1 引言
數(shù)字化控制技術(shù)在ups" title="ups">ups" target="_blank">ups中應(yīng)用日益廣泛，提高了產(chǎn)品的集成度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的柔性和智能性。準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測(cè)出蓄電池" title="蓄電池">蓄電池" target="_blank">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(yùn)行的一個(gè)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(guò)DSP采樣，從而分析實(shí)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(yùn)行的可靠性。多節(jié)電池串聯(lián)后的高壓?jiǎn)栴}成為蓄電池巡檢必須解決的問(wèn)題，要求每一節(jié)電池的采樣必須實(shí)現(xiàn)電氣隔離，硬件設(shè)計(jì)必須考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性和成本。在實(shí)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(xué)方法，將每一節(jié)電池的電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)字光耦" title="光耦">光耦無(wú)源耦合后，由DSP采樣，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)非線性自動(dòng)校正。由于普通的數(shù)字光耦存在嚴(yán)重的溫度漂移缺點(diǎn)，采用線性光耦對(duì)電池組整體電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)DSP計(jì)算，解決溫度漂移問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電池巡檢的數(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、運(yùn)行穩(wěn)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(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用中將蓄電池進(jìn)行串、并聯(lián)構(gòu)成蓄電池組來(lái)提高輸出電壓和擴(kuò)大輸出容量，為確保電池組能正常工作，需要監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)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(jìn)的電池管理功能(包括自動(dòng)均浮充轉(zhuǎn)換控制、電池預(yù)告警關(guān)機(jī)、定期自動(dòng)維護(hù)、容量檢測(cè)、后備時(shí)間預(yù)測(cè))，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(qū)動(dòng)繼電器(C1到Cn)，采用繼電器的觸點(diǎn)將被測(cè)的一個(gè)電池單體接入一個(gè)共用的信號(hào)采樣回路(其他的電池兩端懸空)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組中的每一節(jié)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(shù)的機(jī)械壽命與動(dòng)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(hào)(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，由DSP讀回每一數(shù)據(jù)通道的電池電壓。這種方法，缺點(diǎn)是每一路串行ADC需要獨(dú)立的輔助電源，信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)隔離結(jié)構(gòu)復(fù)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(gè)電池組的各個(gè)電池連接點(diǎn)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(jiǎn)單，但是該電路測(cè)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(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提出一種利用數(shù)字光耦實(shí)現(xiàn)了無(wú)源隔離的蓄電池電壓監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)軟件進(jìn)行二次曲線補(bǔ)償來(lái)解決數(shù)字光耦的非線性問(wèn)題，并結(jié)合線性光耦對(duì)電池組整體電壓實(shí)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(bǔ)償
采用數(shù)字光耦實(shí)現(xiàn)無(wú)源隔離的蓄電池電壓檢測(cè)，無(wú)需輔助電源即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電與弱電隔離，電路拓樸如圖4所示，具有簡(jiǎn)潔、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，但對(duì)于模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)數(shù)字光耦的缺點(diǎn)是因?yàn)檩斎胼敵龅木€形較差，并且隨溫度變化較大，需要對(duì)數(shù)字光耦的溫度漂移進(jìn)行校正和非線性進(jìn)行補(bǔ)償。
每單元的數(shù)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(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(guò)的電流IF與光敏接收端得到的電流IC可以認(rèn)定為二次函數(shù)的關(guān)系，光敏電流通過(guò)電阻變化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)字光耦實(shí)現(xiàn)二次曲線補(bǔ)償來(lái)解決非線性問(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(shù),其中由于光耦的離散性對(duì)應(yīng)著不同的二次曲線y=ax2+bx。
為了實(shí)現(xiàn)每節(jié)電池能進(jìn)行獨(dú)立二次曲線補(bǔ)償，采用準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓源模擬每節(jié)電池充滿時(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(biāo)信息，并根據(jù)采樣信號(hào)的區(qū)間可以判斷定標(biāo)點(diǎn)Ａ或Ｂ實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定標(biāo)，利用A(x1,y1)、B(x2,y2)來(lái)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(biāo)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(guò)二次曲線補(bǔ)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(hào)，也就是說(shuō)通過(guò)二次曲線補(bǔ)償后光耦輸出信號(hào)與電池的實(shí)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(duì)于數(shù)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?qū)▔航?光耦右側(cè)的光敏三極管的工作點(diǎn)。如圖6所示，當(dāng)溫度從T1升高到T2時(shí)，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(bǔ)償運(yùn)算得到x2，由于溫度升高，使得計(jì)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(dá)到高的測(cè)量精度,就必須對(duì)溫度變化產(chǎn)生的影響予以補(bǔ)償。