LEERT蓄電池LRT24-12 鉛酸系列UPS電池

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電池電動勢、開路電壓、工作電

當蓄電池用導體在外部接通時，正極和負極的電化反應自發地進行，倘若電池中電能與化學能轉換達到平衡時，正極的平衡電極電勢與負極平衡電極電勢的差值，便是電池電動勢，它在數值上等于達到穩定值時的開路電壓。

電動勢與單位電量的乘積，表示單位電量所能作的電功，但電池電動熱與開路電壓意義不同：電動勢可依據電池中的反應利用熱力學計算或通過測量計算，有明確的物理意義。后者只在數字上近于電動勢，需視電池的可逆程度而定，電池在開路狀態下的端電壓稱為開路電壓。電池的開路電壓等于電池正極電極電勢與負極電極電勢之差，電池工作電壓是指電池有電流通過（閉路）的端電壓。

在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓，電池在接通負載后，由于歐姆電阻和極化過電位的存在，電池的工作電壓低于開路電壓。

數據中心機房中鉛酸蓄電池的優缺點：

鉛酸蓄電池作為存儲電能的裝置，它具有電動勢能高、充放電可逆性好、使用溫度范圍廣、原材料豐富廉價等特點，獲得了廣泛的應用，盡管鉛酸蓄電池具有這些優點，但是在數據中心里，大規模的鉛酸蓄電池應用也暴露出了其缺點，其重量造成的機房承重問題、維修要求高、相對壽命短、并且還富含毒性。

1、鉛酸蓄電池的優缺點

從150年前只鉛酸蓄電池問世至今，它依然是三首眩的備用能源存儲解決方案，能夠有效地滿足數據中心獨特的供電需求，其經濟特性還沒有其他主流技術可以匹敵，鉛酸蓄電池在數據中心的使用情況不像****車、電動車等，能獲得正常穩定的使用，而是大部分時間處于閑置狀態，鉛酸蓄電池先用直流電源對其充電，將電能轉化為化學能儲存起來，當市電中短時，UPS依靠儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作，在此期間，鉛酸蓄電池可以提供充足的備份時間，當市電恢復后，蓄電池又進行充電，然后進入等后期，另外，鉛酸蓄電池價格相對較低，是目前成本效益的電能儲存解決方案。

2、鉛酸蓄電池也有一些較為突出的缺點：

（1）高昂的維修費用

目前的UPS產品所使用的蓄電池通常叫做“免維護鉛酸蓄電池”，事實上，它們面年至少需要兩次檢查，以確保它們無腐蝕、工作狀態良好以及單只蓄電池之間連接緊密。

（2）可靠性的不可預見隱患

為了保障蓄電池的可靠性，的途徑是對蓄電池進行監測。然而每次測試蓄電池都會減少其容量并縮短其使用壽命。雖然現代的UPS內置電池測試方案可以減少這種磨損，但是并沒有消除。

（3）更換成本高

密封鉛酸蓄電池的使用壽命一般為4到5年，而UPS的壽命一般是它們的2到3倍，所以在UPS的一個完整生命周期里，數據中心需要把更換電池組的費用也做在初期的預算里。

（4）能量密度低

鉛酸蓄電池質量比較重，體積較大，一臺典型的中型UPS的電池組大約為5到8噸，需要考慮放置位置及承重問題。

（5）電池監測系統

蓄電池容量檢測時，無論是離線方式還是在線方式，都必須設置備用電源作為防范措施，以保證安全，但是，檢測時因為電池組數量多，放電時間長，放電后又要及時進行充電，所需的人力和電能消耗很大，對蓄電池本身也有一定的損耗。在操作過程中，在脫開和鏈接蓄電池及假負載時，由于電位差的村財似的操作帶有危險性。并且檢測過程相當復雜，費用昂貴。

UPS供電系統在各行業數據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廠家及行業用戶重點研究的問題。

以下對目前大型UPS系統廣泛采用的閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池在UPS供電系統中的作用、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供電系統中的作用和意義

在UPS供電系統中，蓄電池大多采用免維護蓄電池。蓄電池在UPS供電系統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變為正弦交流電，維持UPS的電源輸出，確保負載在一定的時間內正常用電。

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，產生了蓄電池的電解液干涸、熱失控、早期容量損失、內部短路等問題，進而嚴重影響到供電系統的可靠性。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，規格各異，但按其基本性質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)或者膠體硫酸構成，極板由鉛Pb和過氧化鋁PbO2構成，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。極板由于電池的結構不同而各異。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。傳統的鉛酸蓄電池是開口式結構，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在UPS供電系統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點是在充電時正極板上產生的氧氣，通過再化合反應在負極板上還原成水，使用時在規定浮充壽命期內不必加水維護，所以又稱為免維護鉛酸蓄電池。可見，免維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，基本上沿襲于傳統的鉛酸蓄電池，其正極活性物質是二氧化鉛(PbO2)，負極活性物質是海綿狀鉛(Pb)，電解液是稀硫酸(H2SO4)，其電極反應方程式如下：

PbO22H2SO4Pb≒2PbSO42H2O

5.兩種閥控式密封鉛酸蓄電池比

目前閥控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，電池內的硅凝膠是以SiO2質點作為骨架構成的三維多孔網狀結構，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供電系統中蓄電池的配置和選擇

在UPS供電系統中，可以說蓄電池是這個系統的支柱。沒有蓄電池的UPS只能稱做穩壓穩頻電源。UPS之所以能實現不間斷供電，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、系統電壓、放電時間、蓄電池工作環境溫度、蓄電池儲存時間的長短、負載種類和特性等因素密切相關。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(W)。

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