單元電池電壓測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言

應(yīng)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(jìn)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(shí)間較長但又不超過使用期限的電池組，依靠維護(hù)人員的日常檢查既耗時(shí)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(jìn)行自動(dòng)巡檢，以便及時(shí)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(jìn)行測量存在以下主要技術(shù)難點(diǎn)。

(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(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)產(chǎn)品的工作電壓范圍而采用機(jī)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(jì)時(shí)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?cái)?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(gè)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(luò)提取電壓、繼電器切換和V／F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣提取電壓。

2 串聯(lián)電池組測量方法

2．1 電阻網(wǎng)絡(luò)提取電壓

從理論上分析這種方法是可行的，但在實(shí)際中卻難以實(shí)現(xiàn)。比如，24節(jié)標(biāo)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(dá)1．44 V，顯然，其相對誤差可達(dá)到12％，這在應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)造成誤報(bào)警，所以不能滿足應(yīng)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(shí)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(yīng)的蓄電池電壓。此方法具有原理簡單、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。但是由于繼電器存在著機(jī)械動(dòng)作慢，使用壽命低等缺陷，實(shí)踐證明，根據(jù)這一原理實(shí)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(jī)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(dá)到要求，但相對成本要大大提高。

2．3 V／F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣提取電壓

V／F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣提取電壓方法雖有提出，但是目前還沒有應(yīng)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(jì)存在的主要技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了兩者之間電氣上的隔離。

整機(jī)設(shè)計(jì)從功耗和儀表機(jī)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(jì)，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?cái)?shù)方便地選擇采集板塊數(shù)。另設(shè)計(jì)一塊主板，通過扁平導(dǎo)線將每塊采集板與主板連接，統(tǒng)一對采集到的信號進(jìn)行處理。整機(jī)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(jì)，每塊采集板的供電可控，可節(jié)省整機(jī)功耗。