UPS充电器

　　电池的质量问题固然对UPS至关重要，但充电器的充电质量在很大程度上影响着电池的质量，其原因在前面已经提及。尤其是电池充电电压的精度一定要保证，因为浮充电压的过高或过低都会影响电池的寿命，图1表示的是MSE电池的充电电压与寿命的关系，该实验是在40ºC的条件下加速进行的。由此曲线可以看出，在这里的浮充电压推荐值是2.25V/cell，高于这个值或低于这个值都会缩短电池的寿命。比如浮充电压是2.225V/cell时，寿命将缩短5%，而浮充电压上升到2.4V/cell时，寿命就缩短了40%。由此可见，维持精确的浮充电压值是如何重要。但为了使电池长期使用后还能保证各电池电压的平衡，采用的措施是均衡充电，而均衡充电的电压也大都是2.4V/cell，这就和上面的曲线发生了矛盾，实际上事情就是这样，有得就有失，所以电池在均衡充电时一定要控制好时间，以尽量延长电池的服务寿命。

　　图1 MSE电池的充电电压与寿命的关系（40ºC加速实验）

1.恒压充电

　　所谓恒压充电就是用一稳压源给电池充电，这种方法简单易行，也能够保证电池的精确浮充电压。但若在电池深度放电后充电时，由于电池的内阻相对而言仍然很低，就会有很大的充电电流使化学反应剧烈地进行，从而产生大量的气体，由于还原反应来不及进行，使壳内气压迅速增加，冲开排气阀将气体逸出，加速了电解液的干涸，缩短了电池的寿命；若排气阀因故障而无法打开，就会使电池的外壳鼓胀或破裂。随着电池电压的升高，充电电流逐渐减小，其减小的规律是：

（1）

式中 I_CH——电池的充电电流，A；

E——充电器的输出电压，V；

U_GB——电池电压，V；

R_GB——电池的内阻，Ω。

　　上式中有三个变量I_CH、U_GB、R_GB，充电电流I_CH随着充电过程的进行而减小，电池电压U_GB随着充电过程的进行而升高，而电池内阻R_GB随着充电过程的进行而减小。这就决定了充电过程的非线性。尤其是在接近浮充电压值时，使充电变的非常缓慢，从理论上讲，充电到额定浮充值的时间是无穷大。

　　这种充电方式在早期的小容量UPS中曾一度使用过，因出现了好多故障，目前一般不用了。{{分页}}

2.恒流充电

　　恒流充电的好处在于：一方面可以限制充电电流，避免了由于上述的剧烈反应而导致的副作用；另一方面，可使充电直线进行，加快了充电的速度，也可避免接近浮充值时的过于缓慢的过程。这种方法也有不足之处，因为随着充电过程的进行，未经反应的物质会越来越少，如果仍用充电初期的电流注入，由于反应物质的缺乏就会用水的电解来填补，这又会导致水的电离物氢和氧的快速蒸发，从而也缩短了电池的服务寿命。因此也有的提出在电池浮充电到“一定值”时将充电电流减半。就是这个“一定值”也很难掌握，尤其是接近额定浮充电压值时，如果仍用这个即使是减了半的电流强行灌入，也会加快电解水的进程，缩短电池的寿命。因此这个界限也难于划分和掌握。此种方法有的在均衡充电中使用。

3.恒流恒压充电

　　鉴于上述两种充电方式的优点和不足，于是就推出了将二者优点集合与一体的所谓恒流恒压充电方式，实际上是限流恒压充电方式。在充电初期由于电流有可能非常大，所以这时的充电电路将该电流限制在一个规定值，使之能最大限度地保证既能快速充电，又能保证充电过程的安全。这一段的充电几乎是线性的，随着充电过程的进行，大约充电至80%～90%电池容量时，充电电流开始小于限流值，其电流的变化开始遵从式(1)。目前UPS中的充电大都采用这种方式。

4.充电电路

　　(1)概述 UPS中电池的充电电路不外乎两种：降压充电电路和升压充电电路。在一些小容量UPS中，由于电池组电压比较低，故多用降压电路，比如Smart、Matrix和Symmetra等系列UPS中，电池组额定电压最高也就是120V，浮充电压也小于140V，由单相220V交流电压足可以得到此值；为了提高充电器的效率和降低功耗，充电器多采用称为Buck电路的高频PWM方案，这在前面已有介绍。在中大容量的UPS系统中，输入多是三相电压，又由于输入整流器采用了相控的晶闸管方案，本身的输出电压稳定度已达到了蓄电池的要求，故电池的充电功能统一由整流器负担，这也是一个降压充电电路。

　　只有一部分小容量UPS采用了高压电池组，比如单相220V输入的Imel 7.5kVA UPS就采用了384V的电池电压，远远超过了220V交流电压幅值310V，因此不提高电压就无法满足电池组的充电要求。所以机器中就采用了称为Boost的升压PWM电路。

　　一般UPS电源的后备时间大都在10min左右，充电器的设计也与此对应。如遇有长延时的要求，虽然增加了电池可以满足其放电的能力，但充电的速度就远达不到目的了。比如一般UPS内含10min电池时，放电后重新充电的时间为10～12h。当有的用户提出了8h要求时，电池容量增加到原来的48倍！若充足如此大的电池显然不能靠UPS的内部充电器了。于是就提出了外加充电器的要求。

　　(2)UPS外加充电器的配置原则 UPS外加充电器的配置原则首先是要和UPS隔离，其次才是电磁兼容指标要和UPS相适应。以往市场上的商品充电器虽然也考虑了隔离问题，并且也采取了措施，但由于措施不利，也不乏导致UPS故障的例子。图2就是一般外加充电器隔离措施图，实际上所谓的隔离措施就是一只二极管。GB₁是UPS内部电池组，GB₂是外加长延时电池组，而往往由于外加电池组的容量远大于内部电池组，一般将GB₁省掉了，无论是省掉还是不省掉，都有一个不变的事实，即UPS内部充电器和外加充电器的直接并联。为了隔离相互间的影响，多数外加充电器多在其输出正端串联了一只正向二极管D。这样做的结果是隔离了UPS对充电器的影响，保证了它不受其干扰，但没有消除充电器对UPS的干扰。而且最关键的就是怕外加充电器对UPS的干扰。当外加充电器充电电压因失控而突然增高时，它就会通过二极管去干扰UPS，如果该外加充电器的输出电压是由市电直接整流后通过开关管斩波(PWM)而来，这就将市电直接接入UPS直流电路，就会导致故障。当然，此类故障不会多见，但导致UPS冒烟的例子已经有过。这种明显存在隐患的电路一定要谨用。

　　图2 一般外加充电器隔离措施图

　　为了完全隔离相互间的干扰，图3的外加充电器完全隔离方案是可取的，并在长期的实践运行中得到了证明，既安全又可靠。{{分页}}

　　图3 外加充电器完全隔离方案原理图

　　①外加充电器完全隔离方案设计思想：

　　a.充分保证UPS电路的完整性，即该方案不动UPS的一点一线，不从UPS机内引出任何附加的信号线。按照UPS正常的要求，只从UPS的输出接线端子做正常连接。

　　b.在外加充电器与UPS电池之间加接一个简单的三端双向互投机构，如图3所示，用一个中间继电器J（或接触器甚至双投手动开关），将该机构的中间臂3接外加电池组GB₂的正极，继电器线包J跨接在UPS市电输入线上。

　　c.当市电正常供电时，由于继电器线包J被激励而将触点臂3由常闭触点1打向2，此时正好是外加充电器正常输出充电时期，GB₂被正常充电。可以看出，此时UPS和外加充电器是完全隔离的，并且UPS的充电器仅仅给自己的电池GB₁充电，保证了其原有的一切充电功能。

　　d.当市电断电时，继电器线包J被释放，中间臂3由2回到1，将外加电池组GB₂并联在GB₁上，形成了纯电池组的并联，也就达到了大容量电池长延时放电的目的。

　　e.市电恢复时，继电器又回到“3-2”状态。这里可能有这样一个问题：市电恢复时，由于继电器动作存在惰性，有可能外加电池组GB₂不能及时断开，将会造成UPS内部充电器同时为两组电池充电的局面，会不会因充电电流太大而导致故障呢？回答是否定的。因为所有在线式UPS的充电器都是限流温压式的，所以不会过流。

　　上面只是给出了一个原理方案，实际结构还要复杂一些。不过，用这个原理进行隔离已经足够了。

　　关于外加充电器的电磁兼容问题也不可忽视，由于现代UPS的用户大都集通信和大量的数据传输为一体，尤其牵涉到无线通信，就更要求供电系统不能对用电系统有任何干扰。因此，一般UPS系统都要通过一定的电磁兼容标准，如EN50091-2等。然而一般市面上的外加充电器很少注意到这些问题，恰恰PWM开关电源就是无线通信的敏感干扰源，因此不得不向其提出相应的要求。有时为了安全起见，采用原理上的无干扰电路是必要的。图4表示的就是这样一种无干扰充电器电路原理图，这是一个典型的具有限流稳压功能的充电器。

　　图4 无干扰充电器电路原理图{{分页}}

　　②无干扰充电器电路特点：

　　a.电路结构简单、成熟、可靠。主回路只有电容器和普通整流器，这种传统器件的制造历史很长，已达到很高的可靠性指标；辅助充电器也是历史很长的、性能指标非常好的传统电路，输出电压精度很容易做到1%，输出电压纹波做到<5mV则轻而易举；测量与控制电路都是由传统的比较器、运算放大器之类的组件构成，可靠性当然更无问题；执行器件是一只继电器，一般触点的动作次数都在10⁶次以上。

　　b.电路工作原理简单、实用。充电器的两个主要功能就是限流充电和稳压浮充。该电路中的限流是靠一只电容器来完成的，既无电流传感器又无反馈控制机构，仅仅靠电容本身的电压自调整就实现了限流功能；大电流充电和高精度浮充温压分别进行，就大大简化了电路，指标也容易做得好；用继电器做主充电电路和辅助充电器（线性稳压器）的切换机构而不考虑0切换，这正是利用了电路对该指标不加考虑的特点。

　　c.整个电路的工作状态都是线性的，无产生高频干扰的机构和过程。主回路的电容器和普通整流器都自然地工作于50Hz，线性稳压器从小信号到大信号都是典型的线性工作状态，测量与控制电路也仅仅是对直流电平的线性转换。

　　因此，整个电路从原理上就杜绝了高频干扰的发生。不过这种电路比同容量的PWM充电器体积要大一些。因此，在那些对干扰指标要求不太严格的地方，PWM充电器还是得到了广泛的应用。

　　(3)双电池组充电器：

　　①升压（Boost）充电电路。单电子器件的发展促进了UPS技术的发展，近年来高频机UPS的出现，使该类产品的逆变器输出省去了笨重的隔离变压器，同时将电池由一组增加到两组，但容量不变，比如原来用一组电池时是100Ah，而现在变成了两组50Ah。如图5所示的GB₁和GB₂。两组电池串联连接，每组电池标称电压一般为384V，两组串联总电压为768V，若按照2.25V/单元的标准充电，两组电池的浮充电压就需：

(1)

若均充电压取2.4V/单元，两组串联总电压为：

（2）

　　图5 升压（Boost）充电电路{{分页}}

　　而整流器的最大整流电压才只有432V，因此不论给一组电池充电还是给两组电池充电都需用升压(Boost)充电电路，图5虚线框内就是一个典型的Boost充电电路。该电路就是利用高频切割直流整流电压U_de和电感储能的方法，产生高压脉冲e_L与整流电压U_dc叠加后给电池充电，具体工作方式如下：

　　当一触发脉冲到来时，高频功率开关管S被打开，电流流动的途径是：

　　形成回路，这是电感L的储能过程。脉冲结束时，由于其后沿很陡，在电感上的储能就激起很高的反电势

e_L=L(di/dt) (3)

　　其极性正好和整流电压相加，于是二者就构成了充电电压

U充 =U_dc+e_L(4)

　　式中 U充通过二极管D给电池组充电。适当控制触发脉冲的宽度就可以控制充电电压U充的高低，于是也就可以将电池的浮充电压U_gb稳定在要求的精度上。

　　②双升压（Boost）充电电路。SILCON UPS也是由两组额定电压为384V的电池组构成的半桥逆变系统，也省去了输出隔离变压器。不同的是SILCON UPS没有单独的充电器，电池的充电是由主变换器完成的，在前面讨论中已知，该主变换器是一个双向变换器：正向工作时为半桥逆变器，反向工作时为充电器。和前者的另一个不同是：这里由一个双向变换器巧妙的构成了两个Boost充电器分别为两组电池充电；两个Buck电路将直流电压变换成交流正弦波给负载供电。

　　因此，SILCON UPS的电池高电压充电是靠Boost充电器实现的，如图6所示，它的主变换器构成了两个Boost充电器，分别在正负半波工作进行充电，这两个Boost充电器是：

　　图6 SILCON UPS主变换器做Boost充电时的电路部分

　　a.一路是V₂、VD₁、L、C₂、GB₁：当UPS输出电压为正半波时，脉宽调制脉冲打开V₂，电流的路径是A→L→M→V₂→C₂→B，是L储能过程；脉冲结束后，电感的反电势极性是M⁺、A^-，与A端电压叠加，使VD₁导通给电池GB₁充电。控制脉冲的宽度和电流的大小，就可以控制L的储能大小，从而控制反电势的幅度，也就给定了电池GB₁浮充电压的高低。

　　b.一路是V₁、VD₂、L、C₁、GB₂：当UPS输出电压为负半波时，脉宽调制脉冲打开V₁，电流的路径是B→C₁→V₁→M→L→A，是L储能过程；脉冲结束后，电感的反电势极性是M-、A+，也是正好与A端电压叠加，使VD₂导通给电池。控制脉冲的宽度和电流的大小，也可以控制L的储能大小，从而控制反电势的幅度，也就给定了电池GB₂浮充电压的高低。

　　于是就实现了用220V的相电压可以给出高达460V直流充电电压的目标。