UPS蓄电池在线监测系统的设计

摘要：蓄电池是UPS系统的重要组成部分，对蓄电池进行在线监测，及时掌握蓄电池的健康状态，对提高UPS系统的可靠性具有重要意义。本文设计了一种基于ARM的蓄电池在线监测系统。该系统可在线监测蓄电池的电压、电流，同时通过CAN总线将监测到的量传输到上位机，选用二阶RC等效电路作为蓄电池的模型，利用最小二乘法辨识模型参数并根据开路电压与SOC的关系估计出蓄电池的荷电状态(SOC)。通过上位机软件可以直观的显示蓄电池的健康状态，及时发现失效电池，延长蓄电池的使用寿命，保证UPS系统的安全运行。

关键词：铅酸电池;二阶RC等效电路;参数识别;荷电状态SOC

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。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，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。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。

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。S TM32F103ZET6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Vout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

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

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40mV/A，其采样电路如图3所示，Iin和Iout端串入电路中，Vout端连接MCU的AD转换引脚端，流过的电流i和

输出电压Vout之间关系如图4所示。

由图4可知，当没有电流流过时，输出电压Vout为2.5 V;当流过的电流为正时，Vout大于2.5 V;当流过的电流为负时，Vout小于2.5 V，所以可根据以根据Vout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。STM32F103ZET6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。