UPS充電器

　　電池的質(zhì)量問(wèn)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(zhù)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(guò)高或過(guò)低都會(huì )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(shí)驗是在40ºC的條件下加速進(jìn)行的。由此曲線(xiàn)可以看出，在這里的浮充電壓推薦值是2.25V/cell，高于這個(gè)值或低于這個(gè)值都會(huì )縮短電池的壽命。比如浮充電壓是2.225V/cell時(shí)，壽命將縮短5%，而浮充電壓上升到2.4V/cell時(shí)，壽命就縮短了40%。由此可見(jiàn)，維持精確的浮充電壓值是如何重要。但為了使電池長(cháng)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(xiàn)發(fā)生了矛盾，實(shí)際上事情就是這樣，有得就有失，所以電池在均衡充電時(shí)一定要控制好時(shí)間，以盡量延長(cháng)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(shí)驗）

1.恒壓充電

　　所謂恒壓充電就是用一穩壓源給電池充電，這種方法簡(jiǎn)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(shí)，由于電池的內阻相對而言仍然很低，就會(huì )有很大的充電電流使化學(xué)反應劇烈地進(jìn)行，從而產(chǎn)生大量的氣體，由于還原反應來(lái)不及進(jìn)行，使殼內氣壓迅速增加，沖開(kāi)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(wú)法打開(kāi)，就會(huì )使電池的外殼鼓脹或破裂。隨著(zhù)電池電壓的升高，充電電流逐漸減小，其減小的規律是：

 　　                                             （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——電池的內阻，Ω。

　　上式中有三個(gè)變量I_CH、U_GB、R_GB，充電電流I_CH隨著(zhù)充電過(guò)程的進(jìn)行而減小，電池電壓U_GB隨著(zhù)充電過(guò)程的進(jìn)行而升高，而電池內阻R_GB隨著(zhù)充電過(guò)程的進(jìn)行而減小。這就決定了充電過(guò)程的非線(xiàn)性。尤其是在接近浮充電壓值時(shí)，使充電變的非常緩慢，從理論上講，充電到額定浮充值的時(shí)間是無(wú)窮大。

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

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而導致的副作用；另一方面，可使充電直線(xiàn)進(jìn)行，加快了充電的速度，也可避免接近浮充值時(shí)的過(guò)于緩慢的過(guò)程。這種方法也有不足之處，因為隨著(zhù)充電過(guò)程的進(jìn)行，未經(jīng)反應的物質(zhì)會(huì )越來(lái)越少，如果仍用充電初期的電流注入，由于反應物質(zhì)的缺乏就會(huì )用水的電解來(lái)填補，這又會(huì )導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(shí)將充電電流減半。就是這個(gè)“一定值”也很難掌握，尤其是接近額定浮充電壓值時(shí)，如果仍用這個(gè)即使是減了半的電流強行灌入，也會(huì )加快電解水的進(jìn)程，縮短電池的壽命。因此這個(gè)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(diǎn)和不足，于是就推出了將二者優(yōu)點(diǎn)集合與一體的所謂恒流恒壓充電方式，實(shí)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(shí)的充電電路將該電流限制在一個(gè)規定值，使之能最大限度地保證既能快速充電，又能保證充電過(guò)程的安全。這一段的充電幾乎是線(xiàn)性的，隨著(zhù)充電過(guò)程的進(jìn)行，大約充電至80%～90%電池容量時(shí)，充電電流開(kāi)始小于限流值，其電流的變化開(kāi)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(chēng)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，本身的輸出電壓穩定度已達到了蓄電池的要求，故電池的充電功能統一由整流器負擔，這也是一個(gè)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(guò)了220V交流電壓幅值310V，因此不提高電壓就無(wú)法滿(mǎn)足電池組的充電要求。所以機器中就采用了稱(chēng)為Boost的升壓PWM電路。

　　一般UPS電源的后備時(shí)間大都在10min左右，充電器的設計也與此對應。如遇有長(cháng)延時(shí)的要求，雖然增加了電池可以滿(mǎn)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內含10min電池時(shí)，放電后重新充電的時(shí)間為10～12h。當有的用戶(hù)提出了8h要求時(shí)，電池容量增加到原來(lái)的48倍！若充足如此大的電池顯然不能靠UPS的內部充電器了。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。以往市場(chǎng)上的商品充電器雖然也考慮了隔離問(wèn)題，并且也采取了措施，但由于措施不利，也不乏導致UPS故障的例子。圖2就是一般外加充電器隔離措施圖，實(shí)際上所謂的隔離措施就是一只二極管。GB₁是UPS內部電池組，GB₂是外加長(cháng)延時(shí)電池組，而往往由于外加電池組的容量遠大于內部電池組，一般將GB₁省掉了，無(wú)論是省掉還是不省掉，都有一個(gè)不變的事實(shí)，即UPS內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。這樣做的結果是隔離了UPS對充電器的影響，保證了它不受其干擾，但沒(méi)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(shí)，它就會(huì )通過(guò)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(guò)開(kāi)關(guān)管斬波(PWM)而來(lái)，這就將市電直接接入UPS直流電路，就會(huì )導致故障。當然，此類(lèi)故障不會(huì )多見(jiàn)，但導致UPS冒煙的例子已經(jīng)有過(guò)。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(cháng)期的實(shí)踐運行中得到了證明，既安全又可靠。{{分頁(yè)}}

　　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方案設計思想：

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

　　b.在外加充電器與UPS電池之間加接一個(gè)簡(jiǎn)單的三端雙向互投機構，如圖3所示，用一個(gè)中間繼電器J（或接觸器甚至雙投手動(dòng)開(kāi)關(guān)），將該機構的中間臂3接外加電池組GB₂的正極，繼電器線(xiàn)包J跨接在UPS市電輸入線(xiàn)上。

　　c.當市電正常供電時(shí)，由于繼電器線(xiàn)包J被激勵而將觸點(diǎn)臂3由常閉觸點(diǎn)1打向2，此時(shí)正好是外加充電器正常輸出充電時(shí)期，GB₂被正常充電?？梢钥闯?，此時(shí)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(shí)，繼電器線(xiàn)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(cháng)延時(shí)放電的目的。

　　e.市電恢復時(shí)，繼電器又回到“3-2”狀態(tài)。這里可能有這樣一個(gè)問(wèn)題：市電恢復時(shí)，由于繼電器動(dòng)作存在惰性，有可能外加電池組GB₂不能及時(shí)斷開(kāi)，將會(huì )造成UPS內部充電器同時(shí)為兩組電池充電的局面，會(huì )不會(huì )因充電電流太大而導致故障呢？回答是否定的。因為所有在線(xiàn)式UPS的充電器都是限流溫壓式的，所以不會(huì )過(guò)流。

　　上面只是給出了一個(gè)原理方案，實(shí)際結構還要復雜一些。不過(guò)，用這個(gè)原理進(jìn)行隔離已經(jīng)足夠了。

　　關(guān)于外加充電器的電磁兼容問(wèn)題也不可忽視，由于現代UPS的用戶(hù)大都集通信和大量的數據傳輸為一體，尤其牽涉到無(wú)線(xiàn)通信，就更要求供電系統不能對用電系統有任何干擾。因此，一般UPS系統都要通過(guò)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(wèn)題，恰恰PWM開(kāi)關(guān)電源就是無(wú)線(xiàn)通信的敏感干擾源，因此不得不向其提出相應的要求。有時(shí)為了安全起見(jiàn)，采用原理上的無(wú)干擾電路是必要的。圖4表示的就是這樣一種無(wú)干擾充電器電路原理圖，這是一個(gè)典型的具有限流穩壓功能的充電器。

　　圖4 無(wú)干擾充電器電路原理圖{{分頁(yè)}}

　?、跓o(wú)干擾充電器電路特點(diǎn)：

　　a.電路結構簡(jiǎn)單、成熟、可靠。主回路只有電容器和普通整流器，這種傳統器件的制造歷史很長(cháng)，已達到很高的可靠性指標；輔助充電器也是歷史很長(cháng)的、性能指標非常好的傳統電路，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的比較器、運算放大器之類(lèi)的組件構成，可靠性當然更無(wú)問(wèn)題；執行器件是一只繼電器，一般觸點(diǎn)的動(dòng)作次數都在10⁶次以上。

　　b.電路工作原理簡(jiǎn)單、實(shí)用。充電器的兩個(gè)主要功能就是限流充電和穩壓浮充。該電路中的限流是靠一只電容器來(lái)完成的，既無(wú)電流傳感器又無(wú)反饋控制機構，僅僅靠電容本身的電壓自調整就實(shí)現了限流功能；大電流充電和高精度浮充溫壓分別進(jìn)行，就大大簡(jiǎn)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(xiàn)性穩壓器）的切換機構而不考慮0切換，這正是利用了電路對該指標不加考慮的特點(diǎn)。

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

　　因此，整個(gè)電路從原理上就杜絕了高頻干擾的發(fā)生。不過(guò)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(jìn)了UPS技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)高頻機UPS的出現，使該類(lèi)產(chǎn)品的逆變器輸出省去了笨重的隔離變壓器，同時(shí)將電池由一組增加到兩組，但容量不變，比如原來(lái)用一組電池時(shí)是100Ah，而現在變成了兩組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(chēng)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(yè)}}

　　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(xiàn)框內就是一個(gè)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(lái)時(shí)，高頻功率開(kāi)關(guān)管S被打開(kāi)，電流流動(dòng)的途徑是：

　　形成回路，這是電感L的儲能過(guò)程。脈沖結束時(shí)，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，于是二者就構成了充電電壓

U充 =U_dc+e_L                                                       (4)

　　式中 U充通過(guò)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的電池組構成的半橋逆變系統，也省去了輸出隔離變壓器。不同的是SILCON UPS沒(méi)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(gè)雙向變換器：正向工作時(shí)為半橋逆變器，反向工作時(shí)為充電器。和前者的另一個(gè)不同是：這里由一個(gè)雙向變換器巧妙的構成了兩個(gè)Boost充電器分別為兩組電池充電；兩個(gè)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(shí)現的，如圖6所示，它的主變換器構成了兩個(gè)Boost充電器，分別在正負半波工作進(jìn)行充電，這兩個(gè)Boost充電器是：

　　圖6 SILCON UPS主變換器做Boost充電時(shí)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(shí)，脈寬調制脈沖打開(kāi)V₂，電流的路徑是A→L→M→V₂→C₂→B，是L儲能過(guò)程；脈沖結束后，電感的反電勢極性是M⁺、A^-，與A端電壓疊加，使VD₁導通給電池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(shí)，脈寬調制脈沖打開(kāi)V₁，電流的路徑是B→C₁→V₁→M→L→A，是L儲能過(guò)程；脈沖結束后，電感的反電勢極性是M-、A+，也是正好與A端電壓疊加，使VD₂導通給電池?？刂泼}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(shí)現了用220V的相電壓可以給出高達460V直流充電電壓的目標。