SEHEY西力蓄电池NP2-100Ah/2V100AH船舶照明

西力SEHEY蓄电池来自德国WESTPOWER公司拥有60多年生产UPS的经验，在欧洲、美国、亚洲等地设有分公司、工厂，1992年SEHEY公司将业务总部迁往美国，现在业务遍及世界各地八十多个国家和地区，产品年销售过亿美元。

阀控式密封铅酸蓄电池作为主电源或备用电源广泛用于潜艇、坦克、计算机、通讯、太阳能电池等,在一些特殊使用领域或使用地区,对电池的低温性能提出了更高的要求。比如低温容量要求,-40℃低温5小时率(终止电压10.2V)容量不低于常温容量的30%。而采用普通的铅膏配方,-40℃低温容量会降到常温的30%左右,这样产品合格率非常低。其原因有温度降低时电解液粘度增加,渗透能力减弱;电池内阻增大,内部电压降增大。在这些因素作用下,电池放电容量减少。另外,在低温环境条件使用,普通的阀控式铅酸蓄电池负极活性物质随温度下降,充电接受能力迅速降低,会进一步降低电池的放电性能,导致电池的性能满足不了低温使用要求。
　　
　　本文从利于电池低温放电性能的各个方面入手,在电池容量、重量等其他性能指标满足要求的同时,尽量提高电池-40℃低温放电性能,延长电池使用寿命。
　　
　　1 温度对铅酸蓄电池的影响
　　
　　(1)西力蓄电池实际容量
　　
　　温度对铅酸蓄电池的容量影响较大,随着温度的降低容量减少。
　　
　　蓄电池的额定容量通常是在25℃环境温度下以及在的放电率情况下规定的。电池的工作温度是25℃,当电池放电工作温度不是25℃时,由于电化学的作用,实际容量应按式(1)换算成25℃基准温度时的容量
　　
　　式中:Ct为实测容量(Ah);
　　
　　Ce为环境温度在25℃时的标称容量(Ah);
　　
　　T为实际环境温度(℃);
　　
　　K为容量的温度系数,10小时率容量实验时
　　
　　K=0.006/℃、3小时率容量实验时K=0.008/℃、1小时率容量实验时K=0.01/℃。从式(1)中可以看出,当环境温度高于25℃时,蓄电池的实际释放容量Ct大于设计额定容量Ce;而环境温度低于25℃时,它的实际可释放容量Ct低于设计额定容量Ce。从温度系数K的取值还可看出,放电率越大,温度对容量的影响也越大[1]。
　　
　　(2)温度与电池电解液性能的关系
　　
　　电池容量随温度降低而减少,这与温度对电解液粘度和内阻有严重影响密切相关。电解液温度高时,扩散速度增加、内阻降低,其电动势也略有增加。因此,铅酸蓄电池的容量及活性物质利用率随温度增加而增加。电解液温度降低时,其粘度增大,离子运动受到较大阻力,扩散能力降低。在低温下电解液的电阻增大,电化学反应阻力增加,结果导致电池容量下降。
　　
　　(3)低温对铅酸蓄电池极板的影响
　　
　　在低温工作条件下,负极板上的海绵状铅极易变成小尺寸的晶粒,容易使小孔被冻结和堵塞,从而大大降低活性物质的利用率。假若在低温恶劣情况下大电流放电使用,负极活性物质中的小孔将会被阻塞得更严重,海绵状铅可能变为致密的PbSO4,使得电池可放出的电量大大降低。对于正极板来说,其温度系数为负值,因而在低温下具有较高的电极电势。从而在低温情况下正极放电速率远大于负极放电速率。这样,在负极生成PbSO4层前,正极PbO2转化为PbSO4的过程已经结束,所以正极板在低温下不生成致密的PbSO4晶粒。所以,温度过低将会导致阀控式密封铅酸蓄电池的容量下降[2]。
　　
　　2 低温西力电池的开发
　　
　　(1)低温电池的开发方案
　　
　　从有利于电池低温放电性能的各个方面入手,在电池容量、重量等其他性能指标满足要求的同时,尽量提高电池在-40℃低温时的放电性能,延长电池使用寿命。具体方案如下:
　　
　　①从正极板入手,调整Pb-Ca-Sn-Al合金成分,增加Sn含量到1.2%～1.5%,以增加板栅机械强度和耐腐蚀性。在合金中添加0.1%Ag,可以增加板栅耐蠕变能力,有利于改善电池的深循环放电循环性能。采用放射性板栅结构,将极耳向极板的中部移动,减薄极板厚度,增加极板片数,改善电池大电流放电能力。
　　
　　②为了延长电池寿命、提高低温大电流放电能力,采用高密度铅膏配方,在铅膏中适量添加导电剂。采用较大的装配压、内化成的方法,进一步提高电池使用寿命。正极板中导电添加剂的加入,可以使极板电阻降低,电池低温放电性能显著提高;提高了正极活性物质的转换效率,正极板更容易化透;保证了正极板的高孔率,更利于酸液向极板内部扩散,提高了活性物质利用率;
　　
　　③负极铅膏中提高木素、腐植酸的添加比例,更有效避免了硫酸铅钝化层的形成,提高了电池低温放电容量;
　　
　　④负极铅膏中活性炭的加入,保证了负极板的高孔率,更利于酸液向极板内部扩散,提高了活性物质利用率;
　　
　　⑤极群中增加正负极板片数,提高了极板真实表面积,保证了电池有较高的放电容量;
　　
　　⑥选用高孔率、低内阻的AGM优质隔板,提高电解质中离子良好通过性,从而保证电池良好低温性能;
　　
　　⑦选用高纯度、高固含量纳米硅溶胶和内含Na2SO4添加剂稀H2SO4的混合胶体电解质,使得电解质成胶均匀、无分层,提高了电池过放电后充电能力,保证了电池使用寿命。SEHEY蓄电池

SEHEY西力蓄电池NP2-100Ah/2V100AH船舶照明

从世界上*台UPS诞生开始，除了可靠以外，高效就是UPS一直追求的目标。从80%的效率发展到现在95%以上的效率，究竟业内的专家做了哪些努力，让UPS达到如此高效?未来还有哪些改进空间，可以让UPS达到更高的效率?本文试图就这个问题给出一些见解。

1 为什么要高效?
　　
(1)可靠性的需求

在选用UPS产品之时,客户的*关注点必然是可靠性。对UPS来说,更高的效率意味着更低的发热量,根据阿列纽斯理论(Arrhenius theory),认为温度每上升10℃,电子产品(例如电容、半导体器件)的寿命减半,发热量的降低将对器件内部温度的降低起到重要贡献,从而提高器件本身的寿命。

当然,高效只是影响UPS内部温度的主要因素之一,还要综合考虑机器本身的散热设计。但是,效率越低往往意味着需要在成本(更好的散热器件或更大的散热空间)、可靠性(增加故障点)或工作温度(40℃时不能连续工作)等方面作牺牲,以保障内部温度在可接受的范围之内。

(2) 响应国家节能减排政策

2013年初,工信部联合五部委共同出台《关于数据中心建设布局的指导意见》[工信部联通(2013)13号],要求新建数据中心PUE值达到1.5以下,原有改造的数据中心PUE值下降到2以下;而UPS系统的损耗是数据中心能耗的主要组成部分,大约占到数据中心能耗的6%～10%,数据中心要做到较低PUE,必须选择运行效率更高的UPS。图1给出了不同类型UPS对PUE贡献的差异。

(3)客户节约电费的需求

以一个中型数据中心为例,假设IT负载为500kW,A系列UPS效率为93%,B系列UPS效率为96%,空调能效比(EER)为3:1。根据以上条件,分别采用两种UPS所带来的损耗见表1。

一般来说UPS效率每提高一个百分点可节约10%～20%的电能费用,可见高效UPS给企业带来的收益是很可观的。

(4)认证门槛的要求

为应对气候的变化及提升技术门槛,各地出台了针对各类产品的节能认证标准,如中国的CQC“节能产品认证”、美国的“EnergyStar”,以上两者是当地政府部门强制性认证,没有通过相关认证的产品不能进入名单。如英国的ECA认证,要求200kVA以上UPS满载效率做到96%,针对具备ECA认证的产品,客户可以在购买产品的*年申请100%的税收减免。此类节能认证极大的提升了高效产品的竞争力,也说明了各国对产品高效性能的重视。

(5)负载率对效率的影响

负载率对UPS的效率影响很大。如图2所示,一般情况下,UPS的效率会随着负载率的提高而提高,并且会在负载率达到70%时达到效率点。结合图2的曲线,不难得出以下结论:让UPS始终工作在效率负载区间,是提升UPS效率的可行手段。然而实际场景中,存在以下因素,使得UPS负载率无法工作在负载区间,甚至存在负载率极低,导致UPS效率极低的情况。

西力蓄电池①超前规划

因为供配电系统不易改造,机房在规划时会考虑到未来3～5年的业务扩容,常常需要提前规划好扩容容量的供配电系统;图3给出了超前规划降低UPS负载率。

②冗余配置

　为保障可靠性,供配电系统需要冗余配置,常采用N+1配置,部分核心负载甚至采用2N或2(N+1)配置,保证供配电系统任何一条线路出现问题时都不会导致负载掉电;采用图4给出了冗余配置降低系统负载率。

③机房设计时不可能按照100%负载率进行设计,一般情况下,负载率不会超过80%。

因为以上所讲的三个原因,一般情况下,UPS实际负载率低于40%,冗余越高的,负载率越低(见图4),一些机房UPS负载率会低到20%左右。

2 UPS损耗组成
　　
如何提升UPS的效率?UPS的损耗由哪些部分组成?图5为UPS输入功率的终走向。

图5中深色部分为UPS终输出功率,即提供给负载的能量;浅色部分为UPS自身产生的损耗,终转化为热量或辐射等;图上方的折线图为效率趋势。从图5中可以看出UPS损耗并不是呈现线性增加,这是由于其损耗由多种类型组成。以下对空载时的损耗和满载时的损耗分别进行分析,从中找出UPS损耗构成的基本规律。

(1)空载损耗

从图6中可以看出,UPS上电后,有一部分器件始终处于工作状态,其损耗即使在UPS空载时也是*的。这部分器件中,损耗大的是电感,占据了42%,其次是IGBT和SCR的驱动以及SCR本身的损耗,两者加起来大概占了26%左右,还有一些损耗比较小的,比如泄放电阻,电容内阻等。一般占UPS大额定容量的0.5%～3%左右。

(2)满载损耗

图7为满载损耗分布图,可以看出,跟空载损耗相比IGBT与二极管损耗明显增大,从空载时的6.6%跃升至45.7%;电感损耗占比略有下降,但是仍然占据了32.6%;SCR的损耗略有上升,从12.4%上升到14.4%。其他诸如风扇,监控,控制板等占比均有下降。

从以上的对比可以看出,IGBT、二极管、电感等的损耗是UPS损耗的大头,要想提升UPS的效率,一方面需要从降低这些器件损耗入手,另一方面,可以选择更优的拓扑结构。

3 如何降低UPS损耗
　　
(1)降低器件损耗

高频UPS所用的半导体器件主要为IGBT、二极管以及MOSFET。由于自身结构和工作特性不同,器件损耗构成各有不同。

①IGBT

IGBT的损耗由导通损耗和开关损耗构成。

导通损耗等于导通电流ICE和正向导通压降UCE的乘积

　　
开关损耗分为开通和关断损耗,可以用单次通断的能量损耗(Eon或Eoff)乘以开关频率Fsw来表示  

    


降低IGBT损耗需要选择导通压降低、开关损耗小的型号。由于通常导通压降低和开关损耗小无法同时选择,所以需要判断实际电路中导通损耗比较大还是开关损耗比较大,然后选择收益大的一个方向挑选IGBT。

随着半导体技术的发展,IGBT也逐渐呈现高效化的趋势,新一代的IGBT通常比上一代损耗降低,所以优先挑选采用技术的IGBT也是降低损耗的一个常用手法。华为UPSU5000在整流和逆变电路上选择了不同型号的IGBT以配合电路实际工作特性,以求达到损耗小。

注:部分电路中IGBT的反并联二极管也会产生损耗,选择IGBT时也需要注意二极管特性。

②二极管

在UPS中会使用较多的功率二极管,按照电路工作的频率,二极管分为高频二极管和整流(工频)二极管,两种二极管的损耗略有差异,本文主要讨论高频二极管的情况。

高频二极管的损耗主要由导通损耗和开关损耗构成,导通损耗等于正向导通电流IF和正向导通压降UF的乘积:

  　　
开关损耗主要是由二极管的反向恢复电流引起的
  

式中,Udiode-REC为二极管的反向电压,Ileakage-diode-REC为二极管的反向恢复电流。

二极管的总损耗为:

              　
如上式所示,如果要降低高频二极管的损耗,需要挑选导通压降小和反向恢复快的二极管。

③功率电感

功率电感的损耗由磁芯损耗和线圈损耗组成。磁芯损耗分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。UPS一般工作频率不高,大部分在20kHz左右,磁芯损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成,通常磁芯供应商的拟合损耗曲线会包含这些损耗。以CSC sendust26μ磁芯为例,图8中给出了损耗的拟合公式,先计算出B,再代入工作频率即可得到单位体积的损耗。降低B能有效降低磁芯损耗,即可以选择增大磁路截面积或提高频率、降低工作电压等措施来降低磁芯损耗。例如:以CSC铁硅铝26μ的磁芯为例,如果将磁芯的截面积增加25%,其他条件不变,则B会降低25%,磁芯损耗则会降低45%。

线圈损耗是电流在导线上流过产生的。通常流过电感的电流包括直流或工频的低频电流和开关频率的高频电流。由于集肤效应的存在,开关频率较高时线圈的交流阻抗会大于直流阻抗,所以设计时如果开关频率较高,需要用多股细线并绕来降低集肤效应的影响。

④风扇

风扇的损耗主要来自电机,通常电机的损耗和转速的立方成正比,所以在不同负载段适当调整风扇转速,可以降低各负载段的风扇损耗。

(2)优化拓扑结构,降低损耗

除了以上讨论的降低器件损耗外,通过优化UPS的拓扑结构也可以降低损耗。在UPS领域,大量应用多电平拓扑。相对于以前使用的两电平拓扑,现在常用的二极管箝位型三电平拓扑与传统两电平拓扑逆变器相比,可以减小滤波电感的尺寸和损耗。

①三电平损耗分析

图9给出二极管箝位型三电平逆变器拓扑。电路主要损耗为开关器件的导通损耗、开关损耗以及输出滤波电感损耗。因三相电路三个桥臂的损耗相同,为便于计算,基于A相单相桥臂进行损耗分析。

如图10给出A相桥臂开关VT1～VT4的驱动信号ugVT1～ugVT4与输出电压uo、电流io关系示意图。开关动作情况可根据uo、io的方向分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域。

ugVT1～ugVT4与uo、io的关系由图10可以看出,在Ⅰ区域中,io方向为负,即流入变换器。当输出高电平时,VD1,VD2导通;当输出零电平时,VD5,VT3导通。忽略io在一个开关周期中的变化,则Ⅰ区域中逆变器单相半导体器件损耗功率为
     　　
式中,EswⅠ为Ⅰ区域器件消耗的总开关损耗能量;EconⅠ+为Ⅰ区域输出高电平时,器件消耗的总导通损耗能量;EconⅠ0为Ⅰ区域输出零电平时,器件消耗的总导通损耗能量;f为输出电压频率。在Ⅱ区域中,io方向为正,即流出变换器。当输出高电平时,VT1、VT2导通,输出零电平时,VD6、VT2导通。Ⅱ区域导通器件示意图忽略io在一个开关周期中的变化,则Ⅱ区域中逆变器单相半导体器件损耗功率为

式中,EswⅡ为Ⅱ区域器件消耗的总开关损耗能量;EconⅡ+为II区域输出高电平时,器件消耗的总导通损耗能量;EconⅡ0为Ⅱ区域输出零电平时,器件消耗的总导通损耗能量。分析可知,Ⅲ区域与Ⅰ区域,Ⅳ区域与Ⅱ区域分别为对偶关系,所以Ⅲ区域的器件损耗与Ⅰ区域相同,Ⅳ区域的器件损耗与Ⅱ区域相同,故三电平逆变器三相半导体器件总损耗功率为

②两电平损耗分析

两电平逆变器拓扑如图11所示。同样,根据uo和io的方向,将开关动作情况分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域,则两电平逆变器三相半导体器件总损耗功率可表示为


各分量计算与三电平对应,但需修改相应的损耗参数。

对比式(1)和式(2),用Mathcad软件可算出三电平和两电平逆变器在相同给定应用条件下的损耗和效率。

按照以下给定值计算:三电平逆变器以IGBT为开关器件,型号为2MBI  300U2B-060(600V/300A),二极管VD1～VD6型号为1FI150B-060(600V/200A);两电平逆变器所用IGBT型号为2MBI300UC-120(1200V/300A);两种拓扑逆变器驱动电阻Rg=5Ω,工作温度Tj=125℃。理论计算,当fs=10kHz时,三电平逆变器效率比两电平逆变器提高1.7%;当fs=20kHz,三电平逆变器效率可提高2.79%。可以看出,选择更优的拓扑可以显著提高效率。

(3)采用模块化UPS降低系统损耗

选用模块化的优点如下:

①按需扩容

模块化UPS的一大优势在于可在线扩容,这种设计使得客户不于超前规划UPS系统的容量,而可以在适合的范围内接近负载容量,从而达到的效率点。

②模块冗余

UPS系统的可靠性是客户非常看重的指标。一般来说,N+1冗余系统可以满足大部分应用场景的可靠性需求,也是性价比的配置方式。一般塔式系统采用N+1只保证了可靠性,但是会导致初期投资较高,并且也会让负载率低于50%,采用模块化机器则不会有这个问题。

③智能休眠功能

模块化UPS一般具有智能休眠功能,采用这个功能可有效改善因低载带来的低效现象。智能休眠的示意图如图12所示。UPS将根据目前所处负载情况,在留有冗余的前提下,休眠1～2个模块,从而提升其他工作中机器的负载率,使得系统效率得以提升。且原有系统负载率越低,节能效果越显著。以负载率为20%的3+1模块冗余系统为例,通过智能休眠功能,系统将休眠2个模块,使得剩余2台机器负载率达到40%,且这种情况下UPS系统仍保留冗余,即保障1台机器故障时,剩余1台机器仍可正常带载运行。仍以500kW负载为例,空调EER=3:1,休眠前后的节能对比见表2。

从表2的对比可见,休眠后的总损耗降低了三分之一以上,10年可节约204万度电,带来约100万元人民币的收益。华为UPS5000-E除具备轮换休眠功能外,系统会对工作的模块进行定期轮换,以保证工作时间平均,延长模块寿命。图13为UPS5000-E智能轮换休眠的示意图。

4 结束语
　　
当今业界UPS效率普遍可以达到96%甚至更高,但是提升UPS效率仍然是整个业界一直持续追求的,选用优质器件、更优的拓扑是提升UPS效率的可靠途径,同时模块化UPS智能休眠等特性可以让UPS工作在效率区间。