一種采用自動校正的ups蓄電池組巡檢系統(tǒng)的設(shè)計

1  引言

   數(shù)字化控制技術(shù)在UPS中應(yīng)用日益廣泛，提高了產(chǎn)品的集成度，增強了系統(tǒng)的柔性和智能性。準確、及時地檢測出蓄電池組中每一節(jié)電池的狀態(tài)就成了UPS系統(tǒng)可靠運行的一個必不可少的組成部分。蓄電池組中的每一節(jié)電池的電壓、電流通過DSP采樣，從而分析實現(xiàn)了電池巡檢數(shù)字化管理，電池的智能化管理全面提高UPS穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。多節(jié)電池串聯(lián)后的高壓問題成為蓄電池巡檢必須解決的問題，要求每一節(jié)電池的采樣必須實現(xiàn)電氣隔離，硬件設(shè)計必須考慮到系統(tǒng)的復雜性、穩(wěn)定性和成本。在實際應(yīng)用中，UPS系統(tǒng)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方法，將每一節(jié)電池的電壓信號經(jīng)數(shù)字光耦無源耦合后，由DSP采樣，通過軟件實現(xiàn)非線性自動校正。由于普通的數(shù)字光耦存在嚴重的溫度漂移缺點，采用線性光耦對電池組整體電壓進行采樣，通過DSP計算，解決溫度漂移問題，實現(xiàn)了電池巡檢的數(shù)字化管理。該設(shè)計具有設(shè)計經(jīng)濟、調(diào)試智能、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

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(yīng)用，實際應(yīng)用中將蓄電池進行串、并聯(lián)構(gòu)成蓄電池組來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(jiān)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(jiān)控原理是通過采集電池組的充放電電流及每節(jié)電池的工作電壓，經(jīng)數(shù)字處理器分析，提示每節(jié)電池的工作狀態(tài)，完成先進的電池管理功能(包括自動均浮充轉(zhuǎn)換控制、電池預告警關(guān)機、定期自動維護、容量檢測、后備時間預測)，從而提高了電池使用壽命。

3  幾種常見蓄電池巡檢方法的比較

3.1繼電器切換法

    通過輪流驅(qū)動繼電器(C1到Cn)，采用繼電器的觸點將被測的一個電池單體接入一個共用的信號采樣回路(其他的電池兩端懸空)，實現(xiàn)對電池組中的每一節(jié)電池單體的兩端電壓進行采樣(如圖1所示),這種方法缺點是繼電器的動作速度慢,并存在有限次數(shù)的機械壽命與動作噪聲。

3.2串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器

    采用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC把電池電壓轉(zhuǎn)化為串行格式的數(shù)字信號(如圖2所示)，通過數(shù)字光耦隔離傳輸?shù)酱袛?shù)據(jù)總線，由DSP讀回每一數(shù)據(jù)通道的電池電壓。這種方法，缺點是每一路串行ADC需要獨立的輔助電源，信號調(diào)理電路、數(shù)字信號隔離結(jié)構(gòu)復雜，并且串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC成本偏高。

3．3電阻網(wǎng)絡(luò)

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

    為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提出一種利用數(shù)字光耦實現(xiàn)了無源隔離的蓄電池電壓監(jiān)測方法。通過軟件進行二次曲線補償來解決數(shù)字光耦的非線性問題，并結(jié)合線性光耦對電池組整體電壓實現(xiàn)精確采樣，就可以求解因數(shù)字光耦的溫度漂移而造成的巡檢偏差。

4  由數(shù)字光耦組成的電池巡檢電路與二次曲線補償

    采用數(shù)字光耦實現(xiàn)無源隔離的蓄電池電壓檢測，無需輔助電源即可實現(xiàn)強電與弱電隔離，電路拓樸如圖4所示，具有簡潔、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟等特點，但對于模擬信號來說數(shù)字光耦的缺點是因為輸入輸出的線形較差，并且隨溫度變化較大，需要對數(shù)字光耦的溫度漂移進行校正和非線性進行補償。

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

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

    為了實現(xiàn)每節(jié)電池能進行獨立二次曲線補償，采用準確的基準電壓源模擬每節(jié)電池充滿時的電壓(B采樣點)和半電壓(A采樣點)，ＤＳＰ自動收集定標信息，并根據(jù)采樣信號的區(qū)間可以判斷定標點Ａ或Ｂ實現(xiàn)自動定標，利用A(x1,y1)、B(x2,y2)來求解二次函數(shù)的系數(shù)a[i]、b[i]，并將系數(shù)保存于非揮發(fā)性記憶體中。完成定標操作后，系統(tǒng)重啟并開始初始化，DSP讀回二次函數(shù)的系數(shù)，通過二次曲線補償求解到每一節(jié)電池電壓Uf[i]，其中i是電池總數(shù)單節(jié)電池的序號，也就是說通過二次曲線補償后光耦輸出信號與電池的實際電壓成性線關(guān)系，如圖6所示。

5  數(shù)字光耦的溫度漂移校正

    溫度對于數(shù)字光耦的特性來說有較大的影響，例如光耦發(fā)光二極管的正向?qū)▔航?光耦右側(cè)的光敏三極管的工作點。如圖6所示，當溫度從T1升高到T2時，光耦輸出的電壓值從y1增大到y(tǒng)2，經(jīng)DSP采樣、二次曲線補償運算得到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(nèi)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?shù)姆椒ㄓ泻芏?，其中典型的方法是采樣得到溫度量，程序查溫度結(jié)合電壓補償曲線表實現(xiàn)補償，缺點是相同數(shù)字光耦的特性不一定完全一致，有著不同的溫度漂移曲線，在應(yīng)用工程中N節(jié)電池補償曲線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關(guān)的補償方法，由于經(jīng)過二次曲線補償后數(shù)字光耦輸出電壓信號與電池的電壓成線性關(guān)系(如圖6所示)，當受溫度漂移時光耦輸出信號量y2-y1=y4-y3時，那么電池電壓漂移量x2-x1=x4-x3，也就是說數(shù)字光耦產(chǎn)生的電池電壓每伏所對應(yīng)的偏差量(UΔ)是相同的。如果利用線性光耦轉(zhuǎn)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(yīng)的偏差量(UΔ)，從而補償光耦的溫度漂移。

    一般地UPS電源都設(shè)計有直流母線電壓(電池組電壓)監(jiān)控電路，由于線性光耦溫度漂移很小，輸入輸出的線形較好，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，直流母線電壓的采樣電路可以采用線性光耦，為了保證線性光耦的工作，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R1與R2分壓后經(jīng)線性光耦輸出得到差分信號u0，經(jīng)后一級運放信號調(diào)理得到與電池組電壓成比例的采樣信號U_Ａ。U_Ａ與蓄電池組的電壓成比例，且不受工作溫度的影響，利用U_Ａ與對應(yīng)每一節(jié)電池采樣電壓的累加和UΣ求得總的采樣偏差ΣU_Δ，根據(jù)偏差ΣU_Δ計算電池的每伏電壓補償量，就可以得到每一節(jié)電池接近真實的電壓，數(shù)學表達式如式①、②、③所示。

    將二次曲線補償后的每一節(jié)電池電壓進行累加得到U_Σ，其中n是電池組的電池節(jié)數(shù)。
        ①

    求得因數(shù)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(jié)電池接近真實的電壓。

          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,實現(xiàn)了電流采樣信號與高電壓的母線隔離(如圖7所示)，當蓄電池組由單節(jié)電池串聯(lián)組成時，直流母線的工作電流就是每節(jié)電池的放電電流，結(jié)合每一節(jié)電池的電壓就能判斷每一節(jié)電池的狀態(tài)，并能將信號以ＬＣＤ圖形、文字方式直觀顯示，也可以串口等通訊方式報告電池狀態(tài)。

圖8

7  結(jié)論

    采用數(shù)字光耦對蓄電池組的單體電池電壓進行巡檢，配合一個線性光耦單元對電池組整體電壓進行監(jiān)測，并利用霍爾傳感器檢測電池工作電流，采用軟件進行二次曲線補償，解決了數(shù)字光耦的非線性與溫度漂移問題，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(nèi)部真實的等效內(nèi)阻，及時、有效地報告弱電池和潛在失效電池，保證了UPS系統(tǒng)運行的可靠可性與穩(wěn)定性。