UPS蓄電池在線監測系統的設計

王 寬， 賀昱曜 ， 鄭 普， 陳金平

（1.西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710043；3.長安大學 電控學院，陜西 西安 710064）

隨著信息技術，互聯網及經濟的快速發展，越來越多的用電設備使電網的負荷日益嚴重，并造成電能質量惡化，突然斷電時有發生，嚴重影響了設備的正常運行，為了設備的安全，不間斷電源系統（UPS）的應用越來越受到人們的重視[1]。目前，UPS主要以閥控式鉛酸電池作為儲能裝置，維修結果表明，近一半以上的UPS故障是由于蓄電池失效引起的。由于不能準確判斷蓄電池是否失效，如果蓄電池未失效而更換電池，導致蓄電池的實際使用時間遠小于期望的時間[2]，增加了再投資的費用；如果蓄電池已經失效而未更換，則會導致其他蓄電池的損壞[3]。因此準確判斷蓄電池是否失效就顯得尤為重要，全面掌握蓄電池的內部狀態可以使我們更準確的判斷蓄電池的健康狀態。

本文設計出了一種蓄電池在線監測系統，其主要兩部分組成：一部分為下位機，主要用來實時檢測蓄電池的電壓、電流；另一部分為上位機，主要用來建模和計算，同時顯示并預報蓄電池的健康狀況，下位機通過CAN總線將檢測到的數據傳輸給上位機。該系統可在線監測蓄電池的電壓、電流，并進行數據異常分析報警，同時采用遞推最小二乘法來估計出蓄電池的內部參數及荷電狀態。

1 系統總體結構

圖1為本系統結構框圖，系統由下位機檢測板和上位機構成，上位機包括PC客戶端和數據庫；下位機包括信號采集調理模塊，上位機和下位機之間通過CAN總線進行通信。下位機檢測板選用STM32F103ZET6作為控制器，其主要用來采集電壓、電流值，并對采集到的值進行判斷，如果數據不合理(電流過高或者電壓過高、過低)則認為UPS系統出現故障，并報警。本系統選用二階RC等效電路作為蓄電池的模型，上位機將采集到數據存入數據庫，并應用遞推最小二乘法估計出模型的參數，同時根據開路電壓與SOC的關系估計出蓄電池的SOC。上位機軟件采用DELPHI編寫，數據存儲數據庫為SQL。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of the test system

2 硬件電路設計

由圖1可知，本系統需要給UPS的每塊電池配備一個信號檢測板，其主要采集蓄電池的電壓、電流，對采樣值進行合理性判斷，并把采集到的值通過CAN總線傳輸給上位機。STM32F103ZET6單片機自帶16路12位的AD采樣通道，因此AD采樣轉換由MCU自帶的AD轉換外設完成。

2.1 電壓信號調理模塊

電壓調理模塊如圖2所示，該電路主要由信號調理、信號跟隨及信號隔離等電路組成。其中V out端連接MCU的AD轉換引腳端。由于蓄電池的電壓為12 V，而MCU可采樣轉換的最大電壓為3.3 V，故需要對電壓進行調理，該調理電路由R1和R2串聯分壓組成；為了使避免后級電路對信號調理電路的影響增加了信號跟隨電路，其主要由R3、C1和運放1 A組成；為了避免蓄電池出現故障時損壞MCU，提高系統的穩定性，對采集到的信號進行隔離。本文選用美國Agilent公司推出的線性光耦HCNR201，其具有高線性度、高穩定度、頻帶寬、設計靈活等優點。文中的信號隔離部分由線性光耦HCNR201和運放2 A、3 A組成。其最終的輸出電壓為

圖2 電壓檢測電路Fig.2 The voltage detection circuit

2.2 電流信號調理模塊

由于蓄電池存在充電和放電兩種狀態，所以電流有兩種流向，本系統認為電流流向蓄電池為負，電流流出蓄電池為正。選用霍爾電流傳感器ACS758LCB-050B作為電流檢測元件，可檢測電流的范圍為-50~50 A，流過電流與輸出電壓的比率為40 mV/A，其采樣電路如圖3所示，Iin和Iout端串入電路中，V out端連接MCU的AD轉換引腳端，流過的電流i和輸出電壓V out之間關系如圖4所示。

圖3 電流檢測電路Fig.3 The current detection circuit

圖4 ACS758電流-電壓關系Fig.4 The Current-Voltage curve of ACS758

由圖4可知，當沒有電流流過時，輸出電壓V out為2.5 V；當流過的電流為正時，V out大于2.5 V；當流過的電流為負時，V out小于2.5 V，所以可根據以根據V out與2.5 V的關系來判斷蓄電池是充電還是放電。

2.3 CAN通信模塊

CAN總線又稱控制器局域網，是國際上應用最廣泛的局域網之一。CAN總線作為本系統的通信網絡，具有低成本、傳輸距離遠、傳輸速度快、可靠的錯誤處理和檢錯機制以及較強的抗干擾能力等特點，能夠很好地完成在蓄電池復雜的使用環境下穩定可靠的監測其健康狀態的任務。

UPS電池的CAN通信接口電路如圖5所示。STM32 F103ZET6內部集成了CAN控制器，只需接入CAN驅動器L9616，由于各個電池節點的供電電壓不會完全相同，為了保證CAN總線的正常工作，對總線的各個節點進行電氣隔離，本文選用ADI公司推出的雙通道數字磁耦隔離器ADUM1201，其芯片內部提供正向和反向通信通道，不僅外圍電路設計方便，而且具有較高的數據傳輸速率，時序精度和瞬態共模抑制能力，能夠提高系統的穩定性。

圖5 CAN通信接口電路Fig.5 The CAN communication interface circuit

3 數據處理軟件設計

由圖1可知，上位機需要對采集到的電壓、電流數據進行存儲并顯示，同時對蓄電池的模型參數進行識別，求出蓄電池的核電狀態SOC，以便使用戶更好的掌握蓄電池的健康狀態。

3.1 模型參數識別

本文選取二階RC模型為電池模型[4]，如圖6所示，其中U oc為開路電壓，R0為電池內阻，R1和R2為極化電阻，C1和C2為極化電容，I為流經內阻的電流，U是電池端電壓。

圖6 二階RC模型電路Fig.6 the 2nd order RCequivalent battery model

該模型在頻域下的狀態方程為：

將電流I視為系統輸入，電壓U視為系統輸出，故需要辨識的參數有 U oc、R0、R1、R2、C1和 C2。 通過 z 變換， 可將式（2）整理成差分方程的形式：

將式（3）寫成最小二乘形式可得：

式中，φ（k）為數據向量，θ為待估計系數向量。

由 k1，k2，k3，k4，k5與電池模型參數的關系可得：

式中T為采樣時間。

可見，采用最小二乘法可以辨識出模型的全部參數。

3.2 荷電狀態（SOC）估計

蓄電池的開路電壓與SOC之間的關系如圖7所示，可知，荷電狀態在10%~90%范圍內與開路電壓之間存在一定的線性關系，文獻[5]指出蓄電池的開路電壓與SOC之間存在如下關系：

式中V oc為開路電壓，Va為蓄電池充滿電時的開路電壓，Vb為蓄電池充分放電時的開路電壓。

圖7 開路電壓-荷電狀態（SOC）關系曲線Fig.7 The relation curve of open circuit voltage-SOC

因此通過測量開路電壓就可直接得到SOC[6]，由于蓄電池的開路電壓可以通過最小二乘法估計出來，通過式（8）可得到蓄電池的荷電狀態。

4 實驗結果與分析

為了說明本系統的可行性，搭建了一套基于ARM的蓄電池在線監測系統，并對12 V、45 Ah蓄電池充電過程進行試驗。硬件檢測電路如圖8所示，上位機檢測界面如圖9所示，系統運行過程中，界面顯示每一個電池的健康狀態、工作狀態及SOC，點擊某一電池即可顯示其詳細狀態，此時蓄電池的監測狀態與實際狀態如表1所示。

圖8 硬件檢測電路Fig.8 The detection circuit of hardware

由表1可知，本文設計出的系統可以準確的估計出蓄電池健康狀態。

圖9 蓄電池檢測系統上位機界面Fig.9 Battery testing system PCinterface

表1 蓄電池監測狀態和實際狀態結果Tab.1 The result of battery monitoring state and actual state

5 結 論

文中設計了一種基于ARM的蓄電池在線監測系統，該系統可在線隔離監測蓄電池的電壓和電流，同時將這些量通過CAN總線傳輸到上位機電腦顯示并存儲，利用最小二乘法識別出蓄電池模型的參數，并估計出蓄電池的荷電狀態。該系統能夠直觀的顯示蓄電池當前的各個狀態，并形象的顯示狀態的變化趨勢，以便使用戶準確判斷電池的健康狀態，從而延長電池的壽命，提高UPS系統的穩定性能。

[1]周東方，孫朝斌，沈小青．基于CAN總線的UPS電源電池檢測方法[J]．電源技術，2012，36（8）：1140-1142．ZHOU Dong-fang，SUN Chao-bin，SHEN Xiao-qing.Detecting method for UPSbattery with CAN-bus[J].Chinese Journal of Power Sources，2012，36（8）:1140-1142.

[2]鄧春華．UPS系統中蓄電池充電的研究[D]．湖北：華中科技大學，2008．

[3]LAN Cheng-rong，SU Juan.The design of online monitoring system of VRLA battery[C]//Computational and Information Sciences （ICCIS），2013（20）:1261-1264.

[4]張彥琴，郭凱，劉漢雨．鉛酸電池模型及參數辨識研究[J]．蓄電池，2013，50（3）:140-144．ZHANG Yan-qin，GUO Kai，LIU Han-yu.Research on equivalent model and its parameters identification of leadacid batteries[J].Chinese Labat Man，2013，50（3）:140-144.

[5]喬波強，侯振義，網佑民．蓄電池剩余容量預測技術現狀及發展[J]．電源世界，2012，15（2）:21-26．QIAO Bo-jiang，HOU Zhen-yi，WANG You-min.The status QUO and development of remaining capacity predicting technology for VRLA batteries[J].The World of Power Supply，2012，15（2）:21-26.

[6]崔瓊，舒杰，吳志鋒，等．應用牛頓插值法估算鉛酸蓄電池SOC[J]．電力電子技術，2013，47（7）:46-48．CUI Qiong，SHU Jie，WU Zhi-feng，et al.Applied newton interpolation in estimating SOC of Lead acid battery[J].Power Electronics， 2013， 47（7）:46-48.