根据国际标准和我国行业标准,介绍UPS铅酸蓄电池容量计算和选择方法。详细解读我国传统的安时(Ah)容量法和国际流行的恒功率法(恒电流法)计算公式。阐述主要的设计考虑,并给出设计实例。这些方法和设计考虑也适用于直流供电系统的蓄电池容量的确定。
UPS是用于数据通信系统等关键负载的不间断电源系统。正常情况下,UPS以市电为输入能源,一般经整流-逆变两次变换和调节,为关键负载提供稳定可靠高质量的交流电源;市电停时,UPS由蓄电池取得输入能源,经逆变器将直流电变换为稳定可靠高质量的交流电,不间断地供给关键负载。因此,UPS有两个重要功能:在市电正常时,UPS可以改善市电质量,滤除市电的各种*;市电停电时,UPS通过蓄电池-逆变器产生高质量的交流电,可以不间断地为关键负载供电。蓄电池是确保UPS不间断供电的关键设备。
正确计算和选择蓄电池容量是至关重要的。
如果圣阳蓄电池选择不当,蓄电池供电时间将不能满足工程要求,甚至会造成停电。必须指出,目**些UPS工程中蓄电池的选择不尽合理,往往忽略了一些重要的设计考虑。甚至有些UPS厂家配置的蓄电池的容量也不符合标准。因此,深入了解和掌握确定蓄电池容量的正确方法,确保工程质量,对于UPS工程设计和管理人员是非常必要的。
当前应用较多的UPS蓄电池是铅酸蓄电池,包括阀控铅酸(VRLA)蓄电池和排气铅酸(VLA)蓄电池。本文根据国际标准和我国通信行业标准,介绍UPS铅酸蓄电池的容量确定方法。详解我国传统的安时(Ah)容量法和国际**行的恒功率法(恒电流法)的计算公式,讨论必要的设计考虑,并给出设计实例。供正规工程中蓄电池容量确定和核对蓄电池配置容量时参考。这些方法和设计考虑也适用于直流供电系统的蓄电池容量的确定。
1 安时(Ah)容量法
蓄电池容量的传统计算方法是以负载电流和放电时间的乘积(Ah容量)为基础,并考虑安全系数(老化系数)、放电容量系数、放电温度系数,计算出需要的10h率安时(Ah)容量。据此按照10h率容量选择蓄电池。
1.1 基本计算公式
根据YD/T5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》,蓄电池组容量按下式计算
(1)
式中, Q ——蓄电池容量(Ah);
K ——安全系数;
I ——负载电流(A);
T ——放电小时数(h);
t ——蓄电池较低环境温度(℃);
η ——放电容量系数;
α ——蓄电池放电温度系数。
1.2 公式解读和设计考虑
1.2.1 安全系数(老化系数) K
当铅酸蓄电池的可用容量下降到额定容量的80%时,即为寿命终止。因此,当铅酸蓄电池的实际容量下降到其额定容量的80%时,就应更换。为保证蓄电池在整个寿命期内均能满足计算负载的要求,蓄电池的计算容量至少应增加25%的富裕量,使蓄电池在寿命终止时仍有足够的容量供给负载。蓄电池的额定容量一般应至少为寿命终止时剩余容量(亦即负载容量)的125%。安全系数 K 是考虑这种情况的系数( K 取值1.25)。
1.2.2 负载电流 I (恒定电流)
(1)将恒功率转换为恒电流
计算公式(1)中负载电流 I 规定为恒定电流。
但是,UPS的逆变器和直流通信负载均为恒功率负载。蓄电池电压在放电时是不断下降的,恒功率负载的输入电流将随着蓄电池电压的下降而增大。如果恒功率负载距蓄电池较远,由于电缆上的压降,使恒功率负载输入电压变得更低,因而输入电流更大。所以应考虑电缆压降的影响。
为了按照式(1)计算蓄电池的容量,必须将负载的恒功率转换为恒电流。一般可以先求出蓄电池放电周期的平均电压 U 平均 ,再根据负载有功功率P 求出平均电流 I 平均 。即
(2)
蓄电池放电平均电压的确定方法有以下3种:
①计算平均电压 U 平均
根据单体浮充电压和终止电压, U 平均 为
(3)
式中, U 浮充 ——单体电池浮充电压;
U 终止 ——单体电池终止电压;
n——电池只数。
(如果 U 浮充 =2.25V, U 终止 =1.67V,则 U 平均=1.96n)
②根据YD/T5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》的规定
U 平均 =1.85n (4)
(取单体电池平均电压为1.85V/只,以留有裕量)
③根据IEEE std 485-2010建议,采用保守估算方法,将终止电压视为平均电压
U 平均 = U 终止 ×n (5)
(按较低电压,计算出较大电流,留有更大裕量)
如果将终止电压视为平均电压,不但设计裕量较大,而且平均电流的计算非常简单。
例如,假设-48V直流系统(配置24只铅酸蓄电池)的恒功率负载为10kW,单体放电终止电压为1.75V/只(系统终止电压1.75×24=42V),电缆压降为2V,则平均放电电流 I 平均为
(2)蓄电池只数n和单体终止电压 U 单终 的计算
蓄电池只数n等于逆变器系统较高输入电压除以单体电池的均充电压。因为逆变器较高电压出现在蓄电池均充时,而充电末期电流和压降很小,所以可以不考虑电缆压降的影响,按下式计算蓄电池的只数
(6)
蓄电池组较低电压(放电终止电压)等于逆变器系统允许的较低输入电压加上额定条件下的电缆压降。单体电池较低电压 U 单终 (单体放电终止电压)等于蓄电池组较低电压除以蓄电池只数n,按下式计算,单体电池较低电压为
(7)
(3)蓄电池的平均放电电流 I 平均 (逆变器平均输入电流)
蓄电池带UPS逆变器时,蓄电池的平均放电电流 I 平均 等于逆变器平均输入电流
(8)
式中, I 平均 ——蓄电池的平均放电电流(A)(即UPS逆变器的平均输入电流);
P ——UPS输入有功功率(kW);
S ——UPS输出视在功率(kVA);
cosφ---UPS的负载功率因数;
μ ——逆变器效率;
U 平均 ——逆变器平均输入电压(V),即蓄电池放电期间的平均电压;
U 电缆压降 ——逆变器与蓄电池之间的电缆压降(V),逆变器距蓄电池很近时可以忽略。
1.2.3 蓄电池放电温度系数α的概念
蓄电池的额定容量是以环境温度为25℃时为基准的,当环境温度**25℃时,蓄电池的实际容量会比额定容量增大一些,故计算蓄电池容量时可以考虑适当减小一些(但如下文所述,实际计算时并不进行调整,以留有裕量),当环境温度低于25℃时,蓄电池的实际容量会比额定容量低一些,计算蓄电池容量时应考虑适当增大一些。即将所需蓄电池容量提高到25℃时的容量。如果环境温度恰好为25℃,则不进行调整。放电温度系数α是根据温度调整蓄电池计算容量的系数,实际上是每偏离基准温度(25℃)1℃的补偿值(单位:1/℃)。α的取值与放电电流有关,放电电流(放电率)越大,温度变化对蓄电池实际容量的影响越大,故α的取值越大。当放电小时≥10h,取α=0.006;当10>放电小时≥1h,取α=0.008;当放电小时<1h,取α=0.01。
1.2.4 蓄电池较低环境温度 t
式(1)中的( t -25)是蓄电池环境温度偏离基准温度(25℃)的差值,与放电温度系数α结合,调整蓄电池计算容量。需要说明的是,计算蓄电池容量时蓄电池环境温度 t 只考虑低于25℃的情况,而且是指较低温度,以便将蓄电池计算容量调高一些。一般有采暖设备时按15℃考虑,无采暖设备时按5℃考虑。环境温度**25℃时,不考虑将蓄电池计算容量调低,故按 t =25℃,即 t -25=0处理,由此产生的蓄电池容量的增大作为系统设计裕量的一部分。
1.2.5 放电容量系数 η 的概念
蓄电池在不同的放电率放电时,所能放出的容量是不同的。根据YD/T799-2010,阀控铅酸蓄电池10h率放电容量为 C 10 ,3h率放电容量 C 3 为
0.75 C 10 ,1h率放电容量 C 1 为0.55 C10 。故阀控铅酸蓄电池10h率放电时的 η 为1,3h率和1h率放电时分别为0.75和0.55。即放电率较大时(放电小时数<10),能放出的能量较小。在计算蓄电池容量时,应考虑将蓄电池容量适当取得大一些。放电率较小时(放电小时数>10),能放出的能量较大,在计算蓄电池容量时,为了留有裕量,仍按10h率考虑。铅酸蓄电池在各种放电率时的放电容量系数( η ),如表1所示。
1.2.6 蓄电池安时(Ah)容量 Q
Q 是计算得出的蓄电池安时(Ah)容量。因为经放电容量系数 η 调整,无论实际放电小时数多大,计算出的蓄电池容量均为10h率容量( C 10 )。故选择蓄电池时应按10h率容量考虑。
1.2.7 放电时间 T (h)或放电小时数 T
蓄电池放电时间 T 应以小时(h)为单位,一般根据通信局站及其市电的类别、备用发电机组配置等情况,按照设计规范确定。
1.3 安时(Ah)法计算实例
假设某UPS的输出视在功率 S 为200kVA,负载功率因数cosφ=0.8,效率 μ =0.92,逆变器工作电压范围为320～451V,蓄电池的较低工作温度为15℃。蓄电池均充电压为2.35V/只,浮充电压为2.25V/只。要求蓄电池放电20min(0.33h),不考虑蓄电池与UPS设备之间的电缆压降,计算和选择蓄电池。
1.3.1 蓄电池的安时(Ah)容量的计算
(1)单体电池只数n
按式(6)计算单体电池只数n
(2)单体电池放电终止电压 U 单终
按式(7)计算单体电池放电终止电压 U 单终 (假设忽略电缆压降):
(3)蓄电池放电平均电压 U 平均
按式(3)计算(假设浮充电压为2.25V/只)
(也可以按式(4)或式(5)计算)
(4)蓄电池平均放电电流 I 平均 (将恒功率转换为恒流)
按式(8)计算 I 平均 (假设忽略电缆压降)
(5)计算蓄电池安时容量 Q
按式(1)计算蓄电池安时容量 Q :
(式中, K =1.25, I =462.14, T =0.33, η =0.48,α =0.01, t =15)
1.3.2 蓄电池的选择
UPS蓄电池宜选择UPS**VRLA蓄电池,目前这种蓄电池容量一般在200Ah以下,此案例的安时容量较大,故需要多组并联(一般不**过4组)。以下是的两个选择实例。
①查双登集团有限公司的6-GFM-200/12V
阀控密封铅酸蓄电池数据表可知,6-GFM-150的容量为150Ah( C 10 ),根据蓄电池计算安时容量为441.28Ah,因为441.28/150=2.94,故可以取3组并联,每组32只6-GFM-150电池(共包含192只单体电池)。
因150×3=450>441.28,所以有一定裕量。
②查山东圣阳电源股份有限公司产品参数可知,SP12-200/12V阀控铅酸蓄电池10h率容量为186Ah。根据蓄电池计算安时容量为441.28Ah,因为441.28/186=2.37，故可以选这个蓄电池，3组并联，每组32只SP12-200(共包括192只单体电池)。因186×3=558(Ah)>441.28Ah，所以有较大的裕量。
2恒功率法
2.1 概述
如前所述,UPS蓄电池的负载逆变器和通信设备等都是恒功率负载,蓄电池放电时,蓄电池的输出电压逐渐下降,而蓄电池的输出电流逐渐增大。直到电压下降到终止电压时,电流达到较大值。但在整个放电过程中蓄电池的输出功率是恒定的。考虑到恒功率负载的这种情况,蓄电池厂家经过试验,提供了蓄电池恒功率放电数据表,给出每个单体电池放电到规定的终止电压,在规定的放电时间内所能放出的恒定功率。利用蓄电池恒功率放电数据表可以非常方便地选择蓄电池容量,而且比较准确。
采用恒功率放电数据表选择蓄电池容量时,首先要合理、准确地计算确定每个单体电池的负载功率、放电时间和放电终止电压等数据。
2.2 确定蓄电池容量的设计考虑
2.2.1 电压窗和单体电池只数的选择
蓄电池的电压窗是指蓄电池工作电压范围。蓄电池工作电压范围与UPS逆变器的输入电压范围和蓄电池的只数有关。UPS逆变器的较高直流输入电压是整流器给蓄电池均衡充电的较高电压。逆变器较低直流输入电压是蓄电池可以放电到的终止电压(并减去电缆压降),UPS逆变器应在此电压范围内正常工作。在UPS逆变器输入电压范围已确定的情况下,应选择适当的蓄电池只数,使每只蓄电池可以在厂家规定的较高充电电压下充电,而放电终止电压在满足逆变器允许较低输入电压要求的前提下应尽量选低,但又不低于厂家规定的较低终止电压值,以便使蓄电池能得到有效的利用。蓄电池只数等于逆变器系统较高输入电压除以单体电池的均充电压。需要说明的是,计算时可以不考虑电缆压降,因为逆变器较高电压出现在蓄电池均充时,充电末期电流和压降很小。
蓄电池内阻与容量之间的关系其中有两种含义：
电池内阻跟额定容量的关系，以及同一型号电池的内阻跟荷电态SOC的关系。十多年前人们曾经试图利用阀控密封铅酸蓄电池内阻（或电导）的变化去在线检测电池的容量和预测电池寿命，但却未能如愿；人们对动力电池的大电流放电能力提出了越来越高的要求，这就要求尽可能降低电池内阻。因而本文将进一步探索和阐明一些常用蓄电池内阻与容量之间的内在关系。
风帆蓄电池LC-P1242是较常用的型号之一，其使用范围及特点也是非常广泛的，风帆蓄电池采用特殊的设计，电池在使用过程中电液量几乎不会减少，使用寿命期间完全*加水。采用*特的耐腐蚀板栅合金、特殊的铅膏配方，电池具有**的过放电恢复能力，浮充使用寿命更长。采用气体在化合技术，电池具有较高的密封反应效率，无酸雾析出，安全环保，无污染。
风帆蓄电池SP系列电池采用较新的AGM阀控技术、高纯度原辅材料以及多项自主**技术，具有较长的浮充和循环寿命，具有高能量比、低自放电率以及良好的耐高低温性能。产品满足国内及国际标准，是无线和固定通信备用设备较理想、较可靠的选择，同时可以广泛的应用在数据、电视信号传输以及EPS/UPS等领域
产品特征 ：
1. 容量范围（C20）：3.5Ah—250Ah（25℃）
2. 电压等级：12V 3. 自放电小：≤2%/月（25℃）
4. 良好的高率放电性能
5. 设计寿命长：20Ah以下为5年、20Ah以上为10年（25℃）
6. 密封反应效率：≥98% 7. 工作温度范围宽：-15℃～45℃
主要应用领域：浮充使用 通讯及电力设备 紧急照明器材 警示系统 各种测距仪器
办公室电脑、微电脑处理机及OA设备
UPS/EPS电源变、发电站紧急电源系统
医疗器械 循环使用 便携式电源、录放机、收音机等
电动玩具、割草机、吸尘器等各种电动工具
摄像机 手提式测量器 照明器材 各类信号系统 太阳能、风能储能系统
如何判断风帆蓄电池的上品与次品
风帆蓄电池好坏判断有**的蓄电池测量仪,但是一般的用户很少有这种仪器,都只有一只万用表.下面几点维修中判断蓄电池好坏的几点总结,以供参考.
1、从外 观判断：观察外观有无变形、凸出、漏液、破裂炸开、烧焦、螺丝连接处有无氧化物渗出等。 2、 带载测量：若外观无异常，UPS工作于电池模式下，带一定量的负载，若放电时间明显短于正常放电时间，充电8小时以后，乃不能恢复正常的备用时间，判定电 池老化。
3、 用万用表测量：
A 、电池放电模式下测量：测量电池组中各个电池端电压，若其中一个或多个电池端电压显明**或低于标称电压（标称电压12V/节），判断电池老化。
B 、 市电模式下测量：电池组中各个电池端的充电电压，若其中一个或多个电池的充电电压显明**或低于其他电压，判定电池老化。
C、 测风帆蓄电池组的总电压：电池组总电压明显低于标称值（以C1K电池组标称值是36V为例），充电8小时后乃不能恢复到正常值，即使恢复到正常值，放电时间达不 到正常放电时间，判定电池老化。
D、电池开机测量：UPS不开机，也不要接市电，先用万用表测量电池组总电压，以MT500为例，此时电压可能在24V- 26V之间，属于正常值，表笔不要离开，一直盯住万用表的指示，然后接开机键，若此时电池总电压马上降至30V以下乃至十几伏，UPS马上自动关机，关机 后电压立即恢复到原有值。判定电池老化。
1、可对12V及16V蓄电池进行放电容量测试。
2、放电的下限电压可设定，便于对电池进行过放修复,较低可放至0.5V。
3、采用非电热丝放电负载，并且12V及16V为双放电回路，使用更安全，容量更精准。
4、放电电流及过放下限电压设定值启动工作后自动记忆。
5、内置温度控制系统，可延长整机的使用寿命。
6、当鳄鱼夹断开机器暂停工作，重新接上自动恢复工作。
7、工作时的电压、电流、时间、容量可查询。
8、上一次放电的时间及容量可查询。
9、具有极性防反功能。
10、可同时处理4/5/6只12V或16V电池。
智能放电监测仪功耗部分采用新型PTC陶瓷电阻作为放电负载。
智能放电监测仪系列便携、智能化的专业设计使放电测试工作变得简捷、轻松。
功能特点
l 采用PTC陶瓷电阻，避免了红热现象，使整个放电过程更安全。
l 具有无线通讯功能，无线采集盒与放电主机及上位机监控PC机三者之间通过无线方式进行通讯。简化接线，灵活方便。
l 无线采集盒可对每节电池进行监测，实现对电池组放电过程的完整监控。
l 设备安装、调试、维护简便，各采集模块前后采用隔离技术，安全性、可靠性程度高
l 配备的PC机监测系统，可实时监测整个放电过程，并把监测到的总电压、放电电流和各单体电池电压等数据进行分析、并可生成相应的数据报表。直观反应蓄电池组性能的曲线，图形、报表等，并可打印、查询。
l 有USB接口，可将放电过程的数据存入U盘，并导入PC机。PC数据管理软件可对电池放电的过程进行分析、并可生成相应的数据报表。使数据的转存更加方便。
l 采用智能单片机ARM控制、液晶中英文显示。菜单操作简单明了。
l 自动保护功能，设定放电时长到、放电容量到；蓄电池组电压低于设定的较低保护电压；负载连线出现异常等，自动停止放电并报警，同时自动记录停机方式。
化学能转换成电能的装置叫化学电池，一般简称为电池。放电后，能够用充电的方式使内部活性物质再生——把电能储存为化学能；需要放电时再次把化学能转换为电能。将这类电池称为蓄电池(Storage Battery)，也称二次电池。
它用填满海绵状铅的铅基板栅（又称格子体）作负极，填满二氧化铅的铅基板栅作正极，并用密度1.26--1.33g/mlg/ml的稀硫酸作电解质。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，生成硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，生成硫酸铅。电池在用直流电充电时，两较分别生成单质铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池能反复充电、放电，它的单体电压是2V，电池是由一个或多个单体构成的电池组，简称蓄电池，较常见的是6V，其它还有2V、4V、8V、24V蓄电池。如汽车上用的蓄电池（俗称电瓶）是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。
由于蓄电池正负极板材料不同，除了活性物质外，负极板还添加了硫酸钡、腐殖酸、炭黑和松香等材料，用来防止负极板收缩和氧化。另外，每个单格蓄电池的负极板数又总是比正极板数多一片，而且负极板比正极板略薄。当进行蓄电池的初充电或补充充电时，若不注意极性，会使蓄电池充反，使正、负极几乎都变成粗晶粒的PbSO4，造成蓄电池电荷容量不足，不能正常工作，甚至导致蓄电池报废。因此，充电时一定要注意极性，切不可极性充反
蓄电池经常过量充电，即使充电电流不大，但电解液长时间“沸腾”，除了活性物质表面的细小颗粒易于脱落外，还会使栅架过分氧化，造成活性物质与栅架松散剥离。
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