通信电源监控系统中蓄电池监控模块的设计

电池完全充电和完全放电时内阻变化率比电池端电压变化率（端电压变化率约为30%~40%）要大得多，故用测量蓄电池内阻来预测其剩余电量，要比开路电压法精确得多。内阻法的优点在于对在线使用的蓄电池来说，此方法对系统影响最小，并可在电池的整个使用期内精确测量。

　　通过以上几种测量方法的介绍及比较，不难看出内阻法最适合于密封蓄电池剩余电量的在线测量，因此，本系统采用了内阻法测量剩余容量。

　　3.2 内阻法预测剩余电量的实施方案

　　内阻法预测剩余电量的具体实施方法是：首先将蓄电池充满电（以2V蓄电池为例，充电至2.35V,浮冲电流至10mA），然后以0.1C的放电率对电池放电，记录下放电过程中内阻与电量的大小。当蓄电池放电完毕后（2V蓄电池放电至1.75V）即可获得完整的放电曲线，即剩余电量与蓄电池内阻之间的关系。将此曲线存入EPROM中，在以后测试同型号同规格的电池时，单片机根据在线测到的电池内阻值，通过查表计算，得出其剩余电量值。因此，此种方法的关键在于如何在线测得蓄电池的内阻，其测量原理如下：在蓄电池两端施加一恒定的交流音频电流源Is,然后检测电池端电压Vo以及Is和Vo两者之间的夹角θ。显然三者之间的关系为

以及

R即为我们所要获取的电池内阻值。其具体实现方案如图3所示：

图3内阻法预测剩余电量的实现

　　其中300Hz信号发生电路由14位二进制串行计数/分频器CD4060以及低通滤波电路组成，具体电路如图4所示。恒流功放部分采用功率可达4W的音频功率放大器。

图4 300Hz信号发生电路

　　4 蓄电池单体电压的测量

　　《通信电源与空调集中监控系统的技术要求》中规定蓄电池检测装置必须测量每只蓄电池的单体电压。由于蓄电池串联起来为通信设备供电，每只蓄电池对地的电位都不相同，其最高的共模电压可达60V,对于一般的多路模拟开关、A/D转换器来说，难以承受。因此，要对其进行测试，首先必须对浮地信号做共地处理或采取隔离措施。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，基本原理如图5所示。

图5 传统的单体电压测试方法

　　其基本的测试原理是：首先将继电器闭合到A区，对电解电容充电；等到需要测该蓄电池的电压时，把继电器闭合到B区，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，测试部分只需测电解电容上的电压，即可得到相应的蓄电池电压。这种方法无需采用线性光隔离等比较昂贵的器件，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，实践证明，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。

　　4.1 硬件直接相减的方法的实现

　　硬件直接相减法的思想来源于数学上减法的概念。试想，如果用高差模增益的运放将蓄电池上的高电位按比例压缩，即：首先将n号蓄电池的高端电位按照Rn1/Rn2的比例压缩至模拟电子开关可以承受的程度，测量得到压缩后的电压值，然后由软件将压缩系数乘回去，即可得到n号蓄电池的高端电位，同理可得到第n号蓄电池的低端电位，然后通过软件将两者相减，即可得到第n号蓄电池的单体电压。从理论上分析这种方法是可行的，但在实际中却难以实现。比如，40V的电位，通过测试精度为0.1%的测试系统，其绝对误差为±40mv,而38V的电位，通过同样测试精度的系统，其绝对误差为±38mv,两者之间的绝对误差累积为±78mv,显然，其相对误差可达到8%,这远远难以达到通信电源监控系统中的要求。因此，这种减法器的方法在工程上是不可能实现的，但其思想却十分具有参考价值：如果能够解决误差的连续累积问题，就有可能得到满意精度的测量结果。为此我们用两片高差模增益放大器设计了一种硬件直接相减的电路，其原理电路如图6所示。

图6 采用硬件直接相减法测量单体电压的电路

　　图6中，ICL7650是差模增益高达105/mV的运算放大器，从而能够保证运算放大器的同相输入端和反相输入端的电位相等，都等于地电位。Rnp为保证运算放大器工作的平衡电阻。Vna为n号蓄电池的高端电位，Vnb为n号蓄电池的低端电位。

　　其基本原理如下：运算放大器A构成了一个反向放大器，即：

运算放大器B构成一个加法器，即：

由式（2）可以看出，只要合理的选择Rn1、Rn2、Rn3、Rn4和Rn5的阻值，使其满足条件：

则式（2）可以化为：

从而实现了硬件的直接相减，避免了误差的累积。

　　4.2 元件参数的选择

通信用蓄电池通常由24节单体电压为2V的蓄电池组构成。其最高的共模电压可达60V左右，要将其移到2V左右的对地电压，并保证运算放