艾默生iTrust UL33 UPS电池管理方案(图)
2005/12/16 10:36:10
艾默生网络能源有限公司 供稿
电池基础知识
电池是一种电的贮存装置,当两种金属（通常是性质有差异的金属）浸没于电解液之中，它们可以导电，并在“极板”之间产生一定电动势。电动势大小（或电压）与所使用的金属有关，不同种类的电池其电动势也不同。铅酸电池是指以二氧化铅作正极、活性铅作负极、稀硫酸作电解液的电池。它由电池壳、正负极板、电解液、隔板等部分组成。 铅酸蓄电池充放电过程的化学反应如下：
蓄电池原理示意图
充电 放电
PbO2+2H2SO4 +Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4
上面充放电的可逆方程表达了铅酸蓄电池具备充电储能和放电的特性，每个单体电池具有2V电动势。使用时，可以串联电池来获得所需较高电压，也可以并联电池来获得所需要较大容量。
按铅酸蓄电池中电解液存在的方式，铅酸蓄电池分为开口式（富液）铅酸蓄电池和阀控式（贫液）密封铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池的工作原理是：气体再化合，即： 正极产生的氧气，通过AGM隔板中的孔隙（或胶体的裂缝）与负极活物质和稀硫酸进行反应，再化合成水，同时使负极板的一部分处于放电状态，从而抑制氢气的产生。只要正极板氧气的产生速度不超过负极板对氧气的吸收速度，电池中不会有多余气体产生，电池中的水也不会损失，，就可实现密封。实际在蓄电池实际使用过程中，总有少量的气体不能被再化合，为防止电池内部压力过大，在电池盖上安装单向阀，排除电池内部多余的气体，这就是所谓的阀控。
阀控式密封铅酸蓄电池具备低维护特点，因此可在办公环境下使用, 当今UPS配置的电池全面使用了阀控式密封铅酸蓄电池。
电池的基本参数包括：电池电动势、开路电压、终止电压、工作电压、放电电流、容量、比能量、电池内阻、储存性能、使用寿命（浮充放电循环寿命）等；性能指标包括：最大放电电流、耐过充电能力、容量保存率、密封反应性能、安全阀动作、防爆性能、防酸雾性能等。
电池涉及的术语有（UPS电池标准参见日本JISC 8702-1995工业标准）：
1、容量：Ah容量、Wh容量，在选择UPS配置电池时，按照客户要求的系统满载备电时间要求，可以计算出满载下系统由电池提供的放电Wh数，根据电池厂商提供的不同容量电池、不同放电时间的Wh数据表，对照查表即可，无此数据表时需要求厂商提供；
2、放电率：依据IEC标准，放电时间率有20、10、5、3、1、0.5小时率及分钟率,分别表示为:20Hr、10Hr、5Hr、3Hr、2Hr、1Hr、0.5Hr等。
C10——10h率额定容量A•h，数值为1.00 C10
C3——3h率额定容量A•h，数值为0.75 C10
C1——1h率额定容量A•h，数值为0.55 C10
Ct——蓄电池实测容量A•h，是放电电流I(A)与放电时间t(h)的乘积
Ce——在基础温度(25℃)条件时的蓄电池实际容量, A•h
I10——10h率放电电流, 数值为1.00I10(A)
I3——3h率放电电流, 数值为2.50I10(A)
I1——1h率放电电流, 数值为5.50I10(A)
在选择阀控铅酸(VRLA)电池应根据电池的应用领域选择不同的类型，给UPS配套使用时应充分考虑其大电流放电能力，接入网类小电流长时间放电应充分考虑电池的耐深放电能力和恢复充电接受能力，不同的应用场合我们要关注不同的指标。
电池的电化学特性决定了电池是一种有使用寿命期限的器件，合理的使用和管理才能够保证电池的健康。
电池应用的基本要求：
1、环境要求
电池必须在规定的环境温度范围内应用，超出规定温度范围必须降额使用；
电池应安装在相对湿度≤70%、通风、散热、无酸、碱或其它腐蚀性气体的空间中，严禁安装在完全密封的环境中。
2、安装要求
安装位置： 电池安装时应尽量与设备的其它部分隔离，尽量避免直接与印刷电路板连接，当因设 计、空间限制或其它任何原因不能达到此两项要求时，至少应使电池位于设备或单板的最下端，以防止电池在意外情况下发生漏液腐蚀设备部件或单板；
周围材料： 电池安装空间的内表面应采用相应的耐腐蚀性材料；
空间尺寸： 安装电池的空间应能满足电池的最大外形尺寸并有一定余量，方便电池的安装，同时考虑尺寸的兼容性；
连接： 电池与设备或单板之间连接件长度应尽量小，以减少压降；连接件的横截面积以能长期承受电池充电或工作电流最大值2倍的电流为原则。
3、存放要求
蓄电池应在完全充电条件下保存于干燥、洁净、阴凉的环境中。
蓄电池存放若要达6个月或更长的时间，则需要定期对蓄电池进行补充电。
蓄电池存放环境温度最好保持在30℃以下
影响电池寿命的关键因素
1) 环境温度：过高的环境工作温度是导致密封免维护电池使用寿命缩短的首要原因,环境温度超过25℃时,温度每增加10℃,就会导致电池的实际使用寿命缩短一半。一般来说,这种电池的最高环境工作温度以不超过45℃为宜,当温度超过55℃时会造成电池毁灭性的损坏环境温度偏低时,尽管它不会因过压充电对电池的使用寿命造成不利的影响,但会造成密封免维护电池所提供有效容量(Ａｈ数)下降。
2）深度放电：电池的放电电流越小,电池的输出电压能维持稳定时间也越长。放电电流越大,电池维持其输出的电压稳定能力也差。因此，深度放电极易发生在UPS的“过度自动关机点”被设计为在任何状况下都是固定的情况下，这是一个使电池寿命缩短的重要原因。当这种ＵＰＳ电源被配置成长延时ＵＰＳ供电系统,而实际负载较小时,一旦市电停电,电池就会被深度放电。
3）大电流放电： 当放电电流超过2Ｃ时,不仅会大大缩短电池电压稳定工作时间,还会在接通负载的瞬间造成电池输出电压的迅速跌落,很有可能造成电池的永久损坏，
4）长期充电：影响电池寿命的内部因素就是大多数ＵＰＳ电源充电电路的充电方式,大多数ＵＰＳ都将电池组置于长时期的“浮充充电”工作状态之下,只要市电供电正常,其充电器总是以固定的充电电压13.5Ｖ×ｎ(ｎ是电池组中的12Ｖ电池的串联节数)对电池进行持续不断的浮充充电,从而将电池置于只充电不放电的不合理工作状态,造成电池的阳极极板钝化,电池的内阻急剧增大,电池的实用容量大大低于其标称容量。
5）固定充电电压：电池的实际容量与活性与温度是相关的，温度高时电池容量会上升，而温度低时反之，如果采取固定的充电电压会造成电池随温度的变化充不饱或者过充，严重影响电池的寿命。
以上涉及的影响电池寿命的5个问题中，问题1环境温度可以通过配置空调等控制机房温度的手段来避免，问题3可以通过电池容量的合理配置来避免。而其它因素需要电池的使用和管理者－UPS的功能来得到保证，您的电池的是否安全取决于您所选用的UPS的电池管理功能是否完善。
EMERSON UPS先进的电池管理
UL33系列UPS系统具有先进的电池管理功能，包括自动均浮充转换控制、电池预告警关机、定期自动维护、手动电池自检等多项可提高电池使用寿命的先进功能，同时还具备电池故障检测、电池放电后备时间预测及电池特征曲线管理下载等领先业界的高端电池管理能力，能充分保证客户配置电池的“不间断”供电能力。
图2 全数字化的电池曲线设置工具
1、自动均、浮充转换
电池充电过程能自动根据电池电流判据实现均充、浮充自动转换， 设定的均充转浮充判据为： I≦0.01C
2、电池浮充电压温度补偿：
电池在浮充状态下，浮充电压可以根据温度进行补偿，温度补偿以20℃为中心点，在10 ℃-40 ℃内全补偿，计算公式：
温度T>40，T=40；若T<10，T=10；
电池平均单体电压应调节为：V=V0+(20-T)•0.003
其中，V0为电池厂家给定的在20℃下的单体浮充电压，可以根据不同电池在初次上电时进行设置，默认为2.23V。对均充电压不补偿，默认的单体均充电压为2.35V。
3、均充限时：
如果连续12小时处于均充状态，控制系统将强制转浮充状态，此设置的条件是均充限流大于等于0.1C。
4、放电管理
结合本公司管理方案中电池截止放电前可指定实时放电时间段的特点，统一设置电池放电的截止电压为每单体电池1.8V，实际截止电压会随电池老化程度不同而在此值附近向下浮动，截止电压为每单体电池1.8V的选取，已经考虑到了大功率放电情况下电池容量的衰减。
5、容量检测与定期维护
电池故障检测是通过放电法来实现在线检测的，控制电池在某些确定的功率下放电，并测试停止放电时电池端电压，用所得端电压值与该种型号新电池同样放电情况下的端电压相比较，以确定其容量衰减比率，容量衰减超过某一设定比率时提示更换电池。
电池的定期自检与定期维护放电两者合二为一，每次让电池以恒定功率P0放电，P0可按实际要求选定，可在电池管理数据文件中设定，超出 的部分由整流器提供。定期自检中让电池放出20%的新电池容量，并检测电池的端电压，将其和基础数据中电池在不同剩余容量阶段按P0放出20%容量（即20%TPB时间）后电池的端电压相比，即可得到电池容量衰减百分比KP。对于缺乏基础测试数据的非艾默生推荐电池，在上面电池以恒定功率P0的20%容量定期放电过程中，只对电池进行定期维护而不进行容量衰减百分比值自检，容量衰减值按电池厂家提供的使用寿命年限估算。
6、后备时间预测
预测电池放电后备时间，以新电池恒功率放电曲线以及电池检测所得电池容量衰减比率为依据，通过实时计算和监测电池的容量，实现电池在任何状态下对当时负载放电的后备时间预测和显示。
电池在以功率P进行放电的状态下的电池后备间： T=QTP，其中：
Q是表征电池放电当时荷电状态的一个系数，取值为0-1，Q值为1的时候表明电池处于充满状态。
TP是当前负载功率P及环境温度下、容量百分比为KP的电池从充满状态放电至截止电压的备电时间。
电池是一种电的贮存装置,当两种金属（通常是性质有差异的金属）浸没于电解液之中，它们可以导电，并在“极板”之间产生一定电动势。电动势大小（或电压）与所使用的金属有关，不同种类的电池其电动势也不同。铅酸电池是指以二氧化铅作正极、活性铅作负极、稀硫酸作电解液的电池。它由电池壳、正负极板、电解液、隔板等部分组成。 铅酸蓄电池充放电过程的化学反应如下：
蓄电池原理示意图
充电 放电
PbO2+2H2SO4 +Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4
上面充放电的可逆方程表达了铅酸蓄电池具备充电储能和放电的特性，每个单体电池具有2V电动势。使用时，可以串联电池来获得所需较高电压，也可以并联电池来获得所需要较大容量。
按铅酸蓄电池中电解液存在的方式，铅酸蓄电池分为开口式（富液）铅酸蓄电池和阀控式（贫液）密封铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池的工作原理是：气体再化合，即： 正极产生的氧气，通过AGM隔板中的孔隙（或胶体的裂缝）与负极活物质和稀硫酸进行反应，再化合成水，同时使负极板的一部分处于放电状态，从而抑制氢气的产生。只要正极板氧气的产生速度不超过负极板对氧气的吸收速度，电池中不会有多余气体产生，电池中的水也不会损失，，就可实现密封。实际在蓄电池实际使用过程中，总有少量的气体不能被再化合，为防止电池内部压力过大，在电池盖上安装单向阀，排除电池内部多余的气体，这就是所谓的阀控。
阀控式密封铅酸蓄电池具备低维护特点，因此可在办公环境下使用, 当今UPS配置的电池全面使用了阀控式密封铅酸蓄电池。
电池的基本参数包括：电池电动势、开路电压、终止电压、工作电压、放电电流、容量、比能量、电池内阻、储存性能、使用寿命（浮充放电循环寿命）等；性能指标包括：最大放电电流、耐过充电能力、容量保存率、密封反应性能、安全阀动作、防爆性能、防酸雾性能等。
电池涉及的术语有（UPS电池标准参见日本JISC 8702-1995工业标准）：
1、容量：Ah容量、Wh容量，在选择UPS配置电池时，按照客户要求的系统满载备电时间要求，可以计算出满载下系统由电池提供的放电Wh数，根据电池厂商提供的不同容量电池、不同放电时间的Wh数据表，对照查表即可，无此数据表时需要求厂商提供；
2、放电率：依据IEC标准，放电时间率有20、10、5、3、1、0.5小时率及分钟率,分别表示为:20Hr、10Hr、5Hr、3Hr、2Hr、1Hr、0.5Hr等。
C10——10h率额定容量A•h，数值为1.00 C10
C3——3h率额定容量A•h，数值为0.75 C10
C1——1h率额定容量A•h，数值为0.55 C10
Ct——蓄电池实测容量A•h，是放电电流I(A)与放电时间t(h)的乘积
Ce——在基础温度(25℃)条件时的蓄电池实际容量, A•h
I10——10h率放电电流, 数值为1.00I10(A)
I3——3h率放电电流, 数值为2.50I10(A)
I1——1h率放电电流, 数值为5.50I10(A)
在选择阀控铅酸(VRLA)电池应根据电池的应用领域选择不同的类型，给UPS配套使用时应充分考虑其大电流放电能力，接入网类小电流长时间放电应充分考虑电池的耐深放电能力和恢复充电接受能力，不同的应用场合我们要关注不同的指标。
电池的电化学特性决定了电池是一种有使用寿命期限的器件，合理的使用和管理才能够保证电池的健康。
电池应用的基本要求：
1、环境要求
电池必须在规定的环境温度范围内应用，超出规定温度范围必须降额使用；
电池应安装在相对湿度≤70%、通风、散热、无酸、碱或其它腐蚀性气体的空间中，严禁安装在完全密封的环境中。
2、安装要求
安装位置： 电池安装时应尽量与设备的其它部分隔离，尽量避免直接与印刷电路板连接，当因设 计、空间限制或其它任何原因不能达到此两项要求时，至少应使电池位于设备或单板的最下端，以防止电池在意外情况下发生漏液腐蚀设备部件或单板；
周围材料： 电池安装空间的内表面应采用相应的耐腐蚀性材料；
空间尺寸： 安装电池的空间应能满足电池的最大外形尺寸并有一定余量，方便电池的安装，同时考虑尺寸的兼容性；
连接： 电池与设备或单板之间连接件长度应尽量小，以减少压降；连接件的横截面积以能长期承受电池充电或工作电流最大值2倍的电流为原则。
3、存放要求
蓄电池应在完全充电条件下保存于干燥、洁净、阴凉的环境中。
蓄电池存放若要达6个月或更长的时间，则需要定期对蓄电池进行补充电。
蓄电池存放环境温度最好保持在30℃以下
影响电池寿命的关键因素
1) 环境温度：过高的环境工作温度是导致密封免维护电池使用寿命缩短的首要原因,环境温度超过25℃时,温度每增加10℃,就会导致电池的实际使用寿命缩短一半。一般来说,这种电池的最高环境工作温度以不超过45℃为宜,当温度超过55℃时会造成电池毁灭性的损坏环境温度偏低时,尽管它不会因过压充电对电池的使用寿命造成不利的影响,但会造成密封免维护电池所提供有效容量(Ａｈ数)下降。
2）深度放电：电池的放电电流越小,电池的输出电压能维持稳定时间也越长。放电电流越大,电池维持其输出的电压稳定能力也差。因此，深度放电极易发生在UPS的“过度自动关机点”被设计为在任何状况下都是固定的情况下，这是一个使电池寿命缩短的重要原因。当这种ＵＰＳ电源被配置成长延时ＵＰＳ供电系统,而实际负载较小时,一旦市电停电,电池就会被深度放电。
3）大电流放电： 当放电电流超过2Ｃ时,不仅会大大缩短电池电压稳定工作时间,还会在接通负载的瞬间造成电池输出电压的迅速跌落,很有可能造成电池的永久损坏，
4）长期充电：影响电池寿命的内部因素就是大多数ＵＰＳ电源充电电路的充电方式,大多数ＵＰＳ都将电池组置于长时期的“浮充充电”工作状态之下,只要市电供电正常,其充电器总是以固定的充电电压13.5Ｖ×ｎ(ｎ是电池组中的12Ｖ电池的串联节数)对电池进行持续不断的浮充充电,从而将电池置于只充电不放电的不合理工作状态,造成电池的阳极极板钝化,电池的内阻急剧增大,电池的实用容量大大低于其标称容量。
5）固定充电电压：电池的实际容量与活性与温度是相关的，温度高时电池容量会上升，而温度低时反之，如果采取固定的充电电压会造成电池随温度的变化充不饱或者过充，严重影响电池的寿命。
以上涉及的影响电池寿命的5个问题中，问题1环境温度可以通过配置空调等控制机房温度的手段来避免，问题3可以通过电池容量的合理配置来避免。而其它因素需要电池的使用和管理者－UPS的功能来得到保证，您的电池的是否安全取决于您所选用的UPS的电池管理功能是否完善。
EMERSON UPS先进的电池管理
UL33系列UPS系统具有先进的电池管理功能，包括自动均浮充转换控制、电池预告警关机、定期自动维护、手动电池自检等多项可提高电池使用寿命的先进功能，同时还具备电池故障检测、电池放电后备时间预测及电池特征曲线管理下载等领先业界的高端电池管理能力，能充分保证客户配置电池的“不间断”供电能力。
图2 全数字化的电池曲线设置工具
1、自动均、浮充转换
电池充电过程能自动根据电池电流判据实现均充、浮充自动转换， 设定的均充转浮充判据为： I≦0.01C
2、电池浮充电压温度补偿：
电池在浮充状态下，浮充电压可以根据温度进行补偿，温度补偿以20℃为中心点，在10 ℃-40 ℃内全补偿，计算公式：
温度T>40，T=40；若T<10，T=10；
电池平均单体电压应调节为：V=V0+(20-T)•0.003
其中，V0为电池厂家给定的在20℃下的单体浮充电压，可以根据不同电池在初次上电时进行设置，默认为2.23V。对均充电压不补偿，默认的单体均充电压为2.35V。
3、均充限时：
如果连续12小时处于均充状态，控制系统将强制转浮充状态，此设置的条件是均充限流大于等于0.1C。
4、放电管理
结合本公司管理方案中电池截止放电前可指定实时放电时间段的特点，统一设置电池放电的截止电压为每单体电池1.8V，实际截止电压会随电池老化程度不同而在此值附近向下浮动，截止电压为每单体电池1.8V的选取，已经考虑到了大功率放电情况下电池容量的衰减。
5、容量检测与定期维护
电池故障检测是通过放电法来实现在线检测的，控制电池在某些确定的功率下放电，并测试停止放电时电池端电压，用所得端电压值与该种型号新电池同样放电情况下的端电压相比较，以确定其容量衰减比率，容量衰减超过某一设定比率时提示更换电池。
电池的定期自检与定期维护放电两者合二为一，每次让电池以恒定功率P0放电，P0可按实际要求选定，可在电池管理数据文件中设定，超出 的部分由整流器提供。定期自检中让电池放出20%的新电池容量，并检测电池的端电压，将其和基础数据中电池在不同剩余容量阶段按P0放出20%容量（即20%TPB时间）后电池的端电压相比，即可得到电池容量衰减百分比KP。对于缺乏基础测试数据的非艾默生推荐电池，在上面电池以恒定功率P0的20%容量定期放电过程中，只对电池进行定期维护而不进行容量衰减百分比值自检，容量衰减值按电池厂家提供的使用寿命年限估算。
6、后备时间预测
预测电池放电后备时间，以新电池恒功率放电曲线以及电池检测所得电池容量衰减比率为依据，通过实时计算和监测电池的容量，实现电池在任何状态下对当时负载放电的后备时间预测和显示。
电池在以功率P进行放电的状态下的电池后备间： T=QTP，其中：
Q是表征电池放电当时荷电状态的一个系数，取值为0-1，Q值为1的时候表明电池处于充满状态。
TP是当前负载功率P及环境温度下、容量百分比为KP的电池从充满状态放电至截止电压的备电时间。
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