王 寬， 賀昱曜 ， 鄭 普， 陳金平

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710043；3.長(zhǎng)安大學(xué) 電控學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著信息技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的用電設(shè)備使電網(wǎng)的負(fù)荷日益嚴(yán)重，并造成電能質(zhì)量惡化，突然斷電時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，為了設(shè)備的安全，不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視[1]。目前，UPS主要以閥控式鉛酸電池作為儲(chǔ)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(zhǔn)確判斷蓄電池是否失效，如果蓄電池未失效而更換電池，導(dǎo)致蓄電池的實(shí)際使用時(shí)間遠(yuǎn)小于期望的時(shí)間[2]，增加了再投資的費(fèi)用；如果蓄電池已經(jīng)失效而未更換，則會(huì)導(dǎo)致其他蓄電池的損壞[3]。因此準(zhǔn)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(zhǔn)確的判斷蓄電池的健康狀態(tài)。

本文設(shè)計(jì)出了一種蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要兩部分組成：一部分為下位機(jī)，主要用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的電壓、電流；另一部分為上位機(jī)，主要用來(lái)建模和計(jì)算，同時(shí)顯示并預(yù)報(bào)蓄電池的健康狀況，下位機(jī)通過(guò)CAN總線將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。該系統(tǒng)可在線監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓、電流，并進(jìn)行數(shù)據(jù)異常分析報(bào)警，同時(shí)采用遞推最小二乘法來(lái)估計(jì)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(jī)檢測(cè)板和上位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)包括PC客戶端和數(shù)據(jù)庫(kù)；下位機(jī)包括信號(hào)采集調(diào)理模塊，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。下位機(jī)檢測(cè)板選用STM32F103ZET6作為控制器，其主要用來(lái)采集電壓、電流值，并對(duì)采集到的值進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)不合理(電流過(guò)高或者電壓過(guò)高、過(guò)低)則認(rèn)為UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并報(bào)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(jī)將采集到數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并應(yīng)用遞推最小二乘法估計(jì)出模型的參數(shù)，同時(shí)根據(jù)開(kāi)路電壓與SOC的關(guān)系估計(jì)出蓄電池的SOC。上位機(jī)軟件采用DELPHI編寫(xiě)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the test system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

由圖1可知，本系統(tǒng)需要給UPS的每塊電池配備一個(gè)信號(hào)檢測(cè)板，其主要采集蓄電池的電壓、電流，對(duì)采樣值進(jìn)行合理性判斷，并把采集到的值通過(guò)CAN總線傳輸給上位機(jī)。STM32F103ZET6單片機(jī)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(hào)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(hào)調(diào)理、信號(hào)跟隨及信號(hào)隔離等電路組成。其中V out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(duì)電壓進(jìn)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(jí)電路對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的影響增加了信號(hào)跟隨電路，其主要由R3、C1和運(yùn)放1 A組成；為了避免蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)損壞MCU，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行隔離。本文選用美國(guó)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(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。文中的信號(hào)隔離部分由線性光耦HCNR201和運(yùn)放2 A、3 A組成。其最終的輸出電壓為

圖2 電壓檢測(cè)電路Fig.2 The voltage detection circuit

2.2 電流信號(hào)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(rèn)為電流流向蓄電池為負(fù)，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(cè)元件，可檢測(cè)電流的范圍為-50~50 A，流過(guò)電流與輸出電壓的比率為40 mV/A，其采樣電路如圖3所示，Iin和Iout端串入電路中，V out端連接MCU的AD轉(zhuǎn)換引腳端，流過(guò)的電流i和輸出電壓V out之間關(guān)系如圖4所示。

圖3 電流檢測(cè)電路Fig.3 The current detection circuit

圖4 ACS758電流-電壓關(guān)系Fig.4 The Current-Voltage curve of ACS758

由圖4可知，當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，輸出電壓V out為2.5 V；當(dāng)流過(guò)的電流為正時(shí)，V out大于2.5 V；當(dāng)流過(guò)的電流為負(fù)時(shí)，V out小于2.5 V，所以可根據(jù)以根據(jù)V out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總線又稱控制器局域網(wǎng)，是國(guó)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(yuǎn)、傳輸速度快、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制以及較強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)，能夠很好地完成在蓄電池復(fù)雜的使用環(huán)境下穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)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。STM32 F103ZET6內(nèi)部集成了CAN控制器，只需接入CAN驅(qū)動(dòng)器L9616，由于各個(gè)電池節(jié)點(diǎn)的供電電壓不會(huì)完全相同，為了保證CAN總線的正常工作，對(duì)總線的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jì)方便，而且具有較高的數(shù)據(jù)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(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 CAN通信接口電路Fig.5 The CAN communication interface circuit

3 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

由圖1可知，上位機(jī)需要對(duì)采集到的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示，同時(shí)對(duì)蓄電池的模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，求出蓄電池的核電狀態(tài)SOC，以便使用戶更好的掌握蓄電池的健康狀態(tài)。

3.1 模型參數(shù)識(shí)別

本文選取二階RC模型為電池模型[4]，如圖6所示，其中U oc為開(kāi)路電壓，R0為電池內(nèi)阻，R1和R2為極化電阻，C1和C2為極化電容，I為流經(jīng)內(nèi)阻的電流，U是電池端電壓。

圖6 二階RC模型電路Fig.6 the 2nd order RCequivalent battery model

該模型在頻域下的狀態(tài)方程為：

將電流I視為系統(tǒng)輸入，電壓U視為系統(tǒng)輸出，故需要辨識(shí)的參數(shù)有 U oc、R0、R1、R2、C1和 C2。 通過(guò) z 變換， 可將式（2）整理成差分方程的形式：

將式（3）寫(xiě)成最小二乘形式可得：

式中，φ（k）為數(shù)據(jù)向量，θ為待估計(jì)系數(shù)向量。

由 k1，k2，k3，k4，k5與電池模型參數(shù)的關(guān)系可得：

式中T為采樣時(shí)間。

可見(jiàn)，采用最小二乘法可以辨識(shí)出模型的全部參數(shù)。

3.2 荷電狀態(tài)（SOC）估計(jì)

蓄電池的開(kāi)路電壓與SOC之間的關(guān)系如圖7所示，可知，荷電狀態(tài)在10%~90%范圍內(nèi)與開(kāi)路電壓之間存在一定的線性關(guān)系，文獻(xiàn)[5]指出蓄電池的開(kāi)路電壓與SOC之間存在如下關(guān)系：

式中V oc為開(kāi)路電壓，Va為蓄電池充滿電時(shí)的開(kāi)路電壓，Vb為蓄電池充分放電時(shí)的開(kāi)路電壓。

圖7 開(kāi)路電壓-荷電狀態(tài)（SOC）關(guān)系曲線Fig.7 The relation curve of open circuit voltage-SOC

因此通過(guò)測(cè)量開(kāi)路電壓就可直接得到SOC[6]，由于蓄電池的開(kāi)路電壓可以通過(guò)最小二乘法估計(jì)出來(lái)，通過(guò)式（8）可得到蓄電池的荷電狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了說(shuō)明本系統(tǒng)的可行性，搭建了一套基于ARM的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)12 V、45 Ah蓄電池充電過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)。硬件檢測(cè)電路如圖8所示，上位機(jī)檢測(cè)界面如圖9所示，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，界面顯示每一個(gè)電池的健康狀態(tài)、工作狀態(tài)及SOC，點(diǎn)擊某一電池即可顯示其詳細(xì)狀態(tài)，此時(shí)蓄電池的監(jiān)測(cè)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)如表1所示。

圖8 硬件檢測(cè)電路Fig.8 The detection circuit of hardware

由表1可知，本文設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的估計(jì)出蓄電池健康狀態(tài)。

圖9 蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面Fig.9 Battery testing system PCinterface

表1 蓄電池監(jiān)測(cè)狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)結(jié)果Tab.1 The result of battery monitoring state and actual state

5 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種基于ARM的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在線隔離監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓和電流，同時(shí)將這些量通過(guò)CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)電腦顯示并存儲(chǔ)，利用最小二乘法識(shí)別出蓄電池模型的參數(shù)，并估計(jì)出蓄電池的荷電狀態(tài)。該系統(tǒng)能夠直觀的顯示蓄電池當(dāng)前的各個(gè)狀態(tài)，并形象的顯示狀態(tài)的變化趨勢(shì)，以便使用戶準(zhǔn)確判斷電池的健康狀態(tài)，從而延長(zhǎng)電池的壽命，提高UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

[1]周東方，孫朝斌，沈小青．基于CAN總線的UPS電源電池檢測(cè)方法[J]．電源技術(shù)，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]鄧春華．UPS系統(tǒng)中蓄電池充電的研究[D]．湖北：華中科技大學(xué)，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]張彥琴，郭凱，劉漢雨．鉛酸電池模型及參數(shù)辨識(shí)研究[J]．蓄電池，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]喬波強(qiáng)，侯振義，網(wǎng)佑民．蓄電池剩余容量預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．電源世界，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]崔瓊，舒杰，吳志鋒，等．應(yīng)用牛頓插值法估算鉛酸蓄電池SOC[J]．電力電子技術(shù)，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.