態,造成電池的陽極極板鈍化,電池的內阻急劇增大,電池的實用容量大大低于其標稱容量。
5）固定充電電壓：電池的實際容量與活性與溫度是相關的，溫度高時電池容量會上升，而溫度低時反之，如果采取固定的充電電壓會造成電池隨溫度的變化充不飽或者過充，嚴重影響電池的壽命。
以上涉及的影響電池壽命的5個問題中，問題1環境溫度可以通過配置空調等控制機房溫度的手段來避免，問題3可以通過電池容量的合理配置來避免。而其它因素需要電池的使用和管理者－UPS的功能來得到保證，您的電池的是否安全取決于您所選用的UPS的電池管理功能是否完善。
EMERSON UPS先進的電池管理
UL33系列UPS系統具有先進的電池管理功能，包括自動均浮充轉換控制、電池預告警關機、定期自動維護、手動電池自檢等多項可提高電池使用壽命的先進功能，同時還具備電池故障檢測、電池放電后備時間預測及電池特征曲線管理下載等領先業界的高端電池管理能力，能充分保證客戶配置電池的“不間斷”供電能力。
圖2 全數字化的電池曲線設置工具
1、自動均、浮充轉換
電池充電過程能自動根據電池電流判據實現均充、浮充自動轉換， 設定的均充轉浮充判據為： I≦0.01C
2、電池浮充電壓溫度補償：
電池在浮充狀態下，浮充電壓可以根據溫度進行補償，溫度補償以20℃為中心點，在10 ℃-40 ℃內全補償，計算公式：
溫度T>40，T=40；若T<10，T=10；
電池平均單體電壓應調節為：V=V0+(20-T)•0.003
其中，V0為電池廠家給定的在20℃下的單體浮充電壓，可以根據不同電池在初次上電時進行設置，默認為2.23V。對均充電壓不補償，默認的單體均充電壓為2.35V。
3、均充限時：
如果連續12小時處于均充狀態，控制系統將強制轉浮充狀態，此設置的條件是均充限流大于等于0.1C。
4、放電管理
結合本公司管理方案中電池截止放電前可指定實時放電時間段的特點，統一設置電池放電的截止電壓為每單體電池1.8V，實際截止電壓會隨電池老化程度不同而在此值附近向下浮動，截止電壓為每單體電池1.8V的選取，已經考慮到了大功率放電情況下電池容量的衰減。
5、容量檢測與定期維護
電池故障檢測是通過放電法來實現在線檢測的，控制電池在某些確定的功率下放電，并測試停止放電時電池端電壓，用所得端電壓值與該種型號新電池同樣放電情況下的端電壓相比較，以確定其容量衰減比率，容量衰減超過某一設定比率時提示更換電池。
電池的定期自檢與定期維護放電兩者合二為一，每次讓電池以恒定功率P0放電，P0可按實際要求選定，可在電池管理數據文件中設定，超出 的部分由整流器提供。定期自檢中讓電池放出20%的新電池容量，并檢測電池的端電壓，將其和基礎數據中電池在不同剩余容量階段按P0放出20%容量（即20%TPB時間）后電池的端電壓相比，即可得到電池容量衰減百分比KP。對于缺乏基礎測試數據的非艾默生推薦電池，在上面電池以恒定功率P0的20%容量定期放電過程中，只對電池進行定期維護而不進行容量衰減百分比值自檢，容量衰減值按電池廠家提供的使用壽命年限估算。
6、后備時間預測
預測電池放電后備時間，以新電池恒功率放電曲線以及電池檢測所得電池容量衰減比率為依據，通過實時計算和監測電池的容量，實現電池在任何狀態下對當時負載放電的后備時間預測和顯示。
電池在以功率P進行放電的狀態下的電池后備間： T=QTP，其中：
Q是表征電池放電當時荷電狀態的一個系數，取值為0-1，Q值為1的時候表明電池處于充滿狀態。
TP是當前負載功率P及環境溫度下、容量百分比為KP的電池從充滿狀態放電至截止電壓的備電時間。
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