基于線性電路直接采樣法的串聯(lián)電池組電壓測量

目前，發(fā)電廠、變電站的操作電源系統(tǒng)大多采用直流電源，直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站非常重要的一種二次設(shè)備，它的主要任務(wù)就是給繼電保護(hù)、斷路器分合閘及其它控制提供可靠的直流操作電源和控制電源，它要求配置蓄電池系統(tǒng)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在所有表征蓄電池的參數(shù)之中，蓄電池的端電壓最能體現(xiàn)蓄電池的當(dāng)前狀況。可以根據(jù)端電壓判斷蓄電池的充、放電進(jìn)程，當(dāng)前電壓是否超出允許的極限電壓。還可以判斷蓄電池組的均一性好壞等。 因此，對(duì)蓄電池的端電壓的測量十分重要。

　　二、不同端電壓測量方法的分析和比較

蓄電池工作狀態(tài)的監(jiān)測關(guān)鍵在于蓄電池端電壓和電流信號(hào)的采集。由于串聯(lián)蓄電池組中的電池?cái)?shù)量較多，整組電壓很高，而且每個(gè)蓄電池之間都有電位聯(lián)系，因此直接測量比較困難。在研究蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)過程中。人們提出了許多測量串聯(lián)電池組單只電池端電壓的方法。概括起來，主要有以幾種：

1.共模測量法

共模測量是相對(duì)同一參考點(diǎn)，用精密電阻等比例衰減各測量點(diǎn)電壓，然后依次相減得到各節(jié)電池電壓。該方法電路比較簡單，但是測量精度低。比如，24節(jié)標(biāo)稱電壓為12V的蓄電池，單節(jié)電池測試精度為0.5%的測試系統(tǒng)，單節(jié)電池測試絕對(duì)誤差為±60mV,24V 節(jié)串聯(lián)積累的絕對(duì)誤差可達(dá)1.44V,顯然，其相對(duì)誤差可達(dá)到12V,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。這種方法只適合串聯(lián)電池?cái)?shù)量較少或者對(duì)測量精度要求不高的場合。

2.差模測量法

差模測量是通過電氣或電子元件選通單節(jié)電池進(jìn)行測量。當(dāng)串聯(lián)電池?cái)?shù)量較多而且對(duì)測量精度要求較高時(shí)，一般應(yīng)采用差模測量方法。

2.1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，其基本的測試原理是：首先將繼電器閉合到蓄電池一側(cè)，對(duì)電解電容充電；測量時(shí)把繼電器閉合到測量電路一側(cè)，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，測試部分只需測量電解電容上的電壓，即可得到相應(yīng)的單體蓄電池電壓。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，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(duì)成本要大大提高。用光電隔離器件和大電解電容器構(gòu)成采樣，保持電路來測量蓄電池組中單只電池電壓。此電路缺點(diǎn)是：在A/D轉(zhuǎn)換過程中1電容上的電壓能發(fā)生變化，使精度趨低，而且電容充放電時(shí)間及晶體管和隔離芯等器件動(dòng)作延遲決定采樣時(shí)間長等缺點(diǎn)。

2.2 V/F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣提取電壓

V/F轉(zhuǎn)換法的原理圖如圖1所示，其工作原理如下：信號(hào)采集采用V/F轉(zhuǎn)換的方法，單節(jié)蓄電池采用分別采樣，取單節(jié)蓄電池的端電壓經(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)兩者之間電氣上的隔離。但采用V/F轉(zhuǎn)換作為A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢，在小信號(hào)范圍內(nèi)線性度差，精度低。

圖1 V/F轉(zhuǎn)換法的原理圖

2.3浮動(dòng)地技術(shù)測量電池端電壓

由于串聯(lián)在一起的電池組總電壓達(dá)幾十伏，甚至上百伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬開關(guān)的正常工作電壓，因此需要使地電位隨測量不同電池電壓時(shí)自動(dòng)浮動(dòng)來保證測量正常進(jìn)行，其原理圖如圖2所示。每次工作時(shí)，先由模擬開關(guān)選通，使其被測電池兩端的電位信號(hào)接入測試電路，此信號(hào)一方面進(jìn)入差分放大器；另一方面進(jìn)入窗口比較器，在窗口比較器中與固定電位Vr相比較， 從窗口比較器輸出的開關(guān)量狀態(tài)可識(shí)別出當(dāng)前測量地（GND）的電位是太高，太低或者正好（相對(duì)于Vr）。如果正好，則可以啟動(dòng)A/D進(jìn)行測量。如果太高或太低，則通過控制器對(duì)地（GND）電位行浮動(dòng)控制。由于地電位經(jīng)常受現(xiàn)場干擾發(fā)生變化，而該方法不能對(duì)地電位進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制，因而影響整個(gè)系統(tǒng)的測量精度。

圖2 浮動(dòng)地技術(shù)原理圖

　　三、線性電路直接采樣法

本文介紹的線性電路直接采樣法是為每個(gè)蓄電池配置一塊采集板，貼近蓄電池安裝，就近完成信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理和傳輸。該方法的原理框圖如圖3 所示。

圖3 線性電路直接采樣法原理框圖

該方法采用線性運(yùn)算放大器組成線性采樣電路、后經(jīng)電壓跟隨器送入A/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)、無須外加采樣保持電路， 根據(jù)串聯(lián)電池組總電壓的大小、選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)、無須電阻分壓網(wǎng)絡(luò)或改變地電位、 就可以直接測量任意一只電池的電壓。

線性電路圖如圖4所示，該電路為典型的增益可調(diào)性能優(yōu)良的差動(dòng)運(yùn)算線性電路。圖中A1和A2構(gòu)成精密電壓跟隨器、A3是差動(dòng)放大輸出電路、A4是增益調(diào)節(jié)輔助放大器。根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，可分析計(jì)算出經(jīng)過采樣電路后的輸出電壓為：

取Rn1=Rn2=Rn3=Rn4,則有第- 節(jié)蓄電池經(jīng)采樣電路變換后的電壓為：


圖4 差動(dòng)運(yùn)算線性電路原理圖

電路增益的調(diào)節(jié)由電阻R決定、范圍很寬、而且線性很好、這就保證了差動(dòng)運(yùn)算的精度，只要兩個(gè)輸入運(yùn)算放大器的基本特性相同，則失調(diào)電壓的影響就很小， 滿足條件Rn1/Rn2=Rn3/Rn4時(shí)、電路就有良好的共模抑制特性。由于A4的輸出阻抗很低、調(diào)節(jié)R改變?cè)鲆鏁r(shí)、電路的共模抑制能力不受影響，為了確保該電路的優(yōu)良特性、運(yùn)算放大器A4的選擇十分重要， 如果要求共模抑制能力很強(qiáng)、則除選擇精密繞線電阻Rn1、Rn2、Rn3、Rn4以外、A4應(yīng)選擇高增益型的運(yùn)算放大器。

該電路的輸出電壓就是單節(jié)蓄電池的端電壓，由于是線性電路，因此可以快速跟蹤測量單節(jié)蓄電池電壓的變化。該電路的輸入阻抗很大， 而蓄電池的內(nèi)阻很?。ㄒ话阒挥袔缀翚W、甚至零點(diǎn)幾毫歐），因而保證了很高的測量精度，為正確判斷蓄電池組的當(dāng)前狀態(tài)提供了準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)。另外、該電路還有很好的可擴(kuò)展性能， 選擇適當(dāng)?shù)腞n1~Rn5的值、可以測量標(biāo)稱電壓是2V、6V和12V, 的電池、還可以測量電池組總電壓。

　　四、結(jié)語

本文提出的測量電池電壓的線性電路直接采樣法，電路簡單實(shí)用，適用范圍廣，測量精度高，很好的解決了串聯(lián)電池組電池電壓檢測難的問題，為蓄電池的在線監(jiān)測和快速診斷提供準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。