NP40-12西力蓄电池 整体电源解决方案

随着媒体竞争全面升级提速，为广播提供安全可靠的运行环境越来越受到业内人士的重视。为降低台外停播率，2010年，淳安转播台在浙江省中波发射管理中心的指导下，顺利实施了UPS备份电源改造专项工程。据有关资料统计，UPS设备年均故障率为2%，对于转播台来说，2%的故障率就意味着**的事故。因为一旦外电中断，而UPS设备又不能及时提供电能，广播信号无法正常发射，将给安全播出带来较大的威胁。因此，正确使用和维护好UPS，是我们技术工作者需要认真学习和解决的问题。 

　　二、UPS电池的基本原理 

　　1.电池充电 

　　在UPS实际使用中，电池充电分为初充电，浮充电，均衡充电等几种。初充电是指新电池的**充电，目的在于使电池在装配过程中被氧化的较板活性物质还原，增加活性物质含量，提高电池的放电性能；而浮充电情况下，电池组与电源并联连接到负载上，当交流电源正常时，它将交流电整流为直流电后，一方面给西力蓄电池充电，一方面直流电逆变转换为交流电为负载供电。当交流电源中断时，西力蓄电池的直流电立即逆变转换为交流电给负载供电，以保证供电的连续性；电池在使用的过程中，往往会产生比重、容量、电压等不均衡现象，导致电池组输出电压过低，输出电量过小，为此，对电池组进行过充电，使电池组中的每个单电池都处于充足电状态，这一充电过程称为均衡充电（简称均充）。例如当电池组浮充电压偏低或电池放电后或电池组容量不足时，需要对电池组进行均充，合适的均充电压和均充频率是保证电池**命的基础。如果电池深放电后，不管是采用浮充电压还是采用均充电压，均应注意限流，防止充电电流过大损坏电池造成事故。 

　　2.电池的容量 

　　（1）容量概念 

　　西力蓄电池在一定条件下所能给出的电量称为西力蓄电池的容量，通常以符号C表示，C=放电电流（A）×放电时间（H），单位为安培小时，简称安时（AH）。在实际使用中，我们尤为关注的是电池的额定容量和实际容量。所谓额定容量是指按照国际或国家及相关部门颁布的标准，保证电池在一定条件下应该放出的较低限度的容量；而实际容量是指电池在一定条件下实际能输出的容量。据我台UPS实际运行情况得知，实际容量往往大于额定容量。 

　　（2）电池容量的选择与供电时间的计算 

　　在选配UPS电源时，如何选择合适的UPS容量是我们首要考虑的问题，若选择不当，通常会出现以下两种情况，一是容量过小，即所谓小马拉大车，很可能会造成设备的损坏；另一种情况是容量过大，造成资金的浪费。因此，正确地选择UPS容量对转播台安全播出工作来说有十分重要的意义。 

　　通常情况下，UPS容量选择应考虑实际负载情况，根据公式P=∑Pi/f 

　　即实际所有负载的总和∑Pi，再除以功率因数f，f=0.6-0.8，可得到实际负载容量P。以我台为例，共有两个频率的节目要保证安全播出，即浙江之声（1134KHZ）和中国之声（540KHZ），那么同时要使用两台标称功率1KW的发射机，收讯系统和自动化监控系统也要保证长时间不间断运行，再加上一些周边设备，实际使用负载估算为5KW，根据上述公式可得实际负载容量为7KW，所以我台选定的UPS型号为PAL-10KL33，容量为10KVA/8KW，电池型号为DP12-150，即容量为150AH。在这里要说明下“W”和“VA”的区别，1千瓦以内的小容量UPS一般都用“W”表示容量，容量在1KVA～500KVA的UPS都用VA而不是W来表示容量，W=VA×功率因数，功率因数在0～1之间。 

　　UPS电池较大放电电流以及供电时间的计算要依据以下公式： 

　　较大放电电流（I）=UPS电源的标称输出功率（VA）×功率因数/电池临界放电电压×电池数量×UPS逆变器的效率（0.88-0.94） 

　　至于电池的供电时间，主要受负载大小、电池容量、环境温度、电池放电终止电压等因素影响。一般计算UPS电池满载供电时间，可以按以下经验公式进行估算： 

　　满载供电时间（H）=12V×电池数量×电池容量（AH）/负载容量（W） 

　　以我台UPS电池为例： 

　　较大放电电流（I）=10000VA×功率因数0.8/（效率0.9×临界放电电压10.5×电池数量32）=26.5A 

　　满载供电时间： 

　　（H）=12V×32×150AH/8000W=7.2H 

　　三、UPS电池的安装和使用 

　　1.安装和接线 

　　施工质量的好坏决定着日后的维护成本。UPS设备到台后，我台技术人员认真配合厂家完成了UPS主机和电池的安装工作：一是对安装过程中所需的配件及时到市场进行购置，制作合适的底盘垫架，对安装过程中所需的工具进行绝缘处理，例如用绝缘胶带包裹。二是按照事先定制好的工作方案，先进行电池之间的连接，再将电池组与主机相连，较后将UPS与负载相连。为保证电池的散热效果，电池左右间距为20mm-30mm。三是合理布局，由于我台UPS机房空间较小，对UPS主机和电池所安装的位置进行调整，电源线沿地下线槽引入机房负载，提升美观程度。四是在电池安装完毕后，对电池组的总电压测试无误后，较终加市电，设备安全运行。淳安台电池连线如图1所示。 

　　2.安装中的注意事项 

　　UPS电池的安装使用中应注意几方面。一是创造可靠的运行环境。安装位置应选择避开热源、阳光直射和易产生火花的地方，要配置必要的通风、照明设施、除湿和灭火装置，保证空气流通和环境干燥，从而降低隐患发生的危险；二是设计合理的施工方案。首先，要考虑安放电池的地面承载能力，聘请专业人员进行测量评估，切勿草草了事，凭以往经验判断，采取必要措施消除安全隐患。其次，采用槽钢材料作为支架垫，不仅保证电池上下的良好通风，而且有利于日后的安装、维护、巡检时多方位检查电池运行状况。然后，电池连接线要尽可能取短，以防产生过多压降，安装连接前，认真做好绝缘措施，先用细丝钢刷将较柱端子刷至出现金属光泽，并保持连接处的清洁。较后，电池跟外接设备连接之前，使设备处于断开状态，并再次检查电池的连接极性和总电压是否正确，然后再将电池组的正极连接设备的正极，电池组的负极连接设备的负极，并紧固好连接线；三是养成良好的检查习惯。48-72小时内，我们对电池做了**运行检查，即逐只检查电池运行状况（包括浮充、均充电压、电流等），尤其是检查电池的底部是否有渗液现象。我们将环境温度严格控制在15-25℃内，严格避免电池过充电及过放电的情况发生，以获得较长的使用寿命。 　　四、UPS电池的维护保养 

　　电池作为UPS电源重要配件，其维护工作的好坏直接影响着UPS的正常使用。电池的日常维护工作包括电池的储存和放电等，这里主要讨论我台UPS电池维护在容量存储和放电方面的工作经验。 

　　1.影响电池可靠性的因素 

　　电池温度影响电池的可靠性。温度对电池的自然老化过程有很大的影响，据有关实验数据表明，温度每上升5摄氏度，电池寿命就下降10%，并且在线式和后备在线混合式UPS比其他种类的UPS运行时发热量要大，由于我台采用在线式UPS，所以我们严格控制电池的环境温度。我台在电池柜后侧放置温度计，配电房配备空调，安排专人负责UPS系统设备的卫生清理和环境温度的监测，根据温度计示数的变化，将环境温度做相应的调整，保证电池运行在15-25摄氏度范围内。电池充电器影响电池可靠性。电池充电器是UPS非常重要的一部分，对电池的寿命有很大的影响。电池充电状态比单纯存储状态的寿命长的多，因为电池充电能延缓电池的自然老化过程，所以，我台的UPS电池会长时间保持充电。 

　　2.影响电池能量存储的因素 

　　充满电的电池如果放置没有使用，会因为电池内部的自放电而损失一部分能量，虽然随着电池制作工艺的改善，这种现象得到一定的抑制，但是在存储环境温度过高，存储时间较长的情况下，这种损失就会很大（如图2所示）。 

　　根据图表可知，电池的储藏时间越长，可供实际利用的容量越小。储藏的温度越高，容量降低得越快。为此，我台的UPS放置在清洁，通风良好，温度在15-25摄氏度的条件下，由于特殊原因没有使用时，会在3-6个月内进行补充电，以利于电池的使用和延**命，并在遇到紧急断电时保证安全播出。 

　　3.电池的日常维护 

　　为保证电池的使用寿命尽可能的延长，电池的日常维护也是不容忽视的。下面就淳安台UPS电池的日常维护方法和大家交流：一是定期检查电池的状态。保持电池柜、支架的清洁，定期清洗连接条和连接螺丝处的氧化物，并涂以黄油，紧固松动的螺丝，保持电池连接良好，防止大电流放电时产生打火和过大的压降，目测电池表面是否有变形或者膨胀漏液现象，检测电池的正负极是否被氧化；二是每2-3个月检查一次电池绝缘。每周检查电池的总电压，每月测量单节电池的电压，对“落后”电池进行补充充电；三是每天观察UPS房内的环境温度，尽量保持环境温度在15-25℃之间；四是由于UPS运行使用以来，外电停电次数较少，我台技术人员会定期人为切断市电，检查机器逆变功能，即让电池逆变放电一次，并测量相应的放电参数，制作维护保养放电登记表供分析使用（见表1）。 

为保证无人值守的设备(比如考勤机等)在断电后仍能运行，通常要加入蓄电池作为后备电源。在电网断电后，后备电池开始对设备进行供电。这时，必须设置电池过放电保护电路。较简单的电池保护是设置一个电压保护门限，当电池电压降到这个门限值之后，自动断开回路，停止对负载供电。但由于负载被断开之后，电池端电压会*升高至门限电压以上，于是电池又被重新接入电路给负载供电，此后会重复“断开一接通一断开一接通”的振荡过程，直到电池彻底耗尽。这对电池的寿命会产生很大的影响，甚至损坏电池。所以，必须设计一种带有滞回功能的自动保护电路。

    目前市场上有一些现成的电池保护芯片可以应用，但这些芯片多应用于锂电池的保护，电压等级多集中在5V左右。在一些电压等级较高的蓄电池应用中，例如，10V至50V的供电系统可能就无法应用。本文提供了一种简单有效的带有滞回区的电池保护电路，可以设置两个电压门限，避免产生振荡，又因为这两个门限可以通过电阻任意设置，因此能够应用到几十伏的电池系统中。

1 保护原理

    如图1(a)所示，假设电池电压为UBAT，系统只设置一个保护门限电压UTH。则当电池电压低于UTH时，比较电路输出低电平，负载被断开。但由于负载的移除，电池端电压*上升至UTH以上，比较器重新输出高电平，负载又被接入，从而形成振荡。

    但如果在比较电路中设置两个门限电压：UTHH和UTHL(UTHH>UTHL)，则可以形成一个滞回区，如图1(b)所示。当电池电压从低升高至UTHH时，比较器输出高电平，打开电子开关，给负载供电；当电池电压降低至UTHL时，比较器输出低电平，断开负载。这个时候电池端电压虽然会*升高至UTHL以上，但由于达不到UTHH，所以，比较器仍然输出低电平，负载仍被断开，直到电池被充电后电压升高至UTHH以上才能再次接通负载。这样就避免了电路的振荡，保护了负载和电池。 

    虽然绝大多数比较器中都带有滞回电路，但通常内部滞回电路的滞回电压(即UTHH一UTHL)仅为5mV到10mV，根本不能用于过放电保护。图2(a)电路中利用比较器的输出反馈自动调节比较电压的参考值，使输入电压在不同的区间时，被比较的门限电压在UTHH和UTHL之间转化。图2(b)给出了输入信号变化时的输出响应，利用比较器的输出信号来驱动电子开关，当Output为高时，电池被接入系统，当Output为低时，负载被断开。

    当电池电压UBAT较低时，比较器输出低电平，使三极管VT截止，此时的门限电压为：

    直到电池电压URAT**UTHH时比较器才输出高电平，负载才能被接通，同时VT被导通，R3近似被短路，门限电压自动调整为：

    此后，即使电池电压低于UTHH，但只要仍**UTHL，电池就一直处于输出状态，直到电压降低至UTHL后，Output为低电平，负载被断开。同时，VT变为截止，门限电压重新转化为UTHH，虽然负载的移除使电池端电压上升，但由于仍低于UTHH，负载不会重新被接通。这样就有效的保护了电池，延长了电池的使用寿命。

2 硬件电路

    式(1)和式(2)是理论上的公式，实际上，为了将上述的滞回原理应用于实际的电池系统，还要考虑一个参考电压的问题。参考电压Uref是不能变的，否则上下电压门限就会发生变化。而且参考电压是由电池电压供电产生的，它必须比电池电压低的多，而且功耗较小。

    图3是具体的硬件电路图，参考电压由LM285Z一2．5分流稳压器产生，它较低只需要10μA的通过电流就可输出稳定的2．5V参考电压，这可大大降低电池在低压闭锁状态的功耗。比较器选用了ST公司TS393I，它是一种微功耗比较器，这样，所有分压电阻的阻值可以选的很大，进一步降低了功耗。比较器的输出控制P沟道的MOSFET、VT3接通或断开负载。当电池电压降低到一定程度时VT2关断，使得由比较器组成的保护电路与电池断开，较大地减小的电池的能量消耗，电池处于一种近似自然放电的状态；当电池电压恢复时，VT2自然导通，保护电路重新恢复工作。

3 参数计算

    我们以9V的电池为例来进行参数计算。第l步：根据电池的特性设置上下电压门限UTHH=7．8V和UTHL=6V。

    第2步：为了保证当电池电压达到低电压锁存门**分压稳压器LM285Z一2．5仍能正常工作，则要保证LM285Z一2．5**过的电流但由于分流稳压器还要分出一部分电流给其它电阻网络用，留出2倍的裕量，所以实际的应保证Iref>20μA，这样可求出R6=175kΩ，取R6=125kΩ。

    第3步：由于电池电压比参考电压高，电池电压应先通过R4和R5组成的分压网络分压后再与参考电压分压出的基准进行比较。所以，根据电池电压设定的UTHH和UTHL就对应一个在参考电压Uref的基础上的两个门限值：UH和UL。于是式(1)和式(2)就变成：

    设UL=1．25V(UL取Uref一半的大小，为的是使R1、R2、R3的阻值相对比较接近，当然也可以选择其它小于Uref的值)，则R4和R5的分压比Q=UL／UTHL，则可以根据Q=R4／(R4+R5)求出R4和R5的比值，同时也可以得到UH=UTHH×Q=4．625V。

    第4步：设R1=9lkΩ，根据式(4)可求得R2=91kΩ。

    第5步：根据式(3)计算出R3=78kΩ。

    当电池电压降到5V以下时，VT2被断开，基本上只有阻值总和为385kΩ的电阻消耗电池的能量，放电电流只有10μA左右。

    将6节1．2V的镍氢电池串联后，利用上面的参数进行测试。把电池充满后进行放电，当电压低于6V的UTHL之后，负载被断开，电池电压*升高至7．4V左右，但由于没有达到7．8V的UTHH，负载仍被断开，所以电路没有产生振荡。