UPS蓄電池組自動檢測/修復儀的電路設計

羅及紅，楊志純

(湖南商務職業技術學院，湖南長沙410205)

閥控式鉛酸密封蓄電池（VRLA）被大量應用在通信、電力和金融等行業，其合理地進行維護與保障蓄電池的正常工作，已成為當前使用中的重要問題。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遭受破壞，數據丟失，后果不堪設想。

本電路設計是以單片機C8051F04為控制核心，完成閥控式鉛酸密封蓄電池巡檢電壓、電流、溫度等數據檢測[1]。通過對檢測數據的分析，實現對故障電池的修復處理。圖1為UPS蓄電池組自動檢測/修復儀設計方框圖。

圖1 UPS蓄電池組自動檢測/修復儀設計方框圖

1 蓄電池組電阻的測試

1.1 定期檢測蓄電池的實時內阻方案

為了保證系統正常工作，蓄電池組必須定期檢測，實時掌握各個單體電池的健康狀態，才能防范于未然。根據國際上已公認的“蓄電池內阻值是電池的最佳預警參數”的這一結論（IEEE std 1188-1996），只要實時地檢測出電池的內阻，才有可能把由于電池故障產生的巨大事故解決在萌芽之中。VRLA電池的電阻組成是復雜的，它包括電池的歐姆電阻、濃差極化電阻、電化學反應電阻及雙層電容充電時的干擾作用等。在不同的測量點和不同的時刻測量時，所包含的組成成分也是不同的[2]。

目前國際上有三種基本的蓄電池內阻檢測方法：直流動力負荷法；交流傳導法；多頻率的電化學阻抗光譜法。以上方法都是建立在電池內阻反映電池負載電流能力基礎上進行的[2]。這里以“交流傳導法”為例，論述怎樣實現蓄電池組定期測試其內阻的方法。

剩余容量和電池內阻有一定的固定關系，特別在電池容量不足50%時，內阻值會迅速下降，因而根據電池的電阻值或電導值來判斷電池容量則有很好的一致性。

導入一個固定頻率的交流信號到蓄電池中（通常為1 kHz信號），估算電抗時，XC=1/ω0C，當頻率 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，取出相應電流值I，即可得到實時電阻值R內,R內=ΔU/I。

1.2 定期檢測蓄電池的實時內阻硬件電路設計

蓄電池中交變測試信號的產生、放大和對應脈動電流的采樣電路設計的信號放大電路如圖2所示，蓄電池的內阻（包括其金屬內阻和電化學內阻）的增加導致蓄電池實際容量的減小。電化學內阻與蓄電池電容、電感有關，而電感影響甚微，電容影響較大，新電池容抗小，報廢電池容抗大[3]。當交變的脈沖電壓加到蓄電池上時，在新電池和報廢電池上就有著不同幅值的交變信號，這個信號經過運算放大器U23和U24（OP-07）放大后，送往CD4066B集成塊，完成交變電壓測試信號和電流信號采樣的切換。在交變的測試信號ΔU加到蓄電池的同時（即GNDA與地相連，CEAS與CEBS相連），疊加在電池上的脈動電壓通過電阻R9和電位器RW 4分壓加到芯片CD4066B切換開關上，這個被測的模擬電壓與該電池的實時電流I成線性關系，得出電流I值后，即可通過R內=ΔU/I，計算電池內阻值。

圖2 蓄電池交變測試信號放大邏輯電路

2 蓄電池組修復電路設計

2.1 恒流放電電路的設計

落后的電池大部分是因為極板結晶導致容量下降，在使用中這種化學故障比較常見，其物理故障（如極板短路等）一般較少見到。目前，常見的恢復電池容量的方法是：對落后電池進行大電流恒流放電，以后再進行大電流恒流充電，以激化電池極板失效的活性物質，使電池活化，以提升落后電池的容量。

單回路恒流放電時，端電壓檢測電路如圖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與蓄電池的負極相連，測量時，蓄電池的電壓通過DY1-7和DY1-8在電阻網絡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）進行模數轉換，測量所測電池在線工作電壓。

CD4066B 為模擬開關，P6.2、P6.3、P6.4 分別為 5、7.5、10 A的放電電流檔位，與對應的J1、J2、J3的可調電位器相連。以確定比較器TL084CN對應于不同電流的不同電位，也就是說，放電電路中的U23-3腳，其電位依放電電流大小而定。當5 A放電電流檔P6.2點的電位為高時，J1的中心抽頭取出預置電流值的相應電位，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型溝道的場效應管，其電流的大小取決于加在場效應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，MQ25場效應管截止[4]。

R222電阻端的電平由CPU的P6.7腳控制，為高電平時使三極管（1Q1）飽和，集電極電位接近0電平，經過U24兩極反向后，仍為0電平，場效應管（MQ25）截止，電阻R222端為低電平時，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的電位已由設定值J1-2預置，于是MQ25場效應管有電流流過。流過的電流經過取樣電阻（I1R1）產生壓降，通過取樣電阻（I1R2）分壓后送往U23的6腳，隨著放電電流的增加，U23的第7腳電位越來越高，送往后級第2腳的電位也越來越高，當與第3腳的設定值相等時，比較器輸出為0電平，使MQ25場效應管關閉。P1.1可作為恒流充電時速度快慢的控制信號使用，為低電平時，放電速度慢，為高電平時，充電速度加快[5]。

電阻絲RES1為放電負載，采用特殊的合金材料，無紅熱現象。KD為整流橋，在這里作為避免蓄電池正、負極接錯時的保護元件。

2.2 恒流充電電路的設計

2.2.1 電路設計

在圖4恒流充電模塊工作原理圖中，市電220 V電源經輸入變壓器降壓、整流和濾波后得到18 V左右的直流充電電壓，該充電電壓經場效應管功放Q15（2SK477）、電感L、過流取樣電阻R1（0.2Ω）及二極管D2向12.5 V的蓄電池組充電。因為Q15是一種n型溝道的場效應管，其電流的大小取決于加在場效應管柵源間的電壓脈沖寬度的大小。而場效應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的發射極，而-12 V電源則經電阻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，該電源經光電耦合器TLP5送到TL494的末極驅動晶體管的集電極輸出端腳8，同時+22 V電源直接送到TL494組件的VCC輸入端腳12。

2.2.2 恒壓控制設計思路

利用采樣放大器來實現對蓄電池充電電壓的大小進行控制和調整。在采樣放大器控制支路中，TL494芯片的14腳產生+5 V的基準電源，經由R21和R15組成的分壓器進行分壓后送到采樣放大器的同向輸入端腳1，而蓄電池的負端經電位器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還經過電阻R20連接到+5 V的基準電源上，當蓄電池組充電電壓低于規定值時，會導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使得TL494輸出的控制電壓脈沖寬度的增加。這個脈沖寬度的增加又會使TLP5光電耦合器的輸出電壓脈沖寬度增加，經電阻R29送到晶體管Q13的基極，這會使得晶體管Q13輸出一個寬度較寬的正電壓脈沖，也必然會導致場效應管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導致蓄電池組充電電壓的增大，這一過程將一直維持到蓄電池組端電壓逐漸接近并達到規定值為止[5]。

2.2.3 恒流控制設計思路

蓄電池組充電電流大小的控制是通過脈沖調制組件TL494的控制放大器來實現的，+5 V基準電壓經電阻R22和R16分壓后產生一個參考基準電壓。該參考基準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采樣電阻R1后將產生一個充電電流反饋信號電壓。該反饋電壓經電阻R23和電容C降壓濾波后變成一個直流控制信號，它被送到控制放大器的同向輸入端腳16，當蓄電池組的充電電流由于某種原因增大時，來自采樣電阻R1端的電流反饋信號將有所增大。這種變化使得控制放大器的同向端電平上升，這將導致TL494芯片的負向驅動脈沖寬度下降，光電耦合器件TPL5輸出也將輸出一個脈沖寬度變窄的負向脈沖，經電阻R29被送到PNP型晶體管Q13的基極，這也導致晶體管Q13輸出脈沖變窄的正向驅動電壓[1]。顯然場效應管Q15漏源電流ID下降（即蓄電池充電電流下降），從而達到恒流充電的目的。

3 系統分析

該系統根據使用環境的需要，可配置多塊繼電器板。一塊繼電器控制板，可控制多個單體蓄電池，每個蓄電池由三對觸頭進行控制（如圖5系統工作原理所示）。觸頭S1'和S''閉合，使得電壓/電阻測試模塊對1#電池進行端電壓和動態電阻測試，并把得到的該電池的電壓和電阻值與存在數據庫的標準值相對照，判斷1#電池是否有故障。若1#電池狀態正常，則轉向2#電池，一直進行到最后一個電池，周而復始，不斷巡查；若1#電池落后，則觸頭S1'和S''斷開，觸頭S3'和S3''閉合，智能放電模塊對1#電池進行恒流放電，放電電流根據設定值改變，放電接近端電壓終止設定值，觸頭S3'和S3''斷開，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，充電時間由檢測的溫度和電壓數據來確定，使落后電池恢復其容量。

圖5 系統工作原理

4 結束語

本文基于UPS蓄電池組的自動檢測/修復儀已應用到學校、銀行等企事業單位，實際運行證明其集UPS蓄電池組自動檢測、監控、修復功能為一體。實現UPS蓄電池組電壓、電流（內阻）、溫度數據自動采集，通過分析電池內阻變化，實時判斷落后電池，再通過分析溫度數據、電壓數據的變化，自動完成落后電池修復功能。

[1] 童長飛.C8051F系列單片機開發與C51編程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[2] 王曉蘭，孫言行.深循環用鉛酸蓄電池鉛膏配方的探討[J].蓄電池,2005，42(1)：34-36.

[3] 杜娟娟，裴云慶.電動車鉛酸蓄電池的脈沖快速充電設計[J].電源技術應用,2005，8(3)：28-31.

[4] 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京:清華大學出版社，2006.

[5] 劉勝利.現代高頻開關電源使用技術[M].北京:電子工業出版社，2001.