串联电池组电压测量方法分析与研究

科技信息 !""# 年 第 !$期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 一!前言 目前"发电厂!变电站的操作电源系统大多采用直流电源"直流电 源系统是发电厂!变电站非常重要的一种二次设备"它的主要任务就 是给继电保护!断路器分合闸及其它控制提供可靠的直流操作电源和 控制电源"它要求配置蓄电池系统#实践经验表明"在所有表征蓄电池 的参数之中%蓄电池的端电压最能体现蓄电池的当前状况%可以根据端 电压判断蓄电池的充!放电进程%当前电压是否超出允许的极限电压% 还可以判断蓄电池组的均一性好坏等$ 因此"对蓄电池的端电压的测 量十分重要$ 二%不同端电压测量方法的和比较 蓄电池工作状态的监测关键在于蓄电池端电压和电流信号的采 集$由于串联蓄电池组中的电池数量较多"整组电压很高"而且每个蓄 电池之间都有电位联系"因此直接测量比较困难$ 在研究蓄电池监测 系统过程中% 人们提出了许多测量串联电池组单只电池端电压的方 法$ 概括起来"主要有以几种& &’共模测量法 共模测量是相对同一参% 用精密电阻等比例衰减各测量点电 压%然后依次相减得到各节电池电压$ 该方法电路比较简单%但是测量精 度低$比如"!(节标称电压为 &!)的蓄电池"单节电池测试精度为 "*$+ 的测试系统"单节电池测试绝对误差为!,"-)"!(节串联积累的绝对误 差可达 &*(()"显然"其相对误差可达到 &!+"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$ 这种方法 只适合串联电池数量较少或者对测量精度要求不高的场合$ !*差模测量法 差模测量是通过电气或电子元件选通单节电池进行测量$ 当串联 电池数量较多而且对测量精度要求较高时%一般应采用差模测量方法$ !*& 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"其基本的测试原理是&首先将继电器闭合到蓄电池一侧"对电解 电容充电)测量时把继电器闭合到测量电路一侧"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 分只需测量电解电容上的电压"即可得到相应的单体蓄电池电压# 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"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# 用光电隔离器件 和大电解电容器构成采样 % 保持电路来测量蓄电池组中单只电池电 压#此电路缺点是&在 ./0转换过程中1电容上的电压能发生变化%使精 度趋低%而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯等器件动作延迟决定 采样时间长等缺点# !*!) " 2 转换无触点采样提取电压’!"3( ) " 2 转换法的原理图如图 & 所示"其工作原理如下&信号采集采 用 ) " 2 转换的方法"单节蓄电池采用分别采样"取单节蓄电池的端电 压经分压4降低功耗5后作为 ) " 2 转换的输入"分压电阻的分散性可通 过 ) " 2 转换电路调整#) " 2 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"实现两者之间电气上的隔 离# 但采用 )/2转换作为 ./0 转换器的缺点是响应速度慢%在小信号 范围内线性度差%精度低# 图 ! " !# 转换法的原理图 !’3浮动地技术测量电池端电压’(( 由于串联在一起的电池组总电压达几十伏"甚至上百伏"远远高 于模拟开关的正常工作电压"因此需要使地电位随测量不同电池电压 时自动浮动来保证测量正常进行"其原理图如图 ! 所示#每次工作时" 先由模拟开关选通" 使其被测电池两端的电位信号接入测试电路"此 信号一方面进入差分放大器)另一方面进入窗口比较器"在窗口比较 器中与固定电位 )6 相比较" 从窗口比较器输出的开关量状态可识别 出当前测量地47805的电位是太高%太低或者正好4相对于 )65# 如果正 好"则可以启动 . "0 进行测量# 如果太高或太低"则通过控制器对地 47805电位行浮动控制#由于地电位经常受现场干扰发生变化"而该方 法不能对地电位进行实时精确控制"因而影响整个系统的测量精度# 图 $ 浮动地技术原理图 三%线性电路直接采样法 本文介绍的线性电路直接采样法是为每个蓄电池配置一块采集 板"贴近蓄电池安装"就近完成信号的采集和转换"将转换后的数字信 号传输给单片机系统进行处理和传输# 该方法的原理框图如图 3所示# 图 % 线性电路直接采样法原理框图 串联电池组电压测量方法分析与研究 鲁基春 & 杜永甫 $ *"’中国矿业大学信息与电气学院 江苏 徐州 $$!()*) #+鹤壁煤业钢绳有限责任公司 河南 鹤壁 ,-.)))+ 摘要&本文在分析比较各种电池电压测量方法的基础上"提出了一种串联电池组电池电压测量的新方法&线性电路直接采样法$ 该方法采 用增益可调性能优良的差动运算线性电路"可以快速跟踪测量单节蓄电池电压"能够有效地抑制测量中的共模电压"为蓄电池的在线监测和快 速诊断提供准确的技术参数$ 关键词&串联电池组)电压测量)线性电路)共模)在线监测 !科教视野! !" 科技信息 !""# 年 第 !$ 期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION ! ! 科 该方法采用线性运算放大器组成线性采样电路!后经电压跟随器 送入 %&’ 转换器!转换后的数字信号传输给单片机系统!无须外加采 样保持电路"根据串联电池组总电压的大小!选择适当的放大倍数!无 须电阻分压网络或改变地电位! 就可以直接测量任意一只电池的电 压" 线性电路图如图 ( 所示"该电路为典型的增益可调性能优良的差 动运算线性电路)图中 %* 和 %! 构成精密电压跟随器!%+ 是差动放大 输出电路!%( 是增益调节辅助放大器" 根据运算放大器的特性)可分 析计算出经过采样电路后的输出电压为# ,- ./ 0 0-$ 1*2 0-( 0-+ 34 0-( 0-+ 20-( ,-5 0-! 0-* 20-! ,-5* 3 取 0-*/0-!/0-+/0-(! 则有第 - 节蓄电池经采样电路变换后的电压 为# ,- ./ 0 0-$ 4,-5,-5* 3 图 ! 差动运算线性电路原理图 电路增益的调节由电阻 0 决定!范围很宽!而且线性很好!这就 保证了差动运算的精度" 只要两个输入运算放大器的基本特性相同! 则失调电压的影响就很小" 满足条件 0-*&0-!/0-+&0-(时!电路就有良好 的共模抑制特性" 由于 %(的输出阻抗很低!调节 0 改变增益时!电路 的共模抑制能力不受影响" 为了确保该电路的优良特性!运算放大器 %(的选择十分重要" 如果要求共模抑制能力很强!则除选择精密绕线 电阻 0-*$0-!$0-+和 0-(以外!%(应选择高增益型的运算放大器" 该电路的输出电压就是单节蓄电池的端电压! 由于是线性电路) 因此可以快速跟踪测量单节蓄电池电压的变化"该电路的输入阻抗很 大) 而蓄电池的内阻很小%一般只有几毫欧!甚至零点几毫欧&)因而保 证了很高的测量精度!为正确判断蓄电池组的当前状态提供了准确的 技术参数" 另外!该电路还有很好的可扩展性能" 选择适当的 0-*!0-$ 的值!可以测量标称电压是 !,$6, 和 *!, 的电池!还可以测量电池组 总电压" 四$结语 本文提出的测量电池电压的线性电路直接采样法)电路简单实用) 适用范围广)测量精度高)很好的解决了串联电池组电池电压检测难的 问题)为蓄电池的在线监测和快速诊断提供准确的技术参数)具有广阔 的实际应用前景" 参考文献 ’*(张利国!蒋京颐7一种串联蓄电池组电压巡检仪的设计!现代电力 电子技术!!""6 年第 !"期7 ’!(吕勇军7智能蓄电池在线监测仪的设计7国外电子元器件7!""* 年第 8期7!""* 年 8 月7 ’+(李树靖!林凌!李刚7串联电池组电池电压测量方法的研究!仪器仪 表学报!!""+ 年 9月!第 !( 卷第 (期增刊7 ’((欧阳斌林!董守田7蓄电池组智能监测仪中的浮动地技术7电测与仪 表7*8897+$4*!3#+$7 ’$(王永洪 7线性集成运算放大器及其应用 7北京 #机械工业出版社 7 *8997 ’6(吴少军!刘光斌7实用低功耗设计)))原理$器件与应用’:(7北京# 民邮电出版社7!""+7 作者简介#鲁基春4*8#!53!男!河南省邓州市人!中国矿业大学信 息与电气工程学院在读硕士研究生!专业#检测技术与自动化装置" %上接第 "#$ 页&钢!由于受到车辆车顶结构$限界和自重要求的限 制!设计最终选用了 ;6+"(""6 的角钢组焊而成%详细结构见*附图 !+&!并根据 %<=>= 建模进行有限元分析计算的结果!在各弯梁之间 沿着顶板增加加强梁!提高了孔盖的刚度"经实际组装和淋雨试验!孔 盖没有发生变形和漏水现象" 附图 % $&车体静强度试验 !""( 年 + 月四方车辆研究所对试制样车进行了车体静强度试 验!试验工况包括纵向$垂向$扭转$顶车$叉车等五种工况" 试验结果 表明第一工况最大合成应力发生在枕后中梁下翼!其值为5*#+7#:?@! 小于材料的许用应力 *9$:?@, 第二工况最大合成应力也发生在枕后 中梁下翼!其值为5!!"79:?@!小于材料的许用应力 !$*:?@,顶车工 况$叉车工况应力均很小!在 8":A@ 以下" 车体在垂向载荷 6"B 和自重的作用下!中梁挠度值为 $7!*CC!其 挠跨比为DEF& ;!/*&!!(6G*&*$"",侧梁挠度值为 +7*!CC!其挠跨比为DEF& ;! /*&+#$"G*&!"""" 试验结果表明!该车的强度和刚度均满足 HI&H*++$5*886-铁道 车辆强度设计及试验鉴定.的相关要求" ’&运用情况及应用前景 该车研制成功后!通过了铁道部装备部组织的技术评审!交付用 户后!进行了线路载货运行!从用户反映的情况了解到!该车运用时的 车体强度和刚度满足载重 6"B 和叉车作业的要求!车顶孔盖在起吊和 安装的情况下!变形量小!密封性好!能满足正常运输货物要求!对于 有同类产品需求的用户有较大的推广价值" (&改进设想和分析 根据铁道部有关技术政策%铁道部运输局*运装管验电 !""$ !+!$ 号+&要求!为了提高铁路车辆的运输效率!使企业自备车的制造技术 与国铁货车同步!从 !""6 年 * 月 * 日起!地方企业购置的铁路各型通 用货车或一般专用货车须按 #" 吨级%及以上&设计生产!因而对 H?6(JK 下一步的设计和生产提出了较高的要求! 结合 ?#"型通用棚车的新结 构$新材料和新工艺!在 H?6(JK型棚车的基础上进行改进设计!使之满 足铁道部新造 #"吨级货车技术政策的要求!提出改进设想如下# H?6(JK型棚车采用 K6型转向架和 ?#"型棚车的制动技术! 车体结 构采用如下措施!应能满足 HI&H*++$ 要求的强度和刚度!达到 #"B 级 货车的技术水平" ! 车体强度#H?6(JK型棚车静强度试验表明! 车体强度有一定的 富余量!将载重由 6" 吨提高到 #" 吨后!可参照 ?#"型棚车车体钢结构 的重要部件! 采用高强度的耐侯钢" 尽管车顶增开了孔盖! 但由于 H?6(JK型棚车主要是底架承载!车顶各处应力值均很小!因而应能满足 HI&H*++$要求的强度" " 车体刚度#?#"型棚车位移试验测量结果为# 中梁挠跨比为 EF/ "789&*$""G*&*$""$侧梁挠跨比为 EL/"78!&!"""G*&!""")由以上数据可 以说明 ?#"型棚车的车体刚度基本没有富余量!H?6(JK型棚车由于车顶 开设孔盖!又将载重增到 #" 吨后!刚度是一个首要问题!但由于 H?6(JK 型棚车车体长度较 ?#" 型棚车车体长度短 6""CC! 且底架上增铺了 $CC 厚的铁地板!这对提高车体刚度是十分有利的!并且 H?6(JK型棚 车自重不到 !+ 吨!为补强结构留有一定的余量" 作者简介#侯梅英%*8695&!女!陕西富平人!工程师!*88! 年毕业 于长沙铁学院铁道车辆专业)工学学士!现主要从事铁道车辆专业教 学工作" 舒麟%*8685&!男!湖北崇阳人!高级工程师!*88! 年毕业于长沙 铁学院铁道车辆专业!工学学士!现主要从事铁道车辆设计工作" 龚蕾蕾%*8685&!女!湖南益阳人!高级工程师!*88+ 年毕业于长 沙铁学院铁道车辆专业!工学学士!现主要从事铁道车辆设计工作" !科教视野! 科 !"