UPS充電器
電池的質量問題固然對UPS至關重要但充電器的充電質量在很大程度上影響著電池的質量其原因在前面已經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壽命
圖1 MSE電池的充電電壓與壽命的關系（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阻相對而言仍然很低就會有很大的充電電流使化學反應劇烈地進行從而產生大量的氣體由于還原反應來不及進行使殼內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 ICH電池的充電電流A
E充電器的輸出電壓V
UGB電池電壓V
RGB電池的內阻Ω
上式中有三個變量ICHUGBRGB充電電流ICH隨著充電過程的進行而減小電池電壓UGB隨著充電過程的進行而升高而電池內阻RGB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
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反應的物質會越來越少如果仍用充電初期的電流注入由于反應物質的缺乏就會用水的電解來填補這又會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SmartMatrix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左右充電器的設計也與此對應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的內部充電器了于是就提出了外加充電器的要求
2UPS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管斬波PWM而來這就將市電直接接入UPS直流電路就會導致故障當然此類故障不會多見但導致UPS冒煙的例子已經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
