直流系统中交流纹波对阀控式铅酸(VRLA)蓄电池寿命的影响

    UPS运行中,往往出现以下情况:同一供电环境下的两台UPS,其中1号UPS使用了7年,2号UPS使用了4年,但是这两台UPS均使用同一批次蓄电池,这批电池均使用了4年,然而1号UPS的蓄电池出现老化现象,而2号UPS蓄电池使用正常。这种情况,往往是由于1号UPS直流电容老化导致的交流纹波过大造成的。下述蓄电池均指阀控式铅酸(VRLA)蓄电池。

1 什么是交流纹波
　　
　　交流纹波是指在直流电压或电流中,叠加在直流稳定量上的交流分量。交流纹波电压是直流电压中的交流成分,理论上,直流电压是一个固定的值,但是在充电器中输出的直流是由交流电压整流、滤波后得来的,即使是最好的基准电压源,其输出电压也是有纹波的,如图1中所示虚线。

　　我们往往用交流纹波的峰峰值及有效值来描述纹波:　　
　　峰峰值(peak-to-peak,pk-pk)是指波形图中最大的正值和最大的负值之间的差。　　
　　针对正弦波而言,峰峰值除以2是峰值,峰值除以√2是有效值,如图2所示。

　　以我国的市电为例,有效值为220V,峰峰值为622V,峰值为311V。

2 纹波电压对于蓄电池的影响

01导致蓄电池发热

　　
　　众所周知,蓄电池的高温会极大地影响使用寿命(即:超过25℃以上,每升高10℃,使用寿命减少一半),那么蓄电池的温度主要取决于蓄电池周围的环境温度和蓄电池内部温度,而内部温度主要来源于内部放热电化学反应和电流通过电阻元件的电阻热(I2R)
    以一节西恩迪MPS12-100R(12V100Ah)为例:在理想的无纹波的情况下,浮充电压=13.6V,浮充电流=0.2A,那么这节电池在浮充状态的用电消耗=13.6×0.2=2.72W,其中有2%为蓄电池自放电,2%～3%消耗在板栅腐蚀和气相反应,约95%的浮充电流消耗在氧循环上,而氧循环是一个发热反应,那么这节电池,在浮充阶段,发热量=13.6×0.2×95%=2.58W。　　
　　而实际中，充电器存在输出纹波，会在此纯直流分量的发热量上，再叠加一个交流纹波分量发热量。　　
　　如果浮充阶段的纹波电压(峰峰值)为0.12V,那么,纹波电压比例(峰峰值)=0.12÷13.6=0.88%,虽然此比例0.88%小于推荐值1.5%,但是此纹波电压造成的纹波电流(峰峰值）=0.12÷0.0052=23A,即纹波电流(有效值)为8.16A,超过了最大允许值5A,此纹波导致的热量增加量为0.35W,此热量相对于纯直流电路的热量2.58W,有13%的增加,此热量的增加会影响蓄电池的寿命。
　　
　　因此,纹波电压和纹波电流两个参数均要关注。
　

02导致蓄电池排气

　　
　　除了关注过大的纹波电压导致的蓄电池发热,也要关注纹波电压导致的排气和提前干涸,以蓄电池单体为例,2.35V的充电电压会使得蓄电池排气,所以建议单体电池充电电压不高于2.3V,如果浮充电压直流部分为2.25V,在其上叠加的交流瞬时峰值不得高于0.05V,详细如表4及图3,也就是纹波的峰值过高,会导致排气和提前干涸。

03影响循环寿命

　　
　　蓄电池的单体开路电压是2.14V,如果浮充电压低于这个值,蓄电池就开始放电,如果浮充电压直流部分为2.25V,在其上叠加的交流瞬时谷值不得低于-0.11V(2.25-0.11=2.14V),详细如表5及图3。也就是纹波的谷值过低,会导致放电。
　　
如果纹波导致蓄电池放电，蓄电池将以纹波频率循环，不仅过大的纹波电流会产生极端的热量，而且会加速极板活性物质和板栅的腐蚀及其劣化。

3 结束语
　　
　　如何使得蓄电池寿命最佳基于前面几点,没有纹波的直流充电是最理想的,然而实际是做不到的,期望VRLA蓄电池获得最佳的寿命应该采取以下措施:　　
　　①在浮充阶段,充电器纹波电流要小于5A/100Ah;　　
　　②在浮充阶段,充电器纹波电压比例(有效值)≤0.5%;在恢复性充电阶段,纹波电压比例(有效值)≤1.5%;　　
　　③在循环使用的情况下,充电器纹波电压比例(有效值)≤1.5%;　　
　　④在日常维护的时候,要经常性检测浮充纹波电流,跟踪直流纹波的变化,如果纹波电流有显著增加,应及时更换直流电容等滤波器件。