周雪軍

（河南中煙有限責(zé)任公司黃金葉生產(chǎn)制造中心，河南鄭州 450052）

0 引言

當(dāng)前的UPS 系統(tǒng)，是應(yīng)用反復(fù)充電器電池作為直流電源系統(tǒng)的后備電源，這種UPS 起到的作用是當(dāng)出現(xiàn)問題、配電網(wǎng)斷電以后，UPS 能起到穩(wěn)定供電電能的作用，此時(shí)，UPS 中蓄存的電能能夠替代配電網(wǎng)提供的直流電能。對(duì)基于直流電源管理器的UPS 電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)背景

UPS 是不斷電電源系統(tǒng)，就是當(dāng)停電時(shí)能夠接替市電持續(xù)供應(yīng)電力的設(shè)備，它的動(dòng)力來自電池組，由于電子元器件反應(yīng)速度快，停電瞬間在4～8 ms 內(nèi)或無中段時(shí)間下繼續(xù)供應(yīng)電力。UPS 作為計(jì)算機(jī)重要外設(shè)，在保護(hù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、保證電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，改進(jìn)電網(wǎng)質(zhì)量，防止瞬時(shí)停電和事故停電對(duì)用戶造成的危害等是非常重要的。由于UPS 直流供電器不能大電流直接充放電，也不能應(yīng)用感性負(fù)載，使之在很多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。然而當(dāng)前，很多領(lǐng)域需要應(yīng)用UPS 直流供電系統(tǒng)，如目前基本上所有的工業(yè)控制核心是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與PLC 等，為確保其正常工作，均采用UPS 供電。

2 設(shè)計(jì)思路

目前UPS 系統(tǒng)應(yīng)用原理為用蓄電池完成電能儲(chǔ)存。如果配電網(wǎng)中，能正常提供電能，那么蓄電池會(huì)通過整流裝置和放電電路來接收電流，確保直流系統(tǒng)供電安全可靠性；如果配電網(wǎng)不能夠正常提供電能，那么蓄電池會(huì)通過放電回路向配電網(wǎng)中的電器設(shè)施提供直流電能。為解決上述問題，設(shè)計(jì)一種基于直流電源管理器的UPS 電路。它由直流電流管理器、AC 220 V/DC 24 V 開關(guān)電源、鉛蓄電池組、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、繼電器等組成。該電路不再各自單獨(dú)配備蓄電池組，而是應(yīng)用一組通用蓄電池組作為蓄電池，該蓄電池組為交流停電時(shí)的唯一后備電源。該電路由AC 220 V/DC 24 V 開關(guān)電源開啟及關(guān)閉直流電源管理器的UPS 電路，它是一種以直流電源為核心，能夠與任何一種或一種以上電源構(gòu)成的組合體。應(yīng)用該種直流電源管理器的UPS 電路的設(shè)計(jì)，它不僅在交流市電的情況下提供穩(wěn)定無干擾的DC 24 V，而且在斷電時(shí)提供15 min（可調(diào)）的直流供電，確保工業(yè)計(jì)算機(jī)正常關(guān)機(jī)。同時(shí)能對(duì)輸入電源與輸出電源品質(zhì)及蓄電池充放電能力進(jìn)行診斷與故障輸出。

3 裝置結(jié)構(gòu)

3.1 整體設(shè)計(jì)

此電路中采用西門子的6EP1334—2BA20 直流電源管理器，它的DC 24 V 電源輸入端與AC 220 V/DC 24 V 開關(guān)電源的輸出端相連，DC 24 V 電源輸出端與工業(yè)計(jì)算機(jī)相連（現(xiàn)用型號(hào)為西門子的SIMATIC IPC627C），電池模塊端與鉛蓄電池（現(xiàn)用型號(hào)為西門子6EP1935 6ND11）相連，同時(shí)當(dāng)輸入、輸出電壓低或波動(dòng)時(shí)或蓄電池充放電能力差時(shí)控制相應(yīng)繼電器動(dòng)作，把信號(hào)反饋給其他控制電路進(jìn)行提示、警告或切斷電源。如果DC 24 V 電源發(fā)生故障或下降到小于設(shè)定的切入閥值，而且蓄電池在連接供電模式下并保持在充滿狀態(tài)，此時(shí)便可繼續(xù)對(duì)工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行供電。整體設(shè)計(jì)電路如圖1 所示。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 供電電路設(shè)計(jì)

AC 220 V/DC 24 V 開關(guān)電源的作用是為直流電流管理器提供穩(wěn)定的電壓，同時(shí)為蓄電池提供充電電源。此電路中開關(guān)電源的型號(hào)為weidmuller PRO EC03，功率240 W，電流10 A。

3.2.2 單體電池電壓采集電路設(shè)計(jì)

此次應(yīng)用電池模塊端與鉛蓄電池（現(xiàn)用型號(hào)為西門子6EP1935—6ND11）相連作為采集電路，雖然從監(jiān)測(cè)的角度而言，該采集電路的蓄電池相連的數(shù)量受到一定的制約，但是該電路中可以應(yīng)用多級(jí)鏈接的方法，讓蓄電池組數(shù)量自由拓展，從而能突破電池?cái)?shù)量的制約。采集電路的另一設(shè)計(jì)特點(diǎn)為每路采樣通道中都具有保護(hù)二極管，它能防止外部施加的超過電源的電壓引起的內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)受損，這種采集電路設(shè)計(jì)可以適應(yīng)各種運(yùn)行環(huán)境。

圖1 整體設(shè)計(jì)電路

3.2.3 均衡電路設(shè)計(jì)

雖然電池制造廠家會(huì)生產(chǎn)具有高度一致性的單體電池，但是電池還是會(huì)出現(xiàn)個(gè)體差異。該次基于直流電源管理器的UPS電路需要通過均衡電路的方式監(jiān)測(cè)電池組的狀態(tài)，了解電池組是否具有穩(wěn)定性和安全性。該次應(yīng)用了LTC6803 的耗散型均衡電路，設(shè)計(jì)方法為在電路的均衡控制端口S（n）中內(nèi)置均衡MOSFETs，電路搭建時(shí)，將其連接至每節(jié)單體電池均衡回路中，用以控制均衡回路的通斷。應(yīng)用這種方法，可將電池組視為一個(gè)整體，監(jiān)測(cè)蓄電池運(yùn)行情況。

3.2.4 單體電池溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)

在使用蓄電池時(shí)，如果工作溫度不穩(wěn)定，則會(huì)影響蓄電池使用質(zhì)量。為了解蓄電池使用情況，需要設(shè)計(jì)單體電池溫度檢測(cè)電路。該次應(yīng)用具有抗干擾能力強(qiáng)、采集精度高的數(shù)字式溫度傳感器自動(dòng)完成電池診斷、輸入診斷、輸出診斷，為計(jì)算機(jī)控制提供精確的數(shù)字依據(jù)，可以有效監(jiān)測(cè)集體電池溫度的狀況。

3.2.5 通信控制電路及JTAG 接口

該次應(yīng)用RS485 通信控制電路和一路JTAG 接口來接收數(shù)據(jù)信息。其中，RS485 通信控制電路負(fù)責(zé)傳輸信息，JTAG 接口用來外接硬件仿真系統(tǒng)和完成代碼燒錄。應(yīng)用這樣的設(shè)計(jì)方法，既能滿足通信的需求，又能讓電路系統(tǒng)具有拓展性。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

該次應(yīng)用IAR Embedded workbench for ARM 集成開發(fā)環(huán)境，在這種開發(fā)環(huán)境下，應(yīng)用C 語言編程，可將程序編輯、編譯以后，應(yīng)用JTAG 接口下載到STM32F105 微控制器中，然后應(yīng)用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制直流電源管理器的UPS 電路運(yùn)作。

3.3.2 工藝運(yùn)行流程

（1）直流電源管理器的UPS 電路的運(yùn)作程序。開始上電——初始化——總電流采集、接收BMU 數(shù)據(jù)信息——數(shù)據(jù)處理——SOC 估算——顯示SOC 估算結(jié)果——計(jì)算機(jī)自動(dòng)判是否需要保護(hù)及報(bào)警，如是進(jìn)入啟動(dòng)保護(hù)，如不是進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)——啟動(dòng)保護(hù)——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)——結(jié)束。

（2）蓄電池監(jiān)測(cè)流程。系統(tǒng)上電——初始化——應(yīng)用LTC6803通信——進(jìn)入LTC6803 模式——通信電池診斷、輸入診斷、輸出診斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息——數(shù)據(jù)處理——判斷是否啟動(dòng)均衡，如是進(jìn)入啟動(dòng)均衡保護(hù)，如不是進(jìn)入與CMU 通信——啟動(dòng)均衡保護(hù)——與CMU 通信——結(jié)束。

3.3.3 穩(wěn)定性軟件設(shè)計(jì)

（1）應(yīng)用復(fù)合數(shù)字濾波處理器，可以丟棄數(shù)據(jù)的最大值和最小值，再判斷數(shù)據(jù)采樣的結(jié)果，可以讓直流電源管理器的UPS電路適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，避免在復(fù)雜的環(huán)境中受到光電干擾。

（2）應(yīng)用“看門狗”技術(shù)，可以應(yīng)用軟件來設(shè)定循環(huán)時(shí)間，避免系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，這樣可以提高直流電源管理器的UPS 電路使用的穩(wěn)定性。

（3）應(yīng)用RAM 數(shù)據(jù)冗余技術(shù)，它將數(shù)據(jù)備份于若干地方，如果軟件在運(yùn)行時(shí)，受到種種因素的影響，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)損壞的情況，那么可提取備份數(shù)據(jù)去彌補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)。這樣可以再次提高直流電源管理器的UPS 電路使用的穩(wěn)定性。

（4）輸出端口刷新，當(dāng)I/O 口輸出狀態(tài)將要改變時(shí)，先將輸出狀態(tài)值備份到RAM 指定的單元中，在之后的程序運(yùn)行中根據(jù)數(shù)據(jù)備份至RAM 中的狀態(tài)內(nèi)容去周期性刷新I/O 端口。這樣可以周期性的校正數(shù)據(jù)端口的數(shù)值，從而提高直流電源管理器的UPS 電路使用的穩(wěn)定性。

4 測(cè)試分析

目前選用的蓄電池型號(hào)可保持15 min 的供電。電池的切入閥值、充電電流和緩沖時(shí)間可由直流電源管理模塊上的DIP 開關(guān)設(shè)置。如果輸入直流電壓降至設(shè)定的輸入切入閥值電壓，則電源管理模塊切換到浮空運(yùn)行，負(fù)載由蓄電池供電，切入閥值的設(shè)定范圍為22～25.5 V，增量為0.5 V，精度為正負(fù)1.8%。充電電流的設(shè)置請(qǐng)參考蓄電池的參數(shù)，蓄電池以恒電流充電，直到達(dá)到設(shè)定的切入閥值電壓，充電電流的設(shè)定范圍為0.35 A±0.1 A 或0.7 A±0.1 A。緩沖時(shí)間設(shè)置范圍為5～635 s，增量為10 s，當(dāng)緩沖時(shí)間到或蓄電池過度放電閥值到達(dá)后，電源管理模塊浮空運(yùn)行，切斷與蓄電池的連接即對(duì)工業(yè)計(jì)算機(jī)不再供電。

5 結(jié)論

此次設(shè)計(jì)的直流電源管理器的UPS 電路采用了一體化的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用AC 220 V/DC 24 V 開關(guān)電源控制直流電源管理器的UPS 電路的開啟與關(guān)閉；然后應(yīng)用單體電池電壓采集電路設(shè)計(jì)，將一組蓄電池組作為一個(gè)整體；應(yīng)用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采集直流電源管理器的UPS 電路運(yùn)行的情況，實(shí)現(xiàn)電池診斷、輸入診斷、輸出診斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、單體電池溫度測(cè)量；采用RS485 通信控制電路和一路JTAG 接口設(shè)計(jì)與IAR Embedded workbench for ARM 集成開發(fā)環(huán)境，讓系統(tǒng)流程圖可以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過運(yùn)行測(cè)試可知，這一設(shè)計(jì)方案可以讓直流電源管理器的UPS電路高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，并能應(yīng)用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)智能化、高效地管理電路。