SUNEOM蓄電池（中國）運營銷售有限公司
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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。
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，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。
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。
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