蓄電池電壓充放電監(jiān)測系統(tǒng)信號隔離的方案設(shè)計(jì)

一、引言

蓄電池作為提供直流電源的常用裝置，其應(yīng)用越來越廣泛，特別是在電力自動化設(shè)備、軌道交通、通信、離線式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及軍用等要求不間斷供電的領(lǐng)域。蓄電池電壓以及充放電電流是反映蓄電池性能的重要指標(biāo)，同時也是充放電的重要判斷參數(shù)，因此對其電壓和電流的監(jiān)測是蓄電池合理充放電不可或缺的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的檢測方法借助電壓表等工具測量出電壓值后，再調(diào)整充電參數(shù)，存在諸如記錄的人為誤差大、實(shí)時性差、精度差、記錄不科學(xué)、檢測成本高等問題。微機(jī)技術(shù)的引入促使蓄電池充放電監(jiān)測系統(tǒng)逐步智能化，實(shí)現(xiàn)了蓄電池工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。但是由于地電勢干擾信號、充電電源引入的交流干擾信號等的存在常常引起MCU復(fù)位、誤采集信號甚至直接燒掉主控芯片，因此選擇一個給力的信號隔離抗干擾方案是完全有必要的。下面的方案中給大家詳細(xì)的介紹如何采用廣州金升陽制造的隔離變送器模塊來實(shí)現(xiàn)隔離干擾信號，精確變送信號，提升監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的方法。

二、隔離變送器簡介

隔離變送器模塊是利用電磁隔離方案將輸入的非標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號隔離變送為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號的信號處理模塊。金升陽隔離變送器模塊采用了模塊化小體積設(shè)計(jì)，用戶不用加任何外圍電路即可直接使用，簡化了用戶的電路設(shè)計(jì)，提高了PCB的空間利用率又便于客戶分析故障原因以及維護(hù)。由于模塊內(nèi)部采用高效電磁隔離技術(shù)，相比光耦隔離具有更好的溫漂特性、線性度、精度、轉(zhuǎn)換速度和壽命。模塊的信號輸入和信號輸出、電源輸入和隔離電源輸出（選配）相互隔離，隔離耐壓值高達(dá)2500VDC，可有效隔離干擾信號。相對于市面上的隔離器具有更小的體積、更低廉的成本、更高的集成度，且可以直接焊接在PCB板上，大大簡化了信號采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝，提高了系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和可靠性。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

免調(diào)校，可直接使用

模塊化&小體積

極低溫漂（35PPM/℃）

高精度等級&高線性度（0.1% F.S.）

高隔離（輸入、輸出、電源兩端間2500VDC/60s）

高可靠性（MTBF》50萬小時）

工業(yè)級（工作溫度范圍：-25℃～71℃）

三、隔離變送器的原理框圖介紹

隔離變送器是一種能將被測電信號轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出互相電氣隔離的指定的電信號的電氣器件。如圖二所示，隔離變送模塊分為四部分，電源輸入部分，隔離電源輸出部分（客戶選配），信號輸入部分，信號輸出部分。其工作原理為首先將被測信號，通過半導(dǎo)體器件調(diào)制變換，然后通過信號變壓器進(jìn)行電磁隔離轉(zhuǎn)換，然后在輸出端轉(zhuǎn)換為所需要的信號，同時對隔離后信號的供電電源進(jìn)行隔離處理，保證電源端、隔離電源輸出端、信號輸入端和信號輸出端兩兩之間的電氣隔離，從而有效隔離信號干擾，使主控芯片能夠穩(wěn)定可靠的工作。

四、隔離變送器在蓄電池充放電監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

蓄電池電量充足時會給其后級的直流負(fù)載直接供電，蓄電池的供電電壓和電流隨著電量的消耗逐漸降低，如果低至最低限度后電量仍然得不到補(bǔ)充，則蓄電池極易會因?yàn)檫^放而損壞;而另一方面，蓄電池電量不足后充電器給蓄電池充電，蓄電池電壓會隨著電量的補(bǔ)充而逐步升高，如果蓄電池電壓達(dá)到限值后仍然不停止充電，則蓄電池極易因?yàn)檫^充而損壞。因此對蓄電池電壓和電流實(shí)時高精度的監(jiān)測是完全有必要的，否則蓄電池極易因?yàn)檫^充或者過放而損壞。

下圖三為我們設(shè)計(jì)的蓄電池充放電監(jiān)測系統(tǒng)電路框圖，主要由充電器、電源電路、蓄電池、直流負(fù)載、電壓和電流采樣電路、EMC電路、隔離變送器、MCU、顯示電路、報警電路等構(gòu)成。下面詳細(xì)介紹各部分的作用：

4.1控制電路供電方案

控制電路供電電源我們選用了金升陽公司制造的AC-DC模塊電源LH05-10B05，用它為隔離變送器模塊、AD轉(zhuǎn)換器、MCU以及LCD等供電。該模塊輸出5V，1A，滿足供電電壓及功率要求且具有全球輸入電壓范圍、交直流兩用、低功耗、高效率、高可靠性、安全隔離等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品安全可靠，EMC性能良好，EMC及安全規(guī)格滿足國際IEC61000、UL60950和IEC60950的標(biāo)準(zhǔn)，取得UL、CE等多種國際認(rèn)證。

4.2電壓、電流采樣電路方案

對于蓄電池電壓的監(jiān)測，我們知道常見蓄電池電壓有24V和12V等，為了便于電壓信號采集，我們采用了分壓的方式將蓄電池電壓降低到0~5V的范圍內(nèi)，以便于信號處理;對于充放電電流的監(jiān)測，我們將分流器串進(jìn)充放電回路中，分流器會將放電電流轉(zhuǎn)換為一個毫伏的電壓信號，以便于信號處理。

4.3EMC電路方案

EMC電路的設(shè)計(jì)往往是信號隔離處理中最容易忽視，而又極為重要的一部分。我們知道工業(yè)現(xiàn)場中電網(wǎng)中的EMC環(huán)境極其惡劣，存在著各種干擾信號，由于蓄電池組直接與充電器和直流負(fù)載通過同一線路等相連接，電源回路的干擾信號（例如浪涌干擾）會隨信號回路耦合到后級信號處理電路，導(dǎo)致信號處理器件出現(xiàn)故障或者損壞。因此在信號隔離前加EMC電路以吸收干擾信號是完全有必要的。

4.4信號隔離方案

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在給蓄電池充電和放電時，如果不對信號進(jìn)行隔離，則電源回路的干擾信號會通過信號通路直接傳輸?shù)胶蠹壍腗CU，導(dǎo)致MCU經(jīng)常性的信號丟失甚至死機(jī)。而常規(guī)的信號隔離方式有兩種，電磁隔離和光耦隔離，光耦隔離因其反應(yīng)速度較慢、傳輸精度不高而不能使監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時高精度的對蓄電池電壓和放電電流進(jìn)行監(jiān)測，因此我們需要選擇電磁隔離方案，這里我們選用了金升陽公司制造的隔離變送器模塊來實(shí)現(xiàn)隔離干擾信號，精準(zhǔn)變送信號。

在蓄電池電壓監(jiān)測回路中我們選用了隔離變送器模塊T6S6D-3將輸入的0~5V采樣信號隔離變送為0~3V以便于后級的ADC采集;因?yàn)樾铍姵氐某潆姾头烹娀芈凡捎昧送痪€路，所以在蓄電池放電電路中，分流器采集的電壓信號是正負(fù)的，我們選用的金升陽公司的隔離變送器模塊TM6S6AP-3，它能夠?qū)?100mV到+100mV范圍內(nèi)變化的信號線形轉(zhuǎn)化為0~3V的電壓信號以供其后ADC直接采集。

選用這兩塊模塊的優(yōu)勢在于：其一，是能實(shí)現(xiàn)信號輸入和后級采樣電路的高度電氣隔離（隔離電壓為2500VDC/60S），可有效隔離前級電路的干擾信號，使之不會影響后端設(shè)備的正常工作;其次，該模塊的傳輸?shù)木葹?.1%F.S，可以滿足12位ADC高精度的采樣要求，準(zhǔn)確監(jiān)測蓄電池的工作狀態(tài);再次，隔離變送器采用模塊化設(shè)計(jì)，無須任何外圍器件即可實(shí)現(xiàn)AD不便于采集的信號（例如0~5V，-100mV~+100mV）到易采集的信號（0~3V）隔離變送，大大的簡化了電路設(shè)計(jì)。

4.5數(shù)據(jù)處理、故障報警和狀態(tài)顯示

數(shù)據(jù)處理采用集成高精度ADC的MCU，狀態(tài)顯示采用7段共陰極電路數(shù)碼管，主要是顯示當(dāng)前采集到的電壓值和顯示報警信息。當(dāng)電壓低于設(shè)定值和超過設(shè)定時發(fā)出聲音報警。

五、小結(jié)

蓄電池由于國家在節(jié)能環(huán)保上的大量投入獲得了快速的發(fā)展，新型蓄電池也層出不窮，也對蓄電池的充放電和科學(xué)管理提出更高的要求，需要實(shí)時的了解蓄電池的工作情況從而科學(xué)合理管理提升蓄電池利用效率和使用壽命，這也促進(jìn)了蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。然而由于各種應(yīng)用現(xiàn)場電源回路中干擾信號的存在可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法實(shí)時、準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測蓄電池的工作情況，甚至損壞后接的昂貴的儀表設(shè)備造成不可估量的損失。金升陽公司制造的隔離變送器模塊具有高隔離、高精度&線性度、高可靠性和低溫漂等特性，能有效的隔離干擾信號，精準(zhǔn)變送信號，提升了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。