张朱园

摘要：现今时代，我国各项科学技术发突飞猛进，促进了电力自动化水平的提升。在当前信息时代的背景下，大多企业电源供电系统都实施了相应变革，基本上都转变成UPS电源，应用的范围也随着技术的进步而愈加广泛，而基于该电源系统下所实施的储能功能，能够使电能与化学能之间的相互转换更加有效的实现。

关键词：UPS;蓄电池;充放电机制

引言

UPS就是不间断的系统，是一种含有蓄电池的设备，基于逆变器为主要能的恒压、恒频设备。在计算机以及电力电子设备中广泛应用，可以为设备的稳定运行提供不间断的电力。

1理论公式计算方法

根据国家标准《通信电源设备安装工程设计规范》的要求，交流不间断电源（UPS）系统的蓄电池组总容量先按式1计算蓄电池组的计算放电电流I，再根据式2计算蓄电池组总容量Q。

计算蓄电池组的计算放电电流I：

其中，I为蓄电池的计算放电电流，S为UPS设备额定容量，cosφ为UPS设备输出功率因数，μ为UPS主机逆变器的效率（可查阅UPS设备技术参数），U为UPS蓄电池放电逆变器的输入电压（2V电池单体电压为1.85V×每组电池个数）。计算UPS蓄电池组总容量Q：

其中，Q为UPS蓄电池组总容量;K为安全系数，取值1.25;I为计算负荷电流;T为要求蓄电池后备时间;η为UPS蓄电池放电容量系数，如表1所示。

蓄电池后备时间

α为电池温度补偿系数（1/℃）：

当UPS蓄电池后备时间<1时，取α=0.01;

当1≤蓄电池后备时间<10时，取α=0.008;

当蓄电池后备时间≥10时，取α=0.006。

t为UPS蓄电池所在地最低环境温度值（若有加热设备时，按15℃取值，无加热设备时，按5℃取值）

2铅酸蓄电池充放电原理

2.1铅酸蓄电池充电原理

铅酸电池主要由PbO2、Pb和电解液H2SO4组成。充电时，正极板上PbO4氧化成PbO2，正极板变成PbO2，负极板上的PbSO4被还原成Pb，负极板变成Pb，电解液中H2SO4的浓度增大。放电时，电池将化学能转化成电能输出。正极板电子被还原，生成PbSO4，负极板失去电子被氧化，同样生成PbSO4。在充放电过程中，铅酸蓄电池的正负极板进行化学反应，产生正负离子形成电流。具体的充电化学反应如下所示。

负极：

由上式可得出充电时负极发生的总化学反应为：PbSO4+H2O+2e-=Pb+H2SO4+2（OH）-。

根据实际反应情况，蓄电池在贮存过程中，析出H2的过电位大于析出Pb的过电位，H2产生的量很小。但在充电中后期，负极平衡电极电势向负方向变化，降低了H2析出的过电位，析气量随之上升。

正极：

由上式可得出充电时正极发生的总化学

反应为：PbSO4+2H2O=PbO2+H2SO4+2H++2e-。

在充电初期，PbO2浓度大于PbSO4，所以主要表现为充电反应，O2析出量很少，在充电后期，因为正极活性物质和外部的H+浓度严重失衡，导致O2的析出。在储存期间，O2析出的化学反应式如下：

2.2放电原理

放电过程中，PbO2晶体中的Pb4+接受由外部电路加载的电子而还原在Pb2+电解液中，与其中的 结合，生成PbSO4，当PbSO4的浓度升高到一定值的时候沉淀为PbSO4固体附着在电极上。H+和OH-结合生成水。放电反应过程中，PbSO4固体不断生成，一般情况下，正极放电生成的PbSO4不会全部覆盖在未反应的PbO2上面，但是PbSO4的摩尔体积比PbO2的摩尔体积大，又因为PbSO4会堵住电极的孔隙，PbO2由于缺乏电解液，以及PbSO4阻值很大，而不能完全地与电解液进行化学反应。负极在放电的时候，铅固体Pb在硫酸中的正极反应过程中电势低于某一数值时，氧化为Pb2+或者可溶性微粒铅，这些Pb2+或者可溶性的铅扩散远离电极表面，与 结合生成PbSO4，当PbSO4的浓度达到一定值的时候沉淀为PbSO4固体。具体的放电化学反应如下。

负极：

由上式可得出放电时负极发生的总化学反应为：Pb+H2SO4+2（OH）-=PbSO4+H2O+2e-。

正极：

由上式可得出放电时正极发生的总化学反应为：PbO2+H2SO4+2H++2e-=PbSO4+2H2O。

3UPS中蓄电池充放电机制

3.1恒流充电

恒流充电是指充电电流一直保持恒定不变进行充电，适合对多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电。如果蓄电池组中某个电池电压过低时，使该电池容量便于得到恢复，适用小电流长时间充电。恒流充电的缺点是蓄电池的充电电流保持不变，在充电初期充电电流可能偏小，充电后期充电电流又偏大，特别在充电后期蓄电池端电压偏高，蓄电池析出的气体较多，造成充电效率下降，根据相关统计，充电效率最高为70%。

3.2恒压充电

恒压充电是对蓄电池充电时充电电压保持恒定不变，充电初期蓄电池电压较低，充电电流较大，随着蓄电池端电压的不断升高，充电电流随之减少，在充电后期充电电流很小。充电过程中充电电流不必调整，充电电流自动减小，充电过程中蓄电池析气量小，充电时间变短，能耗降低。恒压充电的缺点是充电初始阶段电流过大，对处于过放电的蓄电池进行充电时，容易对充电设备造成损坏。由于充电电流不能调整，因此不适用于对蓄电池进行初始充电。

3.3脉冲充电

脉冲充电是指先用脉冲电流对蓄电池进行充电，然后停充一段时间，循环地对蓄电池进行充电。脉冲充电对蓄电池进行充电过程中，间歇停充期间，蓄电池化学反应过程中产生的O2和H2有时间重新化合而被吸收，使浓差极化和欧姆极化随之得到消除，减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电更加顺利，使蓄电池吸收更多的电量。脉冲充电使蓄电池有了充分的反应时间，减少了蓄电池的气体析出量，提高了蓄电池的充电效率。脉冲充电的缺点是由于长期欠充，电池正负极表面沉积了很多大颗粒、惰性的结晶，外部为PbSO4，内部为PbO2，在充电过程中，电池电压很快升到充电终止电压。在放电过程中又很快降到放电终止电压，电池容量很难被充分利用。电池组中各单体电池特性存在差异，随着循环次数的增加，各单体差异表现越来越显著。况且采用多大的脉冲周期，期间占空比多少最合适，目前还在研究论证阶段，具体问题还没有定论。

3.4恒压限流充电

恒压限流充电方式实际上是将恒压充电和恒流充电相结合。在初始充电阶段，为避免电流过大而损坏电池，利用恒流充电来限制充电电流。充电过程中当电压达到预定值时，利用恒压充电方式进行充电。充电后期电流变得很小，因此电解液中的析气量减少，提高充电效率，避免蓄电池的温升过快，损坏电池的极板。恒压限流充电系统中增加了很多功能，如过充判断、浮充控制、温度补偿等，是一种很有效的充电方式，蓄电池可以在这个系统下更好地工作。目前恒压限流是电池厂商推荐的主流充电方式。

结语

实际应用中蓄电池的使用寿命往往达不到设计寿命，有的相差甚远，这不仅影响了电力系统的稳定性和可靠性，而且還造成了经济损失。影响蓄电池使用寿命的因素很多，如蓄电池本身的物理性能、使用环境、监控管理方式和充放电制度等。通过统计及分析发现，绝大多数问题都是由于充放电控制不合理而造成的。因此，选择合理的充电方法对蓄电池进行充电对提高蓄电池的寿命起着至关重要的作用。

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