UPS蓄電池組自動(dòng)檢測(cè)/修復(fù)儀的電路設(shè)計(jì)

羅及紅，楊志純

(湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410205)

閥控式鉛酸密封蓄電池（VRLA）被大量應(yīng)用在通信、電力和金融等行業(yè)，其合理地進(jìn)行維護(hù)與保障蓄電池的正常工作，已成為當(dāng)前使用中的重要問(wèn)題。若一組電池中有某一塊電池突然容量變得很低，那么該組電池就有可能使系統(tǒng)遭受破壞，數(shù)據(jù)丟失，后果不堪設(shè)想。

本電路設(shè)計(jì)是以單片機(jī)C8051F04為控制核心，完成閥控式鉛酸密封蓄電池巡檢電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)檢測(cè)[1]。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電池的修復(fù)處理。圖1為UPS蓄電池組自動(dòng)檢測(cè)/修復(fù)儀設(shè)計(jì)方框圖。

圖1 UPS蓄電池組自動(dòng)檢測(cè)/修復(fù)儀設(shè)計(jì)方框圖

1 蓄電池組電阻的測(cè)試

1.1 定期檢測(cè)蓄電池的實(shí)時(shí)內(nèi)阻方案

為了保證系統(tǒng)正常工作，蓄電池組必須定期檢測(cè)，實(shí)時(shí)掌握各個(gè)單體電池的健康狀態(tài)，才能防范于未然。根據(jù)國(guó)際上已公認(rèn)的“蓄電池內(nèi)阻值是電池的最佳預(yù)警參數(shù)”的這一結(jié)論（IEEE std 1188-1996），只要實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電池的內(nèi)阻，才有可能把由于電池故障產(chǎn)生的巨大事故解決在萌芽之中。VRLA電池的電阻組成是復(fù)雜的，它包括電池的歐姆電阻、濃差極化電阻、電化學(xué)反應(yīng)電阻及雙層電容充電時(shí)的干擾作用等。在不同的測(cè)量點(diǎn)和不同的時(shí)刻測(cè)量時(shí)，所包含的組成成分也是不同的[2]。

目前國(guó)際上有三種基本的蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)方法：直流動(dòng)力負(fù)荷法；交流傳導(dǎo)法；多頻率的電化學(xué)阻抗光譜法。以上方法都是建立在電池內(nèi)阻反映電池負(fù)載電流能力基礎(chǔ)上進(jìn)行的[2]。這里以“交流傳導(dǎo)法”為例，論述怎樣實(shí)現(xiàn)蓄電池組定期測(cè)試其內(nèi)阻的方法。

剩余容量和電池內(nèi)阻有一定的固定關(guān)系，特別在電池容量不足50%時(shí)，內(nèi)阻值會(huì)迅速下降，因而根據(jù)電池的電阻值或電導(dǎo)值來(lái)判斷電池容量則有很好的一致性。

導(dǎo)入一個(gè)固定頻率的交流信號(hào)到蓄電池中（通常為1 kHz信號(hào)），估算電抗時(shí)，XC=1/ω0C，當(dāng)頻率 f0確定后，ω0即為確定值。電容量越大的電池，C容量值也越大，電抗值XC就越小，輸出的電壓變化值ΔU就越小，取出相應(yīng)電流值I，即可得到實(shí)時(shí)電阻值R內(nèi),R內(nèi)=ΔU/I。

1.2 定期檢測(cè)蓄電池的實(shí)時(shí)內(nèi)阻硬件電路設(shè)計(jì)

蓄電池中交變測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生、放大和對(duì)應(yīng)脈動(dòng)電流的采樣電路設(shè)計(jì)的信號(hào)放大電路如圖2所示，蓄電池的內(nèi)阻（包括其金屬內(nèi)阻和電化學(xué)內(nèi)阻）的增加導(dǎo)致蓄電池實(shí)際容量的減小。電化學(xué)內(nèi)阻與蓄電池電容、電感有關(guān)，而電感影響甚微，電容影響較大，新電池容抗小，報(bào)廢電池容抗大[3]。當(dāng)交變的脈沖電壓加到蓄電池上時(shí)，在新電池和報(bào)廢電池上就有著不同幅值的交變信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器U23和U24（OP-07）放大后，送往CD4066B集成塊，完成交變電壓測(cè)試信號(hào)和電流信號(hào)采樣的切換。在交變的測(cè)試信號(hào)ΔU加到蓄電池的同時(shí)（即GNDA與地相連，CEAS與CEBS相連），疊加在電池上的脈動(dòng)電壓通過(guò)電阻R9和電位器RW 4分壓加到芯片CD4066B切換開(kāi)關(guān)上，這個(gè)被測(cè)的模擬電壓與該電池的實(shí)時(shí)電流I成線性關(guān)系，得出電流I值后，即可通過(guò)R內(nèi)=ΔU/I，計(jì)算電池內(nèi)阻值。

圖2 蓄電池交變測(cè)試信號(hào)放大邏輯電路

2 蓄電池組修復(fù)電路設(shè)計(jì)

2.1 恒流放電電路的設(shè)計(jì)

落后的電池大部分是因?yàn)闃O板結(jié)晶導(dǎo)致容量下降，在使用中這種化學(xué)故障比較常見(jiàn)，其物理故障（如極板短路等）一般較少見(jiàn)到。目前，常見(jiàn)的恢復(fù)電池容量的方法是：對(duì)落后電池進(jìn)行大電流恒流放電，以后再進(jìn)行大電流恒流充電，以激化電池極板失效的活性物質(zhì)，使電池活化，以提升落后電池的容量。

單回路恒流放電時(shí)，端電壓檢測(cè)電路如圖3所示，航空插頭HD-1和DY1-7與蓄電池的正極相連，HD-4和DY1-8與蓄電池的負(fù)極相連，測(cè)量時(shí)，蓄電池的電壓通過(guò)DY1-7和DY1-8在電阻網(wǎng)絡(luò)中分壓取樣后送往比較器U21A，放大后送CPU的微位處理器AIN2.0（P1.0）進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，測(cè)量所測(cè)電池在線工作電壓。

CD4066B 為模擬開(kāi)關(guān)，P6.2、P6.3、P6.4 分別為 5、7.5、10 A的放電電流檔位，與對(duì)應(yīng)的J1、J2、J3的可調(diào)電位器相連。以確定比較器TL084CN對(duì)應(yīng)于不同電流的不同電位，也就是說(shuō)，放電電路中的U23-3腳，其電位依放電電流大小而定。當(dāng)5 A放電電流檔P6.2點(diǎn)的電位為高時(shí)，J1的中心抽頭取出預(yù)置電流值的相應(yīng)電位，送到放電電路中的U23-3腳，從而確定了恒流放電的最大值[4]。

圖3 放電模塊邏輯電路

恒流放電電路中，MQ25為n型溝道的場(chǎng)效應(yīng)管，其電流的大小取決于加在場(chǎng)效應(yīng)管柵源間的電壓脈沖寬度的大小，柵源間的電壓脈沖寬度越大，從漏極D流向源極S的電流就越大，柵源間的電壓脈沖寬度越小，從漏極D流向源極S的電流就越小，柵源間的電壓脈沖寬度為0時(shí)，MQ25場(chǎng)效應(yīng)管截止[4]。

R222電阻端的電平由CPU的P6.7腳控制，為高電平時(shí)使三極管（1Q1）飽和，集電極電位接近0電平，經(jīng)過(guò)U24兩極反向后，仍為0電平，場(chǎng)效應(yīng)管（MQ25）截止，電阻R222端為低電平時(shí)，三極管（1Q1）截止，其集電極電位受比較器U23-1的控制，由于U23-3的電位已由設(shè)定值J1-2預(yù)置，于是MQ25場(chǎng)效應(yīng)管有電流流過(guò)。流過(guò)的電流經(jīng)過(guò)取樣電阻（I1R1）產(chǎn)生壓降，通過(guò)取樣電阻（I1R2）分壓后送往U23的6腳，隨著放電電流的增加，U23的第7腳電位越來(lái)越高，送往后級(jí)第2腳的電位也越來(lái)越高，當(dāng)與第3腳的設(shè)定值相等時(shí)，比較器輸出為0電平，使MQ25場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉。P1.1可作為恒流充電時(shí)速度快慢的控制信號(hào)使用，為低電平時(shí)，放電速度慢，為高電平時(shí)，充電速度加快[5]。

電阻絲RES1為放電負(fù)載，采用特殊的合金材料，無(wú)紅熱現(xiàn)象。KD為整流橋，在這里作為避免蓄電池正、負(fù)極接錯(cuò)時(shí)的保護(hù)元件。

2.2 恒流充電電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 電路設(shè)計(jì)

在圖4恒流充電模塊工作原理圖中，市電220 V電源經(jīng)輸入變壓器降壓、整流和濾波后得到18 V左右的直流充電電壓，該充電電壓經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管功放Q15（2SK477）、電感L、過(guò)流取樣電阻R1（0.2Ω）及二極管D2向12.5 V的蓄電池組充電。因?yàn)镼15是一種n型溝道的場(chǎng)效應(yīng)管，其電流的大小取決于加在場(chǎng)效應(yīng)管柵源間的電壓脈沖寬度的大小。而場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓脈沖寬度的大小，又直接取決于TL494芯片的輸出脈沖寬度的大小。輔助電源變壓器T1的n1繞組經(jīng)ZB1橋式整流堆及濾波電容C18和C19后分別送出±12 V電源，+12 V電源直接被送到PNP型晶體管Q13的發(fā)射極，而-12 V電源則經(jīng)電阻R34被送到PNP型晶體管Q14的集電極。這里±12 V輔助直流電源的地和蓄電池組的負(fù)極是不共同接地的。

圖4 恒流充電模塊工作原理圖

輔助變壓器T1的n2繞組經(jīng)由二極管D9、濾波電容C7和電阻R29組成的整流濾波、降壓線路后輸出+22 V電源，該電源經(jīng)光電耦合器TLP5送到TL494的末極驅(qū)動(dòng)晶體管的集電極輸出端腳8，同時(shí)+22 V電源直接送到TL494組件的VCC輸入端腳12。

2.2.2 恒壓控制設(shè)計(jì)思路

利用采樣放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電電壓的大小進(jìn)行控制和調(diào)整。在采樣放大器控制支路中，TL494芯片的14腳產(chǎn)生+5 V的基準(zhǔn)電源，經(jīng)由R21和R15組成的分壓器進(jìn)行分壓后送到采樣放大器的同向輸入端腳1，而蓄電池的負(fù)端經(jīng)電位器VR1、電阻R14被送到采樣放大器的反向輸入端腳2，此外采樣放大器的反向輸入端腳2還經(jīng)過(guò)電阻R20連接到+5 V的基準(zhǔn)電源上，當(dāng)蓄電池組充電電壓低于規(guī)定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致采樣放大器輸出電壓下降。而采樣放大器輸出電平電壓的下降必然會(huì)使得TL494輸出的控制電壓脈沖寬度的增加。這個(gè)脈沖寬度的增加又會(huì)使TLP5光電耦合器的輸出電壓脈沖寬度增加，經(jīng)電阻R29送到晶體管Q13的基極，這會(huì)使得晶體管Q13輸出一個(gè)寬度較寬的正電壓脈沖，也必然會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管Q15的漏源電流ID（也就是蓄電池組的充電電流）的增加。這樣，由于蓄電池充電電流的增加會(huì)導(dǎo)致蓄電池組充電電壓的增大，這一過(guò)程將一直維持到蓄電池組端電壓逐漸接近并達(dá)到規(guī)定值為止[5]。

2.2.3 恒流控制設(shè)計(jì)思路

蓄電池組充電電流大小的控制是通過(guò)脈沖調(diào)制組件TL494的控制放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，+5 V基準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻R22和R16分壓后產(chǎn)生一個(gè)參考基準(zhǔn)電壓。該參考基準(zhǔn)電壓被送到控制放大器的反向輸入端腳15，蓄電池充電電流流經(jīng)采樣電阻R1后將產(chǎn)生一個(gè)充電電流反饋信號(hào)電壓。該反饋電壓經(jīng)電阻R23和電容C降壓濾波后變成一個(gè)直流控制信號(hào)，它被送到控制放大器的同向輸入端腳16，當(dāng)蓄電池組的充電電流由于某種原因增大時(shí)，來(lái)自采樣電阻R1端的電流反饋信號(hào)將有所增大。這種變化使得控制放大器的同向端電平上升，這將導(dǎo)致TL494芯片的負(fù)向驅(qū)動(dòng)脈沖寬度下降，光電耦合器件TPL5輸出也將輸出一個(gè)脈沖寬度變窄的負(fù)向脈沖，經(jīng)電阻R29被送到PNP型晶體管Q13的基極，這也導(dǎo)致晶體管Q13輸出脈沖變窄的正向驅(qū)動(dòng)電壓[1]。顯然場(chǎng)效應(yīng)管Q15漏源電流ID下降（即蓄電池充電電流下降），從而達(dá)到恒流充電的目的。

3 系統(tǒng)分析

該系統(tǒng)根據(jù)使用環(huán)境的需要，可配置多塊繼電器板。一塊繼電器控制板，可控制多個(gè)單體蓄電池，每個(gè)蓄電池由三對(duì)觸頭進(jìn)行控制（如圖5系統(tǒng)工作原理所示）。觸頭S1'和S''閉合，使得電壓/電阻測(cè)試模塊對(duì)1#電池進(jìn)行端電壓和動(dòng)態(tài)電阻測(cè)試，并把得到的該電池的電壓和電阻值與存在數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)照，判斷1#電池是否有故障。若1#電池狀態(tài)正常，則轉(zhuǎn)向2#電池，一直進(jìn)行到最后一個(gè)電池，周而復(fù)始，不斷巡查；若1#電池落后，則觸頭S1'和S''斷開(kāi)，觸頭S3'和S3''閉合，智能放電模塊對(duì)1#電池進(jìn)行恒流放電，放電電流根據(jù)設(shè)定值改變，放電接近端電壓終止設(shè)定值，觸頭S3'和S3''斷開(kāi)，放電停止；然后，觸頭S2'和S2''閉合，充電模塊以10 A電流向該落后電池恒流充電，充電時(shí)間由檢測(cè)的溫度和電壓數(shù)據(jù)來(lái)確定，使落后電池恢復(fù)其容量。

圖5 系統(tǒng)工作原理

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于UPS蓄電池組的自動(dòng)檢測(cè)/修復(fù)儀已應(yīng)用到學(xué)校、銀行等企事業(yè)單位，實(shí)際運(yùn)行證明其集UPS蓄電池組自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)控、修復(fù)功能為一體。實(shí)現(xiàn)UPS蓄電池組電壓、電流（內(nèi)阻）、溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，通過(guò)分析電池內(nèi)阻變化，實(shí)時(shí)判斷落后電池，再通過(guò)分析溫度數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)的變化，自動(dòng)完成落后電池修復(fù)功能。

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