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一種測(cè)量電池電壓的線性電路

發(fā)布時(shí)間:2012-12-13 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】本文提出的測(cè)量電池電壓的線性電路直接采樣法,電路簡(jiǎn)單實(shí)用,適用范圍廣,測(cè)量精度高,很好的解決了串聯(lián)電池組電池電壓檢測(cè)難的問題,為蓄電池的在線監(jiān)測(cè)和快速診斷提供準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù),具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。

目前,發(fā)電廠、變電站的操作電源系統(tǒng)大多采用直流電源,直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站非常重要的一種二次設(shè)備,它的主要任務(wù)就是給繼電保護(hù)、斷路器分合閘及其它控制提供可靠的直流操作電源和控制電源,它要求配置蓄電池系統(tǒng)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,在所有表征蓄電池的參數(shù)之中,蓄電池的端電壓最能體現(xiàn)蓄電池的當(dāng)前狀況??梢愿鶕?jù)端電壓判斷蓄電池的充、放電進(jìn)程,當(dāng)前電壓是否超出允許的極限電壓。還可以判斷蓄電池組的均一性好壞等。 因此,對(duì)蓄電池的端電壓的測(cè)量十分重要。

不同端電壓測(cè)量方法的分析和比較

蓄電池工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)關(guān)鍵在于蓄電池端電壓和電流信號(hào)的采集。由于串聯(lián)蓄電池組中的電池?cái)?shù)量較多,整組電壓很高,而且每個(gè)蓄電池之間都有電位聯(lián)系,因此直接測(cè)量比較困難。在研究蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過(guò)程中。人們提出了許多測(cè)量串聯(lián)電池組單只電池端電壓的方法。概括起來(lái),主要有以幾種:

共模測(cè)量法

共模測(cè)量是相對(duì)同一參考點(diǎn),用精密電阻等比例衰減各測(cè)量點(diǎn)電壓,然后依次相減得到各節(jié)電池電壓。該方法電路比較簡(jiǎn)單,但是測(cè)量精度低。比如,24節(jié)標(biāo)稱電壓為12V的蓄電池,單節(jié)電池測(cè)試精度為0.5%的測(cè)試系統(tǒng),單節(jié)電池測(cè)試絕對(duì)誤差為±60mV,24V 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12V,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。這種方法只適合串聯(lián)電池?cái)?shù)量較少或者對(duì)測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。

差模測(cè)量法

差模測(cè)量是通過(guò)電氣或電子元件選通單節(jié)電池進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)串聯(lián)電池?cái)?shù)量較多而且對(duì)測(cè)量精度要求較高時(shí),一般應(yīng)采用差模測(cè)量方法。

繼電器切換提取電壓

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,其基本的測(cè)試原理是:首先將繼電器閉合到蓄電池一側(cè),對(duì)電解電容充電;測(cè)量時(shí)把繼電器閉合到測(cè)量電路一側(cè),將電解電容和蓄電池隔離開來(lái),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)量電解電容上的電壓,即可得到相應(yīng)的單體蓄電池電壓。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,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(wú)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。用光電隔離器件和大電解電容器構(gòu)成采樣,保持電路來(lái)測(cè)量蓄電池組中單只電池電壓。此電路缺點(diǎn)是:在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中1電容上的電壓能發(fā)生變化,使精度趨低,而且電容充放電時(shí)間及晶體管和隔離芯等器件動(dòng)作延遲決定采樣時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

V/F轉(zhuǎn)換無(wú)觸點(diǎn)采樣提取電壓

V/F轉(zhuǎn)換法的原理圖如圖1所示,其工作原理如下:信號(hào)采集采用V/F轉(zhuǎn)換的方法,單節(jié)蓄電池采用分別采樣,取單節(jié)蓄電池的端電壓經(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(guò)V/F轉(zhuǎn)換電路調(diào)整V/F轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出通過(guò)光電隔離器件送到模擬開關(guān),處理器通過(guò)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)兩者之間電氣上的隔離。但采用V/F轉(zhuǎn)換作為A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢,在小信號(hào)范圍內(nèi)線性度差,精度低。

V/F轉(zhuǎn)換法的原理圖
圖1:V/F轉(zhuǎn)換法的原理圖

浮動(dòng)地技術(shù)測(cè)量電池端電壓

由于串聯(lián)在一起的電池組總電壓達(dá)幾十伏,甚至上百伏,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬開關(guān)的正常工作電壓,因此需要使地電位隨測(cè)量不同電池電壓時(shí)自動(dòng)浮動(dòng)來(lái)保證測(cè)量正常進(jìn)行,其原理圖如圖2所示。每次工作時(shí),先由模擬開關(guān)選通,使其被測(cè)電池兩端的電位信號(hào)接入測(cè)試電路,此信號(hào)一方面進(jìn)入差分放大器;另一方面進(jìn)入窗口比較器,在窗口比較器中與固定電位Vr相比較, 從窗口比較器輸出的開關(guān)量狀態(tài)可識(shí)別出當(dāng)前測(cè)量地(GND)的電位是太高,太低或者正好(相對(duì)于Vr)。如果正好,則可以啟動(dòng)A/D進(jìn)行測(cè)量。如果太高或太低,則通過(guò)控制器對(duì)地(GND)電位行浮動(dòng)控制。由于地電位經(jīng)常受現(xiàn)場(chǎng)干擾發(fā)生變化,而該方法不能對(duì)地電位進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制,因而影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

浮動(dòng)地技術(shù)原理圖
圖2:浮動(dòng)地技術(shù)原理圖

線性電路直接采樣法

本文介紹的線性電路直接采樣法是為每個(gè)蓄電池配置一塊采集板,貼近蓄電池安裝,就近完成信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理和傳輸。該方法的原理框圖如圖3 所示。

線性電路直接采樣法原理框圖
圖3:線性電路直接采樣法原理框圖

該方法采用線性運(yùn)算放大器組成線性采樣電路、后經(jīng)電壓跟隨器送入A/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)、無(wú)須外加采樣保持電路, 根據(jù)串聯(lián)電池組總電壓的大小、選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)、無(wú)須電阻分壓網(wǎng)絡(luò)或改變地電位、 就可以直接測(cè)量任意一只電池的電壓。

線性電路圖如圖4所示,該電路為典型的增益可調(diào)性能優(yōu)良的差動(dòng)運(yùn)算線性電路。圖中A1和A2構(gòu)成精密電壓跟隨器、A3是差動(dòng)放大輸出電路、A4是增益調(diào)節(jié)輔助放大器。根據(jù)運(yùn)算放大器的特性,可分析計(jì)算出經(jīng)過(guò)采樣電路后的輸出電壓為:
gongshi 
取Rn1=Rn2=Rn3=Rn4,則有第- 節(jié)蓄電池經(jīng)采樣電路變換后的電壓為:

gongshi2

差動(dòng)運(yùn)算線性電路原理圖
圖4:差動(dòng)運(yùn)算線性電路原理圖

電路增益的調(diào)節(jié)由電阻R決定、范圍很寬、而且線性很好、這就保證了差動(dòng)運(yùn)算的精度,只要兩個(gè)輸入運(yùn)算放大器的基本特性相同,則失調(diào)電壓的影響就很小, 滿足條件Rn1/Rn2=Rn3/Rn4時(shí)、電路就有良好的共模抑制特性。由于A4的輸出阻抗很低、調(diào)節(jié)R改變?cè)鲆鏁r(shí)、電路的共模抑制能力不受影響,為了確保該電路的優(yōu)良特性、運(yùn)算放大器A4的選擇十分重要, 如果要求共模抑制能力很強(qiáng)、則除選擇精密繞線電阻Rn1、Rn2、Rn3、Rn4以外、A4應(yīng)選擇高增益型的運(yùn)算放大器。

該電路的輸出電壓就是單節(jié)蓄電池的端電壓,由于是線性電路,因此可以快速跟蹤測(cè)量單節(jié)蓄電池電壓的變化。該電路的輸入阻抗很大, 而蓄電池的內(nèi)阻很?。ㄒ话阒挥袔缀翚W、甚至零點(diǎn)幾毫歐),因而保證了很高的測(cè)量精度,為正確判斷蓄電池組的當(dāng)前狀態(tài)提供了準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)。另外、該電路還有很好的可擴(kuò)展性能, 選擇適當(dāng)?shù)腞n1~Rn5的值、可以測(cè)量標(biāo)稱電壓是2V、6V和12V, 的電池、還可以測(cè)量電池組總電壓。

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