山特UPS电池配置的计算方法及其使用和维护.docx

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山特UPS电池配置的计算方法及其使用和维护

山特UPS电池配置的计算方法及其使用和维护

（《网络与信息》1998年第11期）

长延时UPS电源电池配置的计算方法

对于使用者来说，怎样去配置长延时UPS电池容量是一个必须了解的问题，

放电电流的大小与电池的实际容量关系颇大，蓄电池的放电时间定义为：

当蓄

电池以规定的放电电流进行恒流放电时，蓄电池的端电压下降到所允许的临界

电压（终了电压）时所经过的时间。

比如12V24AH/20RPanasonic电池以0.4C放

电时，可提供使用的效率（容量）为73.3％，可放电2小时，而以7C放电时，可

提供使用的效率（容量）为4％，放电时间50秒。

因此，要计算UPS电源的时间必

须先计算出放电电流，再通过查验厂家提供的放电时间表计算出准确时间。

计算放电电流的公式是：

放电电流=UPS容量（VA）负载功率因素/（逆变器效率*UPS终止电压）

以山特10KVA为例：

?

UPS容量：

10KVA

?

UPS输出功率因素：

0.8

?

UPS终止电压：

单只电池终了电压×UPS电池组电池个数=10.5V×16只=168VDC

?

逆变器效率：

0.85

注意：

电池的能量并非都能直接提供给负载，它还包含了把电池能量转换

为负载可使用的能量的转换效率，即逆变器效率。

?

放电电流=10000VA*0.8/（0.85*168）V=56A

?

查表

可查询不同AH的电池在同样放电电流下的使用时间，以求得自己所要求合

适容量的电池，在这里提出一点，以上我们的计算都是认为UPS为满负载，对

用户而言，重要的是了解在实际负载下UPS电源提供的实际使用时间，从经济

和实用的角度而言，了解自己的负载数量，计算一个实际放电电流再查表方是

正确做法。

蓄电池使用及维护

免维护电池所指的是电池的内环境无需维护，而不是说可以任意使用，因

此，在以下几个方面应加以注意：

?

为了保证电池良好的工作状态，对于长期搁置不用的蓄电池必须每隔一定

时间充电一次，以达到激活电池的目的，恢复电池原有的容量数。

另外，特别

应注意的是，对于运行于供电质量高、很少发生停电的UPS电源来说，也应每

隔一定的周期（3个月）人为地中断交流电的输入，使电池放电至少在UPS电池组

可提供时间的一半，再重新充电，这样会延长电池的使用寿命。

?

对于不同容量的电池，绝对不可以在同一组中串联混合使用，应特别注意

的是，对于不同容量的电池，并联使用也是很不好的，这样会大大降低电池的

使用寿命，很简单地说，不同容量的电池组并联使用时，由于放电电流的不同

分配，放电速率则对于它们来说一定是不同的，但由于并联关系又会产生相互

补充的关系，在充电时亦会是同样情况，因此，并联使用的方法是不科学的。

?

以上我们说过，大电流放电对电池的影响是很不好的，那么是否越小的电

流放电就越好呢?

答案是否定的。

我们知道，放电电流小，电池可以放电的深

度就深，当放电深度大于某一程度时，电池则很容易死掉，失去回复能力。

这

再次说明用户在使用长延时UPS时，对于电池容量的计算应是以实际负载为准，

而非是以满负载计算来量度，也就是说并非UPS容量和电池容量越大越好。

?

对UPS电池来说，温度亦是一个非常主要的因素，当环境温度每升高8摄氏

度时，电池的寿命会降低一半，而在使用时，当环境温度下降时，电池所提供

利用的容量，即安时数也会明显的下降。

因此，在低温下使用UPS电源时，备

用时间的考虚应有温度因素，所以对UPS电池使用时保持室温（指25摄氏度）也

是十分必要的。

UPS蓄电池的测试、使用和维护

UPS蓄电池在UPS电源设备中占有十分重要的地位.目前，中小型UPS电源中广泛使用的免维护密封式铅酸蓄电池，占据UPS电源总成本的1/4～1/2之多。

不仅如此，实际维修也表明，约有50%以上的UPS电源故障与UPS蓄电池有关。

无论作为UPS故障的起因还是结果，UPS蓄电池的失效都会直接表现为内阻增大、端电压不够、容量不足或瞬间放电电流不满足带载启动要求等。

因此，在使用和维修UPS电源时，正确认识UPS蓄电池、科学使用UPS蓄电池、掌握测试和挑选UPS蓄电池的方法就显得尤其重要（为说明问题方便，UPS蓄电池简称为电池。

）　　

  一、UPS蓄电池的主要技术指标　　

  在衡量UPS电池的指标中，电池的额定电压和额定容量是两个最常用的技术指标。

例如，日本汤浅NP6—12型蓄电池的额定电压为12V，额定容量是6Ah/20h；德国阳光A406/165型蓄电池的额定电压为6V，额定容量是165Ah/20h。

  电池的容量是指充足电的电池放电到终止电压时输出的电量。

在恒流放电的情况下，容量Q=It式中Q——电池放出的电量，Ah；

  I——放电电流，A；

  t——放电时间，h。

  所谓终止电压指电池低于这一规定的电压时，电池就无法正常工作的电压。

换言之，电池在低于终止电压的情况下继续放电使用，可能会造成电池永久性损坏。

电池的额定容量或标称容量用字母C表示。

例如，额定容量为6Ah的电池，C=6Ah；额定容量为24Ah的电池，C=24Ah。

  容量的概念实质是电池能量转化的表示方式。

例如，考虑到电池的端电压E=12V在实际使用时保持近乎不变的事实及输出能量表达式W（t）=IVt=IEt，因此，6Ah从能量效果的角度，可理解为NP6—12型蓄电池在保持端电压不变的情况下释放能量，若以6A电流放电可释放1h或以1A的电流放电6h。

  二、放电制与放电速率　　

  在研究电池时，常常规定统一的放电时间，称为放电制。

利用给出的放电制就能通过额定的容量求出放电电流。

放电电流（A）=电池的额定容量（Ah）/放电制时间（h） ，为了对容量不同的电池进行比较，放电电流不用绝对值（安培）表示，而用额定容量C与放电制时间的比来表示，称作放电速率或放电倍率。

20h制的放电速率就是C/20=0.05C，单位为A。

　　因此，上述NP6—12型电池的容量指标6Ah是在20h制的放电速率，即0.05C放电速率下测定的。

对于NP6—12型电池，0.05C等于0.3A的电流。

  三、测试UPS蓄电池　　

  测试UPS电池的目的是确定该电池是否满足UPS电源的使用要求。

这在更换UPS电池和判定原有UPS电池是否失效时是必须的。

  在实际维修UPS时，一般的UPS电源对电池的要求：

满足原来使用电池的端电压；电池应具有在启动放电瞬间就能输出大电流的特性；满足一定容量和内阻，以保证逆变供电的时间。

  从以上UPS电源对电池的要求可见，单凭测量UPS电池的端电压是不能确定电池好坏的。

  1．测量UPS电池的端电压　　

（1）离线测量电池的端电压　　

  离线测量电池的端电压是指电池在脱离原连接线路的情况下，使用万用表的DC电压档或电压表直接测量电池两端的电压。

被测电池端电压为12V左右，最低不能低于10.5V。

不足10.5V的电池即为欠压或可能已失效的电池。

若这种电池在经过充电或激活充电后端电压仍达不到12V，即为失效电池。

（2）在线测量电池的端电压　　

  在线测量电池的端电压是指在UPS电源工作的情况下，使用万用表的DC电压档或电压表测量电池两端的电压。

市电供电状态的UPS，由于电池处于充电状态，端电压大于12V。

当电池的端电压下降到10.5V时，正常的UPS电源会启动机内的电池欠压自动保护电路，使UPS进入既无市电供电又无逆变供电的保护状态。

  2．测试UPS电池是否具有启动瞬间输出大电流的特性　　

  后备式UPS电源由市电供电向逆变供电的切换时间要求小于7ms，一般设计为4～5ms左右。

这就是说，一旦市电供电中断，UPS电池必须在小于4～5ms时间内输出负载所需的电流。

有些失效的电池能够满足端电压和容量的要求，但不能在少于4～5ms内放电电流达到大电流的要求。

由这种电池造成的UPS故障表现为：

UPS在空载或轻载时能逆变切换成功，增大到正常负载时逆变失败。

  3．判别UPS电池的内阻和容量　　

  质量良好的UPS电池内阻在20～30mΩ左右，当内阻超过80mΩ时，需要对电池做均衡充电处理或活化处理。

电池内阻的增大，必然伴随实际输出能量的降低，从而表现为电池的容量减小。

此外，还有造成电池的容量减小其他因素，如电解液损失等。

  测试电池内阻是否增大，决不可用万用表的电阻档直接测量，应采用间接测量计算的方法，实际维修时可用如下简单方法判别电池的内阻是否增大：

  用一节好的电池和一节怀疑内阻增大的电池做串联充电实验（如在500VA的UPS中两节12V电池串联使用）。

在充电过程中同时测量对比两节电池的端电压，内阻增大的电池获得的充电电压比好电池高，充电电压差别大小反映出内阻差别的程度。

  若电池仅仅是容量不足，则主要表现为UPS可逆变供电的时间缩短，而UPS的带载能力、市电供电与逆变供电之间的切换等都不受影响。

  四、科学使用UPS蓄电池　　

  科学使用UPS电池就是要明确电池的正确使用方法，延长电池的寿命，使之发挥最大的作用。

  1．控制好充电电压，防止过压充电　　

  对于端电压为12V的电池，正常的浮充电压在13.5～13.8V之间。

浮充电压过低，电池充不满，浮充电压过高，会造成过压充电。

当浮充电压超过14V时，即认为是过压充电。

过压充电会导致电解液中的水被分离成氢和氧气而溢出，使电池的寿命缩短。

  2．控制好充电电流，防止过流充电

　　理想的充电电流应采用分阶段定流充电的方式，即在充电初期采用较大的电流，充电一定时间后，改为较小的电流，至充电末期改用更小的电流。

充电电流的设计一般为0.1C，当充电电流超过0.3C时可认为是过流充电。

过流充电会导致电池极板弯曲，活性物质脱落，使电池损坏。

  3．防止UPS电池过流放电　　

  电池实际放出的容量与放电电流有关。

放电电流越大，电池的效率越低。

例如，12V/24Ah的电池当放电电流为0.4C时，放电至终止电压的时间是1小时50分，实际输出容量17.6Ah，效率为73.3%。

当放电电流为7C时，放电至终止电压的时间仅为20s，实际输出容量0.93Ah，效率为3.9%。

所以应避免大电流放电，提高电池的效率。

一般电路设计和用户选择负载，都要保护UPS电池逆变放电电流不超过2C。

  4．防止UPS电池深度放电　　尽管小电流放电，能提高电池的效率，但是当用极小电流（小于0.05C）长时间放电时，将导致电池实际放出容量超过其额定容量，从而造成电池严重的深度放电。

按厂家的数据，当电池放电深度为100%时，电池实际使用寿命约为200～250次充放电循环；放电深度为50%时，约为500～600次充放电循环。

因此，在使用UPS时，既要避免重载过流放电，又要避免长时间轻载逆变造成电池深度放电。

  5．定期操作UPS　　

  市电长期不停的地区，用户要每隔一定时间，例如3个月，人为关断UPS交流输入，使用UPS电池逆变供电。

这种定期的实验操作，有助于延长电池寿命。

一般正常使用的UPS，其电池寿命不超过5年。

  五、维护UPS电池的技巧与方法　　

  UPS电池一般为免维护蓄电池，但在有些情况下维护UPS电池是十分必要的，且有实际意义。

  1．欠压电池的充电技巧　　

  有些UPS电池欠压是由于UPS逆变器末级驱动电路损坏，造成电池放电所致。

若在修好电路故障后，及时将电池接入原电路充电，仍然会使电池复好如初。

问题在于，欠压的电池无法使UPS启动成功，即切换到市电（充电）状态。

此时，可用如下办法解决：

（1）先用好的电池将UPS启动到市电状态后，再撤掉好电池换上待充电的欠压电池。

注意：

调换电池时，要求UPS空载运行。

一般UPS进入市电状态后，只要保持输入市电正常，撤掉电池不会影响市电供电状态。

（2）将欠压的电池先充电到10.5V以上，再接入原UPS电路，便可使UPS成功启动。

给欠压的电池充电，可利用微机电源中的+12V电源给电池直接充电。

充电中注意观察充电电流，根据测出的实际充电电流，以确定是否加限流电阻。

  2．电池的活化处理　　

  活化处理是指对电池的均衡充电。

下列几种情况都会导致电池的内阻增大、端电压太低或容量减小，这些电池需要通过均衡充电来恢复其原有的性能指标。

（1）长时间放置不用，超过静态存储时间的电池。

常温环境，一般UPS电池的静态存储时间为9个月。

当温度为31～40℃时，静态存储时间为5个月。

（2）放电后未能及时充电的电池。

  （3）长期工作于浮充状态（即UPS长期工作于市电状态）并超过静态存储时间。

  （4）不慎放电，将电池端电压放至低于终止电压。

均衡充电电流一般选0.3C或略小于0.3C。

额定电压为12V的电池，均衡充电电压一般选14.5V。

没有专用充电器的用户，可参考上述数据搭接出复活旧电池所需的电路。

充电电池知识集锦

基本电学公式 

　　首先来介绍几个很简单的基本电学公式,希望让没有电子方面背景的读者们能对几个物理现象有点概念.

　　电压（V）=电流（I）x电阻（R）

　　电荷量（Q）=电流（I）x时间（T）

　　功率（P）=VxI=

　　能量（W）=PxT=QxV

　　任何物体都有阻抗,在阻抗两端加上一电位差则会产生电荷流过该阻抗,阻抗越大则单位时间内（一秒）流过的电荷量越小,阻抗越小则单位时间内流过的电荷量越多.若将电位差增大则单位时间内流过的电荷量越多,将电位差减小则单位时间内流过的电荷量越少.此电位差称之为电压（V）,单位为伏特（V）,单位时间内流过的电荷量多寡称之为电流（I）,单位为安培（A）,阻抗称为电阻（R）,单位为欧姆（）.电流（I）强度越大表示单位时间内流过的电荷数目越多,那麼在在T秒内流过电阻的电荷数目总共有IxT,用以描述此电荷量多寡的名词为电荷量（Q）,俗称称电量,单位为库仑（Q）.电阻消耗的功率（P）为IxV,单位为瓦特（W）,消耗功率越大代表越耗电.,消耗的能量（W）为PxT,单位为焦耳（J）,时间越久消耗能量越大,同样时间消耗功率越大的消耗能量也越大.

　　例如:

一颗1.5V的乾电池接上0.5的灯泡时,消耗电流为3A,消耗功率为4.5W,10秒钟内共流过了30库仑的电荷,消耗了45焦耳的能量.镍镉电池的材料电池的分类有很多种,在化学电池中不可充电用完就扔掉的电池称为一次电池,可以多次充电再使用的电池称为二次电池,而镍镉电池是属於二次电池中碱性蓄电池的一种.镍镉电池在材料方面阳极是使用过氧氢氧化镍,阴极使用镉化合物之活性物质,电解液则是使用氢氧化钾等碱性水溶液.当对镍镉电池充电时,会在阳极上面产生氢氧化镍,在阴极上面产生金属镉,因而在两极间形成了电位差.将镍镉电池的阳极和阴极两端外接负载放电时,阴极端产生带负电的电子经由外接负载流向阳极,因此提供能量供外部负载消耗.

过度充电

　　在充电过程中电池的电压会随著储存电量的增加而逐渐上升,当电池储存的电量达到饱和电极材料无法继续充电时,若继续充电则电解液会起电解,并且在阳极产生氧气,在阴极产生氢气,如此会在密封的电池内部造成内部压力上升,会对电池内部结构造成破坏.像这种现象称之为过度充电.

　　为了避免过度充电电池遭毁损,通常将阴极之容量制作得比阳极容量大,如此当过度充电时阳极会先达到饱和并产生氧气,而阴极却未饱和而不会产生氢气,阳极产生的氧气扩散到阴极之后会与充电产生的金属镉起化学反应吸收掉氧气,且此反应的速度与金属镉产生的速度平衡,因此可以有效地避免电池的压力上升.但是若充电电流过大（使用快充时）就会失去平衡,电池的内压过大会将电池的安全阀推开,氢气和氧气会泄漏到电池外部,直到压力降低安全阀关闭电池才又再密封起来.但是气体的泄漏已使得内部化学材料减少,造成电池寿命的缩短.

充电电压的变化

　　电池过度充电时,因为阳极产生的氧气与阴极起化学反应会产生热,使得电池温度会上升外壳发烫.由於温度越高电池的充电电压会变得比较低,因此充电时电池电压会持续上升直到过度充电时,电池温度会突然地快速上升,电压不再上升转而由峰值开始下降.

标称电压

　　镍镉电池在标准放电条件下放电时,电压会缓缓地下降直到当电量几乎释放完时,电压会大幅度地下降,此电压值称之为标称电压.一般镍镉电池的标称电压为1.2V,与一般乾电池标注的1.5V是相同意思,都是标注於电池外壳上面.镍镉电池只要有电量电压值一定至少在标称电压1.2V以上,储存的电量越多电压也越高.

放电终止电压

　　电池在放电时其电压会随著电池电量的减少而逐渐降低,当电压降到所要求的准位时就不再让它继续放电,称为放电终止,而此电压准位称之为放电终止电压.通常厂商建议的放电终止电压约在0.9V~1.1V左右,电压放电到此准位时电量几乎已经放光了,此状况称为完全放电.镍镉电池已经完全放电了还不移掉负载而让它继续放电下去,那麼就成了过度放电,电压会急速下降直到0V为止.若电压尚未降到0V左右就终止放电,则电池电压会自动快速回升到标称电压1.2V左右.

过度放电

　　镍镉电池的一大致命伤就是被过度放电,将放电终止电压设定在此状况下,不但没有电力可以推动负载,对电池寿命也会造成损害.而且一旦不慎让电压继续下降到几乎等於0V时,就算想终止放电把负载移走恐怕也来不及了,电池的电压无法再自动回升,一般的充电器也无法再把电充进去,它的电压会一直固定住停留在0V不动.此刻的它就像是中风似的瘫痪在那边,就别说折寿了,更是往往一命呜呼哀哉不能再使用了.

电池容量的定义

　　电池的容量系指对电池放电,直到电压降到终止电压为止,在这期间所能取得的放电电荷量.若是在规定的电流和温度等标准放电条件下,对充饱电的电池进行放电直到放电终止,所得到的容量称之为额定容量（或标称容量）.容量的大小与其所消耗的电极材料之活性物质的量有关,而标准放电条件则是依照电池种类的不同有所规定.容量是根据电池的放电反应来定义,而非充电反应来定义,因此我们常说的电池容量有多大,是指放电时可得到的累积放电电荷量有多少,而非充电时流进去的电荷量有多少.

电池容量的表示法 

　　电池的容量的大小,可以用[（放电电流）x（电压降到放电终止电压所经之放电时间）],计算后所得到的值来表示.之前所介绍的基本电学公式中,电量为电流x时间,单位是库仑（Q）,电池若以多少库仑来表示电池容量的话,可能是比较不好理解,因此电池的容量都是把电流x时间的值,直接以C=IT（单位以mAh或Ah）来表示,其中C是容量（与库仑是同意义）,I是电流,A是安培,mA表示电流大小为豪安（千分之一安培,A）,h代表小时（hour）,也就是说以千分之一安培的电流放电一小时所累积的放电量为1mAh.因此C=IxT=多少mAh,mAh就是库仑的等效表示方式.通常电池的外壳包装上面都会标明电池的额定容量,用来表示该电池的最大容量.新的镍镉电池在第一次充放电时容量都可以达额定容量,但容量会随著充放电次数的增加而减少.

　　例子:

以1安培电流放电需要二小时才能将电池电量放光,那麼电池容量约为2000mAh.若将电池容量以库仑来表示的话,那麼C=IxT=1Ax7200sec=7200库伦.您是不是也发现用2000mah来表示比用7200库伦来表示比较不空洞而明了多了呢。

C表示式

　　电池除了以安培（或毫安）做单位来表示电池的充放电流大小之外,也使用英文字母C（capacity）来当作额定容量（电流x时间）之电流部分,以它做为电流大小衡量的单位.比如说额定容量600mAh的电池,C就是600mA的意思,所以电流1C就是600mA,电流2C就是1.2mA,电流0.1C就是60mA.以后购买电池时若在规格上找不到充放电流的安培数时,请先别著急,别忘了找找看有没有写著多少C喔.

充放电率

　　所谓充（放）电率是将全部容量的电荷放（充）完所需要的时间,做为充（放）电时的标准速度.一般用来说明放（充）电的速度是多少,比如说二小时率的放电,是指用0.5C的电流,在二个小时的时间将电池全部容量放完.20分钟率表示用3C的电流在20分钟内将电池额定电量全部放完.在厂商的电池规格书上面,也常使用小时率来表示标准放电时间,只要根据额定容量来换算就知道标准放电电流是多少了.通常厂商提供的规格上额定容量是以温度20℃,而放电是以5小时率0.2C的条件来量测.

充电效率

　　电池不可能充多少电量进去就能储存有多少电量,一定会有所耗损,除了阳极和阴极漏电间的绝缘体漏电之外,材料也不可能无瑕地储存所有电量.电池放电时取出的电量与充电时流进去电池的电量之比,称之为充电效率.

　　通常电池厂商都是建议充电量必须为额定容量的1.5倍,才能将电池充饱.也就是说若以0.1C的电流充电需要充15小时,以3C的电流充电需要充半小时,虽理论填充量是额定容量的1.5倍,但实际填充量差不多刚好为额定容量.

利用率

　　虽然理论上电池的额定容量很大,但实际上充饱电后再放电时可得到的电量却往往小於理论容量,表示电池可储存的实际储存容量并没有那麼大,此实际容量相对於理论容量的比率称之为利用率.通常电池的放电电流越大,或者周遭温度降低时,利用率会减小.

放电深度

　　电池放电时所放电量与所储存电量的比率称之为放电深度,比百分比表示.例如放电深度20%表示电量放电到剩下80%电量的程度.

周期寿命

　　通常镍镉电池在应用上都是拿来做反覆充电与放电的周期性工作,电池的寿命是有限的,容量不可能一直保持而不下降,在一定的工作条件之下反覆充放电之后,电池的容量会下降到额定容量的80%（或定义在60%）.此反覆充放电的次数称之为周期寿命,周期寿命越高表示该电池的使用寿命越长.有些电池的参考规格上面会标明充放电周期,写著放电深度多少时约多少次,意旨周期寿命.随著充放电流,放电深度与其他充放条件的不同,周期寿命也随著变化,尤其是使用大电流充放电时,一定会有寿命缩短的现象.现在的镍镉电池只要依照购买时厂商所附的说明正常地使用,通常都可以反覆使用500次以上.

电池内阻与电压

　　电池是有内阻的电压源,可以视为是一个理想电压源（没有内阻）串联一电阻输出.未接负载时电池两端量到的端电压就是理想电压源的电压,称之为开路电压,当电池外接负载时,负载与内阻串联接到理想电压源上,因此负载上所得到的分压也就是电池的端电压,会小於理想电压源的电压,称之为闭路电压.电池的内阻越高则负载可分得的电压就越小,因此理想的电池是没有内阻.

　　镍镉电池的内部电阻非常的低,一般只有几毫欧姆到数十毫欧姆左右,因此外接大小不同之负载时放电电压还是很稳定,放电电流曲线很平坦,可以做大电流放电使用.一般乾电池内阻动辄数欧姆,放电电压不稳定放电电流曲线不平坦,相较之下镍镉电池属於特性较理想的电池.

自放电

　　电池由於内部会起化学反应的关系,内部会自我放电,虽未外接负载但是电池所储存的电量会随著时间而逐渐消失.自我放电的速度称为自我放电率,周遭温度越高时自我放电电流也越大.根据专家实验的结果,镍镉电池在0℃时约三个月会放电20%使残余容量剩下80%,在20℃时一个月约放电25%,三个月放电40%,若温度越高45℃时,一个月就已经放掉70%的容量了.因此,在夏天电池充饱电后只要短短几天的时间,容量就剩下80%甚至50%了,难怪专家建议,最好的保存方法就是将