采用数字光耦实现UPS蓄电池组巡检系统的设计

数字控制技术广泛应用于ups，提高了产品的集成度，增强了系统的灵活性和智能性。准确及时地检测电池组中每个电池的状态已经成为不间断电源系统可靠运行的重要组成部分。通过DSP对电池组中每个电池的电压和电流进行采样，实现电池巡检的数字化管理。电池的智能管理提高了不间断电源的稳定性和系统运行的可靠性。多节电池串联后的高电压问题已经成为电池检测中必须解决的问题，这就要求每节电池的采样必须电气隔离，硬件设计必须考虑系统的复杂性、稳定性和成本。在实际应用中，不间断电源系统中的电池检测方法有很多，但每种方法都有缺陷。本文提出了一种合理科学的方法，即通过数字信号处理器采样的数字光耦，对每个电池的电压信号进行无源耦合，并通过软件自动校正。由于普通的数字光耦存在严重的温漂缺点，采用线性光耦对电池组的整体电压进行采样，采用数字信号处理器计算解决温漂问题，实现电池检测的数字化管理。该设计具有设计经济、调试智能化、运行稳定可靠等优点。
2 2UPS电池巡检管理的重要性
不间断电源广泛应用于工业、交通和通信行业。在实践中，电池串联和并联以形成电池组，从而增加输出电压并扩大输出容量。为了确保电池组的正常运行，有必要监控电池的工作状态。电池单体的电压和工作电流测量是了解电池组工作状态的重要手段。不间断电源电池巡检监控的原理是采集电池组的充放电电流和每个电池的工作电压，并通过数字处理器进行分析，从而提示每个电池的工作状态，完成先进的电池管理功能(包括自动浮充转换控制、电池报警关机、定期自动维护、容量检测和备份时间预测)，从而提高电池的使用寿命。
几种常见电池检测方法的比较
3.1继电器切换方法
通过依次驱动继电器(C1至加拿大)，一个待测电池单元通过继电器触点(其他电池的两端悬空)连接到一个公共信号采样电路，从而可以对电池组中每个电池单元两端的电压进行采样(如图如图1所示)。这种方法的缺点是继电器运行缓慢，机械寿命有限，动作噪音大。
采用数字光耦的不间断电源电池巡检系统设计
采用数字光耦的不间断电源电池巡检系统设计
3.2串行模数转换器
串行模数转换器ADC用于将电池电压转换成串行格式的数字信号(如如图2所示)，通过数字光耦隔离传输到串行数据总线，每个数据通道的电池电压由数字信号处理器回读。这种方法的缺点是每个串行ADC需要独立的辅助电源，信号调理电路和数字信号隔离结构复杂，串行ADC成本高。
3.3电阻网络
电阻器用于形成分压网络，该网络将整个电池组的每个电池连接点的电压衰减到电子模拟开关可接受的水平。电路最简单，但电路的测量电路没有与电池电路隔离，存在安全隐患。而且随着网络电阻的梯度衰减会导致采样精度下降。
为了克服现有技术的不足，提出了一种利用数字光耦实现无源隔离的电池电压监测方法，数字光耦的非线性问题可以通过软件的二次曲线补偿来解决，数字光耦的温度漂移引起的检测偏差可以通过对电池组整体电压的精确采样结合线性光耦来解决
4由数字光耦和二次曲线补偿组成的电池检测电路
采用数字光耦，实现电池电压的无源隔离检测，无需辅助电源即可实现强电流和弱电流的隔离。电路拓扑如图如图4所示，简单、安全、稳定、经济。然而，对于模拟信号，数字光耦的缺点是输入和输出的线性度很差，并且随温度变化很大，因此需要校正数字光耦的温度漂移并补偿非线性。
每个单元的数字光耦与电阻器串联，然后与电池单元的两端并联。流经光耦的发光二极管的电流与电池的电压直接相关。在实际应用中，通过选择合适的串联电阻R的阻值，经过数字光耦的LED的电流IF和光敏接收端得到的电流IC可以看作二次函数，光敏电流通过电阻变成相应的电压信号。该软件用于通过二次曲线补偿数字光耦，以解决非线性问题(如如图5所示)。
光耦输出的电压y是电池电压x,的二次函数，其中光耦的离散性对应于不同的二次曲线y=ax2 bx。
为了实现每个电池的独立二次曲线补偿，采用精确的参考电压源模拟每个电池的全电压(采样点B)和半电压(采样点A)。DSP自动采集标定信息，可以根据采样信号的间隔判断标定点A或B，实现自动标定。用A(x1，y1)和B(x2，y2)求解二次函数的系数A  [I]和B，标定操作完成后，系统重启初始化。DSP回读二次函数的系数，通过二次曲线补偿求解每个电池的电压UF  [I]，其中I为单节，电池总数的序号，也就是说光耦输出信号与二次曲线补偿后电池实际电压的线性关系如图如图6所示。
数字光耦的温度漂移校正
温度对数字光耦，的光耦LED正向导通压降、光耦右侧光敏晶体管工作点等特性影响很大，如如图6所示，当温度从T1上升到T2时，光耦输出的电压从y1上升到y2，通过DSP采样和二次曲线补偿运算得到x2。随着温度升高，计算出的电池电压从x1漂移到x2。因此，为了在宽温度范围内实现高测量精度，需要补偿温度变化的影响。
温度补偿的方法有很多种，其中典型的方法是通过采样获得温度，结合电压蒙森表用程序检查温度来实现补偿。缺点是同一个数字光耦的特性不完全一致，有不同的温漂曲线。在应用工程中很难预先建立N电池的monson表，方案也不理想。
本文采用与特定温度无关的补偿方法进行温度补偿。由于数字光耦的输出电压信号与经过二次曲线补偿后的电池电压成线性关系(如图如图6所示)，当光耦的输出信号因温度漂移而为y2-y1=y4-y3时，那么电池电压漂移量x2-x1=x4-x3，即数字光耦产生的电池电压每伏特对应的偏差量(u  )是相同的。如果通过线性光耦，转换电池两端的精确电压，则可以获得对应于电池电压每伏特的偏差(u  )，从而补偿光耦的温度漂移
ups电源一般设计有DC母线电压(电池组电压)监测电路。由于线性光耦，的温漂小，线性输入输出好，抗干扰能力强，隔离性能优越，能有效抑制共模干扰，DC母线电压采样电路可以采用线性光耦，为了保证线性光耦，的运行，必须提供一个与采样信号隔离的辅助电源。如电路拓扑如图7所示，电池组电压由R1和R2分压，然后由线性光耦输出，得到差分信号u0，后级运算放大器信号调理得到与电池组电压成正比的采样信号UA。Ua与蓄电池电压成正比，不受工作温度影响。总采样偏差 u是利用ua的累加和u和每个电池对应的采样电压得到的，根据偏差 u可以计算出电池每伏的电压补偿，使每个电池的电压接近真实电压。数学表达式如公式、和所示。
对二次曲线补偿后的各电池电压进行累加，得到u  ，其中n为电池组的电池单元数。

得出了数字光耦温度漂移引起的电池组电压偏差。

利用偏差 u  计算电池的每伏电压补偿，可以得到接近每个电池真实电压的电压。

电池工作电流的采样与分析
判断电池寿命的最佳测试方法是负载测试，即容量测试。不间断电源运行时，整流模块的输出可以自动关闭，电池组为逆变模块供电。考虑到电池组工作在高电流高电压的危险状态，采用霍尔传感器进行电流检测，实现了电流采样信号与高电压之间的总线隔离(如图如图7)。当电池组由单节电池串联组成时，DC母线的工作电流为各电池的放电电流，结合各电池的电压可以判断各电池的状态，信号可以用LCD图形和文字直观显示，电池状态也可以通过串口等通讯手段报告。
图8
7结论
用数字光耦检测电池组的单体电压，用线性光耦单元监测电池组的整体电压，用霍尔传感器检测电池的工作电流，用软件补偿二次曲线，解决了数字光耦的非线性和温度漂移问题。 可以计算出电池的真实等效内阻，并及时有效地报告弱电池和潜在故障电池，从而保证不间断电源系统运行的可靠性和稳定性。