左華紅

一種UPS蓄電池組智能充放電設(shè)備的設(shè)計(jì)方案

左華紅

左華紅 陳 執(zhí)

湖北省煙草公司荊州市公司

左華紅，男，工程師，主要研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)開發(fā)，監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)；陳執(zhí)，男，軟件設(shè)計(jì)師，主要研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

本文提出一種UPS蓄電池組智能充放電設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，用于對(duì)蓄電池組日常巡檢并進(jìn)行周期性維護(hù)，同時(shí)達(dá)到能發(fā)現(xiàn)問題蓄電池，更科學(xué)地對(duì)蓄電池組深度放電及充電的目的，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

概述

在一個(gè)不間斷電源（UPS）系統(tǒng)中，蓄電池占有支柱地位，沒有電池的UPS只能稱作穩(wěn)壓穩(wěn)頻（CVCF）電源，UPS之所以能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷供電，就是因?yàn)橛辛诵铍姵?。目前，UPS電源中廣泛使用的是閥控密封式鉛酸蓄電池，占據(jù)UPS電源總成本的1/4～1/2之多。實(shí)際維修表明，約有50％以上的UPS電源故障與對(duì)蓄電池的維護(hù)有關(guān)。UPS蓄電池的失效主要表現(xiàn)為端電壓不夠，容量不足或瞬間放電電流不滿足帶載啟動(dòng)要求等。一般正常使用的UPS，其電池壽命在3至5年，但目前國(guó)內(nèi)有相當(dāng)部分UPS電池在投入使用不到1年就開始出現(xiàn)問題，主要原因之一是由于缺乏必要維護(hù)造成。為了保證UPS使用良好，電池組的管理維護(hù)至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)思想

傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)方法是把蓄電池組離線后，利用線性電阻模擬蓄電池組的負(fù)載，把電能轉(zhuǎn)化為熱能釋放出去，從而測(cè)試電池組的負(fù)載能力及性能，這樣雖然能夠簡(jiǎn)單地測(cè)量出蓄電池組的性能，但是，會(huì)造成能源的大量浪費(fèi)，同時(shí)，高速風(fēng)機(jī)也帶來噪音污染。

本設(shè)備的設(shè)計(jì)思想是控制單元控制DC-DC模塊實(shí)現(xiàn)蓄電池組到總線之間的電能交換，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池組的在線充放電、監(jiān)測(cè)。當(dāng)需要對(duì)蓄電池組放電時(shí)，控制單元發(fā)出放電命令，DC-DC模塊提升或降低電池組電壓到總線電壓附近，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的電壓電流，從而使機(jī)房的充電柜基本不出電流，設(shè)備的供電由被測(cè)電池組提供。對(duì)蓄電池組完成放電測(cè)試，靜置電池組一定時(shí)間后，當(dāng)需要對(duì)蓄電池組補(bǔ)充充電時(shí)，控制單元發(fā)出充電命令，DC-DC模塊切換電流方向?yàn)榭偩€到蓄電池組，按照標(biāo)準(zhǔn)的智能三段法完成對(duì)電池組的充電。整個(gè)過程不耗電、不發(fā)熱，讓測(cè)試中的電能反饋回機(jī)房總線中，實(shí)現(xiàn)了蓄電池高效精細(xì)化管理，保障了供電系統(tǒng)的安全，同時(shí)也大量節(jié)約了能源。設(shè)備設(shè)計(jì)思想如圖1所示。

設(shè)備主要模塊

智能切換控制單元

一般機(jī)房中的UPS均有多個(gè)電池組，為了達(dá)到對(duì)多個(gè)電池組分別保養(yǎng)，并且不影響整個(gè)供電系統(tǒng)的正常工作，同時(shí)，消除人為誤操作對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響或損害，在電路的整體設(shè)計(jì)中，以功能繼電器控制大功率接觸器組成邏輯與門、或門、非門等，通過邏輯門的組合，完成大功率電流的走向和分配，最終完成整體電路的設(shè)計(jì)思想，達(dá)到安全可靠的分級(jí)電池組保養(yǎng)控制。智能切換控制單元電路邏輯圖如圖2所示。

充放電測(cè)試單元

蓄電池放電測(cè)試單元采用CR-CFJ380/01型號(hào)蓄電池組充放電測(cè)試儀。該儀器有多個(gè)功能，主要包括：蓄電池組恒流放電、單體電池電壓監(jiān)測(cè)、快速剩余容量分析、蓄電池組智能充電、蓄電池組活化修復(fù)等。

DC-DC模塊

該模塊由電感、MOS管、二極管組成，工作時(shí)，MOS管以高頻100KHz運(yùn)行，通過調(diào)整占空比對(duì)電感充放電。DC-DC工作原理如圖3所示，圖中的V1代表電池組的電壓，V2代表機(jī)房總線電壓。當(dāng)需要對(duì)電池組放電時(shí)，如果V1小于V2，需要升壓，通過調(diào)整Q2的占空比可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電壓；如果V1大于V2，需要降壓，通過調(diào)整Q1的占空比可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電壓。

圖3 DC-DC模塊工作原理

關(guān)鍵技術(shù)

蓄電池電能回饋測(cè)試技術(shù)

我們根據(jù)多年的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了通過雙向DC-DC模塊實(shí)現(xiàn)蓄電池組到總線之間的電能交換，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池組的在線充電、放電、監(jiān)測(cè)。這種技術(shù)完全避免了傳統(tǒng)儀器的種種弊端，同時(shí)節(jié)約了能源，極大地減少對(duì)環(huán)境的污染，也完全避免了市電中斷時(shí)給機(jī)房設(shè)備帶來的斷電風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)原理如圖4所示。

圖4 蓄電池電能回饋測(cè)試技術(shù)原理

電壓、電流保護(hù)技術(shù)

本設(shè)備工作時(shí)，一端連接蓄電池組，一端連接充電柜及用戶設(shè)備。對(duì)蓄電池組放電時(shí)，通過提高充電柜總線電壓的方式實(shí)現(xiàn)放電，由充電柜及設(shè)備共同對(duì)用戶設(shè)備供電，從而打破了原有的供電局面，造成充電柜與設(shè)備的“打架”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象如果處理不好，很容易造成用戶設(shè)備和儀表的損壞。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通過軟件、硬件兩套互相獨(dú)立的電壓、電流保護(hù)機(jī)制，保證電壓、電流在合理的區(qū)間；同時(shí)，用紫銅板專門設(shè)計(jì)了一套獨(dú)特的極板電路，盡可能地減少了連接電路的感性負(fù)載，極大地降低了設(shè)備放電產(chǎn)生的干擾紋波。

結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備在我中心安裝后運(yùn)行正常，在提高了蓄電池的使用壽命的同時(shí)，減少了維護(hù)量，同時(shí)，提高和延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命也能有效減少碳排放量，對(duì)環(huán)境保護(hù)也有重要意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.066