UPS電源輸出電壓及電池放電狀態的監測分析

劉永強

（甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，甘肅 蘭州 730020）

0 引 言

作為在電力、通信等行業均得到廣泛應用的電源形式，UPS電源在供電穩定性和電能儲備方面均有良好表現[1]。由于其自帶蓄電池裝置，因此可以滿足移動設備的用電需求，整個UPS系統的電源放電情況監測效果決定著其在實際應用中的價值。通常情況下，UPS電源出現故障的概率較小，影響其使用壽命的重要因素就是對電源的不健康使用方式，例如過渡耗電、電源長時間處于低電量狀態等[2]。相關實踐表明，UPS電源蓄電池組的使用壽命波動范圍可以達到10年，蓄電池參數差異或使用不當造成的使用壽命縮短是主要原因[3]。為了實現對電池狀態的科學保養，對UPS電源狀態進行監測成為保證其使用壽命的重要依據。對于大、中型的UPS直流電源而言，其對應的母線電壓大多數為400 V，單個蓄電池難以滿足其用電需求，需要通過串聯多個電池組達到目標供電值[4]。但這種連接方式又在一定程度上加大對UPS電源監測的難度，傳統的通過對蓄電池組端電壓進行測量確定電源狀態的方法已經無法滿足監測要求。當電池組中電池的數量達到一定規模時，單體電源的劣化趨勢并不明顯，僅將電壓測量值作為整組電源狀態的分析標準是遠遠不夠的[5]。現階段關于電源監測的設備，例如電壓巡檢儀、電導測試儀以及內阻測試儀等都是對電源表觀數據的監測，對實際放電狀態的分析可以起到輔助作用。考慮到蓄電池電壓不僅僅是對電源供電強度的反饋，其數值也間接受電源容量的影響，因此本文利用該特征進行UPS電源狀態的監測。

面對市場對及時準確的電源狀態監測方法的需求，本文以UPS電源為研究對象，提出了UPS電源輸出電壓及電池放電狀態的監測分析研究，利用電源輸出電壓與電池放電狀態之間的關系，實現對電源狀態的準確監測，并通過實驗驗證了所提方法的有效性。通過本文的研究，以期為UPS電源的合理使用提供可靠的數據支持。

1 UPS電源狀態監測方法

1.1 輸出電壓監測

實現對UPS電源輸出電壓監測的主要難點在于對電池放電狀態的監測，考慮到電壓與電池蓄電量之間的關系，本文利用Dallas公司推出的DS2438智能電池監視芯片實現對輸出電壓的監測，以此為基礎間接實現對電池放電狀態的檢測[6]。

在對電源電壓進行檢測時，DS2438芯片內的二通道A/D轉換器主要負責將電源的電能信號轉化為芯片可識別的電壓信號。同時為了避免電源運行功率過高引起監測芯片異常，內置的溫度傳感器可以實時采集監測環境內的溫度數值，當出現其運行條件以外的數據信息時，通過人工調節的方式對其進行修正[7]。

由于UPS電源工作的過程中數據參數是以相對動態的形式存在的，而且產生的數據規模相對較大，因此采集到的電源數據都以文件的形式暫存在芯片內部的存儲單元。當再次對同一電源或相同類型電源進行監測時，無需重復輸入[8]。在對電源數據進行監測時，DS243作為單總線器件，其對信息的接受和發送都是通過單總線接口實現的。為了便于數據的統計，本文對DS2438的8個腳分別進行了SOIC表面貼裝，封裝后各個管腳對應的功能如表1所示。

表1 DS2438管腳功能設置

按照表1的設置方式，1號管腳DQ為DS2438的單總線接口，2號管腳VAD為電壓轉換的輸入端，內部是10位的A/D轉換器。在此模式下，當VDD的輸入值為5 V時，6號管腳的測量范圍為0～10 V，測量精度為10 mV。A/D輸入的轉換命令傳輸到DS2438時，啟動對信號的轉換功能，轉換后的數據存儲于電壓寄存器。為了以防萬一，當電壓數據測量管腳出現異常時，8號備用管腳也可以實現數據采集功能。3號管腳和4號管腳主要負責電流轉換，其數值主要是對電壓監測結果的驗證。為了避免串聯電源過多導致管腳故障，在其外部添加了一個滑動變阻器。電流轉換周期為0.012 s，通過設置可以實現自主轉換。

1.2 電池放電狀態監測

由于無法通過直接測量的方式得到電池的放電狀態信息，因此本文利用電源輸出電壓與電池放電狀態之間的關系，通過分析計算得到準確的數據[9]。

UPS電源的電池內阻、溫度、總電流、總電壓、單體電壓以及放電量都會對電池的放電狀態產生影響，在電池組的電荷狀態（State Of Charge，SOC）為100%時，恒流放電模式下輸出電壓與SOC之間的關系如圖1所示。

圖1 輸出電壓與SOC關系

從圖1可以看出，電池SOC為100%時，輸出電壓為電源電壓的上限。隨著電池的電壓逐漸下降，SOC首先以相對平緩的趨勢逐漸下降，在0.9～0.25階段，均處于相對穩定的下降速率中。到達放電后期時，電壓的下降速度明顯加快。由此可以看出，UPS電源的輸出電壓與電池狀態之間存在必然聯系。

以此為基礎，將BP神經網絡應用于電池SOC估算。通過設置收斂區間，確保估算結果的曲線關系與理論值達到一定程度的契合，提高SOC數據的可靠性。考慮到電池電壓等因素對SOC的影響，對數據進行處理。將電壓、電流、內阻以及溫度作為輸入值，SOC作為輸出值。為了加速收斂速度，對數據指標進行統一的量綱化處理，其處理方式為：

式中，y為處理后的數據，x為初始數據，xmin為初始數據最小值，xmax為初始數據最大值，ymin為處理后數據最小值，ymax為處理后數據最大值。將Sigmoid函數作為計算輸出變量的基準函數，為了實現對輸出精度的有效控制，設置Sigmoid的輸出閾值為（0,1），通過這樣的方式實現對UPS電源放電SOC的監測。

2 測試分析

將本文提出的監測方法在實際環境中進行應用測試，并將文獻[3]提出的以電池內溫度場分布情況為基礎的電池狀態監測技術、文獻[4]提出的以局部溫度變化識別為基礎的電池狀態監測方法以及文獻[5]提出的直流電源狀態監測系統作為對照組，分析4種方法的監測效果[10]。

2.1 仿真環境搭建

實驗中的UPS電源額定容量為500 VA/300 W，允許輸入交流電壓為162～268 V，對應的頻率為45～55 Hz，允許輸出電壓為220 V×（1±10%），對應的頻率為（50±1） Hz。在半載狀態下，電池的備用時間大于6 min，充電時間為15 h，對電能信號的轉換時間為10 ms。正常工作環境條件為溫度0～40℃，濕度20%～90%。輸入諧波電流低于5%，輸出電壓精度最高不超過2%，以此為基礎對其電壓及放電狀態進行監測。

2.2 監測結果分析

在上述基礎上，分別利用4種方法各進行了10次測試。經初步對比，4種方法對電壓的監測結果均與實際值一致。由于電壓的監測可以直接通過相關設備采集得到，因此本文重點對比4種方法的SOC監測結果，具體如表2所示。

表2 不同方法SOC監測結果

觀察表1可以看出，在4種監測方法中，文獻[3]方法的誤差基本穩定在2%左右，監測精度較低；文獻[4]方法雖然對于部分數據的監測誤差僅為0.28%，但穩定性較低，最大誤差為3.25%；文獻[5]方法的誤差基本穩定在1%以內，雖然已經達到了一定程度的精準監測，但其與本文方法相比，仍存在提升空間。本文的監測結果與實際值的誤差始終小于0.1%，在實際的電池應用中，可以實現高精度的狀態監測，可以為電池充電管理提供可靠參考。

3 結 論

UPS電源作為一種重要的儲能電源，在多個領域都得到了廣泛應用。與其他類型的電源相比，其具有更高的便攜性，但也正因如此，對其狀態進行精準監測是確保其穩定供電的基礎。UPS電源電壓可通過直接測量的方式得到，但其放電狀態的監測無法直接得到，因此本文提出以UPS電源電壓為基礎的電池放電狀態監測方法。通過對直觀數據電壓的分析，計算電池剩余電荷的可用狀態。通過本文的研究，以期為UPS電池狀態的監測提供參考，解決電能過渡消耗帶來的不便。