隔離變送器在蓄電池充放電監測上的應用設計

摘要：本文主要介紹蓄電池電壓充放電監測系統信號采集隔離方案。在蓄電池電壓監測設計中我們通過分流器來采樣充放電回路中電流大小，通過精密電阻分壓網絡采樣蓄電池的工作電壓，通過蓄電池電壓和電流的大小綜合判斷，從而得到蓄電池充放電的準確時機，這就要求高精度實時采樣信號以及對采集信號的隔離抗干擾處理。常規的隔離方式為光耦隔離和電磁隔離兩種，光耦隔離具有高帶寬、低成本和電路設計簡單的優點，但是其精度差、反應速度慢、溫度特性差、壽命短，而電磁隔離方案則具有高精度、傳輸速度快、溫度特性好的優點可以滿足蓄電池充放電監測的應用需求。但是電磁隔離方案具有電路設計復雜，需要專業的電磁隔離方案供應商制造。

關鍵字：蓄電池充放電監測 隔離變送器

一、引言

蓄電池作為提供直流電源的常用裝置，其應用越來越廣泛，特別是在電力自動化設備、軌道交通、通信、離線式太陽能光伏發電系統及軍用等要求不間斷供電的領域。蓄電池電壓以及充放電電流是反映蓄電池性能的重要指標，同時也是充放電的重要判斷參數，因此對其電壓和電流的監測是蓄電池合理充放電不可或缺的環節，傳統的檢測方法借助電壓表等工具測量出電壓值后，再調整充電參數，存在諸如記錄的人為誤差大、實時性差、精度差、記錄不科學、檢測成本高等問題。微機技術的引入促使蓄電池充放電監測系統逐步智能化，實現了蓄電池工作狀態的實時監測。但是由于地電勢干擾信號、充電電源引入的交流干擾信號等的存在常常引起MCU復位、誤采集信號甚至直接燒掉主控芯片，因此選擇一個給力的信號隔離抗干擾方案是完全有必要的。下面的方案中給大家詳細的介紹如何采用廣州金升陽制造的隔離變送器模塊來實現隔離干擾信號，精確變送信號，提升監測系統穩定性和可靠性的方法。

二、隔離變送器簡介

隔離變送器模塊是利用電磁隔離方案將輸入的非標準工業信號隔離變送為標準工業信號的信號處理模塊。金升陽隔離變送器模塊采用了模塊化小體積設計，用戶不用加任何外圍電路即可直接使用，簡化了用戶的電路設計，提高了PCB的空間利用率又便于客戶分析故障原因以及維護。由于模塊內部采用高效電磁隔離技術，相比光耦隔離具有更好的溫漂特性、線性度、精度、轉換速度和壽命。模塊的信號輸入和信號輸出、電源輸入和隔離電源輸出(選配)相互隔離，隔離耐壓值高達2500VDC，可有效隔離干擾信號。相對于市面上的隔離器具有更小的體積、更低廉的成本、更高的集成度，且可以直接焊接在PCB板上，大大簡化了信號采集和控制系統的設計和安裝，提高了系統整體穩定性和可靠性。

產品特點：

免調校,可直接使用

模塊化小體積

極低溫漂(35PPM/℃)

高精度等級高線性度(0.1% F.S.)

高隔離(輸入、輸出、電源兩端間2500VDC/60s)

高可靠性(MTBF>50萬小時)

工業級(工作溫度范圍：-25℃～71℃)

三、隔離變送器的原理框圖介紹

隔離變送器是一種能將被測電信號轉換成按線性比例輸出互相電氣隔離的指定的電信號的電氣器件。如圖二所示，隔離變送模塊分為四部分，電源輸入部分，隔離電源輸出部分(客戶選配)，信號輸入部分，信號輸出部分。其工作原理為首先將被測信號，通過半導體器件調制變換，然后通過信號變壓器進行電磁隔離轉換，然后在輸出端轉換為所需要的信號，同時對隔離后信號的供電電源進行隔離處理，保證電源端、隔離電源輸出端、信號輸入端和信號輸出端兩兩之間的電氣隔離，從而有效隔離信號干擾，使主控芯片能夠穩定可靠的工作。

四、隔離變送器在蓄電池充放電監測系統中的應用

蓄電池電量充足時會給其后級的直流負載直接供電，蓄電池的供電電壓和電流隨著電量的消耗逐漸降低，如果低至最低限度后電量仍然得不到補充，則蓄電池極易會因為過放而損壞;而另一方面，蓄電池電量不足后充電器給蓄電池充電，蓄電池電壓會隨著電量的補充而逐步升高，如果蓄電池電壓達到限值后仍然不停止充電，則蓄電池極易因為過充而損壞。因此對蓄電池電壓和電流實時高精度的監測是完全有必要的，否則蓄電池極易因為過充或者過放而損壞。

下圖三為我們設計的蓄電池充放電監測系統電路框圖，主要由充電器、電源電路、蓄電池、直流負載、電壓和電流采樣電路、EMC電路、隔離變送器、MCU、顯示電路、報警電路等構成。下面詳細介紹各部分的作用：

4.1控制電路供電方案

控制電路供電電源我們選用了金升陽公司制造的AC-DC模塊電源LH05-10B05，用它為隔離變送器模塊、AD轉換器、MCU以及LCD等供電。該模塊輸出5V，1A，滿足供電電壓及功率要求且具有全球輸入電壓范圍、交直流兩用、低功耗、高效率、高可靠性、安全隔離等優點。產品安全可靠，EMC性能良好，EMC及安全規格滿足國際IEC61000、UL60950和IEC60950的標準，取得UL、CE等多種國際認證。

4.2電壓、電流采樣電路方案

對于蓄電池電壓的監測，我們知道常見蓄電池電壓有24V和12V等，為了便于電壓信號采集，我們采用了分壓的方式將蓄電池電壓降低到0~5V的范圍內，以便于信號處理;對于充放電電流的監測，我們將分流器串進充放電回路中，分流器會將放電電流轉換為一個毫伏的電壓信號，以便于信號處理。

4.3EMC電路方案

EMC電路的設計往往是信號隔離處理中最容易忽視，而又極為重要的一部分。我們知道工業現場中電網中的EMC環境極其惡劣，存在著各種干擾信號，由于蓄電池組直接與充電器和直流負載通過同一線路等相連接，電源回路的干擾信號(例如浪涌干擾)會隨信號回路耦合到后級信號處理電路，導致信號處理器件出現故障或者損壞。因此在信號隔離前加EMC電路以吸收干擾信號是完全有必要的。

4.4信號隔離方案

實際應用中發現，在給蓄電池充電和放電時，如果不對信號進行隔離，則電源回路的干擾信號會通過信號通路直接傳輸到后級的MCU，導致MCU經常性的信號丟失甚至死機。而常規的信號隔離方式有兩種，電磁隔離和光耦隔離，光耦隔離因其反應速度較慢、傳輸精度不高而不能使監測系統實時高精度的對蓄電池電壓和放電電流進行監測，因此我們需要選擇電磁隔離方案，這里我們選用了金升陽公司制造的隔離變送器模塊來實現隔離干擾信號，精準變送信號。

在蓄電池電壓監測回路中我們選用了隔離變送器模塊T6S6D-3將輸入的0~5V采樣信號隔離變送為0~3V以便于后級的ADC采集;因為蓄電池的充電和放電回路采用了同一線路，所以在蓄電池放電電路中，分流器采集的電壓信號是正負的，我們選用的金升陽公司的隔離變送器模塊TM6S6AP-3，它能夠將-100mV到+100mV范圍內變化的信號線形轉化為0~3V的電壓信號以供其后ADC直接采集。

選用這兩塊模塊的優勢在于：其一，是能實現信號輸入和后級采樣電路的高度電氣隔離(隔離電壓為2500VDC/60S)，可有效隔離前級電路的干擾信號，使之不會影響后端設備的正常工作;其次，該模塊的傳輸的精度為0.1%F.S，可以滿足12位ADC高精度的采樣要求，準確監測蓄電池的工作狀態;再次，隔離變送器采用模塊化設計，無須任何外圍器件即可實現AD不便于采集的信號(例如0~5V,-100mV~+100mV)到易采集的信號(0~3V)隔離變送，大大的簡化了電路設計。

4.5數據處理、故障報警和狀態顯示

數據處理采用集成高精度ADC的MCU，狀態顯示采用7段共陰極電路數碼管，主要是顯示當前采集到的電壓值和顯示報警信息。當電壓低于設定值和超過設定時發出聲音報警。

五、小結

蓄電池由于國家在節能環保上的大量投入獲得了快速的發展，新型蓄電池也層出不窮，也對蓄電池的充放電和科學管理提出更高的要求，需要實時的了解蓄電池的工作情況從而科學合理管理提升蓄電池利用效率和使用壽命，這也促進了蓄電池監測系統的應用。然而由于各種應用現場電源回路中干擾信號的存在可能導致整個系統無法實時、準確、可靠的監測蓄電池的工作情況，甚至損壞后接的昂貴的儀表設備造成不可估量的損失。金升陽公司制造的隔離變送器模塊具有高隔離、高精度線性度、高可靠性和低溫漂等特性，能有效的隔離干擾信號，精準變送信號，提升了系統工作的穩定性和可靠性。