UPS蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計
摘要：蓄電池是UPS系統(tǒng)的重要組成部分，對蓄電池進行在線監(jiān)測，及時掌握蓄電池的健康狀態(tài)，對提高UPS系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。本文設(shè)計了一種基于ARM的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在線監(jiān)測蓄電池的電壓、電流，同時通過CAN總線將監(jiān)測到的量傳輸?shù)缴衔粰C，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(shù)并根據(jù)開路電壓與SOC的關(guān)系估計出蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)。通過上位機軟件可以直觀的顯示蓄電池的健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)失效電池，延長蓄電池的使用壽命，保證UPS系統(tǒng)的安全運行。
關(guān)鍵詞：鉛酸電池;二階RC等效電路;參數(shù)識別;荷電狀態(tài)SOC
隨著信息技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)及經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的用電設(shè)備使電網(wǎng)的負荷日益嚴重，并造成電能質(zhì)量惡化，突然斷電時有發(fā)生，嚴重影響了設(shè)備的正常運行，為了設(shè)備的安全，不間斷電源系統(tǒng)(UPS)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。目前，UPS主要以閥控式鉛酸電池作為儲能裝置，維修結(jié)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，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(nèi)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(shè)計出了一種蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，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(shù)據(jù)傳輸給上位機。該系統(tǒng)可在線監(jiān)測蓄電池的電壓、電流，并進行數(shù)據(jù)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(nèi)部參數(shù)及荷電狀態(tài)。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
圖1為本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)由下位機檢測板和上位機構(gòu)成，上位機包括PC客戶端和數(shù)據(jù)庫;下位機包括信號采集調(diào)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(shù)據(jù)不合理(電流過高或者電壓過高、過低)則認為UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并報警。本系統(tǒng)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(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并應(yīng)用遞推最小二乘法估計出模型的參數(shù)，同時根據(jù)開路電壓與SOC的關(guān)系估計出蓄電池的SOC。上位機軟件采用DELPHI編寫，數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫為SQL。
2 硬件電路設(shè)計
由圖1可知，本系統(tǒng)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。S TM32F103ZET6單片機自帶16路12位的AD采樣通道，因此AD采樣轉(zhuǎn)換由MCU自帶的AD轉(zhuǎn)換外設(shè)完成。
2.1 電壓信號調(diào)理模塊
電壓調(diào)理模塊如圖2所示，該電路主要由信號調(diào)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(zhuǎn)換引腳端。由于蓄電池的電壓為12 V，而MCU可采樣轉(zhuǎn)換的最大電壓為3.3 V，故需要對電壓進行調(diào)理，該調(diào)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(diào)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(xiàn)故障時損壞MCU，提高系統(tǒng)的穩(wěn)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(wěn)定度、頻帶寬、設(shè)計靈活等優(yōu)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
Vout=Vbettery*R2/(R1+R2) (1)
2.2 電流信號調(diào)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(tǒng)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(zhuǎn)換引腳端，流過的電流i和
輸出電壓Vout之間關(guān)系如圖4所示。
由圖4可知，當沒有電流流過時，輸出電壓Vout為2.5 V;當流過的電流為正時，Vout大于2.5 V;當流過的電流為負時，Vout小于2.5 V，所以可根據(jù)以根據(jù)Vout與2.5 V的關(guān)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(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)之一。CAN總線作為本系統(tǒng)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，能夠很好地完成在蓄電池復雜的使用環(huán)境下穩(wěn)定可靠的監(jiān)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(nèi)部集成了CAN控制器，只需接入CAN驅(qū)動器L9616，由于各個電池節(jié)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(jié)點進行電氣隔離，本文選用ADI公司推出的雙通道數(shù)字磁耦隔離器ADUM1201，其芯片內(nèi)部提供正向和反向通信通道，不僅外圍電路設(shè)計方便，而且具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
