蓄電池是一種將電能變換為化學(xué)能再將化學(xué)能變換為電能的直流電源,也是一種可以再充電和反復(fù)使用的電池。特別是在UPS中,蓄電池是其重要的組成部分,沒有蓄電池也就失去了UPS存在的意義。在電力電子系統(tǒng)中,蓄電池有著廣泛地應(yīng)用,本文以閥控式鉛酸蓄電池為重點,介紹蓄電池充電和充電用整流器。

1蓄電池的類型

目前,應(yīng)用較多的蓄電池主要有三大類:閥控式鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池和防酸隔爆蓄電池。

2蓄電池的充電方式"

(1)蓄電池的充電性質(zhì)

在每類蓄電池中,充電可分為三類(在下面的說明中,凡是提及蓄電池電壓均以單體電壓為2V的閥控式鉛酸蓄電池為例):

①浮充電

浮充電是指蓄電池在為負(fù)載提供電能的同時,進(jìn)行補(bǔ)充充電。要求浮充電壓有較高的穩(wěn)定度,在單體電壓為2V時,每格蓄電池的浮充電壓應(yīng)按電池生產(chǎn)廠商所在國的標(biāo)準(zhǔn)選擇:

——在我國標(biāo)準(zhǔn)《YD/T799—2002通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》中規(guī)定,浮充電壓為2.20～2.27V(TA=25℃);

——在我國標(biāo)準(zhǔn)《YD/T1360—2005通信用閥控式密封膠體蓄電池》中規(guī)定,浮充電壓為2.23～2.27V(TA=25℃);

——國外廠商對閥控式密封鉛酸蓄電池浮充電壓的規(guī)定:

日本松下:2.25～2.30V;

美國圣帝:2.23～2.27V;

美國GNB:2.25V;

德國哈根:2.27±0.02V;

英國來根:2.27V。

浮充電壓的選擇不能過高,也不能過低。浮充電壓過高,電池容易出現(xiàn)熱失控、失水、均勻性變差等現(xiàn)象;浮充電壓過低,會造成電池充電時間加長、充電不足、加劇極板硫酸鹽化等不良后果。

②均衡充電

對于浮充電的蓄電池來說,每隔2～3個月要對蓄電池進(jìn)行一次均衡充電。均衡充電時,必須保持電壓恒定充電,充電電壓上升到2.26～2.40V,保持幾個小時,并隨時攪拌電解液;

③補(bǔ)充電

對于某些蓄電池(例如蓄電池機(jī)車用蓄電池)來說,在運(yùn)行一段時間以后,需要對蓄電池補(bǔ)充電能。此時,如果按規(guī)定的浮充電壓進(jìn)行充電,則需要很長的充電時間。為了縮短充電時間,在短時間內(nèi)以略高于規(guī)定的浮充電壓進(jìn)行快速充電,然后再恢復(fù)到規(guī)定的浮充電壓進(jìn)行正常充電。

(2)蓄電池充電用整流器的充電方式

蓄電池充電用整流器的充電方式有穩(wěn)流、穩(wěn)壓等多種方式,普遍采用的是穩(wěn)流/穩(wěn)壓充電方式和充放電/快速充電方式。

①穩(wěn)流/穩(wěn)壓充電方式

這是一種最常用的蓄電池充電方式。一般是先按穩(wěn)流充電方式進(jìn)行充電,當(dāng)蓄電池產(chǎn)生氣體時,再轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓充電方式。穩(wěn)流/穩(wěn)壓充電方式對充電電源的要求是:

——在蓄電池放電完成后,能將電源電壓調(diào)節(jié)到浮充電壓和均衡充電電壓;

——輸出電壓-電流特性應(yīng)具有下垂特性,能夠限制過流;

——要求有一定的穩(wěn)壓精度,如在浮充電時,輸出電壓的穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于±1.5%。

此類充電方式可采用橋式晶閘管整流器或高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源。

②充放電/快速充電方式

對于初次使用或者需要做安-時容量測定的蓄電池,需要先將蓄電池中的電能放掉,再進(jìn)行浮充電。此類充放電方式可采用橋式可逆變晶閘管整流器。蓄電池放電時,整流器工作在逆變狀態(tài),將蓄電池放電的電能饋送到電網(wǎng)。蓄電池充電時,整流器工作在整流狀態(tài)。

快速充電方式是利用可控器件的開關(guān)作用,在蓄電池充電過程中,間隙地短時間大電流放電,以消除充電過程中極化作用,提高充電能力,以較短的時間完成充電。橋式可逆變晶閘管整流器可用于蓄電池的快速充電方式。

3蓄電池充放電用橋式可逆變晶閘管整流器

根據(jù)蓄電池充放電方式的要求,蓄電池充放電用整流器應(yīng)具有逆變放電和穩(wěn)流/穩(wěn)壓充電的功能。圖1為蓄電池充放電用三相全橋式可逆變晶閘管整流器的原理圖。

在用于蓄電池放電時,轉(zhuǎn)換開關(guān)S1閉合,S2同時斷開(S1和S2連鎖),與此同時,觸發(fā)器輸出的晶閘管VT1～VT6的觸發(fā)脈沖相位于大于90°的范圍,整流器工作于逆變狀態(tài),蓄電池放電并向電網(wǎng)饋送電能。

在用于蓄電池充電時,轉(zhuǎn)換開關(guān)S2閉合,S1斷開,整流器工作在整流狀態(tài)。調(diào)節(jié)給定調(diào)節(jié)器RP和轉(zhuǎn)換開關(guān)S0,使整流器用于浮充電、補(bǔ)充電或均衡充電。

D7為續(xù)流二極管,為電感器L提供續(xù)流通路,以防止電路斷流時產(chǎn)生電壓過沖;L為平滑濾波電抗器。由于蓄電池是一種反電勢負(fù)載,加入電抗器L后,能使負(fù)載電流保持連續(xù);RV為壓敏電阻,用于吸收直流電路中產(chǎn)生的電壓過沖;Rf為電壓反饋取樣電阻。

4高頻逆變電源用于蓄電池的充放電

高頻逆變電源的效率高、動態(tài)特性好、體積小,并且具有雙向傳輸功率的功能,可以取代晶閘管整流器用于蓄電池的充放電。

在高頻逆變電源中，為了減小體積和重量，往往不用輸入工頻變壓器。這樣，工頻整流的直流輸出電壓經(jīng)Buck降壓逆變電路可以作為小容量蓄電池的充放電電源。比如，在小容量UPS中，蓄電池組的額定電壓一般在120V左右，浮充電壓一般不會超過140V。所以，采用單相交流無隔離輸入變壓器的降壓式逆變電源可滿足小容量蓄電池充放電的要求。但對于大容量蓄電池來說，要求充電電壓為幾百伏,充電電流可達(dá)幾十安以上,降壓式逆變電路無法滿足要求。如果采用高頻逆變電源用于大容量蓄電池的充放電，必須選用Boost升壓式逆變電路。為了獲得大的充電電流,并且避免電網(wǎng)三相供電不平衡,應(yīng)采用三相橋式逆變電路。

高頻逆變電源多采用脈寬調(diào)制(PWM)控制方式。根據(jù)調(diào)制信號波形的不同,PWM控制方式可分為直流脈寬調(diào)制(DPWM)和正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)兩大類。兩者的主要區(qū)別在于參考電壓的波形,前者調(diào)制電壓為直流電壓,后者調(diào)制電壓為正弦波交流電壓。DPWM因其結(jié)構(gòu)簡單和控制方便,廣泛用于小容量的方波輸出的UPS中。對于中、大容量的UPS來說,通常要求正弦波輸出,應(yīng)采用SPWM。在SPWM中,正弦波調(diào)制電壓與電網(wǎng)電壓同步,其頻率為50Hz,而載波(三角波或鋸齒波)頻率為8～40kHz,輸出電壓中基本上不含低次諧波,輸出電壓中的諧波為幾千赫以上的高次諧波,這樣,可以大大降低濾波器的尺寸和重量。對于SPWM來說,已有大量的SPWM控制器集成電路可供選用。

原則上,各種型式的開關(guān)電路均可作為高頻逆變電源的主電路。一般情況下,小容量蓄電池充放電用高頻逆變電源的主電路多采用推挽式逆變電路,而中、大容量蓄電池充放電用高頻逆變電源的主電路多采用三相全橋式逆變電路。

表2給出了高頻逆變電源與晶閘管相控整流電源的性能比較。

5快速充電用晶閘管整流器

在充電過程中,利用停充間隙來消除電解液的濃差,用短時間大電流放電,以消除充電過程中極化作用,提高充電能力,以較短的時間完成充電。蓄電池快速充電的電流波形如圖2所示。圖中,ID為充電電流;IF為放電電流;t1為充電時間,最長可達(dá)3s;t2和t4為停充的間隙時間,各為200ms左右;t3為脈沖電流放電時間,最長可達(dá)100ms。


當(dāng)需要放電時,控制信號觸發(fā)晶閘管VT7和VT8,令其導(dǎo)通,蓄電池通過L向電阻R放電,同時給電容C充電(因VT8導(dǎo)通,C與R并聯(lián))。當(dāng)C上電壓不再上升時,充電電流非常小,流經(jīng)VT8的電流小于其維持電流時,VT8自行關(guān)斷。在需要終止放電時,控制信號觸發(fā)VT9,令其導(dǎo)通,電容器C通過VT9放電,使VT7關(guān)斷,蓄電池放電通路被切斷,放電終止。與此同時,控制信號觸發(fā)UR中相應(yīng)的晶閘管,UR處于整流狀態(tài),給蓄電池充電。該電路中,電容器C的放電電流用來關(guān)斷晶閘管VT7,C的容量(μF)應(yīng)滿足下式:

CE≥IFtoff(1)

式中E—蓄電池電壓(V);

IF—放電電流(A);

toff—晶閘管VT7的關(guān)斷時間(μs)。

為了VT7的可靠關(guān)斷,一般取CE=2IFtoff,則

從式(2)可以看出,在蓄電池電壓E比較低時,電容器C的容量很大,所以,該直流開關(guān)電路適用于蓄電池電壓較高的情況。

為了降低電容器C的容量,可采用逆導(dǎo)晶閘管組成的充放電開關(guān)電路。由于逆導(dǎo)晶閘管的關(guān)斷時間較短,在相同放電電流的情況下,電容器C的容量是晶閘管直流開關(guān)電路的1/4～1/10。