串联电池组电压测量方法分析与研究

    一、前言
       目前，发电厂、变电站的操作电源系统大多采用直流电源，直流电源系统是发电厂、变电站非常重要的一种二次设备，它的主要任务就是给继电保护、断路器分合闸及其它控制提供可靠的直流操作电源和控制电源，它要求配置蓄电池系统。实践经验表明，在所有表征蓄电池的参数之中，蓄电池的端电压最能体现蓄电池的当前状况。可以根据端电压判断蓄电池的充、放电进程，当前电压是否超出允许的极限电压。还可以判断蓄电池组的均一性好坏等。 因此，对蓄电池的端电压的测量十分重要。
       二、不同端电压测量方法的分析和比较
       蓄电池工作状态的监测关键在于蓄电池端电压和电流信号的采集。由于串联蓄电池组中的电池数量较多，整组电压很高，而且每个蓄电池之间都有电位联系，因此直接测量比较困难。在研究蓄电池监测系统过程中。人们提出了许多测量串联电池组单只电池端电压的方法。概括起来，主要有以几种：
       1.共模测量法
       共模测量是相对同一参考点，用精密电阻等比例衰减各测量点电压，然后依次相减得到各节电池电压。该方法电路比较简单，但是测量精度低。比如，24节标称电压为12V的蓄电池，单节电池测试精度为0.5%的测试系统，单节电池测试绝对误差为±60mV,24V 节串联积累的绝对误差可达1.44V,显然，其相对误差可达到12V,这在应急电源监控系统中经常会造成误报警，所以不能满足应急电源监控系统的要求。这种方法只适合串联电池数量较少或者对测量精度要求不高的场合。
       2.差模测量法
       差模测量是通过电气或电子元件选通单节电池进行测量。当串联电池数量较多而且对测量精度要求较高时，一般应采用差模测量方法。
       2.1继电器切换提取电压
       传统的比较成熟的测试方法是用继电器和大的电解电容做隔离处理，其基本的测试原理是：首先将继电器闭合到蓄电池一侧，对电解电容充电；测量时把继电器闭合到测量电路一侧，将电解电容和蓄电池隔离开来，由于电解电容保持有该蓄电池的电压信号，因此，测试部分只需测量电解电容上的电压，即可得到相应的单体蓄电池电压。此方法具有原理简单，造价低的优点。但是由于继电器存在着机械动作慢，使用寿命低等缺陷，根据这一原理实现的检测装置在速度，使用寿命，工作的可靠性方面都难以令人满意。为解决上面问题可将机械继电器改用光耦继电器，这样无需外加电解电容提高了可靠性，速度和使用寿命也随之达到要求，但相对成本要大大提高。用光电隔离器件和大电解电容器构成采样，保持电路来测量蓄电池组中单只电池电压。此电路缺点是：在A/D转换过程中1电容上的电压能发生变化，使精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯等器件动作延迟决定采样时间长等缺点。
       2.2 V/F转换无触点采样提取电压
       V/F转换法的原理图如图1所示，其工作原理如下：信号采集采用V/F转换的方法，单节蓄电池采用分别采样，取单节蓄电池的端电压经分压（降低功耗）后作为V/F转换的输入，分压电阻的分散性可通过V/F转换电路调整V/F转换信号输出通过光电隔离器件送到模拟开关，处理器通过控制模拟开关采集频率信号。数据采集电路与数据处理电路采用光电隔离和变压器隔离技术，实现两者之间电气上的隔离。但采用V/F转换作为A/D转换器的缺点是响应速度慢，在小信号范围内线性度差，精度低。
   
   图1 V/F转换法的原理图
       2.3浮动地技术测量电池端电压
       由于串联在一起的电池组总电压达几十伏，甚至上百伏，远远高于模拟开关的正常工作电压，因此需要使地电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量正常进行，其原理图如图2所示。每次工作时，先由模拟开关选通，使其被测电池两端的电位信号接入测试电路，此信号一方面进入差分放大器；另一方面进入窗口比较器，在窗口比较器中与固定电位Vr相比较， 从窗口比较器输出的开关量状态可识别出当前测量地（GND）的电位是太高，太低或者正好（相对于Vr）。如果正好，则可以启动A/D进行测量。如果太高或太低，则通过控制器对地（GND）电位行浮动控制。由于地电位经常受现场干扰发生变化，而该方法不能对地电位进行实时精确控制，因而影响整个系统的测量精度。
   
   图2 浮动地技术原理图
       三、线性电路直接采样法
       本文介绍的线性电路直接采样法是为每个蓄电池配置一块采集板，贴近蓄电池安装，就近完成信号的采集和转换，将转换后的数字信号传输给单片机系统进行处理和传输。该方法的原理框图如图3 所示。
   
   图3 线性电路直接采样法原理框图
       该方法采用线性运算放大器组成线性采样电路、后经电压跟随器送入A/D转换器、转换后的数字信号传输给单片机系统、无须外加采样保持电路， 根据串联电池组总电压的大小、选择适当的放大倍数、无须电阻分压网络或改变地电位、 就可以直接测量任意一只电池的电压。
       线性电路图如图4所示，该电路为典型的增益可调性能优良的差动运算线性电路。图中A1和A2构成精密电压跟随器、A3是差动放大输出电路、A4是增益调节辅助放大器。根据运算放大器的特性，可分析计算出经过采样电路后的输出电压为：
   
   　　取Rn1=Rn2=Rn3=Rn4,则有第- 节蓄电池经采样电路变换后的电压为：
   
   
   图4 差动运算线性电路原理图
       电路增益的调节由电阻R决定、范围很宽、而且线性很好、这就保证了差动运算的精度，只要两个输入运算放大器的基本特性相同，则失调电压的影响就很小， 满足条件Rn1/Rn2=Rn3/Rn4时、电路就有良好的共模抑制特性。由于A4的输出阻抗很低、调节R改变增益时、电路的共模抑制能力不受影响，为了确保该电路的优良特性、运算放大器A4的选择十分重要， 如果要求共模抑制能力很强、则除选择精密绕线电阻Rn1、Rn2、Rn3、Rn4以外、A4应选择高增益型的运算放大器。
       该电路的输出电压就是单节蓄电池的端电压，由于是线性电路，因此可以快速跟踪测量单节蓄电池电压的变化。该电路的输入阻抗很大， 而蓄电池的内阻很小（一般只有几毫欧、甚至零点几毫欧），因而保证了很高的测量精度，为正确判断蓄电池组的当前状态提供了准确的技术参数。另外、该电路还有很好的可扩展性能， 选择适当的Rn1~Rn5的值、可以测量标称电压是2V、6V和12V, 的电池、还可以测量电池组总电压。
       四、结语
       本文提出的测量电池电压的线性电路直接采样法，电路简单实用，适用范围广，测量精度高，很好的解决了串联电池组电池电压检测难的问题，为蓄电池的在线监测和快速诊断提供准确的技术参数，具有广阔的实际应用前景。<