铅酸蓄电池的工作原理
UPS、直流电源设备常用的蓄电池是铅酸蓄电池。传统的铅酸蓄电池是开口式结构,电池在使用过程中,有氢气和氧气以及酸雾逸出,不仅污染环境还具有危险性,维护时需要加水、加酸,已逐渐被市场淘汰。现在UPS供电系统中蓄电池大多采用阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池。阀控式铅酸蓄电池的主要优点是在充电时正极板上产生的氧气,通过再化合反应在负极板上还原成水,使用时在规定浮充寿命期内不必加水维护,又称为免维护铅酸蓄电池。可见,免维护只是与普通蓄电池相比,运行中免去了添加纯水或蒸馏水,调整电解液液面的项目,并非免去一切维护工作。
阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理,基本上沿袭于传统的铅酸蓄电池,其正极活性物质是二氧化铅(PbO2),负极活性物质是海绵状铅(Pb),电解液是稀硫酸(H2SO4),其电极反应方程式如下:
PbO2+2H2SO4+Pb≈2PbSO4+2H2O
两种阀控式密封铅酸蓄电池比较
目前阀控式密封铅酸蓄电池主要有两类,即玻璃纤维隔板阴极吸收式密封铅蓄电池(如GNB、霍克电池)和硅凝胶密封铅蓄电池(如德国的阳光电池)。
两种电池极板相同:正极板栅采用铅钙锡铝四元合金或低锑多元合金,负极板栅采用铅钙锡铝四元合金。并使用紧装配和贫液设计,在电池的上盖中设置了一个单向的安全阀。由于采用无锑的铅钙锡铝四元合金,提高了负极析氢过电位,从而抑制氢气的析出,采用特制安全阀使电池保持一定的内压。
两种电池隔板不同:即分别采用超细玻璃纤维棉(AGM)隔板和硅凝胶二种不同方式来“固定”硫酸电解液。它们都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的,但给正极析出的氧气到达负极提供的通道是不同的。对AGM密封铅酸蓄电池而言,AGM隔膜中保持了电池的大部分电解液,但必须使10%的隔膜孔隙中不进入电解液。正极生成的氧气就是通过这部分孔隙到达负极而被负极吸收的。对胶体密封铅酸蓄电池而言,电池内的硅凝胶是以SiO2质点作为骨架构成的三维多孔网状结构,它将电解液包藏在里边。电池灌注的硅溶胶变成凝胶后,骨架要收缩,使凝胶出现裂缝贯穿于正负极板之间,给正极析出的氧气提供了到达负极的通道。
由此看出,两种电池的区别就在于电解液的“固定”方式和提供氧气到达负极通道的方式有所不同,两种电池的性能也各有千秋。
UPS供电系统中蓄电池的配置和选择
在UPS供电系统中,可以说蓄电池是这个系统的支柱。没有蓄电池的UPS只能称做稳压稳频电源。UPS之能实现不间断供电,就是因为有了蓄电池。在设计UPS时,应考虑选择什么型号的蓄电池,即蓄电池的额定电压、额定容量及应由多少节蓄电池组合等。
蓄电池的额定容量选择
由于蓄电池的实际可使用容量与放电电流大小、系统电压、放电时间、蓄电池工作环境温度、蓄电池储存时间的长短、负载种类和特性等因素密切相关。蓄电池的容量一般是指在20°C,以20h放电率放电到1.75V/单体时,蓄电池输出的功率数(W)。
蓄电池的指标选择
内阻:应选择内阻小的蓄电池,这样才能持续大电流放电。如果内阻较大,在充放电过程功耗加大,使蓄电池发烫。
浮充电压:在相同温度下,浮充电压值高意味着储能量大,质量差的蓄电池浮充电压值一般较小。蓄电池浮充电压值在不同的温度时应进行修正。
在大中型(几kVA-几千kVA)UPS中采用2V单体系列蓄电池,避免采用小容量组合蓄电池进行混联。