关于UPS电池容量计算的优化建议和探讨
风云君 How2Good
摘要：
蓄电池是不间断电源系统的关键组成部分，对电池进行容量计算，合理地电池配置选型，合理适配充电器容量，对整体供电方案尤为重要。本文简单描述了如何优化关键参数，采用何种方法对电池容量计算，提出了一些经验性的参考建议。
关键词：工业UPS，铅酸VRLA蓄电池，镍镉蓄电池，环境温度，放电曲线，平均电流
0 引言
蓄电池是不间断电源系统（即UPS，分为AC和DC）的关键组成部分。广泛应用于UPS的电池主要有两种类型：铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。它们都各有两种应用结构，开口式和密闭式结构。阀控式密闭免维护铅酸蓄电池(VRLA)最为常见，因为其价格优势和使用维护也较为方便。镍镉电池主要应用在环境复杂、要求较高可靠性和安全性的工业领域。近年来由于锂电池的成本下降和技术提升，也开始应用于UPS。本文主要探讨铅酸电池和镍镉电池。
蓄电池的充电和放电是其化学能和电能互相转化的过程，有其特定的充放电特性，并受环境条件的影响较大。在工业UPS应用中，要根据其具体的使用环境和工艺需求，合理选择哪一种蓄电池。在具体项目中，还要对电池进行容量计算，对电池进行配置选型，并设计合适的充电器容量。
1 优化整流充电器容量
整流充电器对电池的充电模式如图1。充电器向后级负载供电，同时对电池充电。可控硅型整流充电器主要应用在工业领域和较大容量场合，但高频开关式整流充电器也已在国内普遍应用，将是未来的发展趋势。
图1 充电器充电模式
整流充电器容量计算一般按如下公式：
I charger = I load + 0.1 C10 (铅酸电池)
I charger = I load + 0.2 C5 （镍镉电池）
此公式中，0.1C10和0.2C5为电池均充电流（回充电流）的习惯性常用值。这个均充电流可以根据实际情况调整，主要看要求的回充时间是多少。如果没有要求特定的回充时间，我们可以适当采用较低的均充电流，如0.05C10(铅酸电池)和0.1C5（镍镉电池），这样整流充电器的容量也会减小一些，对整体方案来说更有性价比。
当2台充电器共用一组电池时，它们都可以对电池强充，所以强充电流被两台充电器均分，单台充电器的容量也可以减小。
如果设计要求双电池组，再没有其它明确要求，应该推荐2x50%的电池方案，并在方案书中说明此情况。已经对双冗余有明确要求的，就应采用2x100%的电池方案。
对于AC UPS（没有DC直流配电时），整流充电器的容量不应该根据逆变器的终止放电电压时的直流电流计算，实际上这个电流仅能让电池向逆变器放电维持几秒钟。一旦电池停止放电，直流母线电压会快速回升，在逆变器工作模式时（如市电恢复后），逆变器输入电流也相应下降很多。电池刚放完电时的充电器是冷却的，其温度反馈系统会让强充过程安全运行，并允许充电器有短时间的过流情况发生。所以AC UPS的整流充电器容量计算可按照如下公式：
I charger = I inverter current at floating voltage + I battery recharge
整流充电器电流 = 浮充时的逆变器电流 + 电池强充电流
2 优化环境温度对UPS和电池容量的计算
关于超出环境温度的降容计算，也有优化建议。
工业UPS一般允许的运行环境温度为0℃～40℃，在限流控制措施下，当今的整流充电器技术都设计有温度补偿电路，该电路对温度值漂移大的敏感元件进行温度补偿。环境温度稍大于40℃时（如45℃）可以不再考虑降容，内部温度传感器的温度补偿会自动进行。当然，如果在最高+50°C的温度下连续工作，则可以考虑环境温度每升高1°C，UPS允许最大负荷将比额定值降低1.5 %左右。
环境温度对电池的放电性能影响很大。电池的最佳温度范围在20℃～25℃，较低的环境温度会显著降低电池的放电能量。在电池计算时，要考虑温度校正系数。温度与电池放电容量的关系曲线，可参考图2。
客户提供的环境温度信息，也要根据实际情况来分析是否有必要温度校正，有些情况是不需要的。比如，在中东地区可能会经常见到，对低温温度范围的要求为0～5～10°C，实际上此温度是沙漠地区夜晚的最低温度。电解液的热惯性会让电池内部温度保持很长的时间，可以说电池像滤波器一样对这个晚间的温度变化基本没有反应，这种情况就没有必要考虑温度校正系数来计算电池容量。
图2 温度与电池容量的关系曲线（阳光电池）
3 优化整流充电器直流电压，按平均放电电流对电池容量计算
优化合理的直流电压范围对电池容量的计算非常重要，电池放电期间的电压变化曲线见图3。从放电曲线可以看出，电池从完全充电状态到完全放电，其电压变化范围约为+/-15%（铅酸电池）和 +/-20%（镍镉电池）。这就意味着任何对直流电压区间的额外限制和要求，将会减少电池放电的能量输出，导致电池不完全放电，由此电池只能被放大配置来满足此要求，并不合理。
图3 电池放电电压曲线
在DC UPS系统中，作为应对措施之一，可以在电池端和负载之间串联降压硅链或DC/DC变换器，用来保持负载DC直流电压在要求的限制范围内。但此举会导致成本增加，需要优化电池的计算来平衡整体成本。
在AC UPS中，逆变器本身就允许输入直流电压有较大的窗口范围，给电池的优化计算带来有利条件。
优化建议之一就是平均电流计算法。
对于DC UPS， DC负载电流通常由客户核算和提供，电池放电容量的计算需要这个电流值（电池的恒流放电表由电池厂家提供）。有时DC负载的单位为kW，而不是电流值，则需要按如下公式换算为DC电流（平均电流）：
DC load discharge current = DC power / U floating or U load max
即，DC直流负载放电电流 = DC功率 / U浮充电压 或 U负载最大电压
当浮充电压太高，超出负载允许范围时，采用了降压硅链或DC/DC的，就按U负载最大电压进行计算。
不建议按DC的额定电压（见图3的曲线，用2.27V而不是2V，或1.4V而不是1.2V）来计算放电电流，这两种计算结果会有一定的差异。在实际应用中，负载是长时间（99.9%的时间）在浮充模式下工作，所以负载功率就应该按最长工作的浮充电压来计算电流。如果客户提出不同意见，可能有项目环境/背景条件限制等原因，也应该尽量向客户解释、接受这个优化算法。
对于AC交流UPS，逆变器或DC/DC变换器为恒功率工作方式，对VRLA电池的计算可查恒功率放电表。镍镉电池如果没有这个恒功率放电表，我们就用平均电流计算法，注意其放电电压应为线性平均电压，介于开始放电电压（可查电池厂家资料）和放电终止电压之间。
需要说明的是，电池厂家提供的IEEE标准的电池计算软件，并没有按照这个平均放电电流计算，而是按照终止放电电流。算出的电池容量偏大，增加电池成本。不建议采用IEEE计算软件，按恒功率计算法对AC UPS进行电池计算。可以按IEEE:I对电池容量计算，见下图4。
图4 电池厂家提供的IEEE标准的电池计算软件
4 结语
在UPS应用中，电池对后级负载的不间断供电和保护，起着非常重要的作用。在项目前期设计过程中，电池的选型和容量计算也是非常重要的一项工作。结合多年的实际应用经验和案例应用，从合理确定充电电流，是否考虑环境温度的影响，按照平均放电电压和平均放电电流计算等方面，本文有建设性的对电池计算提出了几个优化建议。对如何提供更有性价比的整体供电方案，有一定的参考意义。
2019.8.29
（End）
