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摘要：阀控式铅酸蓄电池在数据中心项目中运用广泛。本文从蓄电池的特点、工况及计算选择等方面对蓄电池组进行介绍。
关键词：阀控式铅酸蓄电池；均衡充电；浮充电；终止电压；恒功率
概述
数据中心项目，由于其对供电可靠性有较高的要求，通常会采用蓄电池组配合UPS为重要负荷供电。诸如IT负荷、末端精密空调、空调冷冻水二次泵等。在设计工作开展中，很多电气设计师默认此部分由厂家深化设计实施，对其关注不够，缺少对此部分的管控，为工程的运行安全埋下隐患。
本文将针对UPS对应的蓄电池选择、包括电缆、电池开关选型进行分析，与业内年轻设计师分享。
1.蓄电池介绍
蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电。铅酸蓄电池因技术成熟、价格低廉等诸多优点广泛运用于数据中心、通信、电力等领域。它的单体标称电压是2V，电池是由一个或多个单体构成的电池组，简称蓄电池。在数据中心项目最常见的就是12V的蓄电池作为UPS后备电源。
铅酸蓄电池又分为阀控铅酸蓄电池和排气铅酸蓄电池。固定型排气式使用历史长，技术成熟，运行中可以加液且便于监视，使用寿命长，价格低，但体积大，运行中产生氢气及酸雾，维护复杂。阀控式铅酸蓄电池克服了排气式的缺点，技术指标较排气式先进，且做到少维护、免维护。
阀控式铅酸蓄电池包含AGM和GEL两类。AGM玻璃纤维吸附式蓄电池因其大电流、高倍率放电特性良好，更适用于放电时间较短（1~2小时以内）的场合。
通常，蓄电池厂家会在产品样册上提供如下参数：电压、15min恒功率、10倍放电率C10、外形尺寸、重量等，供设计和使用者查询参考。
2.蓄电池运行的不同工况
蓄电池在运行过程中存在均衡充电、浮充电、放电三种状态。基础电压范围内的工作电压有浮充电压，均衡电压和终止电压三种。
均衡充电：通常采用恒压限流充电方式。为保证蓄电池组中各单只电池荷电状态相同而延续的充电，即为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均衡现象，使其恢复到规定的范围内，以及大容量放电后用的补充充电。
充电前期，电池充电电流恒定不变，直流电源系统的保持电池限制在一定数值，通常为0.1C10A，电池电压不断上升。随着充电的进行，蓄电池容量逐渐增加，为保持充电电流维持0.1C10A，充电电压逐步提高，直到蓄电池电压达到最大设定值即均衡电压(通常取值为2.3-2.4V，以2.35V居多)，充电电流限流工作方式转到充电电压恒压的工作方式。
充电中期，蓄电池端电压达到稳定值后，充电电流按指数规律衰减。
充电至后期，蓄电池容量充满，此时充电电流很小。一般认为在恒压充电情况下，充电后期充电电流连续3小时不变或者小于某个值，可以认为电池已完全充足，均衡充电过程结束。
浮充电：在正常运行时，充电装置承担经常负荷，同时向蓄电池组补充充电，以补充蓄电池的自放电损失，使蓄电池以满容量的状态处于备用。
浮充电压电压选择很重要，若过低，则蓄电池无法完全充满，若过高，则充电电流几乎都在电解水，使得正极板析出氧气，负极板析出氢气。如果生成气体的速率超过氢氧的复合速率，那么蓄电池电解液量减少或枯竭，最终影响电池寿命。另外，若蓄电池在封闭的环境中使用，溢出的氧气和氢气存在触发爆炸的危险。通常浮充电压取2.25-2.35V，以2.25V居多。
放电阶段：在放电初期，由于电解液密度骤减，在较短的时间内电池的端电压快速下降，在放电中期，电池内部化学反应达到动态平衡，蓄电池的端电压降落速度变缓，在放电后期，蓄电池的电压优惠快速降落，达到终止电压，放电终止，此时放电电流为最大值。
3.蓄电池组选择
国内蓄电池选择的主流算法包括安时法和恒功率法（恒电流法）。从理念上讲，两种方法是完全一致的，都是考虑包括老化系数、温度系数和放电容量系数等，确定蓄电池容量。
1）恒功率法
K：安全系数，取1.25。
I：负荷电流。
T：放电小时数（h）。
α：电池温度系数（1/°C），当放电小时率10时，取α=0.006；当10>放电小时率l时，取α=0.008；当放电小时率<1时，α=0.01。
t：实际电池所在地最低环境温度数值。所在地有采暖设备时，按15°C考虑，无采暖设备时，按5°C考虑;
η：放电容量系数。参见下表（摘自GB 51194-2016 表5.2.4）。
S：UPS设备额定输出容量（kVA）.
cosØ：UPS设备输出功率因数。
µ：UPS逆变器效率。
U：蓄电池放电时，逆变器的输入电压，单体电池电压取1.85V，电池节数n可由式求得。
4.电缆和电池开关选择
蓄电池组的输出开关与蓄电池到UPS处的电缆选择均需建立在电流计算的基础上。通过对蓄电池工况的分析，此段电缆流过的最大工作电流在均衡充电初期的恒流充电阶段和蓄电池处于终止放电电压的放电电流取大值。根据此电流值选择蓄电池组直流开关。根据JGJ16-2008 7.4.2条之规定选择电缆截面。
5.两点注意
1）UPS逆变器的工作电压范围，并非固定值。对于大功率UPS，其电压值会更大，这样可以使得每个蓄电池组串联更多的电池数，从而增大单组蓄电池提供的功率，减少蓄电池组并联组数，所以无论是在校核厂家深化图纸还是设计师自己做设计时，都需要对多个UPS厂家的技术参数进行了解。
2）目前，UPS厂家或蓄电池厂家通常会向业主或设计师提供相应UPS容量的电池选择和布置，但是很多情况下其均小于通过上文计算出电池数。究其原因，厂家采用的恒功率计算中，通常忽略了老化系数和温度系数。设计师需引起注意，根据项目实际情况进行优化。
参考文献：
[1]GB51194-2016 通信电源设备安装工程设计规范。
[2]IEEE Std 485-2010 IEEE recommended practice for sizing of lead-acid batteries forStationary Applications.
[3]蓄电池，均衡充电，浮充电，360百科。
[4]刘希禹，UPS铅酸蓄电池容量的确定，邮电设计技术，2015.12。
[5]张翼飞，田石钟，铅酸蓄电池的选用，技术与应用。
[6]刘永清，通信机房不间断电源蓄电池的应用与维护 技术与实践 2014.8。
论文作者:石咸胜
论文发表刊物:《河南电力》2018年3期
论文发表时间:2018/6/27
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