UPS蓄電池在線(xiàn)監測系統的設計

摘要：蓄電池是UPS系統的重要組成部分，對蓄電池進(jìn)行在線(xiàn)監測，及時(shí)掌握蓄電池的健康狀態(tài)，對提高UPS系統的可靠性具有重要意義。本文設計了一種基于A(yíng)RM的蓄電池在線(xiàn)監測系統。該系統可在線(xiàn)監測蓄電池的電壓、電流，同時(shí)通過(guò)CAN總線(xiàn)將監測到的量傳輸到上位機，選用二階RC等效電路作為蓄電池的模型，利用最小二乘法辨識模型參數并根據開(kāi)路電壓與SOC的關(guān)系估計出蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)。通過(guò)上位機軟件可以直觀(guān)的顯示蓄電池的健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現失效電池，延長(cháng)蓄電池的使用壽命，保證UPS系統的安全運行。

關(guān)鍵詞：鉛酸電池;二階RC等效電路;參數識別;荷電狀態(tài)SOC

隨著(zhù)信息技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)及經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來(lái)越多的用電設備使電網(wǎng)的負荷日益嚴重，并造成電能質(zhì)量惡化，突然斷電時(shí)有發(fā)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(lái)越受到人們的重視。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(shí)際使用時(shí)間遠小于期望的時(shí)間，增加了再投資的費用;如果蓄電池已經(jīng)失效而未更換，則會(huì )導致其他蓄電池的損壞。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(tài)可以使我們更準確的判斷蓄電池的健康狀態(tài)。

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

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(hù)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(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。下位機檢測板選用STM32F103ZET6作為控制器，其主要用來(lái)采集電壓、電流值，并對采集到的值進(jìn)行判斷，如果數據不合理(電流過(guò)高或者電壓過(guò)高、過(guò)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(shí)根據開(kāi)路電壓與SOC的關(guān)系估計出蓄電池的SOC。上位機軟件采用DELPHI編寫(xiě)，數據存儲數據庫為SQL。

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(gè)信號檢測板，其主要采集蓄電池的電壓、電流，對采樣值進(jìn)行合理性判斷，并把采集到的值通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸給上位機。S TM32F103ZET6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Vout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(jìn)行調理，該調理電路由R1和R2串聯(lián)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(shí)損壞MCU，提高系統的穩定性，對采集到的信號進(jìn)行隔離。本文選用美國Agilent公司推出的線(xiàn)性光耦HCNR201，其具有高線(xiàn)性度、高穩定度、頻帶寬、設計靈活等優(yōu)點(diǎn)。文中的信號隔離部分由線(xiàn)性光耦HCNR201和運放2 A、3 A組成。其最終的輸出電壓為

Vout=Vbettery*R2/(R1+R2) (1)

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(tài)，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(guò)電流與輸出電壓的比率為40mV/A，其采樣電路如圖3所示，Iin和Iout端串入電路中，Vout端連接MCU的AD轉換引腳端，流過(guò)的電流i和

輸出電壓Vout之間關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，當沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，輸出電壓Vout為2.5 V;當流過(guò)的電流為正時(shí)，Vout大于2.5 V;當流過(guò)的電流為負時(shí)，Vout小于2.5 V，所以可根據以根據Vout與2.5 V的關(guān)系來(lái)判斷蓄電池是充電還是放電。

2.3 CAN通信模塊

CAN總線(xiàn)又稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的局域網(wǎng)之一。CAN總線(xiàn)作為本系統的通信網(wǎng)絡(luò )，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(diǎn)，能夠很好地完成在蓄電池復雜的使用環(huán)境下穩定可靠的監測其健康狀態(tài)的任務(wù)。

UPS電池的CAN通信接口電路如圖5所示。STM32F103ZET6內部集成了CAN控制器，只需接入CAN驅動(dòng)器L9616，由于各個(gè)電池節點(diǎn)的供電電壓不會(huì )完全相同，為了保證CAN總線(xiàn)的正常工作，對總線(xiàn)的各個(gè)節點(diǎn)進(jìn)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(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，能夠提高系統的穩定性。