CN1731207A - 无源隔离的蓄电池电压监测电路 - Google Patents
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Abstract
一种无源隔离的蓄电池电压监测电路，属于检测技术领域。本发明包括：基准电压发生电路、数字光耦隔离的模拟量输入电路、通用数字控制电路，所述的数字光耦隔离的模拟量输入电路包括：数字光藕隔离电路、电流－电压转换电路、多路模拟量选择电路、信号调理电路，数字光藕隔离电路的输出连接到电流－电压转换电路的输入，电流－电压转换电路的输出连接到多路模拟量选择电路的输入；基准电压发生电路的输出端连接到数字光耦隔离的模拟量输入电路的一个输入端，数字光耦隔离的模拟量输入电路的一个输出端连接到通用数字控制电路的输入端。本发明安全、廉价、精度高，完成以蓄电池单体电压的监测，且无需辅助电源即可实现强电与弱电隔离。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种检测技术领域的电路，具体地说，是一种无源隔离的蓄电池电压监测电路。
背景技术
蓄电池在工业、交通、通讯行业中广泛应用，使用中一般将蓄电池单体进行串、并联构成蓄电池组来提高输出电压和扩大输出容量，而监测蓄电池单体的电压是了解蓄电池单体和蓄电池组状态的重要手段。由于蓄电池单体从充满电到放电终止，其端电压变化并不是很大，而其浮充电压、放电终止电压的毫伏级的变化就可能对蓄电池的性能产生较严重的影响，因此对单体电池电压的测量精度要求较高，要达到毫伏级。目前，蓄电池单体电压监测电路主要有：1、取蓄电池组中某一点作为基准点，分别测量各个蓄电池单体正、负端对该点的电位，两两相减得到电池单体电压。这类电路一般采用电阻分压网络，把整个电池组的各个电池连接点电压衰减到电子线路可以接受的程度，然后进行测量。该电路最为简单，但整个测量过程中，信号幅度的变化范围大，但每次变化的幅度却不大，因此，对每个蓄电池单体电压的分辨率远远小于模数转换器的实际分辨率，测量精度不高。其测量回路与蓄电池回路不隔离，有一定的安全隐患。2、采用电压/频率(V/F)转换器分别对各个电池单体电压进行隔离测量。这类电路能够实现测量回路与蓄电池回路的隔离，安全性好，而且能够实现高的测量精度。但V/F转换器件价格昂贵，并且需要为每一个蓄电池单体配备一个，蓄电池组中蓄电池单体数量多时所需器件数量庞大；而且V/F转换器需要的电源才能工作，所以需要与蓄电池单体数量相同的相互隔离的辅助电源。因此这类电路的实现成本很高，蓄电池组中的蓄电池单体数量较多时，系统的复杂性和成本令人难以接受。
经对现有技术的文献检索发现，王爵、黄山、黄念慈《新型直流屏蓄电池检测装置》(电测与仪表，2001年第2期，p17-20)采用继电器的触点把被测的一个电池单体接入测量回路(其他的电池两端悬空)，对电池单体的端电压进行直接的测量，所以模数转换器的分辨率可以被充分利用，测量精度高。该电路的缺点是由于继电器执行速度慢，影响了巡检速度，工作过程中有明显的继电器动作声响；而继电器电寿命一般为10次，按照2秒中动作1次计算，继电器的时间寿命仅为2年，影响了整个监测装置的使用寿命。该方案采用隔离传感器来实现蓄电池强电回路与测量弱电回路的隔离，所以也需要在测量通道中配备一个与弱电回路隔离的辅助电源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种无源隔离的蓄电池电压监测电路，使其安全、廉价、精度高，完成以蓄电池单体电压的监测，且无需辅助电源即可实现强电与弱电隔离。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：基准电压发生电路、数字光耦隔离的模拟量输入电路、通用数字控制电路三个部分，所述的数字光耦隔离的模拟量输入电路包括：数字光藕隔离电路、电流—电压转换电路、多路模拟量选择电路、信号调理电路，数字光藕隔离电路的输入是整个数字光耦隔离的模拟量输入电路的输入，数字光藕隔离电路的输出连接到电流—电压转换电路的输入，电流—电压转换电路的输出连接到多路模拟量选择电路的输入，多路模拟量选择电路的输出连接到信号调理电路的输入，信号调理电路的输出是整个数字光耦隔离的模拟量输入电路的输出；基准电压发生电路的输出端连接到数字光耦隔离的模拟量输入电路的一个输入端，数字光耦隔离的模拟量输入电路的一个输出端连接到通用数字控制电路的输入端。
所述的基准电压发生电路，由基准电压源芯片和驱动电路构成，基准电压源芯片的输出连接到驱动电路的输入。
所述的基准电压源芯片，其产生的基准电压信号温度系数小于50ppm/℃。
所述的通用数字控制电路，由模数转换器和通用数字控制器构成，模数转换器的输出端连接到通用数字控制器的输入端。
所述的模数转换器的输入端就是通用数字控制电路的输入端。
所述的模数转换器为10位或者10位以上。
数字光耦隔离的模拟量输入电路中的数字光耦起到隔离和传输电压模拟信号的作用。每一个数字光耦与一个电阻串联后并联在蓄电池单体的两端，流过光耦的发光二极管电流的大小与蓄电池单体电压直接相关。与线性光耦不同，数字光耦的性能指标中对电流传输比(IC/IF)的线性度没有特别的要求，一般用于传输数字信号。不过实际的数字光耦总是存在一个电流传输的线性段，在线性段内，发光二极管中通过的电流IF与光敏接收端得到的电流IC成正比。根据蓄电池单体额定电压、光耦的发光二极管的导通压降、光耦的电流线性传输段的起始电流和终止电流，基本就可以确定与光耦串联的电阻的大小，从而使得蓄电池单体电压在放电终止电压和充满的电压之间变化时，对应的通过发光二极管的电流始终处于数字光耦的电流线性传输段内。这时光耦的光敏接收端的电流与电池电压的大小有较好的线性关系，这样就可以使得数字光耦在一定的范围内以一定的精度来传输模拟信号。蓄电池单体电压的变化将引起光耦二极管中电流的变化，电流的变化引起发光二极管发光强度的变化，反应到光耦的接收端就是接收端的光敏电流的相应变化，光敏电流通过电阻变化为对应的电压。对该电压的检测就可以换算出蓄电池单体电压。数字光耦实现了测量回路和蓄电池在电气上的隔离，安全性好；由于数字光耦价格低廉，而且本电路中不需要为每个数字光耦提供隔离电源，极大地简化了系统结构并降低了电路的实现成本。多路选择器实现对多个上述电压信号的切换，实际上就实现了对不同的蓄电池单体电压的切换。由于所有的数字光耦的光敏接收端都与蓄电池电气隔离，可以“共地”，因此多路选择器可以采用模拟电子开关，这就避免了机械的继电器开关的动作寿命对整个监测装置的寿命的影响，同时也极大地提高了巡检速度。把多路选择器的输出送到信号调理电路，信号调理电路对信号进行必要的放大或衰减以及低通滤波，以使输入模数的信号在模数器件可以接受的范围内并避免高频干扰对信号的影响。模数转换器将信号转换为数字量，进一步由通用数字控制器来计算出对应的蓄电池单体电压的大小。由于采用本发明可能应用于环境温度变化较大的场合，且蓄电池在不同的工作电流下温升也不相同，而温度对于数字光耦的特性，如光耦发光二极管的正向导通压降，有较大的影响；温度对电路中的其他元件，如电阻也由一定的影响；因此要在较宽的温度范围内达到高的测量精度，就必须对温度变化产生的影响予以补偿。本发明中采用了基准电压实时校准技术来达到这一目的。基准电压芯片产生一个不随温度变化的电压信号送入数字光耦隔离的模拟量输入电路。因此，基准电压通过数字光耦隔离的模拟量输入电路后产生的输出的任何随温度的变化都是可以认为是温度对数字光耦隔离的模拟量输入电路的影响造成的。通过对基准电压输入通道的输出电压的变化的检测就可以发现检测出温度的影响。从而给予补偿。通用控制器根据模数转换得到的反映蓄电池电压大小的数据计算出蓄电池电压的大小。由于数字光耦的电流传输线性段的线性度不会很理想，每个光耦的特性也不可能完全一致，这会给测量带来误差。本电路中采用软件线性化校正技术来解决这两个问题。对蓄电池充满时的电压、放电终止电压这两个敏感电压点，以及在这两个电压之间较均匀抽取的几个电压校准点，采用精确的电压基准源，事前做好这几点电压测量的校准工作，把校准的相关信息存储在非易失存储器中。装置正常工作时，根据上述几个点的校准信息对直接测量得到的数据进行分段线性化处理，就可以在蓄电池单体电压的变化的整个范围内达到高的精度。综上，本发明是利用数字光耦的电流线性传输段并结合软件线性化校正技术和温度补偿来保证测量精度和准确度的。
本发明采用价格低廉的数字光耦即可以实现众多模拟量的隔离传输及测量，而且无需如采用电压/频率(V/F)转换器分别对各个电池单体电压进行隔离测量的方案那样为每个测量通道配置相互隔离的电源，因此成本非常低廉；同时由于强电、弱电相互隔离，避免了取蓄电池组中某一点作为基准点，分别测量各个蓄电池单体正、负端对该点的电位，两两相减得到电池单体电压的方案和采用继电器的触点把被测的一个电池单体接入测量回路(其他的电池两端悬空)，对电池单体的端电压进行直接的测量的方案中强电、弱电不隔离而存在的安全隐患；本发明中基准电压实时校准技术和软件线性化校正技术保证了本发明可以在蓄电池电压变化的范围内可以达到与采用电压/频率(V/F)转换器分别对各个电池单体电压进行隔离测量的方案和采用继电器的触点把被测的一个电池单体接入测量回路(其他的电池两端悬空)，对电池单体的端电压进行直接的测量的方案相同的精度。本发明实际是把电压信号变换为电流信号进行传输，而前述几种方案的信号通道中均直接传输电压信号，因此相对而言本发明有较强的抗干扰能力。从整体上讲，本发明结构简单，无机械动作部分，因此可靠性高、使用寿命长。本发明可以应用于所有需要对蓄电池单体电压进行监测的场合，如电力直流屏、电动汽车的蓄电池管理、海洋灯塔的蓄电池管理、电信中心和银行的机房等需要蓄电池组作为备用电源等对蓄电池状态十分关心的场合。
附图说明
图1为本发明电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：基准电压发生电路、数字光耦隔离的模拟量输入电路、通用数字控制电路三个部分，所述的数字光耦隔离的模拟量输入电路包括：数字光藕隔离电路、电流—电压转换电路、多路模拟量选择电路、信号调理电路，数字光藕隔离电路的输入是整个数字光耦隔离的模拟量输入电路的输入，数字光藕隔离电路的输出连接到电流—电压转换电路的输入，电流—电压转换电路的输出连接到多路模拟量选择电路的输入，多路模拟量选择电路的输出连接到信号调理电路的输入，信号调理电路的输出是整个数字光耦隔离的模拟量输入电路的输出；基准电压发生电路的输出端连接到数字光耦隔离的模拟量输入电路的一个输入端，数字光耦隔离的模拟量输入电路的一个输出端连接到通用数字控制电路的输入端。
所述的基准电压发生电路，由基准电压源芯片和驱动电路构成，基准电压源芯片的输出连接到驱动电路的输入。基准电压源芯片采用REF10，它产生一个基本不随温度变化的基准电压信号；驱动电路由精密运放OP27构成的电压跟随器构成，它提供驱动对数字光藕发光二极管的能力。REF10的电压输出端连接到OP27的电压输入端。基准电压不随温度变化，每个蓄电池单体电压反映到光耦的光敏接收端的光敏电流都要与基准电压反映到光耦的光敏接收端的光敏电流进行对比计算。
在一个监测装置上尽可能使用同一批次的光耦，这样可以保证不同的电压输入通道有较好的一致性并提高本电路的检测精度。
所述的数字光耦隔离的模拟量输入电路，由一个电阻与数字光耦的发光二极管串联。电阻采用1/4W、100欧姆的金属膜电阻；数字光耦选用线性度较好的MOC8103，本实施例中需要110个电阻和数字光耦来构成电压输入通道。I-V转换电路用最简单的电阻采样来实现，具体为1/4W、1K金属膜电阻；多路选择器采用模拟信号选择器CD4051；信号调理电路由高精度运放OP27构成的二阶低通滤波器组成。
所述的通用数字控制电路，由模数转换器和通用数字控制器构成。模数转换器采用12位具有SPI接口的模数转换器MCP3208；通用数字控制器采用同样具有SPI接口的MC68HC908GP32。MCP3208的SPI输出连接到MC68HC908GP32的SPI输入。
以标称为2V的蓄电池单体来构成220V电力直流屏作为被监测对象，蓄电池单体充满电电压为2.25V，放电终止电压为1.85V，采用的光耦的发光二极管正向压降为1.2V左右，需要采用12位的模数转换器，监测系统对蓄电池单体电压变化的分辨率可以达到：(2.25-1.2)V/(4096-1)＝0.25mV，这满足绝大多数场合对蓄电池单体电压监测的精度要求。
对蓄电池充满时的电压2.25V、放电终止电压1.85V这两个敏感电压点，以及在这两个电压之间的1.95V、2.05V、2.15V这3个电压点，采用精确的电压基准源，事前做好这几点电压测量的校准工作，把校准的相关信息存储在非易失存储器中。装置正常工作时，根据上述几个点的校准信息对直接测量得到的数据进行软件的分段线性化处理，就可以在蓄电池单体电压的变化的整个范围内达到高的精度。当然，电路的过程实施中还可以根据需要增加数据的远传和对监测装置的远程控制等功能。
Claims (6)
1.一种无源隔离的蓄电池电压监测电路，包括：基准电压发生电路、数字光耦隔离的模拟量输入电路、通用数字控制电路三个部分，所述的数字光耦隔离的模拟量输入电路包括：数字光藕隔离电路、电流—电压转换电路、多路模拟量选择电路、信号调理电路，数字光藕隔离电路的输入是整个数字光耦隔离的模拟量输入电路的输入，数字光藕隔离电路的输出连接到电流—电压转换电路的输入，电流—电压转换电路的输出连接到多路模拟量选择电路的输入，多路模拟量选择电路的输出连接到信号调理电路的输入，信号调理电路的输出是整个数字光耦隔离的模拟量输入电路的输出；基准电压发生电路的输出端连接到数字光耦隔离的模拟量输入电路的一个输入端，数字光耦隔离的模拟量输入电路的一个输出端连接到通用数字控制电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的无源隔离的蓄电池电压监测电路，其特征是，所述的基准电压发生电路，由基准电压源芯片和驱动电路构成，基准电压源芯片的输出连接到驱动电路的输入。
3.根据权利要求2所述的无源隔离的蓄电池电压监测电路，其特征是，所述的基准电压源芯片，其产生的基准电压信号温度系数小于50ppm/℃。
4.根据权利要求1所述的无源隔离的蓄电池电压监测电路，其特征是，所述的通用数字控制电路，由模数转换器和通用数字控制器构成，模数转换器的输出端连接到通用数字控制器的输入端。
5.根据权利要求4所述的无源隔离的蓄电池电压监测电路，其特征是，所述的模数转换器的输入端就是通用数字控制电路的输入端。
6.根据权利要求4所述的无源隔离的蓄电池电压监测电路，其特征是，所述的模数转换器为10位或者10位以上。
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