EPS應(yīng)急電源中均衡式充電裝置的設(shè)計

　　1 概述

　　EPS應(yīng)急電源是保證工業(yè)與民用建筑平時和火災(zāi)斷電情況下消防設(shè)備和設(shè)施正常工作的電源，它是各種消防設(shè)備和設(shè)施能否正常運行的重要保障。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。

　　直流靜態(tài)EPS由于應(yīng)急時只能輸出直流電源， 配置消防設(shè)備時需選用交直流兩用設(shè)備， 因此其應(yīng)用受到一定的限制。交流靜態(tài)EPS由于設(shè)有交流逆變系統(tǒng)， 應(yīng)急時能夠輸出交流電源， 對消防用電負荷適應(yīng)性強， 因此其應(yīng)用較為廣泛， 它可以取代500kW及以下的備用柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急備用電源。靜態(tài)EPS與備用柴油發(fā)電機組相比， 具有免維護、無人值守、應(yīng)急供電切換時間短、供電質(zhì)量好、可靠、安全等一系列優(yōu)點， 是較理想的應(yīng)急電源。

　　近年來， 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 電力電子器件和產(chǎn)品價格的低廉化， 靜態(tài)EPS, 特別是交流EPS逐漸成為消防應(yīng)急電源的重要類型。目前，這種靜態(tài)EPS已逐步取代使用壽命短、維護保養(yǎng)不方便、造價比靜態(tài)集中供電式EPS高出30%~50%的分散式鎳鎘電池應(yīng)急電源。從其發(fā)展趨勢來看，它將部分取代柴油發(fā)電機組作為消防應(yīng)急后備電源。

　　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、電池損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

　　為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 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， 當電池端電壓低于標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； 而當電池電壓達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， 每個充電模塊僅負責一節(jié)電池的充電， 因此充電模塊輸出電壓設(shè)計成12V標稱輸出電壓。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。