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

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)確及時地檢測電池組中每個電池的狀態(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DSP對電池組中每個電池的電壓和電流進(jìn)行采樣，實現(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)后的高電壓問題已經(jīng)成為電池檢測中必須解決的問題，這就要求每節(jié)電池的采樣必須電氣隔離，硬件設(shè)計必須考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性和成本。在實際應(yīng)用中，不間斷電源系統(tǒng)中的電池檢測方法有很多，但每種方法都有缺陷。本文提出了一種合理科學(xué)的方法，即通過數(shù)字信號處理器采樣的數(shù)字光耦，對每個電池的電壓信號進(jìn)行無源耦合，并通過軟件自動校正。由于普通的數(shù)字光耦存在嚴(yán)重的溫漂缺點，采用線性光耦對電池組的整體電壓進(jìn)行采樣，采用數(shù)字信號處理器計算解決溫漂問題，實現(xiàn)電池檢測的數(shù)字化管理。該設(shè)計具有設(shè)計經(jīng)濟(jì)、調(diào)試智能化、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。
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電池的工作電壓，并通過數(shù)字處理器進(jìn)行分析，從而提示每個電池的工作狀態(tài)，完成先進(jìn)的電池管理功能(包括自動浮充轉(zhuǎn)換控制、電池報警關(guān)機(jī)、定期自動維護(hù)、容量檢測和備份時間預(yù)測)，從而提高電池的使用壽命。
幾種常見電池檢測方法的比較
3.1繼電器切換方法
通過依次驅(qū)動繼電器(C1至加拿大)，一個待測電池單元通過繼電器觸點(其他電池的兩端懸空)連接到一個公共信號采樣電路，從而可以對電池組中每個電池單元兩端的電壓進(jìn)行采樣(如圖如圖1所示)。這種方法的缺點是繼電器運(yùn)行緩慢，機(jī)械壽命有限，動作噪音大。
采用數(shù)字光耦的不間斷電源電池巡檢系統(tǒng)設(shè)計
采用數(shù)字光耦的不間斷電源電池巡檢系統(tǒng)設(shè)計
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(如如圖2所示)，通過數(shù)字光耦隔離傳輸?shù)酱袛?shù)據(jù)總線，每個數(shù)據(jù)通道的電池電壓由數(shù)字信號處理器回讀。這種方法的缺點是每個串行ADC需要獨(dú)立的輔助電源，信號調(diào)理電路和數(shù)字信號隔離結(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)將整個電池組的每個電池連接點的電壓衰減到電子模擬開關(guān)可接受的水平。電路最簡單，但電路的測量電路沒有與電池電路隔離，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)字光耦實現(xiàn)無源隔離的電池電壓監(jiān)測方法，數(shù)字光耦的非線性問題可以通過軟件的二次曲線補(bǔ)償來解決，數(shù)字光耦的溫度漂移引起的檢測偏差可以通過對電池組整體電壓的精確采樣結(jié)合線性光耦來解決
4由數(shù)字光耦和二次曲線補(bǔ)償組成的電池檢測電路
采用數(shù)字光耦，實現(xiàn)電池電壓的無源隔離檢測，無需輔助電源即可實現(xiàn)強(qiáng)電流和弱電流的隔離。電路拓?fù)淙鐖D如圖4所示，簡單、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)。然而，對于模擬信號，數(shù)字光耦的缺點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)。在實際應(yīng)用中，通過選擇合適的串聯(lián)電阻R的阻值，經(jīng)過數(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)，光敏電流通過電阻變成相應(yīng)的電壓信號。該軟件用于通過二次曲線補(bǔ)償數(shù)字光耦，以解決非線性問題(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應(yīng)于不同的二次曲線y=ax2 bx。
為了實現(xiàn)每個電池的獨(dú)立二次曲線補(bǔ)償，采用精確的參考電壓源模擬每個電池的全電壓(采樣點B)和半電壓(采樣點A)。DSP自動采集標(biāo)定信息，可以根據(jù)采樣信號的間隔判斷標(biāo)定點A或B，實現(xiàn)自動標(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)，通過二次曲線補(bǔ)償求解每個電池的電壓UF  [I]，其中I為單節(jié)，電池總數(shù)的序號，也就是說光耦輸出信號與二次曲線補(bǔ)償后電池實際電壓的線性關(guān)系如圖如圖6所示。
數(shù)字光耦的溫度漂移校正
溫度對數(shù)字光耦，的光耦LED正向?qū)▔航?、光耦右?cè)光敏晶體管工作點等特性影響很大，如如圖6所示，當(dāng)溫度從T1上升到T2時，光耦輸出的電壓從y1上升到y(tǒng)2，通過DSP采樣和二次曲線補(bǔ)償運(yùn)算得到x2。隨著溫度升高，計算出的電池電壓從x1漂移到x2。因此，為了在寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高測量精度，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采樣獲得溫度，結(jié)合電壓蒙森表用程序檢查溫度來實現(xiàn)補(bǔ)償。缺點是同一個數(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與經(jīng)過二次曲線補(bǔ)償后的電池電壓成線性關(guān)系(如圖如圖6所示)，當(dāng)光耦的輸出信號因溫度漂移而為y2-y1=y4-y3時，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應(yīng)的偏差量(u  )是相同的。如果通過線性光耦，轉(zhuǎn)換電池兩端的精確電壓，則可以獲得對應(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)計有DC母線電壓(電池組電壓)監(jiān)測電路。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，必須提供一個與采樣信號隔離的輔助電源。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u0，后級運(yùn)算放大器信號調(diào)理得到與電池組電壓成正比的采樣信號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和每個電池對應(yīng)的采樣電壓得到的，根據(jù)偏差 u可以計算出電池每伏的電壓補(bǔ)償，使每個電池的電壓接近真實電壓。數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式、和所示。
對二次曲線補(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  計算電池的每伏電壓補(bǔ)償，可以得到接近每個電池真實電壓的電壓。

電池工作電流的采樣與分析
判斷電池壽命的最佳測試方法是負(fù)載測試，即容量測試。不間斷電源運(yùn)行時，整流模塊的輸出可以自動關(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狀態(tài)，采用霍爾傳感器進(jìn)行電流檢測，實現(xiàn)了電流采樣信號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，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)，信號可以用LCD圖形和文字直觀顯示，電池狀態(tài)也可以通過串口等通訊手段報告。
圖8
7結(jié)論
用數(shù)字光耦檢測電池組的單體電壓，用線性光耦單元監(jiān)測電池組的整體電壓，用霍爾傳感器檢測電池的工作電流，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題。 可以計算出電池的真實等效內(nèi)阻，并及時有效地報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。