一、前言
目前，發(fā)電廠(chǎng)、變電站的操作電源系統大多采用直流電源，直流電源系統是發(fā)電廠(chǎng)、變電站非常重要的一種二次設備，它的主要任務(wù)就是給繼電保護、斷路器分合閘及其它控制提供可靠的直流操作電源和控制電源，它要求配置蓄電池系統。實(shí)踐經(jīng)驗表明，在所有表征蓄電池的參數之中，蓄電池的端電壓最能體現蓄電池的當前狀況�？梢愿鶕�端電壓判斷蓄電池的充、放電進(jìn)程，當前電壓是否超出允許的極限電壓。還可以判斷蓄電池組的均一性好壞等。因此，對蓄電池的端電壓的測量十分重要。

二、不同端電壓測量方法的分析和比較
蓄電池工作狀態(tài)的監測關(guān)鍵在于蓄電池端電壓和電流信號的采集。由于串聯(lián)蓄電池組中的電池數量較多，整組電壓很高，而且每個(gè)蓄電池之間都有電位聯(lián)系，因此直接測量比較困難。在研究蓄電池監測系統過(guò)程中。人們提出了許多測量串聯(lián)電池組單只電池端電壓的方法。概括起來(lái)，主要有以幾種：
1.共模測量法
共模測量是相對同一參考點(diǎn)，用精密電阻等比例衰減各測量點(diǎn)電壓，然后依次相減得到各節電池電壓。該方法電路比較簡(jiǎn)單，但是測量精度低。比如，24節標稱(chēng)電壓為12V的蓄電池，單節電池測試精度為0.5%的測試系統，單節電池測試絕對誤差為±60mV,24V 節串聯(lián)積累的絕對誤差可達1.44V,顯然，其相對誤差可達到12V,這在應急電源監控系統中經(jīng)常會(huì )造成誤報警，所以不能滿(mǎn)足應急電源監控系統的要求。這種方法只適合串聯(lián)電池數量較少或者對測量精度要求不高的場(chǎng)合。
2.差模測量法
差模測量是通過(guò)電氣或電子元件選通單節電池進(jìn)行測量。當串聯(lián)電池數量較多而且對測量精度要求較高時(shí)，一般應采用差模測量方法。
2.1繼電器切換提取電壓
傳統的比較成熟的測試方法是用繼電器和大的電解電容做隔離處理，其基本的測試原理是：首先將繼電器閉合到蓄電池一側，對電解電容充電；測量時(shí)把繼電器閉合到測量電路一側，將電解電容和蓄電池隔離開(kāi)來(lái)，由于電解電容保持有該蓄電池的電壓信號，因此，測試部分只需測量電解電容上的電壓，即可得到相應的單體蓄電池電壓。此方法具有原理簡(jiǎn)單，造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。但是由于繼電器存在著(zhù)機械動(dòng)作慢，使用壽命低等缺陷，根據這一原理實(shí)現的檢測裝置在速度，使用壽命，工作的可靠性方面都難以令人滿(mǎn)意。為解決上面問(wèn)題可將機械繼電器改用光耦繼電器，這樣無(wú)需外加電解電容提高了可靠性，速度和使用壽命也隨之達到要求，但相對成本要大大提高。用光電隔離器件和大電解電容器構成采樣，保持電路來(lái)測量蓄電池組中單只電池電壓。此電路缺點(diǎn)是：在A(yíng)/D轉換過(guò)程中1電容上的電壓能發(fā)生變化，使精度趨低，而且電容充放電時(shí)間及晶體管和隔離芯等器件動(dòng)作延遲決定采樣時(shí)間長(cháng)等缺點(diǎn)。
2.2 V/F轉換無(wú)觸點(diǎn)采樣提取電壓
V/F轉換法的原理圖如圖1所示，其工作原理如下：信號采集采用V/F轉換的方法，單節蓄電池采用分別采樣，取單節蓄電池的端電壓經(jīng)分壓（降低功耗）后作為V/F轉換的輸入，分壓電阻的分散性可通過(guò)V/F轉換電路調整V/F轉換信號輸出通過(guò)光電隔離器件送到模擬開(kāi)關(guān)，處理器通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)采集頻率信號。數據采集電路與數據處理電路采用光電隔離和變壓器隔離技術(shù)，實(shí)現兩者之間電氣上的隔離。但采用V/F轉換作為A/D轉換器的缺點(diǎn)是響應速度慢，在小信號范圍內線(xiàn)性度差，精度低。

圖1 V/F轉換法的原理圖
2.3浮動(dòng)地技術(shù)測量電池端電壓
由于串聯(lián)在一起的電池組總電壓達幾十伏，甚至上百伏，遠遠高于模擬開(kāi)關(guān)的正常工作電壓，因此需要使地電位隨測量不同電池電壓時(shí)自動(dòng)浮動(dòng)來(lái)保證測量正常進(jìn)行，其原理圖如圖2所示。每次工作時(shí)，先由模擬開(kāi)關(guān)選通，使其被測電池兩端的電位信號接入測試電路，此信號一方面進(jìn)入差分放大器；另一方面進(jìn)入窗口比較器，在窗口比較器中與固定電位Vr相比較，從窗口比較器輸出的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)可識別出當前測量地（GND）的電位是太高，太低或者正好（相對于Vr）。如果正好，則可以啟動(dòng)A/D進(jìn)行測量。如果太高或太低，則通過(guò)控制器對地（GND）電位行浮動(dòng)控制。由于地電位經(jīng)常受現場(chǎng)干擾發(fā)生變化，而該方法不能對地電位進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制，因而影響整個(gè)系統的測量精度。


圖2 浮動(dòng)地技術(shù)原理圖

三、線(xiàn)性電路直接采樣法
本文介紹的線(xiàn)性電路直接采樣法是為每個(gè)蓄電池配置一塊采集板，貼近蓄電池安裝，就近完成信號的采集和轉換，將轉換后的數字信號傳輸給單片機系統進(jìn)行處理和傳輸。該方法的原理框圖如圖3 所示。

圖3 線(xiàn)性電路直接采樣法原理框圖
該方法采用線(xiàn)性運算放大器組成線(xiàn)性采樣電路、后經(jīng)電壓跟隨器送入A/D轉換器、轉換后的數字信號傳輸給單片機系統、無(wú)須外加采樣保持電路，根據串聯(lián)電池組總電壓的大小、選擇適當的放大倍數、無(wú)須電阻分壓網(wǎng)絡(luò )或改變地電位、 就可以直接測量任意一只電池的電壓。
線(xiàn)性電路圖如圖4所示，該電路為典型的增益可調性能優(yōu)良的差動(dòng)運算線(xiàn)性電路。圖中A1和A2構成精密電壓跟隨器、A3是差動(dòng)放大輸出電路、A4是增益調節輔助放大器。根據運算放大器的特性，可分析計算出經(jīng)過(guò)采樣電路后的輸出電壓為：

取Rn1=Rn2=Rn3=Rn4,則有第- 節蓄電池經(jīng)采樣電路變換后的電壓為：



圖4 差動(dòng)運算線(xiàn)性電路原理圖
電路增益的調節由電阻R決定、范圍很寬、而且線(xiàn)性很好、這就保證了差動(dòng)運算的精度，只要兩個(gè)輸入運算放大器的基本特性相同，則失調電壓的影響就很小，滿(mǎn)足條件Rn1/Rn2=Rn3/Rn4時(shí)、電路就有良好的共模抑制特性。由于A(yíng)4的輸出阻抗很低、調節R改變增益時(shí)、電路的共模抑制能力不受影響，為了確保該電路的優(yōu)良特性、運算放大器A4的選擇十分重要，如果要求共模抑制能力很強、則除選擇精密繞線(xiàn)電阻Rn1、Rn2、Rn3、Rn4以外、A4應選擇高增益型的運算放大器。
該電路的輸出電壓就是單節蓄電池的端電壓，由于是線(xiàn)性電路，因此可以快速跟蹤測量單節蓄電池電壓的變化。該電路的輸入阻抗很大，而蓄電池的內阻很�。ㄒ话阒挥袔缀翚W、甚至零點(diǎn)幾毫歐），因而保證了很高的測量精度，為正確判斷蓄電池組的當前狀態(tài)提供了準確的技術(shù)參數。另外、該電路還有很好的可擴展性能，選擇適當的Rn1~Rn5的值、可以測量標稱(chēng)電壓是2V、6V和12V, 的電池、還可以測量電池組總電壓。

四、結語(yǔ)
本文提出的測量電池電壓的線(xiàn)性電路直接采樣法，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，適用范圍廣，測量精度高，很好的解決了串聯(lián)電池組電池電壓檢測難的問(wèn)題，為蓄電池的在線(xiàn)監測和快速診斷提供準確的技術(shù)參數，具有廣闊的實(shí)際應用前景。