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1概述 EPS應(yīng)急電源一般由主電源和應(yīng)急電源兩部分組成。主電源一般來自電力系統(tǒng)或電網(wǎng)，正常時，消防用電設(shè)備由主電源供電。應(yīng)急電源的作用是當主電源發(fā)生故障而停電時，保證各種消防設(shè)備（消防給水、消防電梯、防排煙設(shè)備、應(yīng)急照明和疏散指示標志、應(yīng)急廣播、電動的防火門窗、卷簾、自動滅火裝置）和消防控制室等仍能繼續(xù)運行。在消防電源中設(shè)置EPS應(yīng)急電源是確保消防電源向消防用電負荷可靠供電的重要措施之一。 目前，消防應(yīng)急電源主要有三種類型：①獨立正常電源的專用饋電線路；②自備柴油發(fā)電機組；③由蓄電池組構(gòu)成的交、直流供電電源。由蓄電池組作為備用電能的應(yīng)急電源（即所謂的靜態(tài)EPS）可分為直流靜態(tài)EPS和交流靜態(tài)EPS兩種。 不管是直流還是交流EPS，對于蓄電池組實現(xiàn)最佳充電、保養(yǎng)和維護，以確保蓄電池組在應(yīng)急情況下能夠處于滿容量狀態(tài)是保障EPS應(yīng)急電源可靠工作的關(guān)鍵。目前，在我國消防電源中大量使用的靜態(tài)EPS,對于蓄電池組的充電一般采用串聯(lián)集中式充電方式，即由一個集中式充電裝置實現(xiàn)對串聯(lián)電池組充電，如圖1所示。這種充電方式的優(yōu)點是充電設(shè)備簡單、造價低。不足之處是對電池組充電不均衡，容易出現(xiàn)部分電池過充、部分電池欠充，即充電不足的現(xiàn)象，從而導致電池組充電容量不足、電池損壞或電池組的壽命縮短。 
圖1蓄電池組集中式充電模式示意圖 克服集中充電模式的不足，本文提出一種均衡式充電模式。這種充電模式對每一節(jié)電池都配置一個單獨的充電器。通過對每節(jié)電池的單獨充電和維護來保證電池組實現(xiàn)均衡充電，不會出現(xiàn)各節(jié)電池充電不均衡的現(xiàn)象。另外，通過對各個充電模塊的完善設(shè)計，就能保證各節(jié)電池不會出現(xiàn)欠充或過充的現(xiàn)象。 2EPS均衡式充電裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖2所示是本文提出的一種蓄電池組均衡充電模式結(jié)構(gòu)示意圖，圖中CM表示充電器或充電模塊。在這種均衡式充電模式中，對電池組的每一節(jié)電池都單獨配置一個充電模塊，它是均衡式充電裝置的核心。在應(yīng)急電源中，當處于非應(yīng)急狀態(tài)運行時，應(yīng)急電源的輸出通過開關(guān)直接由市電供給，這時，逆變器不工作，各充電模塊給各節(jié)相應(yīng)的電池進行充電或浮充電。當應(yīng)急電源處于應(yīng)急工作狀態(tài)時，由電池組給逆變器供電，通過逆變器輸出應(yīng)急逆變交流電源。這時，由于各充電模塊無交流輸入，處于不工作狀態(tài)，不影響蓄電池組的放電工作狀態(tài)。
圖2電池組均衡式充電模式示意圖 在這種充電模式設(shè)計中，各充電模塊的設(shè)計是關(guān)鍵。充電模塊的主要作用是對每節(jié)電池進行充電和浮充電。根據(jù)蓄電池的充電要求，當電池端電壓低于標稱電壓或小于最高容許充電電壓時，要求充電模塊具有恒流輸出功能，實現(xiàn)對電池的恒流充電，即所謂的主充電；而當電池電壓達到電池最高容許充電電壓后，這時要求充電模塊具有恒壓輸出功能，使電池處于恒壓充電狀態(tài)，即所謂的均充電。因此，充電模塊應(yīng)具有輸出穩(wěn)壓和穩(wěn)流輸出功能。另外，本文所設(shè)計的充電模塊還應(yīng)具有如輸出狀態(tài)指示、輸出斷線告警、交流輸入故障等相關(guān)的指示和告警功能。 由于在均衡式充電模式中，每個充電模塊僅負責一節(jié)電池的充電，因此充電模塊輸出電壓設(shè)計成12V標稱輸出電壓。輸出電流則根據(jù)電池的容量來確定。由于本均衡充電裝置主要是針對100A·h容量以下的EPS應(yīng)急電源應(yīng)用而設(shè)計的，因此，充電模塊的額定輸出電流一般不超過10A.這樣充電模塊的功率最大一般為200W左右。 3充電模塊設(shè)計 在充電模塊的設(shè)計中，應(yīng)該說采用線性穩(wěn)壓電源、相控式晶閘管電源和高頻開關(guān)電源均能滿足上述提到的充電功能要求。考慮到裝置的體積、重量、結(jié)構(gòu)和維護的方便性，本均衡充電裝置的充電模塊采用了高頻開關(guān)電源。由于模塊需要的功率不大，在開關(guān)電源形式選擇上采用了反激式高頻開關(guān)電源。這種電源具有體積小，效率高等特點。 一般的反激式高頻開關(guān)電源都設(shè)計成穩(wěn)壓輸出，在電池充電應(yīng)用中，要加入外圍電路實現(xiàn)恒流限壓充電。其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，它主要由交流輸入整流電路、高頻反激式變換器、電流型脈寬調(diào)制電路、輸出反饋控制電路和保護告警及狀態(tài)指示等電路組成。下面分別介紹主要組成電路設(shè)計和工作原理。
圖3充電模塊原理結(jié)構(gòu)示意圖 3.1高頻反激式變換器 高頻反激式變換器電路如圖4所示。在反激變換器中一般有兩種工作方式：完全能量轉(zhuǎn)換和不完全能量轉(zhuǎn)換。當變換器輸入電壓在一個較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化，或負載在較大范圍內(nèi)變化時，必然跨越兩種工作方式，因此要求變換器能在兩種工作方式中都能穩(wěn)定工作。
圖4反激式變換電路 圖5所示的是工作在完全能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)下，開關(guān)管Q1上的電壓與電流波形。在這種工作模式下，每個開關(guān)周期被分為三個階段（分別如圖中1、2、3所示）.在階段1,開關(guān)管導通，變壓器原邊電流沿斜線上升到峰值電流，并將能量儲存在高頻變壓器中。
圖5完全能量轉(zhuǎn)換的開關(guān)管電壓及電流波形 在階段2,開關(guān)管關(guān)斷，上一階段中變壓器儲存的能量傳遞給副邊。由于漏感的存在會產(chǎn)生尖峰電壓，所以實際電路中利用鉗位電路（圖4中的C1、R4、D2、R5、C2）把電壓鉗制在開關(guān)管的漏-源擊穿電壓值以下。在階段3,感應(yīng)電壓降為零。變壓器已將在階段1儲存的能量全部釋放，但該電壓變化又通過激勵由雜散電容和初級電感構(gòu)成的諧振電路，產(chǎn)生衰減振蕩波形。 圖6所示的是工作在不完全能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)下，開關(guān)管的電壓及電流波形在這種工作模式下，每個開關(guān)周期被分為兩個階段（分別如圖中1和2所示）.在階段1,開關(guān)管開始導通時，由于變壓器還儲存有能量而使開始電流不為零。
圖6不完全能量轉(zhuǎn)換的開關(guān)管電壓及電流波形 變壓器在這階段繼續(xù)儲存能量。在階段2,開關(guān)管關(guān)斷。上一階段儲存的能量傳遞到副邊，但沒有把變壓器里面的能量完全釋放，所以不存在完全能量轉(zhuǎn)換方式中的第3階段。 在反激式變換電路設(shè)計中應(yīng)注意以下問題： a.當反激式變換器以連續(xù)方式工作時，有相當大的直流電流成分，這時，必須有氣隙。適當?shù)臍庀犊梢苑乐癸柡蜖顟B(tài)并平衡直流電流成分； b.在緩沖器中（圖中C1、R4、D2）,通過減少R4值或漏電感值，可以抑制鉗位電壓的升高趨勢。但不能把鉗位電壓設(shè)計得太低，因為反激過沖電壓提供一個附加強制電壓來驅(qū)動電能進入副邊電感，使副邊反激電流迅速增大，提高變壓器的傳輸效率； c.由于反激式變換器存在較大的紋波電壓，太大的紋波電壓會使控制電路工作不夠穩(wěn)定，所以增加LC濾波器一定程度地降低了紋波。 3.2電流控制型脈寬調(diào)制器 電流控制型脈寬調(diào)制器電路原理如圖7所示。電路核心是3842系列電流控制型脈寬控制芯片。
圖7電流控制型脈寬調(diào)制器電路 反激變換器加假負載是必要的，但對于解決空載振蕩效果不大，因為假負載不能設(shè)計太大，會影響整個變換器的效率。 假負載加上以后，變換器只是工作在很輕負載條件下，振蕩依然存在。這種振蕩是一種被稱為BurstMode的模式，也就是間歇工作模式。發(fā)生這種現(xiàn)象是由于空載、輕載時開關(guān)管開通時間過大，引起輸出能量太大造成電壓過沖太大，需要較長的時間去恢復到正常電壓，因此開關(guān)管需停止工作一段時間。對于使用3842系列芯片的反激變換器來說，有一個較為有效的解決辦法。在鋸齒波輸出腳和電流檢測腳之間接入一個PF級的電容（圖7中的C6）,利用鋸齒波下降沿產(chǎn)生的抽流作用將檢測到的電流信號中因為門極驅(qū)動產(chǎn)生的信號剔除，從而可以使得開關(guān)管得到一個最小的開通時間去保持輸出，雖然也可能會出現(xiàn)間歇工作模式，但是因為每個開關(guān)周期傳遞到副邊的能量很小，所以不會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。 3.3輸出反饋控制器 輸出控制器如圖8所示。圖8中利用兩個PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)恒流限壓充電。
圖8輸出反饋控制電路 因為設(shè)計為單電池充電，輸出最高電壓為15V,可以直接用變換器輸出作為控制電路的電源，所以IC1采用了單電源運算放大器。R3、R4及PTI組成充電電流調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)電流在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。R7、R8、PTU組成浮充電壓調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)浮充電壓在一定程度調(diào)節(jié)，因為不同電池的浮充電壓相差不大，這個調(diào)節(jié)范圍不用太大，而且最低電壓要保證運放的可靠工作。作為電流、電壓調(diào)節(jié)的基準電壓可以用TL431實現(xiàn)。光耦U1應(yīng)該采用線性度比較好的光電耦合器。光耦的電流傳輸比大小基本沒有什么影響，因為IC1的放大倍數(shù)足夠大，只要U1原邊電阻足夠小，就可在副邊產(chǎn)生足夠大的電流信號。至于R11電阻的選擇，只能選擇一個范圍，即IC1運放的輸出電壓從最小值到最大值變化，則電阻的選擇要求使原邊電流在某個范圍內(nèi)變化，反映到副邊的電流最大值要求使得UC3842（圖7中的IC1）的1腳能夠降到零。所以此電阻有一個最大選擇值，當然阻值越小增益越高，但增益過高會比較容易引起電路振蕩。選擇以后還需要按照電路的工作情況進行調(diào)整。 3.4充電浮充電狀態(tài)指示 對于本應(yīng)用中，只要比較反饋控制電路里的兩個PI調(diào)節(jié)器（圖8中IC1A和IC1B）的輸出端電壓高低，就能實現(xiàn)狀態(tài)指示。當IC1A輸出電壓高于IC1B輸出電壓時，電流反饋起作用，電路處于充電狀態(tài)。反之，處于浮充狀態(tài)。 3.5外部斷線告警 外部斷線告警電路如圖9所示。在電池正常接在充電器輸出端時，輸出限制在電池最大浮充電壓以下，R3上電壓低于5V,比較器IC1輸出高電平。當發(fā)生斷線故障時，R3上電壓會升高到5V以上，比較器輸出低電平。
圖9外部斷線告警電路 4試驗結(jié)果 穩(wěn)流和穩(wěn)壓精度測試數(shù)據(jù)見表1和表2.
表1穩(wěn)流精度測試數(shù)據(jù)
表2穩(wěn)壓精度測試數(shù)據(jù) 測試結(jié)果表明，穩(wěn)流精度為±2.0%,穩(wěn)壓精度為±3%.由于電流取樣電阻的存在，所以大電流輸出時存在電壓下降。對于充電器，穩(wěn)壓發(fā)生在浮充階段，而浮充階段電流比較小，對于電壓的精度影響不大。電路的這種特性，可以使電池電量較低時，充電電流達到最大，當電池電量快接近最大存儲電量（電池快要充滿）時，充電電流開始減少，有利于延長電池使用壽命。對于充電應(yīng)用來說，該充電模塊能夠很好地滿足使用要求。 5結(jié)論 本文提出的均衡式充電模式能很好克服目前在EPS應(yīng)急電源中大量使用的集中式充電模式所帶來的不足。能有效地防止蓄電池組中電池間的不均衡充電現(xiàn)象以及部分電池出現(xiàn)過充和欠充現(xiàn)象，能提高EPS應(yīng)急電源的可靠性，延長電池組的使用壽命。另外，所設(shè)計的單元充電模塊具有恒流限壓精度高、外圍電路簡單、易于生產(chǎn)、電源效率高等特點，能夠很好地實現(xiàn)對電池的有效充電和維護。 Source:電源網(wǎng) |
