中心議題：
EPS均衡式充電裝置設(shè)計方案：
- 高頻反激式變換器
- 電流控制型脈寬調(diào)制器
- 輸出反饋控制器
- 充電浮充電狀態(tài)指示
- 外部斷線告警
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(dāng)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(biāo)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(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(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。
2 EPS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(dāng)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(dāng)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(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， 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(dāng)電池電壓達(dá)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(fù)責(zé)一節(jié)電池的充電， 因此充電模塊輸出電壓設(shè)計成12V標(biāo)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(dāng)變換器輸入電壓在一個較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化， 或負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化時， 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(dǎo)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。
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5 完全能量轉(zhuǎn)換的開關(guān)管電壓及電流波形
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(dǎo)通時， 由于變壓器還儲存有能量而使開始電流不為零。
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。
圖6 不完全能量轉(zhuǎn)換的開關(guān)管電壓及電流波形
在反激式變換電路設(shè)計中應(yīng)注意以下問題：
a. 當(dāng)反激式變換器以連續(xù)方式工作時， 有相當(dāng)大的直流電流成分， 這時，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(fù)載是必要的， 但對于解決空載振蕩效果不大， 因為假負(fù)載不能設(shè)計太大， 會影響整個變換器的效率。
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Burst Mode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(fù)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。
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(zhǔn)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(dāng)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。
圖8 輸出反饋控制電路
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(dāng)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(dāng)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(dá)到最大， 當(dāng)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。