采用數(shù)字光耦實(shí)現(xiàn)UPS蓄電池組巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)字控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于ups，提高了產(chǎn)品的集成度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和智能性。準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)電池組中每個(gè)電池的狀態(tài)已經(jīng)成為不間斷電源系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要組成部分。通過(guò)DSP對(duì)電池組中每個(gè)電池的電壓和電流進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)電池巡檢的數(shù)字化管理。電池的智能管理提高了不間斷電源的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。多節(jié)電池串聯(lián)后的高電壓?jiǎn)栴}已經(jīng)成為電池檢測(cè)中必須解決的問(wèn)題，這就要求每節(jié)電池的采樣必須電氣隔離，硬件設(shè)計(jì)必須考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性和成本。在實(shí)際應(yīng)用中，不間斷電源系統(tǒng)中的電池檢測(cè)方法有很多，但每種方法都有缺陷。本文提出了一種合理科學(xué)的方法，即通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器采樣的數(shù)字光耦，對(duì)每個(gè)電池的電壓信號(hào)進(jìn)行無(wú)源耦合，并通過(guò)軟件自動(dòng)校正。由于普通的數(shù)字光耦存在嚴(yán)重的溫漂缺點(diǎn)，采用線性光耦對(duì)電池組的整體電壓進(jìn)行采樣，采用數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算解決溫漂問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電池檢測(cè)的數(shù)字化管理。該設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、調(diào)試智能化、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。
2 2UPS電池巡檢管理的重要性
不間斷電源廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通和通信行業(yè)。在實(shí)踐中，電池串聯(lián)和并聯(lián)以形成電池組，從而增加輸出電壓并擴(kuò)大輸出容量。為了確保電池組的正常運(yùn)行，有必要監(jiān)控電池的工作狀態(tài)。電池單體的電壓和工作電流測(cè)量是了解電池組工作狀態(tài)的重要手段。不間斷電源電池巡檢監(jiān)控的原理是采集電池組的充放電電流和每個(gè)電池的工作電壓，并通過(guò)數(shù)字處理器進(jìn)行分析，從而提示每個(gè)電池的工作狀態(tài)，完成先進(jìn)的電池管理功能(包括自動(dòng)浮充轉(zhuǎn)換控制、電池報(bào)警關(guān)機(jī)、定期自動(dòng)維護(hù)、容量檢測(cè)和備份時(shí)間預(yù)測(cè))，從而提高電池的使用壽命。
幾種常見(jiàn)電池檢測(cè)方法的比較
3.1繼電器切換方法
通過(guò)依次驅(qū)動(dòng)繼電器(C1至加拿大)，一個(gè)待測(cè)電池單元通過(guò)繼電器觸點(diǎn)(其他電池的兩端懸空)連接到一個(gè)公共信號(hào)采樣電路，從而可以對(duì)電池組中每個(gè)電池單元兩端的電壓進(jìn)行采樣(如圖如圖1所示)。這種方法的缺點(diǎn)是繼電器運(yùn)行緩慢，機(jī)械壽命有限，動(dòng)作噪音大。
采用數(shù)字光耦的不間斷電源電池巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用數(shù)字光耦的不間斷電源電池巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器
串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC用于將電池電壓轉(zhuǎn)換成串行格式的數(shù)字信號(hào)(如如圖2所示)，通過(guò)數(shù)字光耦隔離傳輸?shù)酱袛?shù)據(jù)總線，每個(gè)數(shù)據(jù)通道的電池電壓由數(shù)字信號(hào)處理器回讀。這種方法的缺點(diǎn)是每個(gè)串行ADC需要獨(dú)立的輔助電源，信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)字信號(hào)隔離結(jié)構(gòu)復(fù)雜，串行ADC成本高。
3.3電阻網(wǎng)絡(luò)
電阻器用于形成分壓網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將整個(gè)電池組的每個(gè)電池連接點(diǎn)的電壓衰減到電子模擬開(kāi)關(guān)可接受的水平。電路最簡(jiǎn)單，但電路的測(cè)量電路沒(méi)有與電池電路隔離，存在安全隱患。而且隨著網(wǎng)絡(luò)電阻的梯度衰減會(huì)導(dǎo)致采樣精度下降。
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種利用數(shù)字光耦實(shí)現(xiàn)無(wú)源隔離的電池電壓監(jiān)測(cè)方法，數(shù)字光耦的非線性問(wèn)題可以通過(guò)軟件的二次曲線補(bǔ)償來(lái)解決，數(shù)字光耦的溫度漂移引起的檢測(cè)偏差可以通過(guò)對(duì)電池組整體電壓的精確采樣結(jié)合線性光耦來(lái)解決
4由數(shù)字光耦和二次曲線補(bǔ)償組成的電池檢測(cè)電路
采用數(shù)字光耦，實(shí)現(xiàn)電池電壓的無(wú)源隔離檢測(cè)，無(wú)需輔助電源即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電流和弱電流的隔離。電路拓?fù)淙鐖D如圖4所示，簡(jiǎn)單、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)。然而，對(duì)于模擬信號(hào)，數(shù)字光耦的缺點(diǎn)是輸入和輸出的線性度很差，并且隨溫度變化很大，因此需要校正數(shù)字光耦的溫度漂移并補(bǔ)償非線性。
每個(gè)單元的數(shù)字光耦與電阻器串聯(lián)，然后與電池單元的兩端并聯(lián)。流經(jīng)光耦的發(fā)光二極管的電流與電池的電壓直接相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)選擇合適的串聯(lián)電阻R的阻值，經(jīng)過(guò)數(shù)字光耦的LED的電流IF和光敏接收端得到的電流IC可以看作二次函數(shù)，光敏電流通過(guò)電阻變成相應(yīng)的電壓信號(hào)。該軟件用于通過(guò)二次曲線補(bǔ)償數(shù)字光耦，以解決非線性問(wèn)題(如如圖5所示)。
光耦輸出的電壓y是電池電壓x,的二次函數(shù)，其中光耦的離散性對(duì)應(yīng)于不同的二次曲線y=ax2 bx。
為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池的獨(dú)立二次曲線補(bǔ)償，采用精確的參考電壓源模擬每個(gè)電池的全電壓(采樣點(diǎn)B)和半電壓(采樣點(diǎn)A)。DSP自動(dòng)采集標(biāo)定信息，可以根據(jù)采樣信號(hào)的間隔判斷標(biāo)定點(diǎn)A或B，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。用A(x1，y1)和B(x2，y2)求解二次函數(shù)的系數(shù)A  [I]和B，標(biāo)定操作完成后，系統(tǒng)重啟初始化。DSP回讀二次函數(shù)的系數(shù)，通過(guò)二次曲線補(bǔ)償求解每個(gè)電池的電壓UF  [I]，其中I為單節(jié)，電池總數(shù)的序號(hào)，也就是說(shuō)光耦輸出信號(hào)與二次曲線補(bǔ)償后電池實(shí)際電壓的線性關(guān)系如圖如圖6所示。
數(shù)字光耦的溫度漂移校正
溫度對(duì)數(shù)字光耦，的光耦LED正向?qū)▔航怠⒐怦钣覀?cè)光敏晶體管工作點(diǎn)等特性影響很大，如如圖6所示，當(dāng)溫度從T1上升到T2時(shí)，光耦輸出的電壓從y1上升到y(tǒng)2，通過(guò)DSP采樣和二次曲線補(bǔ)償運(yùn)算得到x2。隨著溫度升高，計(jì)算出的電池電壓從x1漂移到x2。因此，為了在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高測(cè)量精度，需要補(bǔ)償溫度變化的影響。
溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，其中典型的方法是通過(guò)采樣獲得溫度，結(jié)合電壓蒙森表用程序檢查溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。缺點(diǎn)是同一個(gè)數(shù)字光耦的特性不完全一致，有不同的溫漂曲線。在應(yīng)用工程中很難預(yù)先建立N電池的monson表，方案也不理想。
本文采用與特定溫度無(wú)關(guān)的補(bǔ)償方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。由于數(shù)字光耦的輸出電壓信號(hào)與經(jīng)過(guò)二次曲線補(bǔ)償后的電池電壓成線性關(guān)系(如圖如圖6所示)，當(dāng)光耦的輸出信號(hào)因溫度漂移而為y2-y1=y4-y3時(shí)，那么電池電壓漂移量x2-x1=x4-x3，即數(shù)字光耦產(chǎn)生的電池電壓每伏特對(duì)應(yīng)的偏差量(u  )是相同的。如果通過(guò)線性光耦，轉(zhuǎn)換電池兩端的精確電壓，則可以獲得對(duì)應(yīng)于電池電壓每伏特的偏差(u  )，從而補(bǔ)償光耦的溫度漂移
ups電源一般設(shè)計(jì)有DC母線電壓(電池組電壓)監(jiān)測(cè)電路。由于線性光耦，的溫漂小，線性輸入輸出好，抗干擾能力強(qiáng)，隔離性能優(yōu)越，能有效抑制共模干擾，DC母線電壓采樣電路可以采用線性光耦，為了保證線性光耦，的運(yùn)行，必須提供一個(gè)與采樣信號(hào)隔離的輔助電源。如電路拓?fù)淙鐖D7所示，電池組電壓由R1和R2分壓，然后由線性光耦輸出，得到差分信號(hào)u0，后級(jí)運(yùn)算放大器信號(hào)調(diào)理得到與電池組電壓成正比的采樣信號(hào)UA。Ua與蓄電池電壓成正比，不受工作溫度影響?？偛蓸悠?u是利用ua的累加和u和每個(gè)電池對(duì)應(yīng)的采樣電壓得到的，根據(jù)偏差 u可以計(jì)算出電池每伏的電壓補(bǔ)償，使每個(gè)電池的電壓接近真實(shí)電壓。數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式、和所示。
對(duì)二次曲線補(bǔ)償后的各電池電壓進(jìn)行累加，得到u  ，其中n為電池組的電池單元數(shù)。

得出了數(shù)字光耦溫度漂移引起的電池組電壓偏差。

利用偏差 u  計(jì)算電池的每伏電壓補(bǔ)償，可以得到接近每個(gè)電池真實(shí)電壓的電壓。

電池工作電流的采樣與分析
判斷電池壽命的最佳測(cè)試方法是負(fù)載測(cè)試，即容量測(cè)試。不間斷電源運(yùn)行時(shí)，整流模塊的輸出可以自動(dòng)關(guān)閉，電池組為逆變模塊供電?？紤]到電池組工作在高電流高電壓的危險(xiǎn)狀態(tài)，采用霍爾傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了電流采樣信號(hào)與高電壓之間的總線隔離(如圖如圖7)。當(dāng)電池組由單節(jié)電池串聯(lián)組成時(shí)，DC母線的工作電流為各電池的放電電流，結(jié)合各電池的電壓可以判斷各電池的狀態(tài)，信號(hào)可以用LCD圖形和文字直觀顯示，電池狀態(tài)也可以通過(guò)串口等通訊手段報(bào)告。
圖8
7結(jié)論
用數(shù)字光耦檢測(cè)電池組的單體電壓，用線性光耦單元監(jiān)測(cè)電池組的整體電壓，用霍爾傳感器檢測(cè)電池的工作電流，用軟件補(bǔ)償二次曲線，解決了數(shù)字光耦的非線性和溫度漂移問(wèn)題。 可以計(jì)算出電池的真實(shí)等效內(nèi)阻，并及時(shí)有效地報(bào)告弱電池和潛在故障電池，從而保證不間斷電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。