摘要：蓄電池是UPS系統的重要組成部分，對蓄電池進行在線監測，及時掌握蓄電池的健康狀態，對提高UPS系統的可靠性具有重要意義。本文設計了一種基於ARM的蓄電池在線監測系統。該系統可在線監測蓄電池的電壓、電流，同時通過CAN總線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並根據開路電壓與SOC的關係估計出蓄電池的荷電狀態(SOC)。通過上位機軟體可以直觀的顯示蓄電池的健康狀態，及時發現失效電池，延長蓄電池的使用壽命，保證UPS系統的安全運行。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201609/303589.htm關鍵詞：鉛酸電池;二階RC等效電路;參數識別;荷電狀態SOC
隨著信息技術，網際網路及經濟的快速發展，越來越多的用電設備使電網的負荷日益嚴重，並造成電能質量惡化，突然斷電時有發生，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 故障是由於蓄電池失效引起的。由於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於期望的時間，增加了再投資的費用;如果蓄電池已經失效而未更換，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部狀態可以使我們更準確的判斷蓄電池的健康狀態。
本文設計出了一種蓄電池在線監測系統，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，同時顯示並預報蓄電池的健康狀況，下位機通過CAN總線將檢測到的數據傳輸給上位機。該系統可在線監測蓄電池的電壓、電流，並進行數據異常分析報警，同時採用遞推最小二乘法來估計出蓄電池的內部參數及荷電狀態。
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客戶端和資料庫;下位機包括信號採集調理模塊，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，其主要用來採集電壓、電流值，並對採集到的值進行判斷，如果數據不合理(電流過高或者電壓過高、過低)則認為UPS系統出現故障，並報警。本系統選用二階RC等效電路作為蓄電池的模型，上位機將採集到數據存入資料庫，並應用遞推最小二乘法估計出模型的參數，同時根據開路電壓與SOC的關係估計出蓄電池的SOC。上位機軟體採用DELPHI編寫，數據存儲資料庫為SQL。
2 硬體電路設計
由圖1可知，本系統需要給UPS的每塊電池配備一個信號檢測板，其主要採集蓄電池的電壓、電流，對採樣值進行合理性判斷，並把採集到的值通過CAN總線傳輸給上位機。S TM32F103ZET6單片機自帶16路12位的AD採樣通道，因此AD採樣轉換由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。由於蓄電池的電壓為12 V，而MCU可採樣轉換的最大電壓為3.3 V，故需要對電壓進行調理，該調理電路由R1和R2串聯分壓組成;為了使避免後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損壞MCU，提高系統的穩定性，對採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、高穩定度、頻帶寬、設計靈活等優點。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 電流信號調理模塊
由於蓄電池存在充電和放電兩種狀態，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，可檢測電流的範圍為-50～50 A，流過電流與輸出電壓的比率為40mV/A，其採樣電路如圖3所示，Iin和Iout端串入電路中，Vout端連接MCU的AD轉換引腳端，流過的電流i和
輸出電壓Vout之間關係如圖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大於2.5 V;當流過的電流為負時，Vout小於2.5 V，所以可根據以根據Vout與2.5 V的關係來判斷蓄電池是充電還是放電。
2.3 CAN通信模塊
CAN總線又稱控制器區域網，是國際上應用最廣泛的區域網之一。CAN總線作為本系統的通信網絡，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幹擾能力等特點，能夠很好地完成在蓄電池複雜的使用環境下穩定可靠的監測其健康狀態的任務。
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驅動器L9616，由於各個電池節點的供電電壓不會完全相同，為了保證CAN總線的正常工作，對總線的各個節點進行電氣隔離，本文選用ADI公司推出的雙通道數字磁耦隔離器ADUM1201，其晶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，時序精度和瞬態共模抑制能力，能夠提高系統的穩定性。