UPS的电池管理功能 （一）

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1.前言

       市场需求和技术革新是推动UPS电源发展的两大动力。如我们所知:IT产业和工业自动控制系统等关键用户采用UPS电派的主要目的之一是:要求UPS电源在不管市电输人电源是否工作正常时，它都应该毫无时间间断地向用户的负载提供纯净，稳定的高质量逆变器电源。为此，能否正确地理解和选用好UPS的电池管理功能对UPS电源本身的高可靠性和高可利用效率具有至关重要的影响。这是因为一且市电电源因故发生故障时，UPS将依靠由电池组所提供的直流能源来维护UPS逆变器的正常工作。此时，如果因管理不善而导致电他过早地老化，损坏。它势必会导致UPS电源自动关机，从而造成计算机网络，电信网络和数据通讯网络等关键用户工作的彻底瘫痪。如果再考虑到在UPS中所常用的免维护阀控电池的成本是相当昂资的这一因素。(对于带内置电池的标配UPS来说,电池成本可占20%左右，对于配置有4小时左右的10年寿命的电池组的UPS来说，电池成本与UPS主机的价格几乎不相上下)。大量的运行实践表明:由于对电池的使用特性和对UPS的电池管理功能不熟悉或理解不够，致使原来预期使用寿命为10年的电他，其实际使用寿命仅1-2年的事例是屡见不鲜的)。基于上述原因，有必要对造成电池加速老化，容量(安时数)下降的原因进行分析，并探讨当今的UPS生产厂家到底能提供什么样的先进电池管理(ABM)功能来延长电池的实际使用寿命以及从各种宣称具有ABM功能的UPS产品中选择出最适合于自己供电要求的电池的配置和管理方案，从而尽可能地降低由于电池的使用不当所带来的不必要的损失。
       相关资料表明:造成电池的实际弃量(AH数)下降，内阻增大等“老化”的主要原因是:在电池不断的充放电过程中,所造成的电池内部阳极极板钝化和水份挥发丢失。显然，一旦在电池内部过早地出现上述现象，必然会造成电池的实际使用寿命远远低于其设计寿命的不幸局面。大量的运行统计资料表明:导致电池性能恶化的因素可大致分为外部因素和内部因素两种。

2.影响电池寿命的外部因素

2.1.环境温度

       大量的运行数据证明:过高的环境工作温度是导致密封免维护电池使用寿命缩短的首要原因。经验数据表明:当环境温度超过25℃时，每温升增加1090，它会导致电池的实际使用寿命被缩短一半。一般说来，这种电池的最高环境工作温度以不超过55℃为宜。在这里有必要特别说明的是:由于种种原因，在部分用户或部分曰‘经销商中存在有这样的误解，他们认为只要选用配置有“温度补偿功能”的充电器的UPS电源，环境温度对电池使用寿命的影响似乎就能完全解决了。然而，事实并非如此。环境温度偏高导致电池使用寿命缩短的原因有两个:
      （1）浮充阀值
       当环境温度升高时，电池所允许的浮充电压的阀值将逐渐下降。此时，如果采用浮充电压阀值为固定值的设计方案的话(对于以伏电池而言，浮充电压为13.5伏)，势必会将电池组置于“过压充电’，工作状态，显然，这必将会导致电池加速老化。相反，如果采用“带温度补偿”的充电设计方案时，通过将电池的典型浮充电压一温度关系曲线存储在微处理器的EPROM存储器的办法，再利用配置在电池柜中的温度传感器所测得的电池组的实测温度信号来实时白动调整充电器的浮充电压，从而将电池组里于最佳的浮充电压一温度工作状态，实现温度补偿功能。
      （2）存储寿命
       当环境温度升高时，电池组木身固有的“存储寿命”会逐渐缩短。实践表明:是否配置带“温度补偿功能”的充电器对这种造成电池老化的因素基本上没有影响。为说明此问题，请见以下试验数据:

注:UPS所配的是预期使用寿命为10年的电池
        从上表可见:同未配置带“温度补偿功能”的充电器的UPS相比，尽管带“温度补偿”的充电器的UPS可以使电池组的实际使用寿命有相当的增长:然而，我们并不可能利用配置带“温度补偿”充电器的办法来彻底消除由于温升偏高而造成电池的实际使用寿命被缩短的间题。
      （3）有效容量
        当环境温度偏低时，尽管它不会对电池的使用寿命造成不利影响然而，它会造成山密封免维修电池所提供的有效容
量(AH数)下降。例如:当环境温度从25℃下降到0℃时，它会造成电池的有效放电容量下降20~30%对于此点，当今的UPS的“温度补偿”充电器均对它无能为力。这是因为其温度补偿范围被设计在25℃一55℃之间。
       基于上述原因:对于绝大多数电池组来说，要想真正消除它的实际使用寿命缩短或电池的有效放电容量下降等不利影响的最佳选择，应该是配置空调机，尽量设法将电池的环境r_作温度控制在20℃一25℃当然，对于某些需野外工作的特殊用户来说，配置带“温度补偿”的充电器的UPS是其考虑方案之一。当用户在使用带“温度补偿.r的充电器时，清务必按照UPS厂家的安装说明:正确地配置和安装温度传感器在电池柜中的位置及温度传感器与UPS主机的通讯接口之间的通信电缆:否则，会导致因UPS的充电系统的“误动作”而造成电池被“过电压充电”。从而加速老化，效果适得其反。

2.2.“深度放电”

       电池被“深度放电”是造成电他的使用寿命被缩短的另一个重要原因，这种情况，极易发生在电池的自动关机保护电路是采用具有固定的“电池电压过低自动关机”阀值设汁方案的UPS中(绝大多数中，小型UPS均采用此种设计方案)。当这种UPS电源被配置成长延时UPS供电系统(例如:4小时18小时电池后各供电时间)，而且它们的后接实际负载量较小时，一旦市电停电，电池就会被“深度放电”。我们知道:对于UPS供电系统而言当用户的后接负载量很轻时（所谓的“大马拉小车”现象)，对UPS主机而言，肯定有利于降低逆变器的故障。然而，对于同UPS配套的长延时电池组而言，则会因电池被“深度放电’‘而造成电池的实际使用寿命成扔倍地被缩短，为此让用户付出昂贵的经济代价。为说明此问题，请参看图1.虚线表示的是UPS电源的“‘电池电压过低自动关机”的固定的阀值电平:1.67伏/单元电池（注:12伏电池是由6个2伏的单元电池所组成的，12伏电他的“电池电压过低自动关机电压”=10伏)。为说明问题，下面举电池的实际放电电流(A)

      （1）当电池的放电速率为0.6℃时(注:放电速率C=电池的实际放电（A）/ 电流电池容量（AH）这意味着UPS的后接负载所需的电池放电电流为电池容量(AH )数的60%。一旦市电停电时，随着停电时间的延长，电池的端电压将逐渐下降。当放电时间为62分钟左右时，单元电池的端电压将下降到它的“电池电压过低自动关机”阀值1.67伏，从而迫使UPS进人自动关机状态，让电池停电放电。如图I所示，此时的“电池电压过低白动关机”阀值比在0.6(:放电速率下电池所允许的临介关机电压值1.6伏要高。所以，电池是处于正常的放电状态。
      （2）当电池的放电速率为0.16C时，这它意味着UPS的后接负载所需的电池放电电流仅为电池容量（AH）的16%，即用户的负载很轻。一旦市电停电，而且让电池一直放电到因’‘电池电压过低”而自动关机时，此时由于单元电池的实际放电电压1.67伏要比在0.16C放电速率时所允许的临介放电电压1.75伏要低，从而迫使电池进人被”深度放电“的状态。对于此种情况，如果我们对此熟视无睹，必将造成电池组过早地报废失效。
        从上面的讨论可见:为了能最大限度地获得最长的“安全放电时间”而又不致造成电池被“深度放电”的关键，是设法让电池的“电池电压过低自动关机电压”的阀值能随着用户的负载量的人小而自动调整，并使它永远高十在该放电速率下所允许的临介放电电压值。幸运的是，近年来，由于数字信号处理技术和微处理器被广泛地应用在UPS制备工艺中.我们完全有能力达到此种目的。为防止上述悲剧在长延时UPS电源中出现，当今的UPS厂家基于降低成本和获得最佳保护功能的种种综合考虑，向用户提供如下几种防电池被“深度放电”的电池管理系统:
      （3）.定时自动关机方案:它是采用“定时关机型”的防’‘深度放电”保护方案。当市电停电后，如果电池组因放电电流较小而使它的放电时间超过原设计的“满载后备供电时间”时，UPS所允许的最长放电时间为原来所子置的电池“后备供电时间”的3倍。当放电时间达到此时刻处，不管电池组是否还有足够的容量可供使用，UPS都将执行自动关机操作，不让电池因放电电流过小而进入“自动关机电压值”比电他在这种小放电速率下的“临介放电电压”还低的“深度放电”工作区。例如:如果用户所予先设计的电池组后备时间为15分钟(带100%负载)的话，不管用户的实际负载有多轻，只要市电的停电时间超过45分钟，UPS都将进人自动关机状态，（尽管，此时的电池还有数量可观的可供安全使用的容量存在)。
      （4）.二阶”分段凋整的‘’电池电压过低自动关机”方案;为防止电池被“深度放电”，这种UPS采用如下的三阶调整“电池自动关机，技术:
      （a）当电池的放电时间小于刃分钟时.它的“电池电压过低自动关机”阀值为1.67伏/单元电池(相当1z伏电池的自动关机电压为10伏);
      （b）当电池的放电时间大于30分，小于60分钟时，它的电池电压过低自动关机电压，，值被自动调高到1.75伏/单元电池(相当于12伏电池的关机电压为10.5伏)
      （c）当电池的放电时间大于60分钟时，它的“电池电压过低自动关机电压”值再被调到1.83伏/单元电池(相当于12伏电他的关机电压为11伏)。
      （5）“电池电压过低白动关机”阀值随负载电流的变化而全自动调整的方案:这是一种利用微处理器和数字信息处理技术来实时调节“电池电压过低”自动关机的最理想方案，该UPS在微处理器的EPROM内存储有一条典型的电池放电时间与其对应的“电池电压过低自动关机”阀值的变化曲线，以保证在任何电池放电时间。任何负载变化量的工作条件下，实际的“电池自动关机”电压值永远是高于其相对应的允许临介放电电压值。当市电供电中断时，随着电池的实际故电时间的增长，UPS所执行的“电池电压过低自动关机”的阀值也随之而平滑的上调，从而到达既充分利用电池的能源，又不致造成电池被“深度放电”的双点目标。