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应急通信电源箱

原文刊登在《QST》杂志2007年第9月刊
应急通信电源箱
作者 / 约翰·Raydo(John S. Raydo, K0IZ)
编译 / 冯田雨
翻译:LifeWieller
本文已发表于《电子制作》2015年11月刊

最近恶劣的天气让我再次认识到了应急电源的重要性。便携式发电机在轻载时效率较低,不适合这种用途使用,在这种情况下,一台长时间不间断电源(UPS)是理想的选择。
市面上出售的UPS通常是为电脑设计的,额定功率500VA,内置小型胶体电池。这种UPS足够为电脑提供几分钟的时间供电脑保存数据并安全关机,但作为应急电源远远不够。我理想的应急电源应该能够为火腿装备、一台电脑、照明灯,可能还有一台电视和其他一些设备供电。
有鉴于此,我决定自己制作一台UPS。它包括电池充电器,大容量电池,DC-AC逆变器,开关、指示部分和输出插座等。这台UPS的设计规格如下:
 1000W持续功率输出;
 能够坚持工作X小时;
 体积紧凑,方便搬运;
 总成本在600美元以内。

挑选逆变器
最开始我打算使用修正正弦波逆变器,这种逆变器价格便宜,功率足够满足我的要求。但是这种逆变器最大的问题是输出波形不是正弦波,我担心我的电台不能正常工作。另外,有火腿说这种逆变器会产生射频干扰。
出于以上顾虑,我选择了Tripp-Lite的APS1012逆变器。这是一款纯正弦波逆变器,额定输出功率1000W。除此之外,它还具有自动电源切换,输出频率反馈,内部三级电池充电器,可调过压、欠压保护和其他一些功能。在之后的使用中,我没有遇到过射频干扰等问题。这款逆变器的可靠性同样值得信赖,在公司有一台这样的逆变器为电话和服务器提供备用电源,已经连续正常工作了超过40,000小时。
这个型号现在已经升级为APS1250,额定连续输出功率提高到1250W[注释1:www.tripplite.com/products],可以从多家网上商城买到,价格约400美元。另外还有其他一些品牌的逆变器可供选择。图1是应急电源的功能框图。

挑选电池
最常见的电池是液体铅酸蓄电池,就是多数汽车中用的电池。有些电池需要定期打开盖子向其中加水,有些“免维护”电池不需要,但他们本质是一样的。这种电池在充电时会有少量氢气产生,需要在通风的环境中使用,以防止氢气聚集爆炸,因此即便是免维护电池也不是完全密封的。汽车在启动时需要的瞬时大电流就由电池提供。液体铅酸蓄电池内部电极由许多海绵状薄板组成,薄板浸没在液体电解液中,使电极和电解液具有较大的接触面积。这种电池的规格通常使用CCA(冷启动电流,cold cranking amperes,华氏0度测量)而不是常见的安时(Ah)表示,同时这种电池不适合深度充放电,经常深度充放电会使电池很快失效,因此并不适合作为应急电源使用。
长寿命铅酸蓄电池的电极极板要厚得多,因此可以承受多次深度充放电,长期使用充放电深度可以达到80%,通常使用寿命可以达5 ~ 8年。这种电池常见的规格是高尔夫球车使用的GC-2电池。另外,不要把这种电池和船用电池搞混。船用电池性能通常介于液体铅酸蓄电池和长寿命铅酸蓄电池之间,其深度充放电性能并不是很好。此外,以MCA(启动电流,marine cranking amperes,华氏32度测量)标注的蓄电池并不表示这种电池是长寿命蓄电池,同样不适合作为应急电源使用。
胶体铅酸蓄电池在电解液中添加了硅胶成分,这种电池的电解液看起来就像果冻,这使得电池可以以任何方式放置,不用担心电解液流出,但同时也限制了充电电流。为防止充电时产生的气体附着在极板或在胶体内部聚集,这种蓄电池允许的充电电流比液体铅酸蓄电池或AGM蓄电池(下文详述)小,使气体有足够时间扩散。对于需要快速充电的应急电源,这是个明显的缺点。
另一种较新型的长寿命蓄电池是AGM蓄电池,这种蓄电池使用浸满电解液的硼硅酸盐玻璃纤维毡作为电解质夹在极板中间。相比其他两种蓄电池,这种蓄电池寿命可达15年,并有其他一些优点。AGM蓄电池在充电时产生的氢气和氧气中的99%都可以被吸收并重新生成水,在整个寿命周期内不需要补充水;电池可以任何方式放置,电解液不会流出;自放电率低。可以预见的是,这种电池价格要比其他两种电池高得多。
接下来,我们需要选择合适容量的蓄电池。通常蓄电池容量标注是以20小时放电时间为基准,即能够以12.5A电流连续放电20小时的电池容量为250安时,由于电池内阻原因,在大电流放电情况下容量要小于标称容量。若以8小时放电时间为基准,一般电池容量只有标称容量的80%,因此对于需要大电流放电的应急电源,通常需要按标称容量的70% ~ 80%计算。
放电深度影响到另一个重要的因素——电池寿命。在50%放电深度情况下,蓄电池通常能够达到1000次充放电循环,在80%放电深度时只有500次,而汽车中用的蓄电池通常只有很少的充放电循环,它们通常在若干次深度放电后就会失效。为延长电池寿命,一个较好的方法是买一个大容量电池,通过减少放电深度延长电池使用寿命。
如果不考虑最初成本,购买大容量AGM蓄电池是最好的选择。最终我选择的是较便宜的一种,大容量8D型号的工业用液体铅酸蓄电池,只需要125美元。到目前为止工作良好。另一种便宜的选择是购买两个GC-2 6V蓄电池串联。

组装电源箱
蓄电池安装在15 x 25英寸,3/4英寸厚的胶合板上,四周通过3/4 x 3/4英寸木条固定。逆变器和控制电路安装在13.5 x 23英寸,3/4英寸厚的胶合板上,并在四角装上1.5 x 1.5英寸截面积,12英寸长的木条,然后放在蓄电池底座上,在需要维护蓄电池或移动时可以将逆变器组件取下。在蓄电池底座下方安装有四个3英寸脚轮方便移动。
开关实际并不是必须的,在不需要的时候可以直接拔掉电源插头。在制作过程中,我发现有必要随时了解逆变器输出电压和电流,所以我在控制盒上安装了两个复式电源插座,一个电压表,一个功率表,一个断路器和一个氖灯。电压表原本是100V量程的,我根据之前QST的一篇文章[注释2:J. Grebenkemper,KI6WX,“An Inexpensive, Expanded-Range Analog Voltmeter”,QST,Dec 1992,p52;“Expanded-range DC and AC Voltmeters”,Technical Correspondence,QST,May 1993,p77]将其改造成140V量程。你也可以直接使用150V量程的交流电压表,或直流电压表外加1N4004二极管和分压电阻使用。图2是我的控制盒原理图。


在最终成品上我还安装了一个功率表。这个功率表实际上是电流表,功率读数通过将电流乘以120V电压得到。这个功率表精度足够一般使用,如果你有真正的功率表更好。表盘刻度使用WB6BLD的小程序[注释3:W. Jones,K8CU,“Easy Custom Meter Faces at Home”,Hints & Kinks,QST,Oct 2002,pp 63-64。也可参见www.tonnesoftware.com]重新设计过。
控制盒使用3/4英寸厚的小块木板制作,前后面板为1/4英寸厚木板,尺寸为7 x 15.5 x 4.75英寸(高x宽x长)。正面为斜面,顶部向内收缩1.75英寸,方便读数。控制盒内部使用闲置的电脑电源线连接逆变器、电压电流表和输出电源插座。图3是完成的控制盒照片。


逆变器通过3英尺长的00号焊机电缆连接。这种电缆比一般导线柔软,可在焊接材料商店买到。在剥开末端导线外皮时需要小心。如果没有合适工具,末端导线很容易散开,难以和逆变器输入端良好接触。我用丙烷焊枪将导线末端焊在一起,然后用挫将末端挫成合适形状,接到逆变器输入端。
在电池接线端,我用4 x 4英寸塑料盒将接线端罩在上面,防止不小心短路。塑料盒底部开孔,将电池端子从中穿过,然后连接到输出导线。在电池接线端和输出导线之间我还装了200A保险丝(见图4)。

注意安全
这么大的电池其中储存的能量也是巨大的,所以在操作时需要特别小心。切记在电池端安装保险丝,电池正极用红色接线盒,红色导线或绝缘胶带与其他部分做好区分,在拧紧接线端子固定螺丝时小心扳手不要和其他部分短路。短路的电池有可能爆炸!
AGM(和胶体)蓄电池电解液不会流出,通常比液体蓄电池安全。如果你用的是液体蓄电池,还需要注意以下几点:
 正常情况下不需要向电池中加酸;
 如果需要加水,确保使用蒸馏水;
 对非密封蓄电池充电时会有少量氢气产生,确保电池远离火源,保证通风;
 过充电会损坏电池,产生过量氢气,并有可能使电解液飞溅。注意充电时间,不要对电池过充电;
 电池电解液(硫酸)如果接触皮肤会导致烧伤,如果不小心接触,立即用大量清水冲洗。小心不要让电解液溅到眼睛里。如果有烟雾产生,小心不要吸入;
 电池很重——小心不要闪了腰!

实际表现
我的8D型号的蓄电池在80%放电深度时可提供2400瓦时能量(250Ah x 12V x 80%),逆变器标称效率为90%,简单计算可知在100W输出功率时可供用电器持续工作21小时,300W输出功率时可工作7小时,1000W输出功率时也可工作相当一段时间。在进行单边带和CW通联时,电台发射时间只占很小一部分,这同样延长了实际使用时间。如果你需要更长的工作时间,可以购买更大容量电池。
对于ARRL比赛日来说,一台射频干扰严重的电源绝对是众多火腿的噩梦。在最近的三个比赛日中,我将应急电源箱接在电台和发电机之间,三台短波/VHF电台多数时间依靠应急电源箱工作,发电机间断工作为蓄电池充电。这为我们俱乐部减少了汽油用量,并减少了发电机对电台的干扰。
除了为电台供电外,在家中停电时应急电源箱同样能够发挥作用。我通常把逆变器交流输入插在120V市电插座上,逆变器内置的充电器可以使电池保持满电量状态,并且不会使电池过充。在最近的一次停电中,借助应急电源箱,我还能继续看卫星电视,并保持室内照明。

约翰·Raydo(John Raydo),呼号是K0IZ。在小时候约翰就对自制业余无线电设备和天线很感兴趣,并于1957年,13岁时首次获得初级业余无线电执照。约翰曾在QST杂志发表多篇文章,并是堪萨斯州约翰逊县业余无线电俱乐部活跃会员。约翰是一名电子工程师,持有数学、自然科学和MBA学位。毕业后,约翰在环球航空公司工程部工作,之后调至信息服务部和采购部。现在他已经退休。

图1 不间断电源系统框图。标有星号的部分集成在Tripp-Lite APS1012内部。

图2 控制盒原理图和元件清单。
CB1——10A断路器,Grainger 5B738或同规格断路器。将断路器用热熔胶固定在面板上。
DS1——120V氖灯,带有内部分压电阻。
M1——150V交流电压表。
M2——10A交流电流表或功率表(见正文)。

图3 控制盒前面板,从左至右依次是交流电压表,“功率表”,断路器和输出电源插座。

图4 电池正极端子,端子和输出导线中间串联了200A保险丝。保险丝和电池正极之间使用2.5英寸长的0.5英寸铜管压扁后作为导线连接。

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