關於UPS電池容量計算的優化建議和探討
風雲君 How2Good
摘要：
蓄電池是不間斷電源系統的關鍵組成部分，對電池進行容量計算，合理地電池配置選型，合理適配充電器容量，對整體供電方案尤為重要。本文簡單描述瞭如何優化關鍵參數，採用何種方法對電池容量計算，提出了一些經驗性的參考建議。
關鍵詞：工業UPS，鉛酸VRLA蓄電池，鎳鎘蓄電池，環境溫度，放電曲線，平均電流
0 引言
蓄電池是不間斷電源系統（即UPS，分為AC和DC）的關鍵組成部分。廣泛應用於UPS的電池主要有兩種類型：鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池。它們都各有兩種應用結構，開口式和密閉式結構。閥控式密閉免維護鉛酸蓄電池(VRLA)最為常見，因為其價格優勢和使用維護也較為方便。鎳鎘電池主要應用在環境複雜、要求較高可靠性和安全性的工業領域。近年來由於鋰電池的成本下降和技術提升，也開始應用於UPS。本文主要探討鉛酸電池和鎳鎘電池。
蓄電池的充電和放電是其化學能和電能互相轉化的過程，有其特定的充放電特性，並受環境條件的影響較大。在工業UPS應用中，要根據其具體的使用環境和工藝需求，合理選擇哪一種蓄電池。在具體項目中，還要對電池進行容量計算，對電池進行配置選型，並設計合適的充電器容量。
1 優化整流充電器容量
整流充電器對電池的充電模式如圖1。充電器向後級負載供電，同時對電池充電。可控硅型整流充電器主要應用在工業領域和較大容量場合，但高頻開關式整流充電器也已在國內普遍應用，將是未來的發展趨勢。
圖1 充電器充電模式
整流充電器容量計算一般按如下公式：
I charger = I load + 0.1 C10 (鉛酸電池)
I charger = I load + 0.2 C5 （鎳鎘電池）
此公式中，0.1C10和0.2C5為電池均充電流（回充電流）的習慣性常用值。這個均充電流可以根據實際情況調整，主要看要求的回充時間是多少。如果沒有要求特定的回充時間，我們可以適當採用較低的均充電流，如0.05C10(鉛酸電池)和0.1C5（鎳鎘電池），這樣整流充電器的容量也會減小一些，對整體方案來說更有性價比。
當2臺充電器共用一組電池時，它們都可以對電池強充，所以強充電流被兩臺充電器均分，單臺充電器的容量也可以減小。
如果設計要求雙電池組，再沒有其它明確要求，應該推薦2x50%的電池方案，並在方案書中說明此情況。已經對雙冗餘有明確要求的，就應採用2x100%的電池方案。
對於AC UPS（沒有DC直流配電時），整流充電器的容量不應該根據逆變器的終止放電電壓時的直流電流計算，實際上這個電流僅能讓電池向逆變器放電維持幾秒鐘。一旦電池停止放電，直流母線電壓會快速回升，在逆變器工作模式時（如市電恢復後），逆變器輸入電流也相應下降很多。電池剛放完電時的充電器是冷卻的，其溫度反饋系統會讓強充過程安全運行，並允許充電器有短時間的過流情況發生。所以AC UPS的整流充電器容量計算可按照如下公式：
I charger = I inverter current at floating voltage + I battery recharge
整流充電器電流 = 浮充時的逆變器電流 + 電池強充電流
2 優化環境溫度對UPS和電池容量的計算
關於超出環境溫度的降容計算，也有優化建議。
工業UPS一般允許的運行環境溫度為0℃～40℃，在限流控制措施下，當今的整流充電器技術都設計有溫度補償電路，該電路對溫度值漂移大的敏感元件進行溫度補償。環境溫度稍大於40℃時（如45℃）可以不再考慮降容，內部溫度傳感器的溫度補償會自動進行。當然，如果在最高+50°C的溫度下連續工作，則可以考慮環境溫度每升高1°C，UPS允許最大負荷將比額定值降低1.5 %左右。
環境溫度對電池的放電性能影響很大。電池的最佳溫度範圍在20℃～25℃，較低的環境溫度會顯著降低電池的放電能量。在電池計算時，要考慮溫度校正係數。溫度與電池放電容量的關係曲線，可參考圖2。
客戶提供的環境溫度信息，也要根據實際情況來分析是否有必要溫度校正，有些情況是不需要的。比如，在中東地區可能會經常見到，對低溫溫度範圍的要求為0～5～10°C，實際上此溫度是沙漠地區夜晚的最低溫度。電解液的熱慣性會讓電池內部溫度保持很長的時間，可以說電池像濾波器一樣對這個晚間的溫度變化基本沒有反應，這種情況就沒有必要考慮溫度校正係數來計算電池容量。
圖2 溫度與電池容量的關係曲線（陽光電池）
3 優化整流充電器直流電壓，按平均放電電流對電池容量計算
優化合理的直流電壓範圍對電池容量的計算非常重要，電池放電期間的電壓變化曲線見圖3。從放電曲線可以看出，電池從完全充電狀態到完全放電，其電壓變化範圍約為+/-15%（鉛酸電池）和 +/-20%（鎳鎘電池）。這就意味著任何對直流電壓區間的額外限制和要求，將會減少電池放電的能量輸出，導致電池不完全放電，由此電池只能被放大配置來滿足此要求，並不合理。
圖3 電池放電電壓曲線
在DC UPS系統中，作為應對措施之一，可以在電池端和負載之間串聯降壓硅鏈或DC/DC變換器，用來保持負載DC直流電壓在要求的限制範圍內。但此舉會導致成本增加，需要優化電池的計算來平衡整體成本。
在AC UPS中，逆變器本身就允許輸入直流電壓有較大的窗口範圍，給電池的優化計算帶來有利條件。
優化建議之一就是平均電流計算法。
對於DC UPS， DC負載電流通常由客戶核算和提供，電池放電容量的計算需要這個電流值（電池的恆流放電錶由電池廠家提供）。有時DC負載的單位為kW，而不是電流值，則需要按如下公式換算為DC電流（平均電流）：
DC load discharge current = DC power / U floating or U load max
即，DC直流負載放電電流 = DC功率 / U浮充電壓 或 U負載最大電壓
當浮充電壓太高，超出負載允許範圍時，採用了降壓硅鏈或DC/DC的，就按U負載最大電壓進行計算。
不建議按DC的額定電壓（見圖3的曲線，用2.27V而不是2V，或1.4V而不是1.2V）來計算放電電流，這兩種計算結果會有一定的差異。在實際應用中，負載是長時間（99.9%的時間）在浮充模式下工作，所以負載功率就應該按最長工作的浮充電壓來計算電流。如果客戶提出不同意見，可能有項目環境/背景條件限制等原因，也應該儘量向客戶解釋、接受這個優化算法。
對於AC交流UPS，逆變器或DC/DC變換器為恆功率工作方式，對VRLA電池的計算可查恆功率放電錶。鎳鎘電池如果沒有這個恆功率放電錶，我們就用平均電流計算法，注意其放電電壓應為線性平均電壓，介於開始放電電壓（可查電池廠家資料）和放電終止電壓之間。
需要說明的是，電池廠家提供的IEEE標準的電池計算軟件，並沒有按照這個平均放電電流計算，而是按照終止放電電流。算出的電池容量偏大，增加電池成本。不建議採用IEEE計算軟件，按恆功率計算法對AC UPS進行電池計算。可以按IEEE:I對電池容量計算，見下圖4。
圖4 電池廠家提供的IEEE標準的電池計算軟件
4 結語
在UPS應用中，電池對後級負載的不間斷供電和保護，起著非常重要的作用。在項目前期設計過程中，電池的選型和容量計算也是非常重要的一項工作。結合多年的實際應用經驗和案例應用，從合理確定充電電流，是否考慮環境溫度的影響，按照平均放電電壓和平均放電電流計算等方面，本文有建設性的對電池計算提出了幾個優化建議。對如何提供更有性價比的整體供電方案，有一定的參考意義。
2019.8.29
（End）
