关于UPS中蓄电池充放电机制的研究

王秋彦，刘春光

关于UPS中蓄电池充放电机制的研究

王秋彦，刘春光

（中国人民解放军91550 部队，辽宁 大连 116023）

对UPS中蓄电池做了简要介绍，系统地研究了蓄电池充放电的工作原理，阐述了几种充电模式，对几种常用充电模式的优劣性进行了分析研究。

UPS；蓄电池；充电；放电

蓄电池作为UPS的核心部件，在UPS系统中发挥着重要作用。据统计，大约1/3的UPS电源故障是由于蓄电池的问题造成的。因此，蓄电池管理系统的质量直接关系着UPS系统整体运行状况。本文分析了阀控式铅酸蓄电池的充放电机理，并研究比较了几种充电方式的优劣性。

1 铅酸蓄电池简介

铅酸蓄电池由五部分组成：正负极板、隔板、电解液、安全阀及外壳，如图1所示。

图1 铅酸蓄电池结构示意图

2 铅酸蓄电池充放电原理

2.1 铅酸蓄电池充电原理

铅酸电池主要由PbO2、Pb和电解液H2SO4组成。充电时，正极板上PbO4氧化成PbO2，正极板变成PbO2，负极板上的PbSO4被还原成Pb，负极板变成Pb，电解液中H2SO4的浓度增大。放电时，电池将化学能转化成电能输出。正极板电子被还原，生成PbSO4，负极板失去电子被氧化，同样生成PbSO4。在充放电过程中，铅酸蓄电池的正负极板进行化学反应，产生正负离子形成电流。具体的充电化学反应如下所示。

负极：

Pb2++2e－=Pb （2）

2H2O=2H++2OH－（3）

由式（1）～式（4）可得出充电时负极发生的总化学反应为：PbSO4+H2O+2e－=Pb+H2SO4+2（OH）－。

析出H2的反应方程式为：PbSO4+H++2e－=Pb+HSO－，2H++2e－=H2↑。

根据实际反应情况，蓄电池在贮存过程中，析出H2的过电位大于析出Pb的过电位，H2产生的量很小。但在充电中后期，负极平衡电极电势向负方向变化，降低了H2析出的过电位，析气量随之上升。

正极：

Pb2+=Pb4++2e－（6）

4H2O=4H++4OH－（7）

Pb4++4OH－=Pb（OH）4（8）

Pb（OH）4=PbO2+2H2O （9）

由式（5）～式（10）可得出充电时正极发生的总化学反应为：PbSO4+2H2O=PbO2+H2SO4+2H++2e－。

在充电初期，PbO2浓度大于PbSO4，所以主要表现为充电反应，O2析出量很少，在充电后期，因为正极活性物质和外部的H+浓度严重失衡，导致O2的析出。在储存期间，O2析出的化学反应式如下：

2PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O+O2↑

2.2 铅酸蓄电池放电原理

负极：

Pb=Pb2++2e－（11）

2H++2OH－=2H2O （13）

由式（11）～式（14）可得出放电时负极发生的总化学反应为：Pb+H2SO4+2（OH）－=PbSO4+H2O+2e－。

正极：

PbO2+2H2O=Pb（OH）4（15）

Pb（OH）4= Pb4++4OH－（16）

Pb2++2e－=Pb （17）

H++OH－=H2O （19）

由式（15）～式（20）可得出放电时正极发生的总化学反应为：PbO2+H2SO4+2H++2e－=PbSO4+2H2O。

3 铅酸蓄电池充电模式

3.1 恒流充电

恒流充电是指充电电流一直保持恒定不变进行充电，适合对多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电。如果蓄电池组中某个电池电压过低时，使该电池容量便于得到恢复，适用小电流长时间充电。

恒流充电的缺点是蓄电池的充电电流保持不变，在充电初期充电电流可能偏小，充电后期充电电流又偏大，特别在充电后期蓄电池端电压偏高，蓄电池析出的气体较多，造成充电效率下降，根据相关统计，充电效率最高为70%。

3.2 恒压充电

恒压充电是对蓄电池充电时充电电压保持恒定不变，充电初期蓄电池电压较低，充电电流较大，随着蓄电池端电压的不断升高，充电电流随之减少，在充电后期充电电流很小。充电过程中充电电流不必调整，充电电流自动减小，充电过程中蓄电池析气量小，充电时间变短，能耗降低。

恒压充电的缺点是充电初始阶段电流过大，对处于过放电的蓄电池进行充电时，容易对充电设备造成损坏。由于充电电流不能调整，因此不适用于对蓄电池进行初始充电。

3.3 脉冲充电

脉冲充电是指先用脉冲电流对蓄电池进行充电，然后停充一段时间，循环地对蓄电池进行充电。脉冲充电对蓄电池进行充电过程中，间歇停充期间，蓄电池化学反应过程中产生的O2和H2有时间重新化合而被吸收，使浓差极化和欧姆极化随之得到消除，减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电更加顺利，使蓄电池吸收更多的电量。脉冲充电使蓄电池有了充分的反应时间，减少了蓄电池的气体析出量，提高了蓄电池的充电效率。脉冲充电的缺点是由于长期欠充，电池正负极表面沉积了很多大颗粒、惰性的结晶，外部为PbSO4，内部为PbO2，在充电过程中，电池电压很快升到充电终止电压。在放电过程中又很快降到放电终止电压，电池容量很难被充分利用。电池组中各单体电池特性存在差异，随着循环次数的增加，各单体差异表现越来越显著。况且采用多大的脉冲周期，期间占空比多少最合适，目前还在研究论证阶段，具体问题还没有定论。

3.4 恒压限流充电

恒压限流充电方式实际上是将恒压充电和恒流充电相结合。在初始充电阶段，为避免电流过大而损坏电池，利用恒流充电来限制充电电流。充电过程中当电压达到预定值时，利用恒压充电方式进行充电。充电后期电流变得很小，因此电解液中的析气量减少，提高充电效率，避免蓄电池的温升过快，损坏电池的极板。恒压限流充电系统中增加了很多功能，如过充判断、浮充控制、温度补偿等，是一种很有效的充电方式，蓄电池可以在这个系统下更好地工作。目前恒压限流是电池厂商推荐的主流充电方式。

4 结语

实际应用中蓄电池的使用寿命往往达不到设计寿命，有的相差甚远，这不仅影响了电力系统的稳定性和可靠性，而且还造成了经济损失。影响蓄电池使用寿命的因素很多，如蓄电池本身的物理性能、使用环境、监控管理方式和充放电制度等。通过统计及分析发现，绝大多数问题都是由于充放电控制不合理而造成的。因此，选择合理的充电方法对蓄电池进行充电对提高蓄电池的寿命起着至关重要的作用。

［1］曹智，张宇，王飞，等.UPS蓄电池组全寿命周期运行质量控制研究［J］.现代工业经济和信息化，2016（20）：62-63．

［2］陈亚爱，邱欢，京华.铅酸蓄电池充电控制策略［J］.电源技术，2017（4）：654-657．

［3］张辉.铅酸蓄电池充电场所氢气产生及分布规律研究［D］.沈阳：东北大学，2016．

［4］白鹏菲.UPS系统中蓄电池充电的研究［J］.山东工业技术，2016（4）：147．

［5］王文强.电网用阀控式铅酸蓄电池寿命预测研究与实现［D］.长沙：湖南大学，2015.

TM912

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.002

2095－6835（2019）13－0003－02

王秋彦（1985—），男，硕士研究生，助理工程师，从事机房UPS和配电工作。刘春光（1981—），男，硕士研究生，工程师，从事机房安控、UPS和配电工作。

〔编辑：严丽琴〕