基于交流放電的UPS電源蓄電池性能測試方法研究

彭進先，桑苗苗，高瀾，曹迎禧

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

0 引言

大型UPS電源廣泛用于通信機房、指控系統、測試廠房等特別重要的負荷中，在緊急情況下其能支撐的負載應急工作時間由蓄電池決定。因此有必要定期測試蓄電池的性能。文獻[1-4]，對電力工程和通信開關電源等直流電源系統用的蓄電池性能測試作了規范。測試時，直流放電測試負載(以下簡稱直流負載)對蓄電池恒直流放電，并記錄放電電流、放電時間、單體蓄電池端電壓、環境溫度等參數，通過放電電流與放電時間的乘積得出蓄電池的實測容量，經修正后，與規范的容量對比，評估蓄電池的性能。這種直流放電測試方法，直流負載的直流放電電壓范圍必須與蓄電池的配置相一致，試驗前還需要連接大量的測試電纜，試驗結束后再將其拆除，測試工作繁瑣[5]。利用UPS電源將蓄電池的直流電轉化為交流電的特性，采用交流測試負載測試蓄電池性能。通過UPS電源主機相關系數換算出交流負載大小，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境溫度等參數，綜合數據計算分析，判斷蓄電池性能。本文將詳細闡述該方法原理，并進行試驗。

1 蓄電池交流放電測試原理

1.1 容量計算

1.1.1蓄電池容量系數

為了檢驗蓄電池的實際容量，以規定的放電電流進行恒流放電，電池達到規定的放電終止電壓即停止放電，根據放電電流和放電時間計算出蓄電池的實際容量。

根據需要定義四個參數：QT為當環境溫度為T時的蓄電池實測容量，Ah，是放電電流I(A)與放電時間T(h)的乘積；Qe為在基準溫度25 ℃條件時的蓄電池容量，Ah；Qt為t小時率額定容量，Ah；一般蓄電池額定容量用10小時率容量Q表示(環境溫度為25 ℃)；It為t小時率放電電流，那么Q=10I10[4]。那么定義蓄電池不同小時率的容量系數為

(1)

可得出，鉛酸蓄電池不同小時率放電電流、放電容量系數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η表

1.1.2交流放電測試負載功率計算

若UPS電源蓄電池配置為N組、每組n塊、單體蓄電池電壓U，主機逆變效率為μ。現蓄電池預做t小時率容量試驗(也叫核對性放電[1])，蓄電池以It恒流放電，則經過UPS主機逆變后的交流負載初始功率為

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，蓄電池電壓會不斷下降，為了使蓄電池恒流放電，需不斷降低交流測試負載的大小。

1.1.3實際放出容量估算

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

(3)

1.2 性能評估

1.2.1容量換算

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

(4)

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

1.2.2性能判定

將修正后基準溫度下的蓄電池容量Qe實與t小時率容量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Qe實只有ηtQ的80%時，蓄電池容量損失較大，應對蓄電池作更換處理[1]。

2 交流放電測試試驗

2.1 交流測試方法物理連接

現某測試廠房于2016年9月安裝160 kVA UPS電源1套，主機為伊頓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。交流測試負載采用本單位研制的ACTL90A交流電源智能測試負載(以下簡稱“交流負載”)，最大測試功率為90 kW，最小步進功率1 kW。該交流負載采用獨立的220 V電源作為工作電源，同時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載繼續加載或卸載。測試前，連接好交流負載工作電源，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電源做好相應連接，測試連接示意圖如圖1所示。

圖1 交流負載測試連接示意圖

2.2 交流負載參數設置

測試按1 h率容量試驗進行，則每組蓄電池的直流放電電流為55 A。將UPS電源主機逆變效率0.94和功率因素0.9兩參數輸入交流負載的控制面板，同時設置控制總直流電流110 A(直流母線上的電流值)、測試停機直流電壓420 V(40×10.5 V)。參數設置完畢后，選擇交流負載工作在“自動加載”工作模式，則系統會根據式(2)計算值自動加載相應的功率。測試過程中，交流負載實時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，交流負載功率會實時自動調整(卸載部分功率)。

測試臨近結束時，應迅速做好測試收尾工作，等待交流負載停機；停機后，蓄電池轉為充電狀態。

2.3 數據記錄

測試前24 h，蓄電池已經進行了一次完整的放充電。測試還需使用數字鉗形表、數字萬用表和環境溫度計，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境溫度。其中直流電流和環境溫度測量時間間隔為5 min，測量數據如表2所示。

靜態下(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，個體差異不大；測試20 min后的端電壓在11.76～ 12.18 V之間，個體差異開始顯現；臨近測試結束(主機顯示剩余工作時間為5 min)的端電壓在(7.72～11.47)V之間，差距較大，將本次采集的數據列于表3，其中數值低于10.50的加粗表示。

表2 直流電流和環境溫度測量記錄

2.4 數據處理與分析

根據式(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，理想情況下應放出容量為55 Ah(0.55×100 Ah)。測試結果與理想值相差較大，也沒有達到1小時率容量的80%，即44 Ah。

從表3可以看出，臨近測試結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，第一組數據分散嚴重，其中有3塊蓄電池電壓低于9.0 V，最低為7.72 V，“拖后腿”現象嚴重。該UPS電源安裝時間不長，蓄電池性能下降嚴重，查閱該裝備管理檔案及蓄電池合格證發現，有一半數量的蓄電池安裝之前在庫房存放時間將近半年。分析該蓄電池性能下降的原因，長時間存放使蓄電池極板表面逐漸產生硫酸鉛結晶體(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的作用，內阻增加，導致容量下降。

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載因素，本文沒有直接進行直流放電測試試驗。參考市場上適用于測試文中蓄電池的直流負載產品說明書[8]，該直流負載和交流負載的工作參數見表4。

表4 兩種測試負載的工作參數

因此，可以進一步歸納總結直流放電測試方法和交流放電測試方法的特點見表5。

表5 兩種測試方法對比

4 總結

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直流放電測試方法的繼承和發展。通過詳細介紹該方法的原理，推導了公式，并對160 kVA的UPS電源蓄電池進行了性能測試試驗。試驗表明，該測試方法能夠達到測試UPS電源蓄電池性能的目的；同時由于該方法不需要考慮蓄電池的具體配置情況，具有較好的經濟性和通用性。

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