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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(lái)自電力系統(tǒng)或電網(wǎng)，正常時(shí)，消防用電設(shè)備由主電源供電。應(yīng)急電源的作用是當(dāng)主電源發(fā)生故障而停電時(shí)，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(biāo)志、應(yīng)急廣播、電動(dòng)的防火門(mén)窗、卷簾、自動(dòng)滅火裝置）和消防控制室等仍能繼續(xù)運(yùn)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(fù)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(dú)立正常電源的專用饋電線路；②自備柴油發(fā)電機(jī)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(duì)于蓄電池組實(shí)現(xiàn)最佳充電、保養(yǎng)和維護(hù)，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(guó)消防電源中大量使用的靜態(tài)EPS,對(duì)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(gè)集中式充電裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)電池組充電，如圖1所示。這種充電方式的優(yōu)點(diǎn)是充電設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低。不足之處是對(duì)電池組充電不均衡，容易出現(xiàn)部分電池過(guò)充、部分電池欠充，即充電不足的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池組充電容量不足、電池?fù)p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(duì)每一節(jié)電池都配置一個(gè)單獨(dú)的充電器。通過(guò)對(duì)每節(jié)電池的單獨(dú)充電和維護(hù)來(lái)保證電池組實(shí)現(xiàn)均衡充電，不會(huì)出現(xiàn)各節(jié)電池充電不均衡的現(xiàn)象。另外，通過(guò)對(duì)各個(gè)充電模塊的完善設(shè)計(jì)，就能保證各節(jié)電池不會(huì)出現(xiàn)欠充或過(guò)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(duì)電池組的每一節(jié)電池都單獨(dú)配置一個(gè)充電模塊，它是均衡式充電裝置的核心。在應(yīng)急電源中，當(dāng)處于非應(yīng)急狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)急電源的輸出通過(guò)開(kāi)關(guān)直接由市電供給，這時(shí)，逆變器不工作，各充電模塊給各節(jié)相應(yīng)的電池進(jìn)行充電或浮充電。當(dāng)應(yīng)急電源處于應(yīng)急工作狀態(tài)時(shí)，由電池組給逆變器供電，通過(guò)逆變器輸出應(yīng)急逆變交流電源。這時(shí)，由于各充電模塊無(wú)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(jì)中，各充電模塊的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。充電模塊的主要作用是對(duì)每節(jié)電池進(jìn)行充電和浮充電。根據(jù)蓄電池的充電要求，當(dāng)電池端電壓低于標(biāo)稱電壓或小于最高容許充電電壓時(shí)，要求充電模塊具有恒流輸出功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒流充電，即所謂的主充電；而當(dāng)電池電壓達(dá)到電池最高容許充電電壓后，這時(shí)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(jì)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(gè)充電模塊僅負(fù)責(zé)一節(jié)電池的充電，因此充電模塊輸出電壓設(shè)計(jì)成12V標(biāo)稱輸出電壓。輸出電流則根據(jù)電池的容量來(lái)確定。由于本均衡充電裝置主要是針對(duì)100A·h容量以下的EPS應(yīng)急電源應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因此，充電模塊的額定輸出電流一般不超過(guò)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(jì) 在充電模塊的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該說(shuō)采用線性穩(wěn)壓電源、相控式晶閘管電源和高頻開(kāi)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(hù)的方便性，本均衡充電裝置的充電模塊采用了高頻開(kāi)關(guān)電源。由于模塊需要的功率不大，在開(kāi)關(guān)電源形式選擇上采用了反激式高頻開(kāi)關(guān)電源。這種電源具有體積小，效率高等特點(diǎn)。 一般的反激式高頻開(kāi)關(guān)電源都設(shè)計(jì)成穩(wěn)壓輸出，在電池充電應(yīng)用中，要加入外圍電路實(shí)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(hù)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(jì)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(dāng)變換器輸入電壓在一個(gè)較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化，或負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，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(kāi)關(guān)管Q1上的電壓與電流波形。在這種工作模式下，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期被分為三個(gè)階段（分別如圖中1、2、3所示）.在階段1,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，變壓器原邊電流沿斜線上升到峰值電流，并將能量?jī)?chǔ)存在高頻變壓器中。
圖5完全能量轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)管電壓及電流波形 在階段2,開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，上一階段中變壓器儲(chǔ)存的能量傳遞給副邊。由于漏感的存在會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，所以實(shí)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(kāi)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(chǔ)存的能量全部釋放，但該電壓變化又通過(guò)激勵(lì)由雜散電容和初級(jí)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(kāi)關(guān)管的電壓及電流波形在這種工作模式下，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期被分為兩個(gè)階段（分別如圖中1和2所示）.在階段1,開(kāi)關(guān)管開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)，由于變壓器還儲(chǔ)存有能量而使開(kāi)始電流不為零。
圖6不完全能量轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)管電壓及電流波形 變壓器在這階段繼續(xù)儲(chǔ)存能量。在階段2,開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。上一階段儲(chǔ)存的能量傳遞到副邊，但沒(méi)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(jì)中應(yīng)注意以下問(wèn)題： a.當(dāng)反激式變換器以連續(xù)方式工作時(shí)，有相當(dāng)大的直流電流成分，這時(shí)，必須有氣隙。適當(dāng)?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(guò)減少R4值或漏電感值，可以抑制鉗位電壓的升高趨勢(shì)。但不能把鉗位電壓設(shè)計(jì)得太低，因?yàn)榉醇み^(guò)沖電壓提供一個(gè)附加強(qiáng)制電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電能進(jìn)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(huì)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(fù)載是必要的，但對(duì)于解決空載振蕩效果不大，因?yàn)榧儇?fù)載不能設(shè)計(jì)太大，會(huì)影響整個(gè)變換器的效率。 假負(fù)載加上以后，變換器只是工作在很輕負(fù)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(shí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)間過(guò)大，引起輸出能量太大造成電壓過(guò)沖太大，需要較長(zhǎng)的時(shí)間去恢復(fù)到正常電壓，因此開(kāi)關(guān)管需停止工作一段時(shí)間。對(duì)于使用3842系列芯片的反激變換器來(lái)說(shuō)，有一個(gè)較為有效的解決辦法。在鋸齒波輸出腳和電流檢測(cè)腳之間接入一個(gè)PF級(jí)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(cè)到的電流信號(hào)中因?yàn)殚T(mén)極驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)剔除，從而可以使得開(kāi)關(guān)管得到一個(gè)最小的開(kāi)通時(shí)間去保持輸出，雖然也可能會(huì)出現(xiàn)間歇工作模式，但是因?yàn)槊總€(gè)開(kāi)關(guān)周期傳遞到副邊的能量很小，所以不會(huì)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(gè)PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒流限壓充電。
圖8輸出反饋控制電路 因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(yùn)算放大器。R3、R4及PTI組成充電電流調(diào)節(jié)，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)浮充電壓在一定程度調(diào)節(jié)，因?yàn)椴煌姵氐母〕潆妷合嗖畈淮螅@個(gè)調(diào)節(jié)范圍不用太大，而且最低電壓要保證運(yùn)放的可靠工作。作為電流、電壓調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)電壓可以用TL431實(shí)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(méi)有什么影響，因?yàn)镮C1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(hào)。至于R11電阻的選擇，只能選擇一個(gè)范圍，即IC1運(yùn)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(gè)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(gè)最大選擇值，當(dāng)然阻值越小增益越高，但增益過(guò)高會(huì)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(jìn)行調(diào)整。 3.4充電浮充電狀態(tài)指示 對(duì)于本應(yīng)用中，只要比較反饋控制電路里的兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器（圖8中IC1A和IC1B）的輸出端電壓高低，就能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)指示。當(dāng)IC1A輸出電壓高于IC1B輸出電壓時(shí)，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(shí)，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(dāng)發(fā)生斷線故障時(shí)，R3上電壓會(huì)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(yàn)結(jié)果 穩(wěn)流和穩(wěn)壓精度測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2.
表1穩(wěn)流精度測(cè)試數(shù)據(jù)
表2穩(wěn)壓精度測(cè)試數(shù)據(jù) 測(cè)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(shí)存在電壓下降。對(duì)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(duì)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(shí)，充電電流達(dá)到最大，當(dāng)電池電量快接近最大存儲(chǔ)電量（電池快要充滿）時(shí)，充電電流開(kāi)始減少，有利于延長(zhǎng)電池使用壽命。對(duì)于充電應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)充和欠充現(xiàn)象，能提高EPS應(yīng)急電源的可靠性，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。另外，所設(shè)計(jì)的單元充電模塊具有恒流限壓精度高、外圍電路簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)、電源效率高等特點(diǎn)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的有效充電和維護(hù)。 Source:電源網(wǎng) |
