UPS蓄电池在线监测系统的设计

王 宽， 贺昱曜 ， 郑 普， 陈金平

（1.西北工业大学 航海学院，陕西 西安 710072；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710043；3.长安大学 电控学院，陕西 西安 710064）

随着信息技术，互联网及经济的快速发展，越来越多的用电设备使电网的负荷日益严重，并造成电能质量恶化，突然断电时有发生，严重影响了设备的正常运行，为了设备的安全，不间断电源系统（UPS）的应用越来越受到人们的重视[1]。目前，UPS主要以阀控式铅酸电池作为储能装置，维修结果表明，近一半以上的UPS故障是由于蓄电池失效引起的。由于不能准确判断蓄电池是否失效，如果蓄电池未失效而更换电池，导致蓄电池的实际使用时间远小于期望的时间[2]，增加了再投资的费用；如果蓄电池已经失效而未更换，则会导致其他蓄电池的损坏[3]。因此准确判断蓄电池是否失效就显得尤为重要，全面掌握蓄电池的内部状态可以使我们更准确的判断蓄电池的健康状态。

本文设计出了一种蓄电池在线监测系统，其主要两部分组成：一部分为下位机，主要用来实时检测蓄电池的电压、电流；另一部分为上位机，主要用来建模和计算，同时显示并预报蓄电池的健康状况，下位机通过CAN总线将检测到的数据传输给上位机。该系统可在线监测蓄电池的电压、电流，并进行数据异常分析报警，同时采用递推最小二乘法来估计出蓄电池的内部参数及荷电状态。

1 系统总体结构

图1为本系统结构框图，系统由下位机检测板和上位机构成，上位机包括PC客户端和数据库；下位机包括信号采集调理模块，上位机和下位机之间通过CAN总线进行通信。下位机检测板选用STM32F103ZET6作为控制器，其主要用来采集电压、电流值，并对采集到的值进行判断，如果数据不合理(电流过高或者电压过高、过低)则认为UPS系统出现故障，并报警。本系统选用二阶RC等效电路作为蓄电池的模型，上位机将采集到数据存入数据库，并应用递推最小二乘法估计出模型的参数，同时根据开路电压与SOC的关系估计出蓄电池的SOC。上位机软件采用DELPHI编写，数据存储数据库为SQL。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure diagram of the test system

2 硬件电路设计

由图1可知，本系统需要给UPS的每块电池配备一个信号检测板，其主要采集蓄电池的电压、电流，对采样值进行合理性判断，并把采集到的值通过CAN总线传输给上位机。STM32F103ZET6单片机自带16路12位的AD采样通道，因此AD采样转换由MCU自带的AD转换外设完成。

2.1 电压信号调理模块

电压调理模块如图2所示，该电路主要由信号调理、信号跟随及信号隔离等电路组成。其中V out端连接MCU的AD转换引脚端。由于蓄电池的电压为12 V，而MCU可采样转换的最大电压为3.3 V，故需要对电压进行调理，该调理电路由R1和R2串联分压组成；为了使避免后级电路对信号调理电路的影响增加了信号跟随电路，其主要由R3、C1和运放1 A组成；为了避免蓄电池出现故障时损坏MCU，提高系统的稳定性，对采集到的信号进行隔离。本文选用美国Agilent公司推出的线性光耦HCNR201，其具有高线性度、高稳定度、频带宽、设计灵活等优点。文中的信号隔离部分由线性光耦HCNR201和运放2 A、3 A组成。其最终的输出电压为

图2 电压检测电路Fig.2 The voltage detection circuit

2.2 电流信号调理模块

由于蓄电池存在充电和放电两种状态，所以电流有两种流向，本系统认为电流流向蓄电池为负，电流流出蓄电池为正。选用霍尔电流传感器ACS758LCB-050B作为电流检测元件，可检测电流的范围为-50~50 A，流过电流与输出电压的比率为40 mV/A，其采样电路如图3所示，Iin和Iout端串入电路中，V out端连接MCU的AD转换引脚端，流过的电流i和输出电压V out之间关系如图4所示。

图3 电流检测电路Fig.3 The current detection circuit

图4 ACS758电流-电压关系Fig.4 The Current-Voltage curve of ACS758

由图4可知，当没有电流流过时，输出电压V out为2.5 V；当流过的电流为正时，V out大于2.5 V；当流过的电流为负时，V out小于2.5 V，所以可根据以根据V out与2.5 V的关系来判断蓄电池是充电还是放电。

2.3 CAN通信模块

CAN总线又称控制器局域网，是国际上应用最广泛的局域网之一。CAN总线作为本系统的通信网络，具有低成本、传输距离远、传输速度快、可靠的错误处理和检错机制以及较强的抗干扰能力等特点，能够很好地完成在蓄电池复杂的使用环境下稳定可靠的监测其健康状态的任务。

UPS电池的CAN通信接口电路如图5所示。STM32 F103ZET6内部集成了CAN控制器，只需接入CAN驱动器L9616，由于各个电池节点的供电电压不会完全相同，为了保证CAN总线的正常工作，对总线的各个节点进行电气隔离，本文选用ADI公司推出的双通道数字磁耦隔离器ADUM1201，其芯片内部提供正向和反向通信通道，不仅外围电路设计方便，而且具有较高的数据传输速率，时序精度和瞬态共模抑制能力，能够提高系统的稳定性。

图5 CAN通信接口电路Fig.5 The CAN communication interface circuit

3 数据处理软件设计

由图1可知，上位机需要对采集到的电压、电流数据进行存储并显示，同时对蓄电池的模型参数进行识别，求出蓄电池的核电状态SOC，以便使用户更好的掌握蓄电池的健康状态。

3.1 模型参数识别

本文选取二阶RC模型为电池模型[4]，如图6所示，其中U oc为开路电压，R0为电池内阻，R1和R2为极化电阻，C1和C2为极化电容，I为流经内阻的电流，U是电池端电压。

图6 二阶RC模型电路Fig.6 the 2nd order RCequivalent battery model

该模型在频域下的状态方程为：

将电流I视为系统输入，电压U视为系统输出，故需要辨识的参数有 U oc、R0、R1、R2、C1和 C2。 通过 z 变换， 可将式（2）整理成差分方程的形式：

将式（3）写成最小二乘形式可得：

式中，φ（k）为数据向量，θ为待估计系数向量。

由 k1，k2，k3，k4，k5与电池模型参数的关系可得：

式中T为采样时间。

可见，采用最小二乘法可以辨识出模型的全部参数。

3.2 荷电状态（SOC）估计

蓄电池的开路电压与SOC之间的关系如图7所示，可知，荷电状态在10%~90%范围内与开路电压之间存在一定的线性关系，文献[5]指出蓄电池的开路电压与SOC之间存在如下关系：

式中V oc为开路电压，Va为蓄电池充满电时的开路电压，Vb为蓄电池充分放电时的开路电压。

图7 开路电压-荷电状态（SOC）关系曲线Fig.7 The relation curve of open circuit voltage-SOC

因此通过测量开路电压就可直接得到SOC[6]，由于蓄电池的开路电压可以通过最小二乘法估计出来，通过式（8）可得到蓄电池的荷电状态。

4 实验结果与分析

为了说明本系统的可行性，搭建了一套基于ARM的蓄电池在线监测系统，并对12 V、45 Ah蓄电池充电过程进行试验。硬件检测电路如图8所示，上位机检测界面如图9所示，系统运行过程中，界面显示每一个电池的健康状态、工作状态及SOC，点击某一电池即可显示其详细状态，此时蓄电池的监测状态与实际状态如表1所示。

图8 硬件检测电路Fig.8 The detection circuit of hardware

由表1可知，本文设计出的系统可以准确的估计出蓄电池健康状态。

图9 蓄电池检测系统上位机界面Fig.9 Battery testing system PCinterface

表1 蓄电池监测状态和实际状态结果Tab.1 The result of battery monitoring state and actual state

5 结 论

文中设计了一种基于ARM的蓄电池在线监测系统，该系统可在线隔离监测蓄电池的电压和电流，同时将这些量通过CAN总线传输到上位机电脑显示并存储，利用最小二乘法识别出蓄电池模型的参数，并估计出蓄电池的荷电状态。该系统能够直观的显示蓄电池当前的各个状态，并形象的显示状态的变化趋势，以便使用户准确判断电池的健康状态，从而延长电池的寿命，提高UPS系统的稳定性能。

[1]周东方，孙朝斌，沈小青．基于CAN总线的UPS电源电池检测方法[J]．电源技术，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]邓春华．UPS系统中蓄电池充电的研究[D]．湖北：华中科技大学，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]张彦琴，郭凯，刘汉雨．铅酸电池模型及参数辨识研究[J]．蓄电池，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]乔波强，侯振义，网佑民．蓄电池剩余容量预测技术现状及发展[J]．电源世界，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]崔琼，舒杰，吴志锋，等．应用牛顿插值法估算铅酸蓄电池SOC[J]．电力电子技术，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.