浅析数据中心UPS系统中蓄电池充电原理

1.铅酸蓄电池失效模式
　　
　　常见的失效模式有电池失水、极板硫酸盐化、正极板腐蚀、热失控等几种。
　　
　　（1） 电池失水电池失水的原因主要有：电池密封不严，充电产生的氧会从电池壳体中逸出；浮充电压设置不当；正极板腐蚀消耗水分；自放电过程损失水分。
　　
　　（2） 负极板硫酸盐化电池负极的主要活性物质是海绵状铅，电池充电时，
　　
　　负极发生还原反应：
　　
　　PbSO4+2e=Pb+SO4¬¬¬¬²-
　　
　　正极发生氧化反应：
　　
　　PbSO4+2H2O=¬¬PbO2+4H++SO4¬¬¬¬²-+2e
　　
　　放电过程发生的化学反应是此反应的逆反应。正常情况下，负极板放电产生的硫酸铅颗粒较小，充电时很容易生出海绵状铅，但是如果电池经常处于充电不足或过放电状态，负极就会逐渐形成一种粗大坚硬的颗粒状硫酸铅，从而失去活性，不能再参与化学反应，这一现象称为活性物质的硫酸盐化。硫酸盐化使电池有效容量降低，久而久之会使电池失效。为防止这一现象应该对电池及时充电，且避免过放电。
　　
　　（3） 正极板腐蚀电池的浮充过程一方面可阻止电池的自放电，另一方面也存在腐蚀正极板的趋势，使栅板材料Pb氧化为PbO，腐蚀伴随着水的消耗，电解液浓度增高，加速正极板的腐蚀。
　　
　　（4） 热失控若电池工作环境温度过高，或充电设备电压失控，则电池充电电流和温度发生一种积累性的互增，直到热失控使电池壳体变形、膨胀，最终电池失效。
　　
　　2.蓄电池的充电方法
　　
　　 蓄电池故障的原因有很多，有自身质量问题，也和电池充电有一定关系。目前蓄电池的充电方式主要有以下几种：
　　
　　 恒流充电：恒流充电是一种比较简单的充电方式，但有较大的局限，充电电流过大会造成温度上升和电池寿命缩短，而过小又会延长充电时间。
　　
　　 恒压充电：恒压充电控制简单，充电初始由于电池电压低，则充电电流大，会对电池造成损害。后期电流迅速减小，这种充电方式也会造成温度上升和电池寿命缩短，且无法充分利用充电器的容量。
　　
　　 恒压限流充电：实际上是恒压充电与恒流充电的结合，开始阶段为避免电流过大就采用恒流充电法。当电压达到预定值时，进入恒压充电方式。这是大多数厂商推荐和使用的充电方式，节省电能，降低蓄电池的温升，配合上温度补偿等就可以使电池在这套充电系统下良好的工作。
　　
　　3.蓄电池的充电管理
　　
　　 我们了解了各种充电方法，其中恒压限流是最符合电池特性的充电方法。电池未满时，设置较高的电压以激活电池，称为均充，充满后，电流变小，继续充电补足自放电，称为浮充，浮充电压低于均充电压。
　　
　　 长期均充容易造成电池过充膨胀，工作中常有客户会提出关闭UPS均充功能的需求。我们不建议这样操作，只浮充不均充会使电池欠充，个别电池落后，进而影响整组电池。均充、浮充电压根据具体电池的不同而不同，在25℃时，某品牌的蓄电池单体均充电压2.35V，浮充电压2.25V，充电电流不超过25A。进行均充时，要随时监测电流，当电流降到0.006C且保持3小时不变时，即表示电池充满可进入浮充，一般UPS都配置自动均浮充转换电路。
　　
　　 为了维护电池性能，当有以下情况时，必须对电池进行均充：
　　
　　① 单体电池浮充电压低于2.18V；
　　
　　② 新电池安装调试后需进行12小时的均充；
　　
　　③ 电池放出5%以上的额定容量；
　　
　　④ 电池搁置不用超过三个月；
　　
　　⑤ 全浮充运行六个月以上；
　　
　　为了减小温度对电池寿命的影响，必须对温度进行补偿。在均充时，单体电
　　
　　池充电电压补偿值为-5mV/℃，浮充时，单体电池充电电压补偿值为-3.5mV/℃。
　　
　　总结： 本文对电池故障和充电原理的介绍，旨在说明两者的关联性，希望读者逐步加深对UPS充电部分的理解和重视，从中有所收获。