單元電池電壓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2011-05-08 11:37:51來源:互聯(lián)網(wǎng)

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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(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)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(duì)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(duì)電池組單塊電池電壓進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)量的精度，單元電池采用懸浮測(cè)量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮信號(hào)采集電路與信號(hào)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(cè)量電路的功耗難于降低。國(guó)內(nèi)已有很多關(guān)于單個(gè)單元電池的端電壓側(cè)測(cè)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(wú)觸點(diǎn)采樣提取電壓。
2 串聯(lián)電池組測(cè)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(cè)試精度為O．5％的測(cè)試系統(tǒng)，單節(jié)電池測(cè)試絕對(duì)誤差為±60 mV，24節(jié)串聯(lián)積累的絕對(duì)誤差可達(dá)1．44 V，顯然，其相對(duì)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(cè)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(cè)試原理是：首先將繼電器閉合到A區(qū)，對(duì)電解電容充電；測(cè)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(hào)，因此，測(cè)試部分只需測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(wú)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(duì)成本要大大提高。
2．3 V／F轉(zhuǎn)換無(wú)觸點(diǎn)采樣提取電壓
V／F轉(zhuǎn)換無(wú)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(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)。
3 單元電池電壓測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)。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(duì)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(hào)最為采集部分，可根據(jù)所要測(cè)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(duì)采集到的信號(hào)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。
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(shí)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)傳通信，他們之間采用了直接并行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單并能達(dá)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(yuǎn)傳到PC機(jī)；為簡(jiǎn)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(jī)。幾種通信方式的合理應(yīng)用方便了安裝，并大大體高了巡檢儀運(yùn)行的可靠性。

圖3 數(shù)據(jù)通信原理
5 電源設(shè)計(jì)
5．1 整機(jī)供電
設(shè)計(jì)中整機(jī)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(jì)電源的一致性。
5．2 V／F轉(zhuǎn)換供電
由于設(shè)計(jì)中每節(jié)蓄電池都需要單獨(dú)的V／F轉(zhuǎn)換電路，而每個(gè)壓頻轉(zhuǎn)換電路都需要單獨(dú)的電源，綜合采樣電壓要求和對(duì)整機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)量方法解決了電池組串聯(lián)高電位與測(cè)量電路需要共地的矛盾。
（2） 對(duì)單電池直接采樣，可充分保證測(cè)量的精度。
（3） 儀表采用分體式（把測(cè)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(cè)量電池組的能力。
（5） 幾種數(shù)據(jù)通信的結(jié)合，使每個(gè)CPU分工明確，提高了儀表運(yùn)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。