采用數字光耦實現UPS蓄電池組巡檢系統的設計

1 引言

數字化控制技術在ups中應用日益廣泛，提高了產品的集成度，增強了系統的柔性和智能性。準確、及時地檢測出蓄電池組中每一節電池的狀態就成了UPS系統可靠運行的一個必不可少的組成部分。蓄電池組中的每一節電池的電壓、電流通過DSP采樣，從而分析實現了電池巡檢數字化管理，電池的智能化管理全面提高UPS穩定性，提高了系統運行的可靠性。多節電池串聯后的高壓問題成為蓄電池巡檢必須解決的問題，要求每一節電池的采樣必須實現電氣隔離，硬件設計必須考慮到系統的復雜性、穩定性和成本。在實際應用中，UPS系統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方法，將每一節電池的電壓信號經數字光耦無源耦合后，由DSP采樣，通過軟件實現非線性自動校正。由于普通的數字光耦存在嚴重的溫度漂移缺點，采用線性光耦對電池組整體電壓進行采樣，通過DSP計算，解決溫度漂移問題，實現了電池巡檢的數字化管理。該設計具有設計經濟、調試智能、運行穩定可靠等優點。

2 UPS中電池組巡檢管理的重要性

UPS電源在工業、交通、通訊行業中廣泛應用，實際應用中將蓄電池進行串、并聯構成蓄電池組來提高輸出電壓和擴大輸出容量，為確保電池組能正常工作，需要監測蓄電池的工作狀態。蓄電池單體的電壓和工作電流的臨測是了解蓄電池組工作狀態的重要手段。UPS的電池組巡檢監控原理是通過采集電池組的充放電電流及每節電池的工作電壓，經數字處理器分析，提示每節電池的工作狀態，完成先進的電池管理功能（包括自動均浮充轉換控制、電池預告警關機、定期自動維護、容量檢測、后備時間預測），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

通過輪流驅動繼電器（C1到Cn），采用繼電器的觸點將被測的一個電池單體接入一個共用的信號采樣回路（其他的電池兩端懸空），實現對電池組中的每一節電池單體的兩端電壓進行采樣（如圖1所示），這種方法缺點是繼電器的動作速度慢，并存在有限次數的機械壽命與動作噪聲。

3.2串行模數轉換器

采用串行模數轉換器ADC把電池電壓轉化為串行格式的數字信號（如圖2所示），通過數字光耦隔離傳輸到串行數據總線，由DSP讀回每一數據通道的電池電壓。這種方法，缺點是每一路串行ADC需要獨立的輔助電源，信號調理電路、數字信號隔離結構復雜，并且串行模數轉換器ADC成本偏高。

3．3電阻網絡

采用電阻構成分壓網絡，把整個電池組的各個電池連接點電壓衰減到電子模擬開關可以接受的程度。該電路最為簡單，但是該電路測量回路與蓄電池回路并不隔離，存在安全隱患問題，并且采用網絡電阻進行梯度衰減會造成采樣精度遞減。

為了克服現有技術的不足，本文提出一種利用數字光耦實現了無源隔離的蓄電池電壓監測方法。通過軟件進行二次曲線補償來解決數字光耦的非線性問題，并結合線性光耦對電池組整體電壓實現精確采樣，就可以求解因數字光耦的溫度漂移而造成的巡檢偏差。

4 由數字光耦組成的電池巡檢電路與二次曲線補償

采用數字光耦實現無源隔離的蓄電池電壓檢測，無需輔助電源即可實現強電與弱電隔離，電路拓樸如圖4所示，具有簡潔、安全、穩定、經濟等特點，但對于模擬信號來說數字光耦的缺點是因為輸入輸出的線形較差，并且隨溫度變化較大，需要對數字光耦的溫度漂移進行校正和非線性進行補償。

每單元的數字光耦與一個電阻串聯后并聯在蓄電池單體的兩端，流過光耦的發光二極管電流的大小與電池單體電壓直接相關。在實際應用中，選擇合適的串聯電阻R的阻值，數字光耦的發光二極管中通過的電流IF與光敏接收端得到的電流IC可以認定為二次函數的關系，光敏電流通過電阻變化為對應的電壓信號，通過軟件對數字光耦實現二次曲線補償來解決非線性問題（如圖5所示）。

光耦輸出的電壓y是電池電壓x的二次函數，其中由于光耦的離散性對應著不同的二次曲線y=ax2+bx。

為了實現每節電池能進行獨立二次曲線補償，采用準確的基準電壓源模擬每節電池充滿時的電壓（B采樣點）和半電壓（A采樣點），ＤＳＰ自動收集定標信息，并根據采樣信號的區間可以判斷定標點Ａ或Ｂ實現自動定標，利用A（x1，y1）、B（x2，y2）來求解二次函數的系數a［ i］、b［ i］，并將系數保存于非揮發性記憶體中。完成定標操作后，系統重啟并開始初始化，DSP讀回二次函數的系數，通過二次曲線補償求解到每一節電池電壓Uf［ i］，其中i是電池總數單節電池的序號，也就是說通過二次曲線補償后光耦輸出信號與電池的實際電壓成性線關系，如圖6所示。

5 數字光耦的溫度漂移校正

溫度對于數字光耦的特性來說有較大的影響，例如光耦發光二極管的正向導通壓降，光耦右側的光敏三極管的工作點。如圖6所示，當溫度從T1升高到T2時，光耦輸出的電壓值從y1增大到y2，經DSP采樣、二次曲線補償運算得到x2，由于溫度升高，使得計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達到高的測量精度，就必須對溫度變化產生的影響予以補償。

溫度補償的方法有很多，其中典型的方法是采樣得到溫度量，程序查溫度結合電壓補償曲線表實現補償，缺點是相同數字光耦的特性不一定完全一致，有著不同的溫度漂移曲線，在應用工程中N節電池補償曲線表的預建立非常困難，該方案并不理想。

本文溫度補償采用與具體溫度無關的補償方法，由于經過二次曲線補償后數字光耦輸出電壓信號與電池的電壓成線性關系（如圖6所示），當受溫度漂移時光耦輸出信號量y2-y1=y4-y3時，那么電池電壓漂移量x2-x1=x4-x3，也就是說數字光耦產生的電池電壓每伏所對應的偏差量（UΔ）是相同的。如果利用線性光耦轉換蓄電池組兩端的準確電壓，就可以求解得到電池電壓每伏所對應的偏差量（UΔ），從而補償光耦的溫度漂移。

一般地ups電源都設計有直流母線電壓（電池組電壓）監控電路，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，有優越的隔離性能，能有效地抑制共模干擾等優點，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地隔離的輔助電源。電路拓樸如圖7所示，電池組電壓經過R1與R2分壓后經線性光耦輸出得到差分信號u0，經后一級運放信號調理得到與電池組電壓成比例的采樣信號UＡ。UＡ與蓄電池組的電壓成比例，且不受工作溫度的影響，利用UＡ與對應每一節電池采樣電壓的累加和UΣ求得總的采樣偏差ΣUΔ，根據偏差ΣUΔ計算電池的每伏電壓補償量，就可以得到每一節電池接近真實的電壓，數學表達式如式①、②、③所示。

將二次曲線補償后的每一節電池電壓進行累加得到UΣ，其中n是電池組的電池節數。

①

求得因數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計算電池的每伏電壓補償量，就可以得到每一節電池接近真實的電壓。

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試方法是帶負載測試即容量測試，UPS運行期間可以自動關斷整流模塊輸出，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狀態，電流檢測采用霍爾傳感器，實現了電流采樣信號與高電壓的母線隔離（如圖7所示），當蓄電池組由單節電池串聯組成時，直流母線的工作電流就是每節電池的放電電流，結合每一節電池的電壓就能判斷每一節電池的狀態，并能將信號以ＬＣＤ圖形、文字方式直觀顯示，也可以串口等通訊方式報告電池狀態。

圖8

7 結論

采用數字光耦對蓄電池組的單體電池電壓進行巡檢，配合一個線性光耦單元對電池組整體電壓進行監測，并利用霍爾傳感器檢測電池工作電流，采用軟件進行二次曲線補償，解決了數字光耦的非線性與溫度漂移問題，經DSP分析電池組的工作電流及電壓就可以推算出蓄電池內部真實的等效內阻，及時、有效地報告弱電池和潛在失效電池，保證了UPS系統運行的可靠可性與穩定性。

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