一种UPS蓄电池组智能充放电设备的设计方案

左华红

一种UPS蓄电池组智能充放电设备的设计方案

左华红

左华红 陈 执

湖北省烟草公司荆州市公司

左华红，男，工程师，主要研究方向：单片机开发，监控系统开发；陈执，男，软件设计师，主要研究方向：数据库技术及应用，网络监控。

本文提出一种UPS蓄电池组智能充放电设备的设计方案，用于对蓄电池组日常巡检并进行周期性维护，同时达到能发现问题蓄电池，更科学地对蓄电池组深度放电及充电的目的，从而延长蓄电池的使用寿命。

概述

在一个不间断电源（UPS）系统中，蓄电池占有支柱地位，没有电池的UPS只能称作稳压稳频（CVCF）电源，UPS之所以能够实现不间断供电，就是因为有了蓄电池。目前，UPS电源中广泛使用的是阀控密封式铅酸蓄电池，占据UPS电源总成本的1/4～1/2之多。实际维修表明，约有50％以上的UPS电源故障与对蓄电池的维护有关。UPS蓄电池的失效主要表现为端电压不够，容量不足或瞬间放电电流不满足带载启动要求等。一般正常使用的UPS，其电池寿命在3至5年，但目前国内有相当部分UPS电池在投入使用不到1年就开始出现问题，主要原因之一是由于缺乏必要维护造成。为了保证UPS使用良好，电池组的管理维护至关重要。

设计思想

传统的蓄电池维护方法是把蓄电池组离线后，利用线性电阻模拟蓄电池组的负载，把电能转化为热能释放出去，从而测试电池组的负载能力及性能，这样虽然能够简单地测量出蓄电池组的性能，但是，会造成能源的大量浪费，同时，高速风机也带来噪音污染。

本设备的设计思想是控制单元控制DC-DC模块实现蓄电池组到总线之间的电能交换，从而实现蓄电池组的在线充放电、监测。当需要对蓄电池组放电时，控制单元发出放电命令，DC-DC模块提升或降低电池组电压到总线电压附近，实现设定的电压电流，从而使机房的充电柜基本不出电流，设备的供电由被测电池组提供。对蓄电池组完成放电测试，静置电池组一定时间后，当需要对蓄电池组补充充电时，控制单元发出充电命令，DC-DC模块切换电流方向为总线到蓄电池组，按照标准的智能三段法完成对电池组的充电。整个过程不耗电、不发热，让测试中的电能反馈回机房总线中，实现了蓄电池高效精细化管理，保障了供电系统的安全，同时也大量节约了能源。设备设计思想如图1所示。

设备主要模块

智能切换控制单元

一般机房中的UPS均有多个电池组，为了达到对多个电池组分别保养，并且不影响整个供电系统的正常工作，同时，消除人为误操作对整个系统的影响或损害，在电路的整体设计中，以功能继电器控制大功率接触器组成逻辑与门、或门、非门等，通过逻辑门的组合，完成大功率电流的走向和分配，最终完成整体电路的设计思想，达到安全可靠的分级电池组保养控制。智能切换控制单元电路逻辑图如图2所示。

充放电测试单元

蓄电池放电测试单元采用CR-CFJ380/01型号蓄电池组充放电测试仪。该仪器有多个功能，主要包括：蓄电池组恒流放电、单体电池电压监测、快速剩余容量分析、蓄电池组智能充电、蓄电池组活化修复等。

DC-DC模块

该模块由电感、MOS管、二极管组成，工作时，MOS管以高频100KHz运行，通过调整占空比对电感充放电。DC-DC工作原理如图3所示，图中的V1代表电池组的电压，V2代表机房总线电压。当需要对电池组放电时，如果V1小于V2，需要升压，通过调整Q2的占空比可以实现目标电压；如果V1大于V2，需要降压，通过调整Q1的占空比可以实现目标电压。

图3 DC-DC模块工作原理

关键技术

蓄电池电能回馈测试技术

我们根据多年的维护经验，设计了通过双向DC-DC模块实现蓄电池组到总线之间的电能交换，从而实现蓄电池组的在线充电、放电、监测。这种技术完全避免了传统仪器的种种弊端，同时节约了能源，极大地减少对环境的污染，也完全避免了市电中断时给机房设备带来的断电风险。技术原理如图4所示。

图4 蓄电池电能回馈测试技术原理

电压、电流保护技术

本设备工作时，一端连接蓄电池组，一端连接充电柜及用户设备。对蓄电池组放电时，通过提高充电柜总线电压的方式实现放电，由充电柜及设备共同对用户设备供电，从而打破了原有的供电局面，造成充电柜与设备的“打架”现象，这种现象如果处理不好，很容易造成用户设备和仪表的损坏。

在产品设计中，通过软件、硬件两套互相独立的电压、电流保护机制，保证电压、电流在合理的区间；同时，用紫铜板专门设计了一套独特的极板电路，尽可能地减少了连接电路的感性负载，极大地降低了设备放电产生的干扰纹波。

结束语

该设备在我中心安装后运行正常，在提高了蓄电池的使用寿命的同时，减少了维护量，同时，提高和延长蓄电池的使用寿命也能有效减少碳排放量，对环境保护也有重要意义。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.066