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(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)字光耦無源耦合后，由DSP采樣，通過軟件實(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DSP計(jì)算，解決溫度漂移問題，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(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)了無源隔離的蓄電池電壓監(jiān)測(cè)方法。通過軟件進(jìn)行二次曲線補(bǔ)償來解決數(shù)字光耦的非線性問題，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)無源隔離的蓄電池電壓檢測(cè)，無需輔助電源即可實(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)來說數(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，光敏電流通過電阻變化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，通過軟件對(duì)數(shù)字光耦實(shí)現(xiàn)二次曲線補(bǔ)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(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)，也就是說通過二次曲線補(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(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。

    溫度補(bǔ)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(bǔ)償曲線表實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，缺點(diǎn)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(bǔ)償曲線表的預(yù)建立非常困難，該方案并不理想。

    本文溫度補(bǔ)償采用與具體溫度無關(guān)的補(bǔ)償方法，由于經(jīng)過二次曲線補(bǔ)償后數(shù)字光耦輸出電壓信號(hào)與電池的電壓成線性關(guān)系(如圖6所示)，當(dāng)受溫度漂移時(shí)光耦輸出信號(hào)量y2-y1=y4-y3時(shí)，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(duì)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(zhǔn)確電壓，就可以求解得到電池電壓每伏所對(duì)應(yīng)的偏差量(UΔ)，從而補(bǔ)償光耦的溫度漂移。

    一般地UPS電源都設(shè)計(jì)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(qiáng)，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(hào)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(hào)u0，經(jīng)后一級(jí)運(yùn)放信號(hào)調(diào)理得到與電池組電壓成比例的采樣信號(hào)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(duì)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(jì)算電池的每伏電壓補(bǔ)償量，就可以得到每一節(jié)電池接近真實(shí)的電壓，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式①、②、③所示。

    將二次曲線補(bǔ)償后的每一節(jié)電池電壓進(jìn)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(jì)算電池的每伏電壓補(bǔ)償量，就可以得到每一節(jié)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(cè)試方法是帶負(fù)載測(cè)試即容量測(cè)試，UPS運(yùn)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(xiǎn)狀態(tài)，電流檢測(cè)采用霍爾傳感器,實(shí)現(xiàn)了電流采樣信號(hào)與高電壓的母線隔離(如圖7所示)，當(dāng)蓄電池組由單節(jié)電池串聯(lián)組成時(shí)，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(hào)以ＬＣＤ圖形、文字方式直觀顯示，也可以串口等通訊方式報(bào)告電池狀態(tài)。

圖8

7  結(jié)論

    采用數(shù)字光耦對(duì)蓄電池組的單體電池電壓進(jìn)行巡檢，配合一個(gè)線性光耦單元對(duì)電池組整體電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用霍爾傳感器檢測(cè)電池工作電流，采用軟件進(jìn)行二次曲線補(bǔ)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(shí)的等效內(nèi)阻，及時(shí)、有效地報(bào)告弱電池和潛在失效電池，保證了UPS系統(tǒng)運(yùn)行的可靠可性與穩(wěn)定性。