一種采用自動(dòng)校正的ups蓄電池組巡檢系統

　　1 引言

　　數字化控制技術(shù)在ups中應用日益廣泛，提高了產(chǎn)品的集成度，增強了系統的柔性和智能性。準確、及時(shí)地檢測出蓄電池組中每一節電池的狀態(tài)就成了UPS系統可靠運行的一個(gè)必不可少的組成部分。蓄電池組中的每一節電池的電壓、電流通過(guò)DSP采樣，從而分析實(shí)現了電池巡檢數字化管理，電池的智能化管理全面提高UPS穩定性，提高了系統運行的可靠性。多節電池串聯(lián)后的高壓?jiǎn)?wèn)題成為蓄電池巡檢必須解決的問(wèn)題，要求每一節電池的采樣必須實(shí)現電氣隔離，硬件設計必須考慮到系統的復雜性、穩定性和成本。在實(shí)際應用中，UPS系統中電池巡檢方法很多，但各種方法均存在缺陷，本文提出了一種較為合理的科學(xué)方法，將每一節電池的電壓信號經(jīng)數字光耦無(wú)源耦合后，由DSP采樣，通過(guò)軟件實(shí)現非線(xiàn)性自動(dòng)校正。由于普通的數字光耦存在嚴重的溫度漂移缺點(diǎn)，采用線(xiàn)性光耦對電池組整體電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)DSP計算，解決溫度漂移問(wèn)題，實(shí)現了電池巡檢的數字化管理。該設計具有設計經(jīng)濟、調試智能、運行穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 UPS中電池組巡檢管理的重要性

　　UPS電源在工業(yè)、交通、通訊行業(yè)中廣泛應用，實(shí)際應用中將蓄電池進(jìn)行串、并聯(lián)構成蓄電池組來(lái)提高輸出電壓和擴大輸出容量，為確保電池組能正常工作，需要監測蓄電池的工作狀態(tài)。蓄電池單體的電壓和工作電流的臨測是了解蓄電池組工作狀態(tài)的重要手段。UPS的電池組巡檢監控原理是通過(guò)采集電池組的充放電電流及每節電池的工作電壓，經(jīng)數字處理器分析，提示每節電池的工作狀態(tài)，完成先進(jìn)的電池管理功能(包括自動(dòng)均浮充轉換控制、電池預告警關(guān)機、定期自動(dòng)維護、容量檢測、后備時(shí)間預測)，從而提高了電池使用壽命。

　　3 幾種常見(jiàn)蓄電池巡檢方法的比較

　　3.1繼電器切換法

　　通過(guò)輪流驅動(dòng)繼電器(C1到Cn)，采用繼電器的觸點(diǎn)將被測的一個(gè)電池單體接入一個(gè)共用的信號采樣回路(其他的電池兩端懸空)，實(shí)現對電池組中的每一節電池單體的兩端電壓進(jìn)行采樣(如圖1所示),這種方法缺點(diǎn)是繼電器的動(dòng)作速度慢,并存在有限次數的機械壽命與動(dòng)作噪聲。

　　3.2串行模數轉換器

　　采用串行模數轉換器ADC把電池電壓轉化為串行格式的數字信號(如圖2所示)，通過(guò)數字光耦隔離傳輸到串行數據總線(xiàn)，由DSP讀回每一數據通道的電池電壓。這種方法，缺點(diǎn)是每一路串行ADC需要獨立的輔助電源，信號調理電路、數字信號隔離結構復雜，并且串行模數轉換器ADC成本偏高。

　　3．3電阻網(wǎng)絡(luò )

　　采用電阻構成分壓網(wǎng)絡(luò )，把整個(gè)電池組的各個(gè)電池連接點(diǎn)電壓衰減到電子模擬開(kāi)關(guān)可以接受的程度。該電路最為簡(jiǎn)單，但是該電路測量回路與蓄電池回路并不隔離，存在安全隱患問(wèn)題，并且采用網(wǎng)絡(luò )電阻進(jìn)行梯度衰減會(huì )造成采樣精度遞減。

　　為了克服現有技術(shù)的不足，本文提出一種利用數字光耦實(shí)現了無(wú)源隔離的蓄電池電壓監測方法。通過(guò)軟件進(jìn)行二次曲線(xiàn)補償來(lái)解決數字光耦的非線(xiàn)性問(wèn)題，并結合線(xiàn)性光耦對電池組整體電壓實(shí)現精確采樣，就可以求解因數字光耦的溫度漂移而造成的巡檢偏差。

　　4 由數字光耦組成的電池巡檢電路與二次曲線(xiàn)補償

　　采用數字光耦實(shí)現無(wú)源隔離的蓄電池電壓檢測，無(wú)需輔助電源即可實(shí)現強電與弱電隔離，電路拓樸如圖4所示，具有簡(jiǎn)潔、安全、穩定、經(jīng)濟等特點(diǎn)，但對于模擬信號來(lái)說(shuō)數字光耦的缺點(diǎn)是因為輸入輸出的線(xiàn)形較差，并且隨溫度變化較大，需要對數字光耦的溫度漂移進(jìn)行校正和非線(xiàn)性進(jìn)行補償。

　　每單元的數字光耦與一個(gè)電阻串聯(lián)后并聯(lián)在蓄電池單體的兩端,流過(guò)光耦的發(fā)光二極管電流的大小與電池單體電壓直接相關(guān)。在實(shí)際應用中，選擇合適的串聯(lián)電阻R的阻值,數字光耦的發(fā)光二極管中通過(guò)的電流IF與光敏接收端得到的電流IC可以認定為二次函數的關(guān)系，光敏電流通過(guò)電阻變化為對應的電壓信號，通過(guò)軟件對數字光耦實(shí)現二次曲線(xiàn)補償來(lái)解決非線(xiàn)性問(wèn)題(如圖5所示)。

　　光耦輸出的電壓y是電池電壓x的二次函數,其中由于光耦的離散性對應著(zhù)不同的二次曲線(xiàn)y=ax2+bx。

　　為了實(shí)現每節電池能進(jìn)行獨立二次曲線(xiàn)補償，采用準確的基準電壓源模擬每節電池充滿(mǎn)時(shí)的電壓(B采樣點(diǎn))和半電壓(A采樣點(diǎn))，ＤＳＰ自動(dòng)收集定標信息，并根據采樣信號的區間可以判斷定標點(diǎn)Ａ或Ｂ實(shí)現自動(dòng)定標，利用A(x1,y1)、B(x2,y2)來(lái)求解二次函數的系數a[i]、b[i]，并將系數保存于非揮發(fā)性記憶體中。完成定標操作后，系統重啟并開(kāi)始初始化，DSP讀回二次函數的系數，通過(guò)二次曲線(xiàn)補償求解到每一節電池電壓Uf[i]，其中i是電池總數單節電池的序號，也就是說(shuō)通過(guò)二次曲線(xiàn)補償后光耦輸出信號與電池的實(shí)際電壓成性線(xiàn)關(guān)系，如圖6所示。

　　5 數字光耦的溫度漂移校正

　　溫度對于數字光耦的特性來(lái)說(shuō)有較大的影響，例如光耦發(fā)光二極管的正向導通壓降,光耦右側的光敏三極管的工作點(diǎn)。如圖6所示，當溫度從T1升高到T2時(shí)，光耦輸出的電壓值從y1增大到y2，經(jīng)DSP采樣、二次曲線(xiàn)補償運算得到x2，由于溫度升高，使得計算得到的電池電壓從x1漂移到x2，因此要在較寬的溫度范圍內達到高的測量精度,就必須對溫度變化產(chǎn)生的影響予以補償。

　　溫度補償的方法有很多，其中典型的方法是采樣得到溫度量，程序查溫度結合電壓補償曲線(xiàn)表實(shí)現補償，缺點(diǎn)是相同數字光耦的特性不一定完全一致，有著(zhù)不同的溫度漂移曲線(xiàn)，在應用工程中N節電池補償曲線(xiàn)表的預建立非常困難，該方案并不理想。

　　本文溫度補償采用與具體溫度無(wú)關(guān)的補償方法，由于經(jīng)過(guò)二次曲線(xiàn)補償后數字光耦輸出電壓信號與電池的電壓成線(xiàn)性關(guān)系(如圖6所示)，當受溫度漂移時(shí)光耦輸出信號量y2-y1=y4-y3時(shí)，那么電池電壓漂移量x2-x1=x4-x3，也就是說(shuō)數字光耦產(chǎn)生的電池電壓每伏所對應的偏差量(UΔ)是相同的。如果利用線(xiàn)性光耦轉換蓄電池組兩端的準確電壓，就可以求解得到電池電壓每伏所對應的偏差量(UΔ)，從而補償光耦的溫度漂移。

　　一般地ups電源都設計有直流母線(xiàn)電壓(電池組電壓)監控電路，由于線(xiàn)性光耦溫度漂移很小，輸入輸出的線(xiàn)形較好，抗干擾能力強，有優(yōu)越的隔離性能，能有效地抑制共模干擾等優(yōu)點(diǎn)，直流母線(xiàn)電壓的采樣電路可以采用線(xiàn)性光耦，為了保證線(xiàn)性光耦的工作，必須提供與采樣信號地隔離的輔助電源。電路拓樸如圖7所示，電池組電壓經(jīng)過(guò)R1與R2分壓后經(jīng)線(xiàn)性光耦輸出得到差分信號u0，經(jīng)后一級運放信號調理得到與電池組電壓成比例的采樣信號UＡ。UＡ與蓄電池組的電壓成比例，且不受工作溫度的影響，利用UＡ與對應每一節電池采樣電壓的累加和UΣ求得總的采樣偏差ΣUΔ，根據偏差ΣUΔ計算電池的每伏電壓補償量，就可以得到每一節電池接近真實(shí)的電壓，數學(xué)表達式如式①、②、③所示。

　　將二次曲線(xiàn)補償后的每一節電池電壓進(jìn)行累加得到UΣ，其中n是電池組的電池節數。

　　①

　　求得因數字光耦的溫度漂移造成的電池組電壓的偏差。

　　②

　　利用偏差ΣUΔ計算電池的每伏電壓補償量，就可以得到每一節電池接近真實(shí)的電壓。

　　③

　　6 蓄電池工作電流的采樣與分析

　　判斷蓄電池壽命狀況的最佳測試方法是帶負載測試即容量測試，UPS運行期間可以自動(dòng)關(guān)斷整流模塊輸出，蓄電池組向逆變模塊供電?？紤]到蓄電池組工作在大電流高電壓的危險狀態(tài)，電流檢測采用霍爾傳感器,實(shí)現了電流采樣信號與高電壓的母線(xiàn)隔離(如圖7所示)，當蓄電池組由單節電池串聯(lián)組成時(shí)，直流母線(xiàn)的工作電流就是每節電池的放電電流，結合每一節電池的電壓就能判斷每一節電池的狀態(tài)，并能將信號以ＬＣＤ圖形、文字方式直觀(guān)顯示，也可以串口等通訊方式報告電池狀態(tài)。

　　圖8

　　7 結論

　　采用數字光耦對蓄電池組的單體電池電壓進(jìn)行巡檢，配合一個(gè)線(xiàn)性光耦單元對電池組整體電壓進(jìn)行監測，并利用霍爾傳感器檢測電池工作電流，采用軟件進(jìn)行二次曲線(xiàn)補償，解決了數字光耦的非線(xiàn)性與溫度漂移問(wèn)題，經(jīng)DSP分析電池組的工作電流及電壓就可以推算出蓄電池內部真實(shí)的等效內阻，及時(shí)、有效地報告弱電池和潛在失效電池，保證了UPS系統運行的可靠可性與穩定性。