多功能直流UPS的设计
摘要：概述了UPS电源和铅酸蓄电池的原理及性能，并结合实例论述了直流UPS电源的设计过程和设计依据，给出了设计结果，还附录了性能实验数据，具有工程实用价值。
关键词：UPS蓄电池恒流恒压充电DC/DC变换
1引言
由于计算机、程控交换机、数据通讯处理系统、航空管理和医用诊断系统等精密仪器对供电系统的不间断和可靠性的要求，使得UPS得到了广泛的应用和迅速的发展。
使用UPS有利于改善用电质量，保护用电设备。对于通讯系统等直流用电负载而言，从供电的可靠性、安全性及运行效率考虑，直流UPS较之交流UPS具有更为突出的优点。
本文从UPS和铅酸蓄电池的原理及性能入手，详细论述了直流UPS的设计过程，着重阐明了恒流恒压充电器的设计依据，并给出了一台实用的直流UPS的设计结果。附录的实验数据证明该电源性能优良，性价比高，已具有工程实用价值。
2UPS概述
UPS是不间断电源的简称。按其输出电压的波形可分为交流式(ACUPS)和直流式(DCUPS)。
2.1交流UPS
交流UPS按其逆变器的工作方式又分为在线式（Online）和后备式（Standby）两种。其结构框图如图1所示。
在线式UPS的工作原理是：当电网Uin正常供电时，Uin鼋笛拐流鑫妊供瞿姹淦鳗K2（K2闭合，K1断开）Uout,同时经充电器为电池组B充电；当电网输入异常（失压或超出正常范围）时,K0断开，由电池组B龅家二极管瞿姹淦鳗K2Uout。控制开关K1只有在逆变器故障且电网供电正常时才闭合（K2断开），仅仅起旁路作用。
后备式UPS的能流是：在电网供电正常时，UinK1（K2断开）Uout，同时Uin鼋笛拐流龀涞缙鳗龅绯刈B（逆变器不工作）；当电网电压异常时，其能流变为：电池组B瞿姹淦鳗K2（K1断开）Uout。
由能流可以看出：在线式UPS的逆变器始终处于在线工作状态，而后备式UPS的逆变器仅仅是当电网电压异常时才起动（后备工作状态）。
无论是在线式还是后备式UPS，其输出Uout都是交流电压。
图1交流UPS组成方框
表1充电上限电压和充电电流
| 需求工作时间（min) | 6 | 10 | 20 | 30 | 60 | 120 | 180 | 300 | 600 | 1200 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 放电电流（A） | 0.8Ah～24Ah | 3.50C | 2.75C | 1.67C | 1.00C | 0.60C | 0.33C | 0.27C | 0.17C | 0.09C | 0.05C |
| 30Ah～200Ah | 2.70C | 2.08C | 1.32C | 1.00C | 0.65C | 0.35C | 0.28C | 0.18C | 0.10C | 0.05C | |
| 有效容量（％） | 0.8Ah～24Ah | 35 | 46 | 56 | 50 | 60 | 66 | 81 | 85 | 93 | 100 |
| 30Ah～200Ah | 27 | 35 | 44 | 50 | 65 | 70 | 84 | 90 | 100 | 108 | |
表3持续工作时间与允许的放电电流及有效容量
| 放电电流I0（A） | 0.05C | 0.05C～0.10C | 0.10C～0.20C | 0.20C～0.40C | 0.40C～0.50C | 0.50C～0.60C | 0.60C～1.00C | >1.00C | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 下限电压（V） | 0.8～24Ah | 1.80 | 1.75 | 1.75 | 1.75 | 1.70 | 1.60 | 1.50 | 1.30 |
| 30～200Ah | 1.90 | 1.80 | 1.75 | 1.70 | 1.60 | 1.60 | 1.50 | 1.50 | |
表3持续工作时间与允许的放电电流及有效容量
| 放电电流I0（A） | 0.05C | 0.05C～0.10C | 0.10C～0.20C | 0.20C～0.40C | 0.40C～0.50C | 0.50C～0.60C | 0.60C～1.00C | >1.00C | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 下限电压（V） | 0.8～24Ah | 1.80 | 1.75 | 1.75 | 1.75 | 1.70 | 1.60 | 1.50 | 1.30 |
| 30～200Ah | 1.90 | 1.80 | 1.75 | 1.70 | 1.60 | 1.60 | 1.50 | 1.50 | |
表2放电电流和放电下限电压
| 蓄电池的容量C | 工作方式 | 充电上限电压（V/cell) | 最大充电电流（A） | 常规充电电流（A） | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 工作温度(℃) | 设置电压(V) | 允许范围(V) | 温度系数(mV/℃) | ||||
| 0.8Ah～24Ah | 周期服务 | 20 | 2.45 | 2.45～2.50 | －5.0 | 0.3C | 0.1C |
| 后备 | 20 | 2.275 | 2.25～2.30 | －3.3 | |||
| 30Ah～200Ah | 周期服务 | 25 | 2.45 | 2.45～2.50 | －5.0 | 0.3C | 0.1C |
| 后备 | 25 | 2.25 | 2.23～2.28 | －3.3 | |||
注：各生产厂家数据有所不同，设计时以产品手册的技术指标为准。
2.2直流UPS
和交流UPS一样，直流UPS的关键是输入电压中断后的续能问题，但DCUPS是将变换后的直流电压直接送给用电负载。实现DCUPS最简单的方法是电网电压经过整流滤波稳压后与蓄电池并联。其结构如图2所示。
在输入正常时，电池处于浮充状态（R为充电限流电阻）；当外电网断电后，由电池经导流二极管向负载供电。
该方案对于直流负载的显著优点是，不需要再二次逆变，效率高，可靠性强，成本低，并且蓄电池对负载的动态特性有改善作用。但不足之处是，当电池向负载供电时，电池电平不稳定——逐渐下降，往往需要二次稳压。
3蓄电池的性能与使用
蓄电池是UPS的心脏，故了解蓄电池的性能及使用方法是设计UPS的基础。
目前在UPS中广泛采用的是密封免维护铅酸蓄电池，性能较好的有美国的德克、GNB，德国的阳光，英国的霍克，日本的汤浅等品牌。
3.1蓄电池的充电
恒流充电防止了初始充电电流过大使电极发热而可能引起的电池爆裂，并使充电时间大大缩短。当电池充满后，仍继续恒流充电将造成电池过充，导致电池过热。所以当恒流充电充到限定电压时自动切换为恒压充电，就控制了这个过程，避免了电池的损坏。所以恒流恒压充电对蓄电池是比较合适的。
若采用大电流快速充电，虽可以缩短充电时间，提高充电效率，但必须严格控制过充并解决去极化的问题，从而使充电电路变得复杂。
另外，温度对充电也有影响，电池的充电上限电压随温度的升高而降低，因此充电器的限制电压应有负温度补偿。
表1给出了常规的密封铅酸蓄电池的充电上限电压和充电电流数据。
表中C为蓄电池的标称容量，充电上限电压为一个单体电池（2V）的数据。如标称12V/7Ah的电池由6个单体组成，其充电上限电压为2.275V×6=13.65V，恒流充电电流为0.1C=0.7A。
3.2蓄电池的放电
当电网断电时，UPS中的蓄电池向负载放电。随着能量的消耗，其端电压也随之而下降。
图2直流UPS框图
图3DCUPS总体方案框图
蓄电池允许的放电下限电压与电池的标称容量及放电电流有关。表2给出了放电电流和放电下限电压的关系。
电池的容量一定时，持续工作时间取决于放电电流，且电池能放出的有效容量也大大地依赖于放电电流——放电电流越大，有效容量越小，持续工作时间越短。表3给出了不同持续工作时间所允许的放电电流和对应的有效容量。
电池的有效容量还受放电期间温度的影响，温度越低，容量越小，特别是当环境温度低于＋10℃时，表现更为明显。
所以在选择电池的标称容量时，一定要考虑最大负载电流、环境温度所对应的有效容量以及放电深度（放电量与总容量之比），以便计算有效维持时间，并设置合理的下限保护电压。
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