串聯(lián)電池組電壓測量方法分析與研究

一、前言

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備，它的主要任務就是給繼電保護、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)。實踐經(jīng)驗表明，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)蓄電池的當前狀況。可以根據(jù)端電壓判斷蓄電池的充、放電進程，當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，對蓄電池的端電壓的測量十分重要。

二、不同端電壓測量方法的分析和比較

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

1.共模測量法

共模測量是相對同一參考點，用精密電阻等比例衰減各測量點電壓，然后依次相減得到各節(jié)電池電壓。該方法電路比較簡單，但是測量精度低。比如，24節(jié)標稱電壓為12V的蓄電池，單節(jié)電池測試精度為0.5%的測試系統(tǒng)，單節(jié)電池測試絕對誤差為±60mV,24V 節(jié)串聯(lián)積累的絕對誤差可達1.44V,顯然，其相對誤差可達到12V,這在應急電源監(jiān)控系統(tǒng)中經(jīng)常會造成誤報警，所以不能滿足應急電源監(jiān)控系統(tǒng)的要求。這種方法只適合串聯(lián)電池數(shù)量較少或者對測量精度要求不高的場合。

2.差模測量法

差模測量是通過電氣或電子元件選通單節(jié)電池進行測量。當串聯(lián)電池數(shù)量較多而且對測量精度要求較高時，一般應采用差模測量方法。

2.1繼電器切換提取電壓

傳統(tǒng)的比較成熟的測試方法是用繼電器和大的電解電容做隔離處理，其基本的測試原理是：首先將繼電器閉合到蓄電池一側(cè)，對電解電容充電；測量時把繼電器閉合到測量電路一側(cè)，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，因此，測試部分只需測量電解電容上的電壓，即可得到相應的單體蓄電池電壓。此方法具有原理簡單，造價低的優(yōu)點。但是由于繼電器存在著機械動作慢，使用壽命低等缺陷，根據(jù)這一原理實現(xiàn)的檢測裝置在速度，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到要求，但相對成本要大大提高。用光電隔離器件和大電解電容器構(gòu)成采樣，保持電路來測量蓄電池組中單只電池電壓。此電路缺點是：在A/D轉(zhuǎn)換過程中1電容上的電壓能發(fā)生變化，使精度趨低，而且電容充放電時間及晶體管和隔離芯等器件動作延遲決定采樣時間長等缺點。

2.2 V/F轉(zhuǎn)換無觸點采樣提取電壓

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V/F轉(zhuǎn)換電路調(diào)整V/F轉(zhuǎn)換信號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。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)換器的缺點是響應速度慢，在小信號范圍內(nèi)線性度差，精度低。

圖1 V/F轉(zhuǎn)換法的原理圖

2.3浮動地技術(shù)測量電池端電壓

由于串聯(lián)在一起的電池組總電壓達幾十伏，甚至上百伏，遠遠高于模擬開關(guān)的正常工作電壓，因此需要使地電位隨測量不同電池電壓時自動浮動來保證測量正常進行，其原理圖如圖2所示。每次工作時，先由模擬開關(guān)選通，使其被測電池兩端的電位信號接入測試電路，此信號一方面進入差分放大器；另一方面進入窗口比較器，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)可識別出當前測量地（GND）的電位是太高，太低或者正好（相對于Vr）。如果正好，則可以啟動A/D進行測量。如果太高或太低，則通過控制器對地（GND）電位行浮動控制。由于地電位經(jīng)常受現(xiàn)場干擾發(fā)生變化，而該方法不能對地電位進行實時精確控制，因而影響整個系統(tǒng)的測量精度。

圖2 浮動地技術(shù)原理圖

三、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蓄電池配置一塊采集板，貼近蓄電池安裝，就近完成信號的采集和轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸給單片機系統(tǒng)進行處理和傳輸。該方法的原理框圖如圖3 所示。

圖3 線性電路直接采樣法原理框圖

該方法采用線性運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)字信號傳輸給單片機系統(tǒng)、無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?shù)姆糯蟊稊?shù)、無須電阻分壓網(wǎng)絡或改變地電位、 就可以直接測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)良的差動運算線性電路。圖中A1和A2構(gòu)成精密電壓跟隨器、A3是差動放大輸出電路、A4是增益調(diào)節(jié)輔助放大器。根據(jù)運算放大器的特性，可分析計算出經(jīng)過采樣電路后的輸出電壓為：

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：

圖4 差動運算線性電路原理圖

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、這就保證了差動運算的精度，只要兩個輸入運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、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改變增益時、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、運算放大器A4的選擇十分重要，如果要求共模抑制能力很強、則除選擇精密繞線電阻Rn1、Rn2、Rn3、Rn4以外、A4應選擇高增益型的運算放大器。

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、甚至零點幾毫歐），因而保證了很高的測量精度，為正確判斷蓄電池組的當前狀態(tài)提供了準確的技術(shù)參數(shù)。另外、該電路還有很好的可擴展性能，選擇適當?shù)腞n1~Rn5的值、可以測量標稱電壓是2V、6V和12V, 的電池、還可以測量電池組總電壓。

四、結(jié)語

本文提出的測量電池電壓的線性電路直接采樣法，電路簡單實用，適用范圍廣，測量精度高，很好的解決了串聯(lián)電池組電池電壓檢測難的問題，為蓄電池的在線監(jiān)測和快速診斷提供準確的技術(shù)參數(shù)，具有廣闊的實際應用前景。