銳牌MCA蓄電池(中商國通)銷售有限公司
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鉛酸蓄電池的優缺點
從150年前只鉛酸蓄電池問世至今,它依然是三首眩的備用能源存儲解決方案,能夠有效地滿足數據中心獨特的供電需求,其經濟特性還沒有其他主流技術可以匹敵,鉛酸蓄電池在數據中心的使用情況不像****車、電動車等,能獲得正常穩定的使用,而是大部分時間處于閑置狀態,鉛酸蓄電池先用直流電源對其充電,將電能轉化為化學能儲存起來,當市電中短時,UPS依靠儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作,在此期間,鉛酸蓄電池可以提供充足的備份時間,當市電恢復后,蓄電池又進行充電,然后進入等后期,另外,鉛酸蓄電池價格相對較低,是目前成本效益的電能儲存解決方案。
2、鉛酸蓄電池也有一些較為突出的缺點:
(1)高昂的維修費用
目前的UPS產品所使用的蓄電池通常叫做“免維護鉛酸蓄電池”,事實上,它們面年至少需要兩次檢查,以確保它們無腐蝕、工作狀態良好以及單只蓄電池之間連接緊密。
(2)可靠性的不可預見隱患
為了保障蓄電池的可靠性,的途徑是對蓄電池進行監測。然而每次測試蓄電池都會減少其容量并縮短其使用壽命。雖然現代的UPS內置電池測試方案可以減少這種磨損,但是并沒有消除。
(3)更換成本高
密封鉛酸蓄電池的使用壽命一般為4到5年,而UPS的壽命一般是它們的2到3倍,所以在UPS的一個完整生命周期里,數據中心需要把更換電池組的費用也做在初期的預算里。
(4)能量密度低
鉛酸蓄電池質量比較重,體積較大,一臺典型的中型UPS的電池組大約為5到8噸,需要考慮放置位置及承重問題。
(5)電池監測系統
蓄電池容量檢測時,無論是離線方式還是在線方式,都必須設置備用電源作為防范措施,以保證安全,但是,檢測時因為電池組數量多,放電時間長,放電后又要及時進行充電,所需的人力和電能消耗很大,對蓄電池本身也有一定的損耗。在操作過程中,在脫開和鏈接蓄電池及假負載時,由于電位差的村財似的操作帶有危險性。并且檢測過程相當復雜,費用昂貴。
UPS供電系統在各行業數據中心中起到重要的電源保障作用,要為負載提供不間斷的供電,就必須具有電能儲存的功能。因此,蓄電池成為UPS供電系統的重要組成部分。而由于蓄電池本身或者管理上的原因,目前有許多UPS故障是由蓄電池引起。因此有必要加強對蓄電池特性的了解,正確選配和使用蓄電池,盡可能地延長蓄電池的使用壽命。同時,如何管理蓄電池成為各個UPS廠家及行業用戶重點研究的問題。
以下對目前大型UPS系統廣泛采用的閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池在UPS供電系統中的作用、工作原理、配置、選用、安裝、維護等方面進行探討。
2.蓄電池在UPS供電系統中的作用和意義
在UPS供電系統中,蓄電池大多采用免維護蓄電池。蓄電池在UPS供電系統中的主要作用就是儲存電能,一旦市電中斷,由電池放電供給逆變器,由逆變器將電池釋放出的直流電轉變為正弦交流電,維持UPS的電源輸出,確保負載在一定的時間內正常用電。
在市電正常供電時,電池在整流-充電電路中儲存電能,同時對直流電路起到平滑濾波的作用,并在逆變器發生過載時,起到緩沖器的作用。
而在日常工作中,人們往往片面地認為蓄電池是免維護的而不加重視。然而由于對蓄電池的不合理使用,產生了蓄電池的電解液干涸、熱失控、早期容量損失、內部短路等問題,進而嚴重影響到供電系統的可靠性。有資料表明,蓄電池故障而引起UPS主機故障或工作不正常的比例大約為60%。由此可見,加強對UPS電池的正確使用與維護,對延長蓄電池的使用壽命,降低UPS供電系統故障率,有著越來越重要的意義。
3.蓄電池的種類
蓄電池在UPS中已得到廣泛的應用,其品種繁多,型號齊全,規格各異,但按其基本性質可以分為酸性電池和堿性電池兩大類:
酸性電池:酸性電池的電解液一般是由稀(H2SO4)或者膠體構成,極板由鉛Pb和過氧化鋁PbO2構成,通過化學反應貯存電荷,起到電池儲能的作用。
堿性電池:堿性電池的電解液一般是由氫氧化鉀KOH或者氫氧化鈉NaOH(燒堿)組成。極板由于電池的結構不同而各異。如鎘鎳電池正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3,負極板是鎘Cd;鐵鎳電池的正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3,負極板是鐵Fe;銀鋅電池的正極板是過氧化銀Ag2O3,負極板是鋅Zn。
4.鉛酸蓄電池的工作原理
UPS、直流電源設備常用的蓄電池是鉛酸蓄電池。傳統的鉛酸蓄電池是開口式結構,電池在使用過程中,有氫氣和氧氣以及酸霧逸出,不僅污染環境還具有危險性,維護時需要加水、加酸,已逐漸被市場淘汰?,F在UPS供電系統中蓄電池大多采用閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池的主要優點是在充電時正極板上產生的氧氣,通過再化合反應在負極板上還原成水,使用時在規定浮充壽命期內不必加水維護,所以又稱為免維護鉛酸蓄電池。可見,免維護只是與普通蓄電池相比,運行中免去了添加純水或蒸餾水,調整電解液液面的項目,并非免去一切維護工作。
閥控式密封鉛酸蓄電池的工作原理,基本上沿襲于傳統的鉛酸蓄電池,其正極活性物質是二氧化鉛(PbO2),負極活性物質是海綿狀鉛(Pb),電解液是稀(H2SO4),其電極反應方程式如下:
PbO22H2SO4Pb≒2PbSO42H2O
5.兩種閥控式密封鉛酸蓄電池比
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目前閥控密封鉛酸蓄電池主要有兩類,即玻璃纖維隔板陰極吸收式密封鉛蓄電池(如GNB、霍克電池)和硅凝膠密封鉛蓄電池(如德國的陽光電池)。
兩種電池極板相同:正極板柵采用鉛鈣錫鋁四元合金或低銻多元合金,負極板柵采用鉛鈣錫鋁四元合金。并使用緊裝配和貧液設計,在電池的上蓋中設置了一個單向的安全閥。由于采用無銻的鉛鈣錫鋁四元合金,提高了負極析氫過電位,從而抑制氫氣的析出,同時,采用特制安全閥使電池保持一定的內壓。
兩種電池隔板不同:即分別采用超細玻璃纖維棉(AGM)隔板和硅凝膠二種不同方式來“固定”電解液。它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的,但給正極析出的氧氣到達負極提供的通道是不同的。對AGM密封鉛酸蓄電池而言,AGM隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液,但必須使10%的隔膜孔隙中不進入電解液。正極生成的氧氣就是通過這部分孔隙到達負極而被負極吸收的。對膠體密封鉛酸蓄電池而言,電池內的硅凝膠是以SiO2質點作為骨架構成的三維多孔網狀結構,它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后,骨架要進一步收縮,使凝膠出現裂縫貫穿于正負極板之間,給正極析出的氧氣提供了到達負極的通道。
由此看出,兩種電池的區別就在于電解液的“固定”方式和提供氧氣到達負極通道的方式有所不同,因而兩種電池的性能也各有千秋。
6.UPS供電系統中蓄電池的配置和選擇
在UPS供電系統中,可以說蓄電池是這個系統的支柱。沒有蓄電池的UPS只能稱做穩壓穩頻電源。UPS之所以能實現不間斷供電,就是因為有了蓄電池。在設計UPS時,首先應考慮選擇什么型號的蓄電池,即蓄電池的額定電壓、額定容量及應由多少節蓄電池組合等。
(1)蓄電池的額定容量選擇
由于蓄電池的實際可使用容量與放電電流大小、系統電壓、放電時間、蓄電池工作環境溫度、蓄電池儲存時間的長短、負載種類和特性等因素密切相關。蓄電池的容量一般是指在20°C,以20h放電率放電到1.75V/單體時,蓄電池輸出的功率數(W)。
(2)蓄電池的指標選擇
內阻:應選擇內阻小的蓄電池,這樣才能持續大電流放電。如果內阻較大,在充放電過程耗加大,使蓄電池發燙。
浮充電壓:在相同溫度下,浮充電壓值高意味著儲能量大,質量差的蓄電池浮充電壓值一般較小。蓄電池浮充電壓值在不同的溫度時應進行修正。
在大中型(幾kVA-幾千kVA)UPS中采用2V單體系列蓄電池,避免采用小容量組合蓄電池進行混聯。
7.蓄電池的使用和維護
7.1VRLA蓄電池的運行環境與安裝
作為備用蓄電池,蓄電池平時都處于浮充狀態,此時蓄電池內部仍進行著復雜的能量轉換。浮充過程中所用的電能基本上轉換為熱能。因此要求蓄電池所處的環境應有良好的通風散熱能力或有空調設備。
電池盡可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的地方,并要避免受到陽光、加熱或輻射熱源的影響,讓電池有一個良好的工作、儲存環境。
蓄電池一般應在5℃~35℃范圍內進行充電,低于5℃或高于35℃都會降低壽命,充電的設定電壓應在指定范圍內,如超出指定范圍將造成蓄電池損壞、容量降低、壽命縮短。
(1)初充電:蓄電池在安裝或大修后的次充電,稱為初充電。初充電是否良好,將嚴重影響蓄電池的壽命。
(2)浮充充電:為了確保直流電源不間斷,延長蓄電池的使用壽命,通常都采用充電電源與蓄電池組并聯的浮充供電方式。
(3)均衡充電:在正常運行狀態下的電池組,通常不需要均衡充電。但如果發現電池組中單體電池之間電壓不均衡時,則應對電池組進行均衡充電。
(4)補充充電:電池在存放、運輸、安裝過程中,會因自放電而失去部分容量。因此,在安裝后投入使用前,應根據電池的開路電壓判斷電池的剩余容量,然后采用不同的方法對蓄電池進行補充充電。對備用擱置的蓄電池,每3個月應進行補充充電。
7.2VRLA蓄電池的使用與維護
隨著科技的不斷發展,UPS的性能越來越好,平均無故障時間越來越長,整機的可靠性越來越高。做好UPS中蓄電池的使用與維護變得尤為重要。
(1)新電池的充電
新的蓄電池在安裝完畢后,一般要進行較長時間的充電,充電要按說明書中的規定進行,待電池組充電完畢后,進行放電,放電后再次充電,目的是延長電池的使用壽命,提高電池的活性和充放電特性
(2)定期充放電
UPS蓄電池長期閑置不用或使蓄電池長期處于浮充狀態而不放電,會導致電池中大量的鉛吸附到電池的陰極表面,導致內阻增大、活性下降,使蓄電池的使用壽命大大縮短。對于市電供電良好的單位,需要每隔三個月進行“治療性”充、放電過程,即電池帶載放電、再充電操作,并記錄相關數據,與以前放電記錄進行比較分析電池性能狀況,對電池組整體進行維護檢查,真正遇到市電停電時,才能有效保護負載安全。
(3)嚴禁深度放電
蓄電池的使用壽命與蓄電池的放電深度密切相關。深度放電會造成蓄電池內部極板表面鹽化,導致蓄電池內阻增大,嚴重時會使個別電池出現“反極化”現象和電池的性損壞。電池的放電深度嚴重影響電池的使用壽命,非迫不得已,不要讓電池處于深度放電狀態。
(4)定期測量電池浮充電壓、內阻
隨著UPS使用時間的延長,總有部分電池的充放電特性會逐漸變壞,內阻增大、端電壓明顯下降,需要及時發現、及時更換,否則會影響整組電池的使用。這種電池的性能不可能在依靠UPS內部的充電電路來解決,繼續使用會存在隱患,需要維護人員定期進行測量檢查每個單體電池的電壓、內阻,發現超出范圍的電池進行確認、及時更換。
(5)其他注意事項
①每次蓄電池組放電后應及時充電;
②不要使蓄電池組被過電流或過電壓充電;
③蓄電池應避免長期擱置不用,也不能長期浮充而不放電。
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