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            一種采用自動校正的ups蓄電池組巡檢系統(tǒng)

            作者: 時間:2009-06-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

              1 引言

              數(shù)字化控制技術(shù)在ups中應(yīng)用日益廣泛,提高了產(chǎn)品的集成度,增強(qiáng)了系統(tǒng)的柔性和智能性。準(zhǔn)確、及時地檢測出蓄電池組中每一節(jié)電池的狀態(tài)就成了UPS系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一個必不可少的組成部分。蓄電池組中的每一節(jié)電池的電壓、電流通過DSP采樣,從而分析實現(xiàn)了電池巡檢數(shù)字化管理,電池的智能化管理全面提高UPS穩(wěn)定性,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。多節(jié)電池串聯(lián)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(jié)電池的采樣必須實現(xiàn)電氣隔離,硬件設(shè)計必須考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性和成本。在實際應(yīng)用中,UPS系統(tǒng)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(xué)方法,將每一節(jié)電池的電壓信號經(jīng)無源耦合后,由DSP采樣,通過軟件實現(xiàn)非線性自動校正。由于普通的存在嚴(yán)重的缺點(diǎn),采用對電池組整體電壓進(jìn)行采樣,通過DSP計算,解決問題,實現(xiàn)了電池巡檢的數(shù)字化管理。該設(shè)計具有設(shè)計經(jīng)濟(jì)、調(diào)試智能、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

              2 UPS中電池組巡檢管理的重要性

              UPS電源在工業(yè)、交通、通訊行業(yè)中廣泛應(yīng)用,實際應(yīng)用中將蓄電池進(jìn)行串、并聯(lián)構(gòu)成蓄電池組來提高輸出電壓和擴(kuò)大輸出容量,為確保電池組能正常工作,需要監(jiān)測蓄電池的工作狀態(tài)。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(tài)的重要手段。UPS的電池組巡檢監(jiān)控原理是通過采集電池組的充放電電流及每節(jié)電池的工作電壓,經(jīng)數(shù)字處理器分析,提示每節(jié)電池的工作狀態(tài),完成先進(jìn)的電池管理功能(包括自動均浮充轉(zhuǎn)換控制、電池預(yù)告警關(guān)機(jī)、定期自動維護(hù)、容量檢測、后備時間預(yù)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(qū)動繼電器(C1到Cn),采用繼電器的觸點(diǎn)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(xiàn)對電池組中的每一節(jié)電池單體的兩端電壓進(jìn)行采樣(如圖1所示),這種方法缺點(diǎn)是繼電器的動作速度慢,并存在有限次數(shù)的機(jī)械壽命與動作噪聲。

            實現(xiàn)對電池組中的每一節(jié)電池單體的兩端電壓進(jìn)行采樣

              3.2串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器

              采用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC把電池電壓轉(zhuǎn)化為串行格式的數(shù)字信號(如圖2所示),通過隔離傳輸?shù)酱袛?shù)據(jù)總線,由DSP讀回每一數(shù)據(jù)通道的電池電壓。這種方法,缺點(diǎn)是每一路串行ADC需要獨(dú)立的輔助電源,信號調(diào)理電路、數(shù)字信號隔離結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC成本偏高。

            采用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC把電池電壓轉(zhuǎn)化為串行格式的數(shù)字信號

              3.3電阻網(wǎng)絡(luò)

              采用電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò),把整個電池組的各個電池連接點(diǎn)電壓衰減到電子模擬開關(guān)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(wǎng)絡(luò)電阻進(jìn)行梯度衰減會造成采樣精度遞減。

            采用電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)

              為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,本文提出一種利用數(shù)字光耦實現(xiàn)了無源隔離的蓄電池電壓監(jiān)測方法。通過軟件進(jìn)行來解決數(shù)字光耦的非線性問題,并結(jié)合對電池組整體電壓實現(xiàn)精確采樣,就可以求解因數(shù)字光耦的而造成的巡檢偏差。

              4 由數(shù)字光耦組成的電池巡檢電路與

              采用數(shù)字光耦實現(xiàn)無源隔離的蓄電池電壓檢測,無需輔助電源即可實現(xiàn)強(qiáng)電與弱電隔離,電路拓樸如圖4所示,具有簡潔、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),但對于模擬信號來說數(shù)字光耦的缺點(diǎn)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(shù)字光耦的溫度漂移進(jìn)行校正和非線性進(jìn)行補(bǔ)償。

            電路拓樸圖

              每單元的數(shù)字光耦與一個電阻串聯(lián)后并聯(lián)在蓄電池單體的兩端,流過光耦的發(fā)光二極管電流的大小與電池單體電壓直接相關(guān)。在實際應(yīng)用中,選擇合適的串聯(lián)電阻R的阻值,數(shù)字光耦的發(fā)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(rèn)定為二次函數(shù)的關(guān)系,光敏電流通過電阻變化為對應(yīng)的電壓信號,通過軟件對數(shù)字光耦實現(xiàn)來解決非線性問題(如圖5所示)。

            通過軟件對數(shù)字光耦實現(xiàn)二次曲線補(bǔ)償來解決非線性問題

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

            通過二次曲線補(bǔ)償后光耦輸出信號與電池的實際電壓成性線關(guān)系

              為了實現(xiàn)每節(jié)電池能進(jìn)行獨(dú)立二次曲線補(bǔ)償,采用準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓源模擬每節(jié)電池充滿時的電壓(B采樣點(diǎn))和半電壓(A采樣點(diǎn)),DSP自動收集定標(biāo)信息,并根據(jù)采樣信號的區(qū)間可以判斷定標(biāo)點(diǎn)A或B實現(xiàn),利用A(x1,y1)、B(x2,y2)來求解二次函數(shù)的系數(shù)a[i]、b[i],并將系數(shù)保存于非揮發(fā)性記憶體中。完成定標(biāo)操作后,系統(tǒng)重啟并開始初始化,DSP讀回二次函數(shù)的系數(shù),通過二次曲線補(bǔ)償求解到每一節(jié)電池電壓Uf[i],其中i是電池總數(shù)單節(jié)電池的序號,也就是說通過二次曲線補(bǔ)償后光耦輸出信號與電池的實際電壓成性線關(guān)系,如圖6所示。

              5 數(shù)字光耦的溫度漂移校正

              溫度對于數(shù)字光耦的特性來說有較大的影響,例如光耦發(fā)光二極管的正向?qū)▔航?光耦右側(cè)的光敏三極管的工作點(diǎn)。如圖6所示,當(dāng)溫度從T1升高到T2時,光耦輸出的電壓值從y1增大到y(tǒng)2,經(jīng)DSP采樣、二次曲線補(bǔ)償運(yùn)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(nèi)達(dá)到高的測量精度,就必須對溫度變化產(chǎn)生的影響予以補(bǔ)償。

              溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏啵渲械湫偷姆椒ㄊ遣蓸拥玫綔囟攘?,程序查溫度結(jié)合電壓補(bǔ)償曲線表實現(xiàn)補(bǔ)償,缺點(diǎn)是相同數(shù)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(yīng)用工程中N節(jié)電池補(bǔ)償曲線表的預(yù)建立非常困難,該方案并不理想。

              本文溫度補(bǔ)償采用與具體溫度無關(guān)的補(bǔ)償方法,由于經(jīng)過二次曲線補(bǔ)償后數(shù)字光耦輸出電壓信號與電池的電壓成線性關(guān)系(如圖6所示),當(dāng)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(shù)字光耦產(chǎn)生的電池電壓每伏所對應(yīng)的偏差量(UΔ)是相同的。如果利用轉(zhuǎn)換蓄電池組兩端的準(zhǔn)確電壓,就可以求解得到電池電壓每伏所對應(yīng)的偏差量(UΔ),從而補(bǔ)償光耦的溫度漂移。

            經(jīng)過二次曲線補(bǔ)償后數(shù)字光耦輸出電壓信號與電池的電壓成線性關(guān)系

              一般地ups電源都設(shè)計有直流母線電壓(電池組電壓)監(jiān)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(qiáng),有優(yōu)越的隔離性能,能有效地抑制共模干擾等優(yōu)點(diǎn),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(jīng)過R1與R2分壓后經(jīng)線性光耦輸出得到差分信號u0,經(jīng)后一級運(yùn)放信號調(diào)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(yīng)每一節(jié)電池采樣電壓的累加和UΣ求得總的采樣偏差ΣUΔ,根據(jù)偏差ΣUΔ計算電池的每伏電壓補(bǔ)償量,就可以得到每一節(jié)電池接近真實的電壓,數(shù)學(xué)表達(dá)式如式①、②、③所示。

              將二次曲線補(bǔ)償后的每一節(jié)電池電壓進(jìn)行累加得到UΣ,其中n是電池組的電池節(jié)數(shù)。

              公式

              求得因數(shù)字光耦的溫度漂移造成的電池組電壓的偏差。

              公式

              利用偏差ΣUΔ計算電池的每伏電壓補(bǔ)償量,就可以得到每一節(jié)電池接近真實的電壓。

              公式

              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(fù)載測試即容量測試,UPS運(yùn)行期間可以自動關(guān)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(tài),電流檢測采用霍爾傳感器,實現(xiàn)了電流采樣信號與高電壓的母線隔離(如圖7所示),當(dāng)蓄電池組由單節(jié)電池串聯(lián)組成時,直流母線的工作電流就是每節(jié)電池的放電電流,結(jié)合每一節(jié)電池的電壓就能判斷每一節(jié)電池的狀態(tài),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(tài)。

            當(dāng)蓄電池組由單節(jié)電池串聯(lián)組成時

              圖8

              7 結(jié)論

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

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