單元電池電壓測量系統(tǒng)設(shè)計

1 引 言

應急電源多采用蓄電池提供能源，為了獲得足夠高的電壓通常采用多塊電池串聯(lián)的方式進行工作，例如用24、32或48節(jié)鉛酸蓄電池組成。電池組的失效往往是從單塊電池失效開始的，尤其對于使用時間較長但又不超過使用期限的電池組，依靠維護人員的日常檢查既耗時又不方便，也不符合現(xiàn)代管理的需要。因此，對于單塊電池的電壓進行自動巡檢，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，就變得極為重要。而對電池組單塊電池電壓進行測量存在以下主要技術(shù)難點。

(1)從降低成本角度考慮可采用多路選擇方式測量，但是其電壓范圍超出了標準模擬開關(guān)產(chǎn)品的工作電壓范圍而采用機械繼電器將在速度、使用壽命、工作的可靠性方面都難以令人滿意。

(2)為確保測量的精度，單元電池采用懸浮測量，系統(tǒng)設(shè)計時要考慮信號采集電路與信號處理電路采取有效的電氣隔離。

(3)由于電池組串聯(lián)電池數(shù)的增加，測量電路的功耗難于降低。國內(nèi)已有很多關(guān)于單個單元電池的端電壓側(cè)測量方法的提出，構(gòu)造電阻網(wǎng)絡提取電壓、繼電器切換和V／F轉(zhuǎn)換無觸點采樣提取電壓。

2 串聯(lián)電池組測量方法

2．1 電阻網(wǎng)絡提取電壓

從理論上分析這種方法是可行的，但在實際中卻難以實現(xiàn)。比如，24節(jié)標稱電壓為12 V蓄電池，單節(jié)電池測試精度為O．5％的測試系統(tǒng)，單節(jié)電池測試絕對誤差為±60 mV，24節(jié)串聯(lián)積累的絕對誤差可達1．44 V，顯然，其相對誤差可達到12％，這在應急電源監(jiān)控系統(tǒng)中經(jīng)常會造成誤報警，所以不能滿足應急電源監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

2．2 繼電器切換提取電壓

傳統(tǒng)的比較成熟的測試方法是用繼電器和大的電解電容做隔離處理，基本原理如圖1所示。



其基本的測試原理是：首先將繼電器閉合到A區(qū)，對電解電容充電；測量時把繼電器閉合到B區(qū)，將電解電容和蓄電池隔離開來，由于電解電容保持有該蓄電池的電壓信號，因此，測試部分只需測電解電容上的電壓，即可得到相應的蓄電池電壓。此方法具有原理簡單、造價低的優(yōu)點。但是由于繼電器存在著機械動作慢，使用壽命低等缺陷，實踐證明，根據(jù)這一原理實現(xiàn)的檢測裝置在速度、使用壽命、工作的可靠性方面都難以令人滿意。為解決上面問題可將機械繼電器改用光耦繼電器，這樣無需外加電解電容提高了可靠性，速度和使用壽命也隨之達到要求，但相對成本要大大提高。

2．3 V／F轉(zhuǎn)換無觸點采樣提取電壓

V／F轉(zhuǎn)換無觸點采樣提取電壓方法雖有提出，但是目前還沒有應用到解決較多電池串聯(lián)后單體電壓測量中，本文就借助V／F轉(zhuǎn)換方法，考慮前面提出的單元電池電壓測量電路設(shè)計存在的主要技術(shù)難點，設(shè)計了一套單元電池電壓測量系統(tǒng)。

3 單元電池電壓測量系統(tǒng)的整體實現(xiàn)方案

在本系統(tǒng)中主要完成以下幾方面的功能。其總體實現(xiàn)如圖2所示。



3．1 工作原理

信號采集采用V／F轉(zhuǎn)換的方法，單元電池采用分別采樣，取單元電池的端電壓經(jīng)分壓(降低功耗)后作為V／F轉(zhuǎn)換的輸入，分壓電阻的分散性可通過V／F轉(zhuǎn)換電路調(diào)整。V／F轉(zhuǎn)換信號輸出通過光電隔離器件送到模擬開關(guān)，處理器通過控制模擬開關(guān)采集頻率信號。數(shù)據(jù)采集電路與數(shù)據(jù)處理電路采用光電隔離和變壓器隔離技術(shù)，實現(xiàn)了兩者之間電氣上的隔離。

整機設(shè)計從功耗和儀表機械外形考慮，對電路的結(jié)構(gòu)做了處理，采集電路采集和處理分開設(shè)計，每塊采集板可采集8路電池電壓信號最為采集部分，可根據(jù)所要測量的電池數(shù)方便地選擇采集板塊數(shù)。另設(shè)計一塊主板，通過扁平導線將每塊采集板與主板連接，統(tǒng)一對采集到的信號進行處理。整機供電直流5 V，V／F轉(zhuǎn)換供電采用開關(guān)電源將5 V直流通過DC／DC模塊逆變?yōu)閂／F轉(zhuǎn)換電路電源(后面說明)，由于上面電路結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，每塊采集板的供電可控，可節(jié)省整機功耗。

4 數(shù)據(jù)通信

巡檢儀中用到并行、串行、485接口3種通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，通信原理如圖3所示，主板采用雙CPU，分別負責數(shù)據(jù)處理和遠傳通信，他們之間采用了直接并行通信進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)簡單并能達到傳輸數(shù)據(jù)的需要；485接口的使用是為了能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)遠傳到PC機；為簡化巡檢儀接線，巡檢儀采用了分體式結(jié)構(gòu)，利用串行通信方式將數(shù)據(jù)通過一根屏蔽線送儀表顯示單片機。幾種通信方式的合理應用方便了安裝，并大大體高了巡檢儀運行的可靠性。



圖3 數(shù)據(jù)通信原理??

5 電源設(shè)計

5．1 整機供電

設(shè)計中整機供電采用集成開關(guān)穩(wěn)壓電源提供5 V直流，這樣可以滿足設(shè)計電源的一致性。

5．2 V／F轉(zhuǎn)換供電

由于設(shè)計中每節(jié)蓄電池都需要單獨的V／F轉(zhuǎn)換電路，而每個壓頻轉(zhuǎn)換電路都需要單獨的電源，綜合采樣電壓要求和對整機功耗的考慮，由于采樣電壓送到V／F轉(zhuǎn)換電路前已經(jīng)進行了分壓處理，所以只需供電，基于以上的考慮，可通過將5 V電源逆變的方法實現(xiàn)，設(shè)計電源原理如圖4所示。



每塊采集板需要提供8路直流10V供電電源，由于V/F轉(zhuǎn)換供電只需滿足比測量電壓高，10V供電輸出不需要穩(wěn)壓處理就可以滿足要求。

6 結(jié)論

（1） 采用V/F轉(zhuǎn)換的測量方法解決了電池組串聯(lián)高電位與測量電路需要共地的矛盾。

（2） 對單電池直接采樣，可充分保證測量的精度。

（3） 儀表采用分體式（把測量和顯示分開）接口有利于儀表的安裝。

（4） 光電隔離提高了測量電池組的能力。

（5） 幾種數(shù)據(jù)通信的結(jié)合，使每個CPU分工明確，提高了儀表運行的可靠性。

（6） 采用高頻升壓電源為V/F轉(zhuǎn)換采樣電路供電，既解決了多路供電的需要，又縮小了供電變壓器的體積。