单元电池电压测量系统设计

1 引 言

应急电源多采用蓄电池提供能源，为了获得足够高的电压通常采用多块电池串联的方式进行工作，例如用24、32或48节铅酸蓄电池组成。电池组的失效往往是从单块电池失效开始的，尤其对于使用时间较长但又不超过使用期限的电池组，依靠维护人员的日常检查既耗时又不方便，也不符合现代管理的需要。因此，对于单块电池的电压进行自动巡检，以便及时发现问题，就变得极为重要。而对电池组单块电池电压进行测量存在以下主要技术难点。

(1)从降低成本角度考虑可采用多路选择方式测量，但是其电压范围超出了标准模拟开关产品的工作电压范围而采用机械继电器将在速度、使用寿命、工作的可靠性方面都难以令人满意。

(2)为确保测量的精度，单元电池采用悬浮测量，系统设计时要考虑信号采集电路与信号处理电路采取有效的电气隔离。

(3)由于电池组串联电池数的增加，测量电路的功耗难于降低。国内已有很多关于单个单元电池的端电压侧测量方法的提出，构造电阻网络提取电压、继电器切换和V／F转换无触点采样提取电压。

2 串联电池组测量方法

2．1 电阻网络提取电压

从理论上分析这种方法是可行的，但在实际中却难以实现。比如，24节标称电压为12 V蓄电池，单节电池测试精度为O．5％的测试系统，单节电池测试绝对误差为±60 mV，24节串联积累的绝对误差可达1．44 V，显然，其相对误差可达到12％，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。

2．2 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，基本原理如图1所示。



其基本的测试原理是：首先将继电器闭合到A区，对电解电容充电；测量时把继电器闭合到B区，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，测试部分只需测电解电容上的电压，即可得到相应的蓄电池电压。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，实践证明，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。

2．3 V／F转换无触点采样提取电压

V／F转换无触点采样提取电压方法虽有提出，但是目前还没有应用到解决较多电池串联后单体电压测量中，本文就借助V／F转换方法，考虑前面提出的单元电池电压测量电路设计存在的主要技术难点，设计了一套单元电池电压测量系统。

3 单元电池电压测量系统的整体实现方案

在本系统中主要完成以下几方面的功能。其总体实现如图2所示。



3．1 工作原理

信号采集采用V／F转换的方法，单元电池采用分别采样，取单元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，实现了两者之间电气上的隔离。

整机设计从功耗和仪表机械外形考虑，对电路的结构做了处理，采集电路采集和处理分开设计，每块采集板可采集8路电池电压信号最为采集部分，可根据所要测量的电池数方便地选择采集板块数。另设计一块主板，通过扁平导线将每块采集板与主板连接，统一对采集到的信号进行处理。整机供电直流5 V，V／F转换供电采用开关电源将5 V直流通过DC／DC模块逆变为V／F转换电路电源(后面说明)，由于上面电路结构的特殊设计，每块采集板的供电可控，可节省整机功耗。

4 数据通信

巡检仪中用到并行、串行、485接口3种通信方式实现数据通信，通信原理如图3所示，主板采用双CPU，分别负责数据处理和远传通信，他们之间采用了直接并行通信进行数据传输，实现简单并能达到传输数据的需要；485接口的使用是为了能够将采集到的数据远传到PC机；为简化巡检仪接线，巡检仪采用了分体式结构，利用串行通信方式将数据通过一根屏蔽线送仪表显示单片机。几种通信方式的合理应用方便了安装，并大大体高了巡检仪运行的可靠性。



图3 数据通信原理  

5 电源设计

5．1 整机供电

设计中整机供电采用集成开关稳压电源提供5 V直流，这样可以满足设计电源的一致性。

5．2 V／F转换供电

由于设计中每节蓄电池都需要单独的V／F转换电路，而每个压频转换电路都需要单独的电源，综合采样电压要求和对整机功耗的考虑，由于采样电压送到V／F转换电路前已经进行了分压处理，所以只需供电，基于以上的考虑，可通过将5 V电源逆变的方法实现，设计电源原理如图4所示。



每块采集板需要提供8路直流10V供电电源，由于V/F转换供电只需满足比测量电压高，10V供电输出不需要稳压处理就可以满足要求。

6 结论

（1） 采用V/F转换的测量方法解决了电池组串联高电位与测量电路需要共地的矛盾。

（2） 对单电池直接采样，可充分保证测量的精度。

（3） 仪表采用分体式（把测量和显示分开）接口有利于仪表的安装。

（4） 光电隔离提高了测量电池组的能力。

（5） 几种数据通信的结合，使每个CPU分工明确，提高了仪表运行的可靠性。

（6） 采用高频升压电源为V/F转换采样电路供电，既解决了多路供电的需要，又缩小了供电变压器的体积。