1引言
應(yīng)急電源多采用蓄電池提供能源,為了獲得足夠高的電壓通常采用多塊電池串聯(lián)的方式進(jìn)行工作,例如用24、32或48節(jié)鉛酸蓄電池組成。電池組的失效往往是從單塊電池失效開始的,尤其對(duì)于使用時(shí)間較長但又不超過使用期限的電池組,依靠維護(hù)人員的日常檢查既耗時(shí)又不方便,也不符合現(xiàn)代管理的需要。因此,對(duì)于單塊電池的電壓進(jìn)行自動(dòng)巡檢,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,就變得極為重要。而對(duì)電池組單塊電池電壓進(jìn)行測(cè)量存在以下主要技術(shù)難點(diǎn)。
(1)從降低成本角度考慮可采用多路選擇方式測(cè)量,但是其電壓范圍超出了標(biāo)準(zhǔn)模擬[1]開關(guān)產(chǎn)品的工作電壓范圍而采用機(jī)械繼電器將在速度、使用壽命、工作的可靠性方面都難以令人滿意。
(2)為確保測(cè)量的精度,單元電池采用懸浮測(cè)量,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮信號(hào)采集電路與信號(hào)處理電路采取有效的電氣隔離。
(3)由于電池組串聯(lián)電池?cái)?shù)的增加,測(cè)量電路的功耗難于降低。國內(nèi)已有很多關(guān)于單個(gè)單元電池的端電壓側(cè)測(cè)量方法的提出,構(gòu)造電阻網(wǎng)絡(luò)提取電壓、繼電器切換和V/F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣提取電壓。
2串聯(lián)電池組測(cè)量方法
2.1電阻網(wǎng)絡(luò)提取電壓
從理論上分析這種方法是可行的,但在實(shí)際中卻難以實(shí)現(xiàn)。比如,24節(jié)標(biāo)稱電壓為12V蓄電池,單節(jié)電池測(cè)試精度為O.5%的測(cè)試系統(tǒng),單節(jié)電池測(cè)試絕對(duì)誤差為±60mV,24節(jié)串聯(lián)積累的絕對(duì)誤差可達(dá)1.44V,顯然,其相對(duì)誤差可達(dá)到12%,這在應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)造成誤報(bào)警,所以不能滿足應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)的要求。
2.2繼電器切換提取電壓[2]
傳統(tǒng)的比較成熟的測(cè)試方法是用繼電器和大的電解電容做隔離處理,基本原理如圖1所示。
其基本的測(cè)試原理是:首先將繼電器閉合到A區(qū),對(duì)電解電容充電;測(cè)量時(shí)把繼電器閉合到B區(qū),將電解電容和蓄電池隔離開來,由于電解電容保持有該蓄電池的電壓信號(hào),因此,測(cè)試部分只需測(cè)電解電容上的電壓,即可得到相應(yīng)的蓄電池電壓。此方法具有原理簡(jiǎn)單、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。但是由于繼電器存在著機(jī)械動(dòng)作慢,使用壽命低等缺陷,實(shí)踐證明,根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)裝置在速度、使用壽命、工作的可靠性方面都難以令人滿意。為解決上面問題可將機(jī)械繼電器改用光耦繼電器,這樣無需外加電解電容提高了可靠性,速度和使用壽命也隨之達(dá)到要求,但相對(duì)成本要大大提高。2.3V/F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣提取電壓
V/F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣提取電壓方法雖有提出,但是目前還沒有應(yīng)用到解決較多電池串聯(lián)后單體電壓測(cè)量中,本文就借助V/F轉(zhuǎn)換方法,考慮前面提出的單元電池電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)存在的主要技術(shù)難點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套單元電池電壓測(cè)量系統(tǒng)。3單元電池電壓測(cè)量系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)方案
在本系統(tǒng)中主要完成以下幾方面的功能。其總體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。
3.1工作原理
信號(hào)采集采用V/F轉(zhuǎn)換的方法,單元電池采用分別采樣,取單元電池的端電壓經(jīng)分壓(降低功耗)后作為V/F轉(zhuǎn)換的輸入,分壓電阻的分散性可通過V/F轉(zhuǎn)換電路調(diào)整。V/F轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出通過光電隔離器件送到模擬開關(guān),處理器通過控制模擬開關(guān)采集頻率信號(hào)。數(shù)據(jù)采集電路與數(shù)據(jù)處理電路采用光電隔離和變壓器隔離技術(shù),實(shí)現(xiàn)了兩者之間電氣上的隔離。
整機(jī)設(shè)計(jì)從功耗和儀表機(jī)械外形考慮,對(duì)電路的結(jié)構(gòu)做了處理,采集電路采集和處理分開設(shè)計(jì),每塊采集板可采集8路電池電壓信號(hào)最為采集部分,可根據(jù)所要測(cè)量的電池?cái)?shù)方便地選擇采集板塊數(shù)。另設(shè)計(jì)一塊主板,通過扁平導(dǎo)線將每塊采集板與主板連接,統(tǒng)一對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理。整機(jī)供電直流5V,V/F轉(zhuǎn)換供電采用開關(guān)電源將5V直流通過DC/DC模塊逆變?yōu)閂/F轉(zhuǎn)換電路電源(后面說明),由于上面電路結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì),每塊采集板的供電可控,可節(jié)省整機(jī)功耗。
4數(shù)據(jù)通信
巡檢儀中用到并行、串行、485接口[3]3種通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,通信原理如圖3所示,主板采用雙CpU,分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)傳通信,他們之間采用了直接并行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單并能達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的需要;485接口的使用是為了能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到pC機(jī);為簡(jiǎn)化巡檢儀接線,巡檢儀采用了分體式結(jié)構(gòu),利用串行通信方式將數(shù)據(jù)通過一根屏蔽線送儀表顯示單片機(jī)。幾種通信方式的合理應(yīng)用方便了安裝,并大大體高了巡檢儀運(yùn)行的可靠性。
5電源設(shè)計(jì)
5.1整機(jī)供電
設(shè)計(jì)中整機(jī)供電采用集成開關(guān)穩(wěn)壓電源提供5V直流,這樣可以滿足設(shè)計(jì)電源的一致性。
5.2V/F轉(zhuǎn)換供電
由于設(shè)計(jì)中每節(jié)蓄電池都需要單獨(dú)的V/F轉(zhuǎn)換電路,而每個(gè)壓頻轉(zhuǎn)換電路都需要單獨(dú)的電源,綜合采樣電壓要求和對(duì)整機(jī)功耗的考慮,由于采樣電壓送到V/F轉(zhuǎn)換電路前已經(jīng)進(jìn)行了分壓處理,所以只需供電,基于以上的考慮,可通過將5V電源逆變的方法實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)電源原理如圖4所示。
每塊采集板需要提供8路直流10V供電電源,由于V/F轉(zhuǎn)換供電只需滿足比測(cè)量電壓高,10V供電輸出不需要穩(wěn)壓處理就可以滿足要求。
6結(jié)論
(1)采用V/F轉(zhuǎn)換的測(cè)量方法解決了電池組串聯(lián)高電位與測(cè)量電路需要共地的矛盾。(2)對(duì)單電池直接采樣,可充分保證測(cè)量的精度。(3)儀表采用分體式(把測(cè)量和顯示分開)接口有利于儀表的安裝。(4)光電隔離提高了測(cè)量電池組的能力。(5)幾種數(shù)據(jù)通信的結(jié)合,使每個(gè)CpU分工明確,提高了儀表運(yùn)行的可靠性。(6)采用高頻升壓電源為V/F轉(zhuǎn)換采樣電路供電,既解決了多路供電的需要,又縮小了供電變壓器的體積。