UPS充電器

　　電池的質(zhì)量問題固然對UPS至關(guān)重要，但充電器的充電質(zhì)量在很大程度上影響著電池的質(zhì)量，其原因在前面已經(jīng)提及。尤其是電池充電電壓的精度一定要保證，因為浮充電壓的過高或過低都會影響電池的壽命，圖1表示的是MSE電池的充電電壓與壽命的關(guān)系，該實驗是在40ºC的條件下加速進行的。由此曲線可以看出，在這里的浮充電壓推薦值是2.25V/cell，高于這個值或低于這個值都會縮短電池的壽命。比如浮充電壓是2.225V/cell時，壽命將縮短5%，而浮充電壓上升到2.4V/cell時，壽命就縮短了40%。由此可見，維持精確的浮充電壓值是如何重要。但為了使電池長期使用后還能保證各電池電壓的平衡，采用的措施是均衡充電，而均衡充電的電壓也大都是2.4V/cell，這就和上面的曲線發(fā)生了矛盾，實際上事情就是這樣，有得就有失，所以電池在均衡充電時一定要控制好時間，以盡量延長電池的服務(wù)壽命。

　　圖1 MSE電池的充電電壓與壽命的關(guān)系（40ºC加速實驗）

1.恒壓充電

　　所謂恒壓充電就是用一穩(wěn)壓源給電池充電，這種方法簡單易行，也能夠保證電池的精確浮充電壓。但若在電池深度放電后充電時，由于電池的內(nèi)阻相對而言仍然很低，就會有很大的充電電流使化學(xué)反應(yīng)劇烈地進行，從而產(chǎn)生大量的氣體，由于還原反應(yīng)來不及進行，使殼內(nèi)氣壓迅速增加，沖開排氣閥將氣體逸出，加速了電解液的干涸，縮短了電池的壽命；若排氣閥因故障而無法打開，就會使電池的外殼鼓脹或破裂。隨著電池電壓的升高，充電電流逐漸減小，其減小的規(guī)律是：

 　　                                             （1）

式中   I_CH——電池的充電電流，A；

       E——充電器的輸出電壓，V；

       U_GB——電池電壓，V；

       R_GB——電池的內(nèi)阻，Ω。

　　上式中有三個變量I_CH、U_GB、R_GB，充電電流I_CH隨著充電過程的進行而減小，電池電壓U_GB隨著充電過程的進行而升高，而電池內(nèi)阻R_GB隨著充電過程的進行而減小。這就決定了充電過程的非線性。尤其是在接近浮充電壓值時，使充電變的非常緩慢，從理論上講，充電到額定浮充值的時間是無窮大。

　　這種充電方式在早期的小容量UPS中曾一度使用過，因出現(xiàn)了好多故障，目前一般不用了。{{分頁}}

2.恒流充電

　　恒流充電的好處在于：一方面可以限制充電電流，避免了由于上述的劇烈反應(yīng)而導(dǎo)致的副作用；另一方面，可使充電直線進行，加快了充電的速度，也可避免接近浮充值時的過于緩慢的過程。這種方法也有不足之處，因為隨著充電過程的進行，未經(jīng)反應(yīng)的物質(zhì)會越來越少，如果仍用充電初期的電流注入，由于反應(yīng)物質(zhì)的缺乏就會用水的電解來填補，這又會導(dǎo)致水的電離物氫和氧的快速蒸發(fā)，從而也縮短了電池的服務(wù)壽命。因此也有的提出在電池浮充電到“一定值”時將充電電流減半。就是這個“一定值”也很難掌握，尤其是接近額定浮充電壓值時，如果仍用這個即使是減了半的電流強行灌入，也會加快電解水的進程，縮短電池的壽命。因此這個界限也難于劃分和掌握。此種方法有的在均衡充電中使用。

3.恒流恒壓充電

　　鑒于上述兩種充電方式的優(yōu)點和不足，于是就推出了將二者優(yōu)點集合與一體的所謂恒流恒壓充電方式，實際上是限流恒壓充電方式。在充電初期由于電流有可能非常大，所以這時的充電電路將該電流限制在一個規(guī)定值，使之能最大限度地保證既能快速充電，又能保證充電過程的安全。這一段的充電幾乎是線性的，隨著充電過程的進行，大約充電至80%～90%電池容量時，充電電流開始小于限流值，其電流的變化開始遵從式(1)。目前UPS中的充電大都采用這種方式。

4.充電電路

　　(1)概述  UPS中電池的充電電路不外乎兩種：降壓充電電路和升壓充電電路。在一些小容量UPS中，由于電池組電壓比較低，故多用降壓電路，比如Smart、Matrix和Symmetra等系列UPS中，電池組額定電壓最高也就是120V，浮充電壓也小于140V，由單相220V交流電壓足可以得到此值；為了提高充電器的效率和降低功耗，充電器多采用稱為Buck電路的高頻PWM方案，這在前面已有介紹。在中大容量的UPS系統(tǒng)中，輸入多是三相電壓，又由于輸入整流器采用了相控的晶閘管方案，本身的輸出電壓穩(wěn)定度已達到了蓄電池的要求，故電池的充電功能統(tǒng)一由整流器負擔(dān)，這也是一個降壓充電電路。

　　只有一部分小容量UPS采用了高壓電池組，比如單相220V輸入的Imel 7.5kVA UPS就采用了384V的電池電壓，遠遠超過了220V交流電壓幅值310V，因此不提高電壓就無法滿足電池組的充電要求。所以機器中就采用了稱為Boost的升壓PWM電路。

　　一般UPS電源的后備時間大都在10min左右，充電器的設(shè)計也與此對應(yīng)。如遇有長延時的要求，雖然增加了電池可以滿足其放電的能力，但充電的速度就遠達不到目的了。比如一般UPS內(nèi)含10min電池時，放電后重新充電的時間為10～12h。當有的用戶提出了8h要求時，電池容量增加到原來的48倍！若充足如此大的電池顯然不能靠UPS的內(nèi)部充電器了。于是就提出了外加充電器的要求。

　　(2)UPS外加充電器的配置原則  UPS外加充電器的配置原則首先是要和UPS隔離，其次才是電磁兼容指標要和UPS相適應(yīng)。以往市場上的商品充電器雖然也考慮了隔離問題，并且也采取了措施，但由于措施不利，也不乏導(dǎo)致UPS故障的例子。圖2就是一般外加充電器隔離措施圖，實際上所謂的隔離措施就是一只二極管。GB₁是UPS內(nèi)部電池組，GB₂是外加長延時電池組，而往往由于外加電池組的容量遠大于內(nèi)部電池組，一般將GB₁省掉了，無論是省掉還是不省掉，都有一個不變的事實，即UPS內(nèi)部充電器和外加充電器的直接并聯(lián)。為了隔離相互間的影響，多數(shù)外加充電器多在其輸出正端串聯(lián)了一只正向二極管D。這樣做的結(jié)果是隔離了UPS對充電器的影響，保證了它不受其干擾，但沒有消除充電器對UPS的干擾。而且最關(guān)鍵的就是怕外加充電器對UPS的干擾。當外加充電器充電電壓因失控而突然增高時，它就會通過二極管去干擾UPS，如果該外加充電器的輸出電壓是由市電直接整流后通過開關(guān)管斬波(PWM)而來，這就將市電直接接入UPS直流電路，就會導(dǎo)致故障。當然，此類故障不會多見，但導(dǎo)致UPS冒煙的例子已經(jīng)有過。這種明顯存在隱患的電路一定要謹用。

　　圖2 一般外加充電器隔離措施圖

　　為了完全隔離相互間的干擾，圖3的外加充電器完全隔離方案是可取的，并在長期的實踐運行中得到了證明，既安全又可靠。{{分頁}}

　　圖3 外加充電器完全隔離方案原理圖

　?、偻饧映潆娖魍耆綦x方案設(shè)計思想：

　　a.充分保證UPS電路的完整性，即該方案不動UPS的一點一線，不從UPS機內(nèi)引出任何附加的信號線。按照UPS正常的要求，只從UPS的輸出接線端子做正常連接。

　　b.在外加充電器與UPS電池之間加接一個簡單的三端雙向互投機構(gòu)，如圖3所示，用一個中間繼電器J（或接觸器甚至雙投手動開關(guān)），將該機構(gòu)的中間臂3接外加電池組GB₂的正極，繼電器線包J跨接在UPS市電輸入線上。

　　c.當市電正常供電時，由于繼電器線包J被激勵而將觸點臂3由常閉觸點1打向2，此時正好是外加充電器正常輸出充電時期，GB₂被正常充電。可以看出，此時UPS和外加充電器是完全隔離的，并且UPS的充電器僅僅給自己的電池GB₁充電，保證了其原有的一切充電功能。

　　d.當市電斷電時，繼電器線包J被釋放，中間臂3由2回到1，將外加電池組GB₂并聯(lián)在GB₁上，形成了純電池組的并聯(lián)，也就達到了大容量電池長延時放電的目的。

　　e.市電恢復(fù)時，繼電器又回到“3-2”狀態(tài)。這里可能有這樣一個問題：市電恢復(fù)時，由于繼電器動作存在惰性，有可能外加電池組GB₂不能及時斷開，將會造成UPS內(nèi)部充電器同時為兩組電池充電的局面，會不會因充電電流太大而導(dǎo)致故障呢？回答是否定的。因為所有在線式UPS的充電器都是限流溫壓式的，所以不會過流。

　　上面只是給出了一個原理方案，實際結(jié)構(gòu)還要復(fù)雜一些。不過，用這個原理進行隔離已經(jīng)足夠了。

　　關(guān)于外加充電器的電磁兼容問題也不可忽視，由于現(xiàn)代UPS的用戶大都集通信和大量的數(shù)據(jù)傳輸為一體，尤其牽涉到無線通信，就更要求供電系統(tǒng)不能對用電系統(tǒng)有任何干擾。因此，一般UPS系統(tǒng)都要通過一定的電磁兼容標準，如EN50091-2等。然而一般市面上的外加充電器很少注意到這些問題，恰恰PWM開關(guān)電源就是無線通信的敏感干擾源，因此不得不向其提出相應(yīng)的要求。有時為了安全起見，采用原理上的無干擾電路是必要的。圖4表示的就是這樣一種無干擾充電器電路原理圖，這是一個典型的具有限流穩(wěn)壓功能的充電器。

　　圖4 無干擾充電器電路原理圖{{分頁}}

　　②無干擾充電器電路特點：

　　a.電路結(jié)構(gòu)簡單、成熟、可靠。主回路只有電容器和普通整流器，這種傳統(tǒng)器件的制造歷史很長，已達到很高的可靠性指標；輔助充電器也是歷史很長的、性能指標非常好的傳統(tǒng)電路，輸出電壓精度很容易做到1%，輸出電壓紋波做到<5mV則輕而易舉；測量與控制電路都是由傳統(tǒng)的比較器、運算放大器之類的組件構(gòu)成，可靠性當然更無問題；執(zhí)行器件是一只繼電器，一般觸點的動作次數(shù)都在10⁶次以上。

　　b.電路工作原理簡單、實用。充電器的兩個主要功能就是限流充電和穩(wěn)壓浮充。該電路中的限流是靠一只電容器來完成的，既無電流傳感器又無反饋控制機構(gòu)，僅僅靠電容本身的電壓自調(diào)整就實現(xiàn)了限流功能；大電流充電和高精度浮充溫壓分別進行，就大大簡化了電路，指標也容易做得好；用繼電器做主充電電路和輔助充電器（線性穩(wěn)壓器）的切換機構(gòu)而不考慮0切換，這正是利用了電路對該指標不加考慮的特點。

　　c.整個電路的工作狀態(tài)都是線性的，無產(chǎn)生高頻干擾的機構(gòu)和過程。主回路的電容器和普通整流器都自然地工作于50Hz，線性穩(wěn)壓器從小信號到大信號都是典型的線性工作狀態(tài)，測量與控制電路也僅僅是對直流電平的線性轉(zhuǎn)換。

　　因此，整個電路從原理上就杜絕了高頻干擾的發(fā)生。不過這種電路比同容量的PWM充電器體積要大一些。因此，在那些對干擾指標要求不太嚴格的地方，PWM充電器還是得到了廣泛的應(yīng)用。

　　(3)雙電池組充電器：

　?、偕龎海˙oost）充電電路。單電子器件的發(fā)展促進了UPS技術(shù)的發(fā)展，近年來高頻機UPS的出現(xiàn)，使該類產(chǎn)品的逆變器輸出省去了笨重的隔離變壓器，同時將電池由一組增加到兩組，但容量不變，比如原來用一組電池時是100Ah，而現(xiàn)在變成了兩組50Ah。如圖5所示的GB₁和GB₂。兩組電池串聯(lián)連接，每組電池標稱電壓一般為384V，兩組串聯(lián)總電壓為768V，若按照2.25V/單元的標準充電，兩組電池的浮充電壓就需：

                                      (1)

若均充電壓取2.4V/單元，兩組串聯(lián)總電壓為：

                                       （2）

　　圖5 升壓（Boost）充電電路{{分頁}}

　　而整流器的最大整流電壓才只有432V，因此不論給一組電池充電還是給兩組電池充電都需用升壓(Boost)充電電路，圖5虛線框內(nèi)就是一個典型的Boost充電電路。該電路就是利用高頻切割直流整流電壓U_de和電感儲能的方法，產(chǎn)生高壓脈沖e_L與整流電壓U_dc疊加后給電池充電，具體工作方式如下：

　　當一觸發(fā)脈沖到來時，高頻功率開關(guān)管S被打開，電流流動的途徑是：

　　形成回路，這是電感L的儲能過程。脈沖結(jié)束時，由于其后沿很陡，在電感上的儲能就激起很高的反電勢

     e_L=L(di/dt)                                                        (3)

　　其極性正好和整流電壓相加，于是二者就構(gòu)成了充電電壓

U充 =U_dc+e_L                                                       (4)

　　式中 U充通過二極管D給電池組充電。適當控制觸發(fā)脈沖的寬度就可以控制充電電壓U充的高低，于是也就可以將電池的浮充電壓U_gb穩(wěn)定在要求的精度上。

　?、陔p升壓（Boost）充電電路。SILCON UPS也是由兩組額定電壓為384V的電池組構(gòu)成的半橋逆變系統(tǒng)，也省去了輸出隔離變壓器。不同的是SILCON UPS沒有單獨的充電器，電池的充電是由主變換器完成的，在前面討論中已知，該主變換器是一個雙向變換器：正向工作時為半橋逆變器，反向工作時為充電器。和前者的另一個不同是：這里由一個雙向變換器巧妙的構(gòu)成了兩個Boost充電器分別為兩組電池充電；兩個Buck電路將直流電壓變換成交流正弦波給負載供電。

　　因此，SILCON UPS的電池高電壓充電是靠Boost充電器實現(xiàn)的，如圖6所示，它的主變換器構(gòu)成了兩個Boost充電器，分別在正負半波工作進行充電，這兩個Boost充電器是：

　　圖6 SILCON UPS主變換器做Boost充電時的電路部分

　　a.一路是V₂、VD₁、L、C₂、GB₁：當UPS輸出電壓為正半波時，脈寬調(diào)制脈沖打開V₂，電流的路徑是A→L→M→V₂→C₂→B，是L儲能過程；脈沖結(jié)束后，電感的反電勢極性是M⁺、A^-，與A端電壓疊加，使VD₁導(dǎo)通給電池GB₁充電?？刂泼}沖的寬度和電流的大小，就可以控制L的儲能大小，從而控制反電勢的幅度，也就給定了電池GB₁浮充電壓的高低。

　　b.一路是V₁、VD₂、L、C₁、GB₂：當UPS輸出電壓為負半波時，脈寬調(diào)制脈沖打開V₁，電流的路徑是B→C₁→V₁→M→L→A，是L儲能過程；脈沖結(jié)束后，電感的反電勢極性是M-、A+，也是正好與A端電壓疊加，使VD₂導(dǎo)通給電池。控制脈沖的寬度和電流的大小，也可以控制L的儲能大小，從而控制反電勢的幅度，也就給定了電池GB₂浮充電壓的高低。

　　于是就實現(xiàn)了用220V的相電壓可以給出高達460V直流充電電壓的目標。