充电电路的工作原理

充电电路工作原理

蓄电池与逆变器对直流电源的要求不同：逆变器要求直流电源提供稳定电

压；蓄电池要求直流电源提供的电压能随着蓄电池的充电过程而变化。为了解

决蓄电池、逆变器对直流电源的不同要求，故UPS分别设置整流器及充电电路。

根据UPS容量大小、工作方式不同，充电电路可分为恒压充电、恒流充电、分

级充电等电路。介于充电电路在整个系统中的重要作用，我做了多方面的考虑,

最后决定采用高压快速充电电路。

在此所用的高压快速充电电路不但解决了UPS内部蓄电池的快速充电问

题，而且解决了一般不能快充外接蓄电池的问题。

工作原理分析：

该电路适用于长备用时间、大容量蓄电池的充电。它由以下几个部分组成：

(1)加电电路

在不加交流输入电压时，继电器J2的中间触点a2和b2相连，如果这时开关

K是闭合的，那么外加蓄电池电压就和UPS内部蓄电池形成并联结构，此时控

制电路由于没有电源而不能工作。

当市电电压220V加到输入端时，由于继电器」的触点处于断开状态，因而

交流电压220V就不能加到变压器T1上。当按下按钮Ni时，J被激励，触点

J闭合。这时电流经限流电阻R、加到变压器T1上，等到变压器初级绕组的电

压达到一定值时，力被激励，触点闭合，将电阻R、短路。在交流220V加到输

入端的同时，J2被激励,继电器触点a2转接到ci,于是电池组电压UB经R2、

VD6加到控制电路上。N2为按断开关，在未按下开关Nz时其处于闭合状态将两

个单结晶体管振荡器的发射扳旁路，故振荡器不工作，电路处于静止等待状态。

加电电路中之所以加入了北和&环节，是因为一般电源变压器的匝间电容

使加电前沿的电流被旁路，磁通不能马上建立起来，形成很大的短路电流。如

未变压器容量再增加，这种启动瞬间短路电流就会更严重。因此，在加电前瞬

间用电阻R、限流，当变压器上电压升到一定值时，再将R、短路就可避免这种情

况的发生。

当按下开关Ni瞬间，由于有上述的过程，最好不要马上供电。在N2被按下,

该开关处于断开状态，电容Cs的充电能延缓振荡器的起振，只有当C5上电压

上；升到一定值时，振荡器才开始工作。

(2)振荡电路

Qi、R4、R5和C2、T2,Q2、R9、RIO、C3和T3组成了两套单结晶体管振

荡器。之所以采用单结晶体管方案，是因为它电路简单而且能瞬时给出大的触

发功率，可直接驱动可控硅。

在需要给蓄电池组充电的情况下，单结晶体管振荡器呈连续振荡，其波形

图如下图

所示:

图2.7单结晶体管振荡器波形

5为发射极波形，ebi为第一基极历的输出波形，其振荡周期可用下式表

示：

八HC哈(2-2-10)

式中，T为振荡周期（s）,RE为接在单结管发射极的电阻（Q）,这里是Rs和

R9,CE为单结管射极的电容（F）,这里是C2和C3,n为单结管的分压比。

由基极变压器将控制脉冲加到主回路可控硅的控制极上。

单结管振荡器的发射极各与两个并联运算放大器的输出相连，因而它们的

工作状况受相应运算放大器的控制，振荡脉冲的有无与疏密随着相应运算放大

器的工作状态而改变。

（3）测量与控制电路

1）限流与恒流控制电路

蓄电池经过一定时间的放电进行再充电时，初始充电电流很大，所以要进

行限流，即在充电电流超过其规定值以前，将其恒定在规定的限流值上。

由图中可以看出，运放Ui的4端和6端均接基准电压，即U1-4=UI.6.而

U|.5=U1.7的电压为两个电压之差，即

UI-5=U|-7=U1.5B=UI-5A—UI-AB

在上面的式子中，为U|引脚5至A点电压，U5B为Ui引脚5至B点的电

压，U-B为充电期间，充电电流在导线BA上形成的压降，其方向和原来不充

电时风上的电压极性相反。

U1.5>U1.4

运放口（LM339）输出开路，不影响振荡器工作。一旦充电电流很大时，

则

U1.5=U1-5A—U1.AB=U1.5A-I充RAB

接近了Ul=U1.6值，运放进入放大状态，其输出就对两单结管发射极产生

了旁路作用，从而降低了C2及C3的充电速度，降低了脉冲频率，延迟了对可控

硅的触发时间，调整了导通角，达到了限流恒压充电的目的。

2）电压测量与控制电路

由图中可以看出，和运放Ui的两输出端1、2并联的还有U2的两个运放输

出端1、2,这就是电压的测控环节。在高压充电电路的电路设计中是这样规定

的：当充电电压在预设值以下时，运放的输入端电压

U2.4=U2.6〈U2-5和U2-7

所以比较器U；的这两个输出端是开路状态，两个振荡器都正常工作。当充

电电压UB达到第一限值时，U2的6端电平大于7端电平，贝IJ1端输出低电子，

振荡管Q2的发射极被嵌位，于是由Q2构成的单给管振荡器停振，对应的可控

硅VT2截止，快充结束，只剩下浮充（实际上这时仍是快充，不过其平均充电

电流减半）。当充电电平达到第二限值时，比较器U2的U2.4，U2.5,使该组件为

放大或开关状态，开始对第二只可控硅VT］进行相控，同时电压UB就稳定在

这个电平上，电压变化小于0.1V。

4）冷却控制电路

这里采取的是强迫风冷。我们考虑到很多要求长备用时间的UPS电源是昼

夜24小时开机的，但充电电路在大部分时间内都处于浮充状态，平时并不需要

让风机始终工作在强风冷却状态。为了延长风机的寿命，加入了冷却控制电路,

由比较器Ui的输入端8、9脚将信号引入，在电路进行全充电时，Ui的输出端

14脚为低电平,所以比较器U2的输入电平U2.8VU2.9,14脚输出高电平,经VDU

去驱动Q4，从而继电器L被激励，其中心触点将风机FAN接入220V全电压

电路，进行强风冷却。当蓄电池电平达到第一限值时，3的14脚输出高电平，

则比较器U2的U2.8>U2.9,其输出端14脚输出低电平，使Q4截止，其中心触

点与降压输出相连接，于是风机FAN作降压运行，风力减弱，从而减轻了风机的

磨损,节省了电力，降低了噪声。

5）主回路

主充电回路主要包括两只可控硅和两只二极管整流器。为了提高触发效

率和进行隔离，采用了脉冲变压器隔离触发，在可控硅控制极的二极管是用来

对控制脉冲进行整形的。

6)用继电器输出，实现了充电时与逆变器的隔离。

充电电路中各主要多数的计算

(1)交流指示

图中采用的10mA/I.5V正向压降的发光二极管指示状态

220V

(2-2-11)

10〃滔

f]=I2R=2.2w

(2-2-12)

(2)Rx

根据不同变压器容量取不同值，在这里我们的参数是H)kVA,16块电池

(12X16=192V)，浮充电压(设电池每单元浮充电压为2.25V,一个12V电池

由六个单元构成)11浮=(2.25X6)X16=216V,熔断丝RD取6A,贝1J:

U220

二36。(2-2-13)

1RD6

功率

PX=IU=6*220=1320W(2-2-14)

实际上，Rx的使用只是一瞬间的事情，甚至来不及发热，J3已将其旁路了。

为了保险起见，取10W足够了。

(3)Ji,比和人均取绕组电压为220V,触点电流为相应容量的继电器就

可以了。

(4)稳压管

DW8>DW9的选取：使UDS+UD^24V,电流取10mAo其余各稳压管

均取2OV54(2CW13)型6V/10mA即可。

(5)单结管振荡器

图中单结管选用了500mw的BT33F,由表查得“在0・65〜0•85之间，

取0・75,其振荡周期为

T=RECEIn-^—工1.39R£(2215)

1一〃

振荡周期较短可提高稳压精度，但不太显著：而较长其影响却非常显著,

取振荡频率为1kHz左右就可以了。

若取T=lms,贝！)

T

RQ=—=——=0.719*10-3(2-2-16)

1.391.39

根据触发脉冲的宽度，取CE=O.IpF就够了，故

“0.719xl()-3…，八

R.=-------------=7.19kQ(2-2-17)

EO.lxlO-6

取8.2kO。由于功率很小，取1/4W就可以了。以下的计算，如无特殊说明，

均取1/4Wo

(6)限流环节

因为基准电压为6V,即运放Ui的4脚与6脚电压为6V,只要电位器Wi

可以将其5脚、7脚电压调到6.5V即可，为此取通过R7、Wi的电流为1mA,

则

24V

为+叱=——=24g(2-2-18)

\mA

那么

UA_R7+W1

(2-2-19)

UP~wT

于是

VV1=(/?7+VVl)—=24x—=6AQ(2-2-20)

；UA24

取标称值6.8k。，则R7=24-6.8=17.2k(),取18k。。取18k。验算是否UP

>6Vo因为

W\68

U=----------U=—x24=6.6V(2-2-21)

PK/+WIA24.8

所以满足要求。

(7)电压测控环节

此电路电压分两挡控制，第一档为电池开始冒泡电压，第二挡为每单元电

池达到2.25V电压。不同型号和不同厂家的电池其冒泡电压有所区别。对于开放

式半密封胶体电池来说，通过加电过程的观察，按实际情况定；而对密封电池,

每单元电压按2V计算。

设胶体电池在充电电压使每个单元电压达到2.25V时为第一限，这时的充

电电压为

UB=(2.25*6)*16=216V(2-2-22)

仍设电阻臂电流为1mA,并设M点电压在216V充电电压时，UM=6V,于

是

=^K=216K2

(2-2-23)

14，\mA

%=(仆+16喂=62(2-2-24)

取标称值6.8kQ则Ri4=216-6=210kft,为使取值和第二限值统一，考

虑给W2以较大的调节范围，故取Ri4=210kQo只要保证在第一限值216V以

前UM<6V,在216V以后UM>6V,在第二限值（2.3*6）*16=220,8V以前

UN<6V,在220.8V以后UN>6V就可以了。为此，对上述两条分别作一个计

算，即只要保证将W2=W3=6.8kn全值投入后，在216V充电电压时，M点分压

大于6V就可以了。第二种计算就不需要了，因为216V时，UM>6V,220.8V

时当然更大于6V了。该计算是：

"一叫=———x2I6«6.8>6V

(2-2-25)

为4+%6.8+210

计算结果满足要求.因此，只需根据要求把电位器值适当调小就可以了.

（8）低压准备停机测量环节

当电池放电时，原来充入的电荷会慢慢消耗，当电池组端电压降到一定值

时，就应停止再放电，否则将会损害电池。这里设每个单元电压低到1.75V（这

对多种电池都留有余量）时，R18上的电压UR18W6V,使比较器5的输出

端13给出低电位，低压警告指示灯亮。

同样设在每个单元电压为1.75V时，电阻臂Ri7、孙8流过1mA电流，贝

cn(1.75x6)X16V,

Ri?+Rs=-----------------=168Al2(2-2-26)

\mA

%=(67+/?18)—=6^1取6.2kC(2-2-27)

168

47=(凡7+KJ-%=161.8^1取168kQ(2-2-28)

那么

UR8=—a——x216=7.97V(2-2-29)

z凡17/+凡Io、168

也即电阻Ri8取大了，但Ri7和Ri8邻近的标称电阻又相差太大，最好取6.2k。

的电位器更灵活一些。

（9）电解电容的取值

电路中的电解电容都是作平滑之用的。G和C6是作平滑辅助电源之用，它

的作用是在充电脉动电压期间，使辅助电压波动不要超过额定值的5%。电容的

充电规律为

U*UBl"r(2-2-30)

式中t为充电脉冲持续时间。在这里作一级近似，即设原来C上的直流电压是

不变的，只在充电半波高出电池电压的部分电容上电压才变动，则Uct即为变动

电压，而UB为充电电压脉动高出电池电压部分的峰值。而在此的交流峰值电压

UM«V2X168V«238V

而电池标称值电压为12Vxi6=192V,Um高出电池标称值电压46V,即

UB=46V,则：

r=/?2(C,+C6)(2-2-31)

R2为降压电阻，控制电路的等效电阻为1k。，消耗电流30mA左右，也即

192V-24V

R,=---------------=5.62(2-2-32)

-30mA

式中24V为辅助电源电压，网上功耗为P2=30mAx60V^1.8W,所以R2

取6kQ/4W电阻。一般这样估算，即当电池电压在最低值(168V)时，开始

根据正弦波定义，电压瞬时值

e=UMsin69/=UMsina(2-2-33)

那么

a=sin