基于交流放電的UPS電源蓄電池性能測試方法研究

彭進(jìn)先，桑苗苗，高瀾，曹迎禧

(1.中國人民解放軍63611部隊(duì)，新疆 庫爾勒 841000；2.中國人民解放軍63618部隊(duì)，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

大型UPS電源廣泛用于通信機(jī)房、指控系統(tǒng)、測試廠房等特別重要的負(fù)荷中，在緊急情況下其能支撐的負(fù)載應(yīng)急工作時(shí)間由蓄電池決定。因此有必要定期測試蓄電池的性能。文獻(xiàn)[1-4]，對(duì)電力工程和通信開關(guān)電源等直流電源系統(tǒng)用的蓄電池性能測試作了規(guī)范。測試時(shí)，直流放電測試負(fù)載(以下簡稱直流負(fù)載)對(duì)蓄電池恒直流放電，并記錄放電電流、放電時(shí)間、單體蓄電池端電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)，通過放電電流與放電時(shí)間的乘積得出蓄電池的實(shí)測容量，經(jīng)修正后，與規(guī)范的容量對(duì)比，評(píng)估蓄電池的性能。這種直流放電測試方法，直流負(fù)載的直流放電電壓范圍必須與蓄電池的配置相一致，試驗(yàn)前還需要連接大量的測試電纜，試驗(yàn)結(jié)束后再將其拆除，測試工作繁瑣[5]。利用UPS電源將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的特性，采用交流測試負(fù)載測試蓄電池性能。通過UPS電源主機(jī)相關(guān)系數(shù)換算出交流負(fù)載大小，在放電過程中還需要記錄蓄電池放電電流、單體蓄電池端電壓和環(huán)境溫度等參數(shù)，綜合數(shù)據(jù)計(jì)算分析，判斷蓄電池性能。本文將詳細(xì)闡述該方法原理，并進(jìn)行試驗(yàn)。

1 蓄電池交流放電測試原理

1.1 容量計(jì)算

1.1.1蓄電池容量系數(shù)

為了檢驗(yàn)蓄電池的實(shí)際容量，以規(guī)定的放電電流進(jìn)行恒流放電，電池達(dá)到規(guī)定的放電終止電壓即停止放電，根據(jù)放電電流和放電時(shí)間計(jì)算出蓄電池的實(shí)際容量。

根據(jù)需要定義四個(gè)參數(shù)：QT為當(dāng)環(huán)境溫度為T時(shí)的蓄電池實(shí)測容量，Ah，是放電電流I(A)與放電時(shí)間T(h)的乘積；Qe為在基準(zhǔn)溫度25 ℃條件時(shí)的蓄電池容量，Ah；Qt為t小時(shí)率額定容量，Ah；一般蓄電池額定容量用10小時(shí)率容量Q表示(環(huán)境溫度為25 ℃)；It為t小時(shí)率放電電流，那么Q=10I10[4]。那么定義蓄電池不同小時(shí)率的容量系數(shù)為

(1)

可得出，鉛酸蓄電池不同小時(shí)率放電電流、放電容量系數(shù)與放電終止電壓見表1所示[3-4]。

表1 額定電壓12 V的鉛酸蓄電池放電容量系數(shù)η表

1.1.2交流放電測試負(fù)載功率計(jì)算

若UPS電源蓄電池配置為N組、每組n塊、單體蓄電池電壓U，主機(jī)逆變效率為μ。現(xiàn)蓄電池預(yù)做t小時(shí)率容量試驗(yàn)(也叫核對(duì)性放電[1])，蓄電池以It恒流放電，則經(jīng)過UPS主機(jī)逆變后的交流負(fù)載初始功率為

P=N·n·U·It·μcosθ

(2)

式中：nU為蓄電池組直流電壓；cosθ為UPS電源的功率因素。測試過程中，蓄電池電壓會(huì)不斷下降，為了使蓄電池恒流放電，需不斷降低交流測試負(fù)載的大小。

1.1.3實(shí)際放出容量估算

放電測試期間要測量單體蓄電池端電壓、直流放電電流及環(huán)境溫度。一般10 h率容量試驗(yàn)的測量時(shí)間間隔為1 h，3 h率容量試驗(yàn)的測量時(shí)間間隔為0.5 h，1 h率容量試驗(yàn)的測量時(shí)間間隔為10 min；在放電末期應(yīng)隨時(shí)測量，以便確定測試時(shí)間和放電末期蓄電池的電壓[4]。則實(shí)際放出容量為

(3)

1.2 性能評(píng)估

1.2.1容量換算

蓄電池放電時(shí)，如果溫度不是25 ℃，則需將實(shí)測容量按式(4)換算成25 ℃基準(zhǔn)溫度下的容量[2-4]

(4)

式中：α為蓄電池溫度系數(shù)(1/℃)，10 h率容量試驗(yàn)時(shí)，取α=0.006；3 h率容量試驗(yàn)時(shí)，取α=0.008；1 h率容量試驗(yàn)時(shí)，取α=0.01。

1.2.2性能判定

將修正后基準(zhǔn)溫度下的蓄電池容量Qe實(shí)與t小時(shí)率容量ηtQ比較，兩者相近，說明蓄電池容量沒有下降，性能保持較好；當(dāng)Qe實(shí)只有ηtQ的80%時(shí)，蓄電池容量損失較大，應(yīng)對(duì)蓄電池作更換處理[1]。

2 交流放電測試試驗(yàn)

2.1 交流測試方法物理連接

現(xiàn)某測試廠房于2016年9月安裝160 kVA UPS電源1套，主機(jī)為伊頓9390[6]，蓄電池為西恩迪CD12-100LBT。該UPS電源的蓄電池是閥控式鉛酸蓄電池，配置為2組×40塊×100Ah×12V。交流測試負(fù)載采用本單位研制的ACTL90A交流電源智能測試負(fù)載(以下簡稱“交流負(fù)載”)，最大測試功率為90 kW，最小步進(jìn)功率1 kW。該交流負(fù)載采用獨(dú)立的220 V電源作為工作電源，同時(shí)具備以蓄電池組直流電壓和直流電流為輸入控制條件，通過測量蓄電池的電壓或電流控制交流負(fù)載繼續(xù)加載或卸載。測試前，連接好交流負(fù)載工作電源，將測試線、蓄電池組直流電壓測量線和直流電流測量傳感器與UPS電源做好相應(yīng)連接，測試連接示意圖如圖1所示。

圖1 交流負(fù)載測試連接示意圖

2.2 交流負(fù)載參數(shù)設(shè)置

測試按1 h率容量試驗(yàn)進(jìn)行，則每組蓄電池的直流放電電流為55 A。將UPS電源主機(jī)逆變效率0.94和功率因素0.9兩參數(shù)輸入交流負(fù)載的控制面板，同時(shí)設(shè)置控制總直流電流110 A(直流母線上的電流值)、測試停機(jī)直流電壓420 V(40×10.5 V)。參數(shù)設(shè)置完畢后，選擇交流負(fù)載工作在“自動(dòng)加載”工作模式，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)式(2)計(jì)算值自動(dòng)加載相應(yīng)的功率。測試過程中，交流負(fù)載實(shí)時(shí)測量蓄電池組直流電壓和總直流電流，隨著直流電壓的降低，為了確保蓄電池以110A總直流電流放電不變，交流負(fù)載功率會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整(卸載部分功率)。

測試臨近結(jié)束時(shí)，應(yīng)迅速做好測試收尾工作，等待交流負(fù)載停機(jī)；停機(jī)后，蓄電池轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)記錄

測試前24 h，蓄電池已經(jīng)進(jìn)行了一次完整的放充電。測試還需使用數(shù)字鉗形表、數(shù)字萬用表和環(huán)境溫度計(jì)，分別用于測量蓄電池直流放電電流、單體蓄電池端電壓和環(huán)境溫度。其中直流電流和環(huán)境溫度測量時(shí)間間隔為5 min，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

靜態(tài)下(切斷UPS電源輸入和輸出)，單體蓄電池端電壓在13.66～ 13.81 V之間；測試開始1min后的端電壓在12.21～12.45 V之間，個(gè)體差異不大；測試20 min后的端電壓在11.76～ 12.18 V之間，個(gè)體差異開始顯現(xiàn)；臨近測試結(jié)束(主機(jī)顯示剩余工作時(shí)間為5 min)的端電壓在(7.72～11.47)V之間，差距較大，將本次采集的數(shù)據(jù)列于表3，其中數(shù)值低于10.50的加粗表示。

表2 直流電流和環(huán)境溫度測量記錄

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)式(3)可得，第一組蓄電池放出容量為41.9 Ah，第二組為42.5 Ah；按式(4)換算成基準(zhǔn)溫度下的容量分別為42.3 Ah，43.2 Ah。按(1)式可得，理想情況下應(yīng)放出容量為55 Ah(0.55×100 Ah)。測試結(jié)果與理想值相差較大，也沒有達(dá)到1小時(shí)率容量的80%，即44 Ah。

從表3可以看出，臨近測試結(jié)束兩組蓄電池中共有28塊(第一組13塊，第二組15塊)蓄電池電壓偏低；在電壓偏低的蓄電池中，第一組數(shù)據(jù)分散嚴(yán)重，其中有3塊蓄電池電壓低于9.0 V，最低為7.72 V，“拖后腿”現(xiàn)象嚴(yán)重。該UPS電源安裝時(shí)間不長，蓄電池性能下降嚴(yán)重，查閱該裝備管理檔案及蓄電池合格證發(fā)現(xiàn)，有一半數(shù)量的蓄電池安裝之前在庫房存放時(shí)間將近半年。分析該蓄電池性能下降的原因，長時(shí)間存放使蓄電池極板表面逐漸產(chǎn)生硫酸鉛結(jié)晶體(一般稱之為“硫化”)[6]，堵塞極板的微孔，阻礙電解液的滲透，降低了極板中活性物質(zhì)的作用，內(nèi)阻增加，導(dǎo)致容量下降。

表3 單體蓄電池端電壓測量記錄

3 兩種放電測試方法比較

受制于直流放電測試負(fù)載因素，本文沒有直接進(jìn)行直流放電測試試驗(yàn)。參考市場上適用于測試文中蓄電池的直流負(fù)載產(chǎn)品說明書[8]，該直流負(fù)載和交流負(fù)載的工作參數(shù)見表4。

表4 兩種測試負(fù)載的工作參數(shù)

因此，可以進(jìn)一步歸納總結(jié)直流放電測試方法和交流放電測試方法的特點(diǎn)見表5。

表5 兩種測試方法對(duì)比

4 總結(jié)

所提出的基于交流放電的UPS電源蓄電池性能測試方法是對(duì)直流放電測試方法的繼承和發(fā)展。通過詳細(xì)介紹該方法的原理，推導(dǎo)了公式，并對(duì)160 kVA的UPS電源蓄電池進(jìn)行了性能測試試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該測試方法能夠達(dá)到測試UPS電源蓄電池性能的目的；同時(shí)由于該方法不需要考慮蓄電池的具體配置情況，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和通用性。

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