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摘要:本文通过阐述电池在UPS的作用、工作原理、基本参数的理解、后备时间的计算方法以及电池的安装与维护等内容，探讨电池该如何正确选型，为IT数据中心机房建设者提供一些思路。既不浪费资源，又能减少环境污染，让我们的生活环境更加绿色环保。
关键词：UPS，电源，蓄电池，不间断，充电，放电，容量，后备时间
一、前言
随着当今科技的飞速发展，云计算中心、云建设项目越来越多，UPS电源作为能为IT负载设备提供不间断的稳定可靠的交流电源设备，成为目前云计算项目建设的电源保障首选设备。而UPS本身只是一种电能转换装置，在市电中断(停电)时，UPS之所以能不间断的供电，是有蓄电池储能提供后备能源的结果。UPS为负载设备提供断电后的延时工作完全是依赖于蓄电池，而后备时间的长短由蓄电池的容量和数量决定。因此，电池与UPS完美搭配才能安全可靠的提供云计算电源保障。
如果电池使用不好，会大大缩短电池使用寿命，从而需要昂贵的代价更换电池。另外，电池使用不好还可能会导致负载断电数据丢失的严重后果。更有甚者，电池使用不好，还有可能引发火灾导致灾难性的后果。
要想正确使用电池必须要对电池有一定的了解。那么，怎样才能正确使用电池呢？这个问题一直困扰着数据中心的建设者。大多数数据中心的建设者所掌握的知识领域对电池的正确使用这一部分并不专业。本文即针对性的对如何正确使用电池做详解。
二、电池在UPS中的作用
1、UPS要为负载提供一定的后备时间，就必须具有电能的储存；到目前为止，还没有找到一种技术能够储存交流电能，也就是说电能的储存技术仍然只能采用直流形式。
2、电池在UPS电源中的主要作用就是储存电能，一旦市电中断，由电池放电供给逆变器，逆变器将电池释放出的直流电转变为正弦交流电，维持UPS电源的正常输出，确保计算机在一定的时间内正常用电。
3、在市电正常供电时，电池在整流－充电电路中储存电能，同时对直流电路起到平滑滤波的作用，并在逆变器发生过载或负载突变时，起到缓冲器的作用。
三、电池的工作原理
1、电池的充电
电池的充电特性——曲线具有三个阶段：
1）恒流充电阶段：恒流充电的控制方法是降压限流，随着电池容量的恢复，电池的电压不断上升，一直达到恒压充电电压为止，因此这一过程也称之为升压充电(Boost－charging)。放电越深则恒流充电阶段越长，反之则较短。
2）恒压充电阶段：这一过程电池的电压保持不变，充电电流随着电池容量的充满逐渐减小，对密封电池来说，这一阶段应维持在6～8小时，然后转入浮充状态，恒压充电过程也称之为恢复充电(Recharging)。
3）浮充电阶段：这一过程是为保持电荷的储量及防止自放电所必需的维持充电。通常认为每安培小时的充电电流降至10毫安以下时即认为电池已进入浮充电状态。浮充电流通常很微弱故有时又称为涓流充电(Trickling charging)。
2、电池的放电
电池的放电特性——曲线具有三个特征：
1）当负载(即放电电流)较小时，电池的放电曲线较平滑，放电的时间较长。
2）无论负载的轻重如何，在放电的初始阶段都有电池电压突然下降较多，然后略有回升的现象，这个过程形成电池电压有较大的低谷；
3）无论放电电流的大小，电池的端电压最终将出现急剧下降的拐点，以拐点连接得到的曲线就称为安全工作时的终止电压曲线，UPS的电池工作点都是设计在这条拐点曲线附近的。
电池最低放电电压曲线以下的部分，表示低于此电压将造成电池特性的永久损坏；在UPS中，当直流电压过低时，将引起逆变器脉宽调制波的进一步变宽，而过大的直流分量将引起逆变变压器的磁饱和现象，从而导致正弦波的失真。
四、电池的型号基本参数
1、电池的标称电压
一般有3种， 2V、6V、12V。6V电池是由3个2V单体串联后合成一体的电池，而12V电池是由6个2V单体串联后合成一体的电池。
2、电池的标称容量
单位有2种，一种是用AH（安时）表示，另一种用W（瓦）表示。
3、电池放电终止电压
由于电池的特性，电池在放电时不能让电池电压放得太低，否则会直接损坏电池，因此为了保护电池，UPS厂商在设计UPS的时候会将每单体电池的放电终止电压设定在1.6V-1.8V左右。大多数UPS厂家设定值为1.7-1.75V。
4、放电率
通常有10小时放电率和20小时放电率。
度量蓄电池放电快慢的放电参数即是放电率。放电率通常有以下两种表示方式：
（1）时率。以放电时间表示的放电速率，例如一组额定容量60Ah蓄电池以10h放电完毕，称为C10放电率。
（2）倍率。以放电电流相对额定容量大小的比率来表示，例如一组额定容量100Ah蓄电池以0.1C 放电率放电时，其放电电流为0.1×100=10A。
5、充电电压
对于额定电压12V的蓄电池，大多数电池厂商给出的充电电压在13.1—14.8之间。
6、充电电流
大多数电池厂商建议的充电电流为0.1C（电池总容量的10%），例如100AH的电池，建议的充电电流为10A。
五、电池后备时间计算
电池后备时间的计算，主要依赖于电池品牌的选择，包括电池的类型、电池的使用寿命、电池的安装方式等，可参照该品牌的电池参数，来计算电池的容量和数量。
举例：
一台200KVA UPS，要求后备时间为30分钟。UPS的电池终止电压为338V，逆变器效率为0.94，输出功率因数为0.8，试选择电池容量、串连只数、并联组数。
1.1按照UPS功率计算电池容量
上海某品牌电池的放电功率表如下：
即：200KVA 30分钟后备时间，需要12V 100AH电池 5组并联，每组34只。
依据众所周知的能量守恒定律并结合电池的放电特性（电池放电特性是非线性的曲线），正确的电池后备时间计算方法只有二个：恒功率与恒电流计算方法。
结论：同样的客户需求，配置不同品牌，型号的电池得出的数据不同而且差异化很大，其价格差异不菲。
六、UPS的选型
UPS的选型对电池的使用也有非常大的影响，因此在UPS的选择方面要注意以下因数。
1、UPS是否具备充电电流设定的功能
UPS的充电电流对电池来说是影响非常大的，充电电流过大与过小都不利于电池的正常使用。大多数国产品牌为了降低成本在中小功率段的UPS是没有充电电流可调的，一般只有一个固定值2A-6A左右，这显然是不可以适用于不同用户的需求。
2、UPS是否具有电池充放电温度补偿的功能
用户使用电池的环境温度不同，对电池寿命的影响也是非常大的。电池正常使用的适宜环境温度应该为25℃，环境温度高了，电池活性增强，增加了电池充电热失控的风险，温度低了，电池活性降低，容易导致电池充不满。所以，好的UPS应可以根据电池的环境温度差异自动调整电池的充电曲线（自动微调充电电压和充电电流）。当环境温度升高时，要自动调低电池的充电电压，避免电池热失控。反之，当环境温度降低时，要自动调高电池的充电电压，使电池能充满。
另外，环境温度升高时，由于电池的活性增强，会延长电池的放电时间，但每升高10℃，电池寿命会缩短一半。而环境温度降低时，由于电池活性降低，会影响电池的放电性能，导致后备时间不足。
3、UPS是否配备直流空开
直流开关的价格通常是交流开关的2倍以上，因此许多UPS供应商配备的电池开关都是交流开关，而交流开关的分段能力和灭弧性能都跟直流开关不同，这样会对电池的运行安全带来很严重的隐患。
七、电池安装环境
1、承重
电池的重量是比较重的，1只12V 100AH电池净重在30-35公斤，一组32只电池算下来有1.1吨，这还没算电池柜（架）、电池柜（架）底座和电池连接线的重量。普通建筑的楼板设计每平米的承重在200-400公斤左右。所以要慎重选择电池的安装场地，场地楼面承重能力不足时需要做承重加固处理。
2、通风及环境温度
电池的充放电是电能转为化学能，再由化学能转为电能的过程，主要是由铅和酸的化学反应，在这个化学反应中会产生一些腐蚀性气体，这些气体如果不释放，会导致电池外壳的膨胀而爆裂。因此每只电池都会有安全阀，当电池内部的气压达到一定的压力时，安全阀会自动打开释放出少许气体，当压力降低后安全阀会自动关闭。因此，保持电池的通风环境尤为重要。
3、绝缘
电池的外壳在搬运的过程中容易破损，酸液如果从电池的外壳渗漏会很快腐蚀电池柜（架）的层板表面油漆，从而导致电池短路的故障。因此电池的安装应该底部有绝缘材料，电池与电池之间保持一定的距离。
4、电池柜（架）接地
电池柜（架）必须按要求接地，有些品牌的UPS如果电池柜（架）不接地会影响UPS正常运行。
八、电池的维护
UPS系统目前大多采用阀控式铅酸免维护电池，这里说的“免维护”是指不需要给电池定期注入电解液，并不是代表电池真的免维护。
UPS电池的维护主要就是定期的给电池充放电。具体针对电池放电的要求如下：
1、连续3个月没有停过电的，需要人为进行一次电池的放电充电。
2、UPS的负载量达到30%以上，避免电池“涓流放电”（小电流放电）。
3、每次对电池放电不少于电池容量的20%。
每次放电只需要在特定允许的时间关断UPS的整流输入开关（只要让UPS的整流器暂停工作）即可。当电池容量还剩80%时闭合UPS的整流输入开关（让UPS整流器重新工作）。
九、结语
俗话说“好马配好鞍”，好的电池需要好的UPS来配合使用，再好的电池如果搭配缺乏电池调控功能的UPS，相信其电池寿命将大幅度缩短，从而会浪费大量的资源。只有真正认识到UPS与电池之间的紧密关联，才能正确的使用电池，才能有力的节约资源，提高供电保障，才能为负载设备保驾护航。
论文作者:刘少华
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期
论文发表时间:2017/9/5
标签：电池论文; 电压论文; 电流论文; 时间论文; 电能论文; 负载论文; 蓄电池论文; 《电力设备管理》2017年第7期论文;