UPS電池管理系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

1、UPS蓄電池管理系統(tǒng)的原理與應(yīng)用The principle and application of UPS battery management system覃建(民航西南空管局，成都 610202)摘要：本文提供了一套交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的蓄電池管理系統(tǒng)的解決方案。全文從UPS電池工作原理入手，論述了電池性能指標(biāo)及影響因素，分析比較了電池管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池性能檢測(cè)方法的差異，最后闡述了電池管理系統(tǒng)的軟硬件組成結(jié)構(gòu)、工作原理及實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：UPS、蓄電池、電池檢測(cè)、電池管理0引言UPS電源系統(tǒng)作為為空管設(shè)備供電的核心，為空管設(shè)備提供不間斷的供電。而UPS系統(tǒng)中電池是平均無故障時(shí)間最短

2、的器件。如何對(duì)電池性能進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，直接決定了UPS供電的可靠性與穩(wěn)定性。如果蓄電池性能下降，甚至失效，那么再優(yōu)良的UPS也無法提供后備電源，這對(duì)供電可靠性要求極高的設(shè)備，后果將是災(zāi)難性的。那么如何實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS電池的有效管理就成為一個(gè)重要課題，本文提供了一套優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)解決方案。1 UPS蓄電池概述目前在UPS不間斷電源中，廣泛使用密封式兔維護(hù)蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置。蓄電池先用直流電源對(duì)其充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲(chǔ)存起來。當(dāng)市電中斷時(shí)，UPS電源將靠?jī)?chǔ)存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作。要了解電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，首先必須了解蓄電池的工作原理及特點(diǎn)，從而有針對(duì)性地去設(shè)計(jì)蓄電池管

3、理系統(tǒng)，才能在蓄電池的檢測(cè)和維護(hù)工作中掌握重點(diǎn)。1.1 電池工作原理蓄電池主要由正負(fù)極板群、電解液、隔板、電池槽蓋、安全閥和極柱端子等零部件組成。正、負(fù)極板都由板柵和活性物質(zhì)構(gòu)成，其中正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海綿狀鉛(Pb)。電解液是用蒸餾水(H2O)和純硫酸(H2SO4)按一定的比例配成。其充電過程就是正負(fù)極板上的硫酸鉛分解為二氧化鉛和海綿狀鉛。放電時(shí)，正極板的二氧化鉛和負(fù)極板的海綿狀鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)，逐漸轉(zhuǎn)化為硫酸鉛。可見充放電過程是可逆的。但是由于在充電過程中，有水生成，那么在充電后期就有可能有水被電解，導(dǎo)致正極板產(chǎn)生氧氣，負(fù)極板產(chǎn)生氫氣。若這

4、些氣體流失，就必須給蓄電池定期補(bǔ)給水。而作為UPS的蓄電池，由于其長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)和很小的自放電狀態(tài)，蓄電池始終不處于正常工作狀態(tài)，因而，較其他蓄電池更容易產(chǎn)生粗大的硫酸鉛結(jié)晶體，此現(xiàn)象就是所說的不可逆硫酸鹽化。這時(shí)，電池在充電過程中，其化學(xué)反應(yīng)就不夠充分，從而表現(xiàn)為電池充電難。1.2 表征電池性能的相關(guān)參數(shù) 1.2.1電池容量電池的容量(C)是指從電池中獲得的電量，用Ah 表示。一般規(guī)定為以一定的放電率放電，放到最低允許使用電壓時(shí)所能獲得的電量。而電池的額度容量，以固定鉛酸蓄電池為例，規(guī)定為在25環(huán)境下，以10 h率電流放電至終止電壓所能獲得電量。10h率額定容量用C10表示。那么這就涉及到

5、放電率和放電終止電壓的概念。放電率指在一定放電條件下，放電至放電終止電壓的時(shí)間長(zhǎng)短。依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，放電時(shí)間率有20h、 10h、5h、3h、lh、0.5h率及分鐘率。而放電終止電壓為鉛蓄電池以一定的放電率25環(huán)境溫度下放電至能再反復(fù)充電使用的最低電壓稱為放電終止電壓。大多數(shù)固定型蓄電池規(guī)定以10小時(shí)放電率放電時(shí)（25）終土電壓為1.8V/只。終止電壓值視放電速率和需要而規(guī)定。為使電池安全運(yùn)行，小電流放電時(shí)終止電壓取值稍高，大電流放電時(shí)終止電壓取值稍低。不同的放電率，電池有不同的容量。放電率越大，電池的容量越小。所以，一般都是采用常用負(fù)載電流作放電倍率來測(cè)量電池的放電容量。 1.2.2電池內(nèi)阻

6、電池內(nèi)阻有歐姆內(nèi)阻和極化電阻兩部分。前者由電極村料、隔膜、電解液、接線柱等組成，除此，還與電池尺寸、結(jié)構(gòu)及裝配因素有關(guān)。后者由電化學(xué)極化和濃差極化引起，這些電阻是在電池放電或充電過程，兩電極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化產(chǎn)生的內(nèi)阻。極化電阻除與制造工藝、電極結(jié)構(gòu)、活性物質(zhì)的活性有關(guān)外，還與電池工作電流大小、溫度等因素有關(guān)。電池內(nèi)阻決定了電池工作電壓、工作電流和輸出能量。電池的內(nèi)阻對(duì)電池的使用性能影響很大。在充放電時(shí)，它要消耗電池的能量，使電池發(fā)熱，限制電池電流的增加，降低電池的工作電壓；在成組使用時(shí)，電池內(nèi)阻一致性誤差的存在，使電池組各單體電池的電壓或電流的一致性變壞，導(dǎo)致電池的使用安全和使用壽命大大降

7、低。因此對(duì)于UPS電池組而言，如何保證其電池內(nèi)阻的一致性就尤為重要，必須做到對(duì)單體電池內(nèi)阻的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。1.2.3電池電動(dòng)勢(shì)及電池電壓 當(dāng)蓄電池用導(dǎo)體在外部接通時(shí)，正極和負(fù)極的電化反應(yīng)自發(fā)地進(jìn)廳，倘若電池中電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換達(dá)到平衡時(shí)，正極的平衡電極電勢(shì)與負(fù)極平衡電極電勢(shì)的差值，便是電池電動(dòng)勢(shì)，它在數(shù)值上等于達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)的開路電壓。但電池電動(dòng)勢(shì)與開路電壓意義不同，電動(dòng)勢(shì)可依據(jù)電池中的反應(yīng)利用熱力學(xué)計(jì)算或通過測(cè)量汁算，有明確的物理意義。后者只在數(shù)字上近于電動(dòng)勢(shì)，需視電池的可逆程度而定。電池工作電壓，及我們常說的電池電壓是指電池有電流通過（閉路）時(shí)的端電壓，它分為充電電壓和放電電壓。1.3影響蓄電池性

8、能的因素UPS蓄電池在使用過程中，其性能將出現(xiàn)不斷下降的情況，具體表現(xiàn)為蓄電池實(shí)際容量下降、內(nèi)阻增大、電池初始放電電壓下降。從電池工作原理可知，影響蓄電池性能下降的主要原因就是在蓄電池不斷充放電過程中內(nèi)部陽(yáng)極鈍化和水分的揮發(fā)。影響蓄電池性能的因素包括：環(huán)境溫度和深度放電。環(huán)境溫度升高后，蓄電池所允許的浮充電壓閾值將下降，從而使電池處于過壓充電狀態(tài)，加速電池老化。另一方面溫度升高會(huì)造成電池固有存儲(chǔ)壽命縮短。配置帶有溫度補(bǔ)償功能的充電器可上述情況緩解，但不能消除。而溫度降低會(huì)使蓄電池所提供的有效容量下降。結(jié)合以上兩點(diǎn)，要消除環(huán)境溫度帶來的不利影響，最好的辦法就是控制蓄電池環(huán)境溫度，將工作溫度控制在

9、20至25度。深度放電是蓄電池壽命縮短的另一個(gè)重要原因，這種情況極易發(fā)生在采用具有固定的“蓄電池電壓過低自動(dòng)關(guān)機(jī)”保護(hù)電路閾值設(shè)計(jì)方案中，而絕大多數(shù)UPS均采用此種方案。由于空管系統(tǒng)的UPS往往配置成長(zhǎng)延時(shí)供電系統(tǒng)，后備時(shí)間很長(zhǎng)，而實(shí)際負(fù)載往往不大，極易造成蓄電池的深度放電。而對(duì)電池性能的影響因素最終變現(xiàn)為電池相關(guān)參數(shù)的變化，如何控制影響蓄電池性能的因素就成為關(guān)鍵，要實(shí)現(xiàn)合理的控制首先必須實(shí)現(xiàn)對(duì)電池各項(xiàng)參數(shù)的精確檢測(cè)。2 傳統(tǒng)檢測(cè)方法傳統(tǒng)的電池檢測(cè)方法一般為離線式測(cè)量，或通過測(cè)量?jī)x表外加負(fù)載的方式進(jìn)行測(cè)量。這些檢測(cè)方法一方面對(duì)測(cè)量精度低，無法連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，另一方面降低了UPS運(yùn)行的可靠性。要準(zhǔn)

10、確測(cè)量電池的容量(C)/儲(chǔ)備能量(W)是很困難的。比較簡(jiǎn)單的方法是：測(cè)量電池的實(shí)時(shí)電流和與之對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)電壓，算出電池的實(shí)時(shí)電量（Ah 或mAh）和能量（Wh或kWh）以及電池容量/能量與時(shí)間的關(guān)系。實(shí)際離線檢測(cè)中，將整組蓄電池組脫離通信電源系統(tǒng)并上電阻絲，以八或十小時(shí)率恒流放電，然后以最先到達(dá)放電終止電壓的某一單體蓄電池的放電時(shí)間與電流，來推算其容量。而電池內(nèi)阻的測(cè)量，因?yàn)殡姵氐膬?nèi)阻是有源元件，所以電池的內(nèi)阻不能用普通歐姆電表測(cè)量電阻的方法，而必須用特殊的方法去測(cè)量。電池內(nèi)阻的測(cè)量，一般有交流法和直流法兩種。但不管用那一種方法，所測(cè)得的都只是一定使用條件下電池的歐姆內(nèi)阻。換言之，電池的電化學(xué)反

11、應(yīng)極化電阻(Re)是很難測(cè)量的。電池的內(nèi)阻一般在電池制造廠產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)時(shí)逐個(gè)進(jìn)行測(cè)量，但只能測(cè)一定負(fù)荷下的歐姆電阻。另一個(gè)極其重要的就是電池溫度的測(cè)量，應(yīng)當(dāng)測(cè)量每個(gè)單體電池內(nèi)部的溫度。但是，測(cè)量電池內(nèi)部的溫度是很困難的。所以一般可用測(cè)量電極柱表面溫度的方法測(cè)量電池的溫度。因?yàn)殡姌O柱與電極集電體相聯(lián)，而且都是由傳熱性能較好的銅和鋁材料做成，所以電極柱的溫度與電芯內(nèi)部溫度很相近，溫度傳導(dǎo)滯后也不大。3 電池管理系統(tǒng)3.1系統(tǒng)功能本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS蓄電池組中的單體電池的在線檢測(cè)，包括單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻、單體電池溫度、環(huán)境溫度、蓄電池組電壓、蓄電池組的充放電流。通過檢測(cè)電池的外特性參數(shù)（如電

12、壓、電流、溫度等），采用適當(dāng)?shù)乃惴?，?shí)現(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)（如容量和SOC等）的估算和監(jiān)控，這是電池管理系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。系統(tǒng)采用在線智能設(shè)計(jì)，自動(dòng)適應(yīng)不同的運(yùn)行環(huán)境，定時(shí)對(duì)蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)過程中區(qū)別于傳統(tǒng)方法，不需要對(duì)電池進(jìn)行離線充放電，不需要改變電池運(yùn)行狀態(tài)，很大程度上減少了檢測(cè)維護(hù)時(shí)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。在獲取了電池各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)電池均衡管理、充放電管理、故障報(bào)警等功能，還可以繪制充放電曲線、記錄歷史數(shù)據(jù)、告警和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總的來說，電池管理系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)方式可以分為兩大類: 一類是基于芯片的電池管理系統(tǒng); 另一類是基于分立式器件的電池管

13、理系統(tǒng)。基于芯片的電池管理系統(tǒng)一般將前端采集電路、均衡電路以及電量計(jì)量算法、通訊功能等集成在芯片中，輔以外圍電路完成對(duì)電池的管理功能，基于分立器件的電池管理系統(tǒng)，有基于純硬件和基于軟硬件協(xié)調(diào)工作的解決方案，而軟硬件協(xié)調(diào)工作方案由于實(shí)現(xiàn)更靈活、功能更完善，被廣泛采用。本文所述系統(tǒng)采用后者。電池管理系統(tǒng)由接口電路、軟件系統(tǒng)組成。由傳感器完成單只電池模擬量的采集，并傳送至參數(shù)采集單元，并由處理器匯集該電池組各只電池的數(shù)據(jù)，也就是一個(gè)蓄電池管理單元。由于需要對(duì)多組電池組進(jìn)行管理，各個(gè)蓄電池管理單元的數(shù)據(jù)通過串行通信傳送至交換機(jī)，從而與上位機(jī)進(jìn)行連接。上位機(jī)的軟件部分，負(fù)載對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并傳送

14、至終端顯示。3.2.1硬件組成目前，在UPS電池管理系統(tǒng)中必須有監(jiān)控模塊，即蓄電池管理單元，其對(duì)蓄電池的監(jiān)控管理起主要作用。各種監(jiān)控模塊控制功能大小不一，結(jié)構(gòu)上差異也較大，但是系統(tǒng)組成的框圖類似，即由單片機(jī)采集單元作下位機(jī)，計(jì)算機(jī)作上位機(jī)，調(diào)節(jié)檢測(cè)板采集信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖1.電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖蓄電池參數(shù)檢測(cè)板和控制板組成了一個(gè)蓄電池管理單元，硬件上它包括了多路開關(guān)、AD變換器及放大器等部分。它將從蓄電池檢測(cè)的電壓、電流先經(jīng)模擬開關(guān)通道選擇，再經(jīng)過放大后，由AD變換器處理變?yōu)閿?shù)據(jù)。控制板上設(shè)置了單片機(jī)，由它完成數(shù)據(jù)處理和接口處理。最后可通過交換機(jī)將多組數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。蓄電池管理單

15、元接口面板如下圖：圖2.電池管理單元接口面板圖各接口主要功能如下：電源輸入口：接受市電輸入；電池連接端子：外接電池采樣電纜，為電池電壓信號(hào)的輸入通道；電流傳感器接口：外接電流傳感器，為電池充放電流的輸入通道；干接點(diǎn)接口：向外提供一路干接點(diǎn)信號(hào)，用于告警；通信接口：用于和外部進(jìn)行RS485通信。內(nèi)阻注入信號(hào)接口：通過這兩個(gè)接口可以分別向兩組電池注入電流信號(hào)。 3.2.2軟件組成上位機(jī)接受到來自蓄電池管理單元的數(shù)據(jù)后，由軟件監(jiān)控部分跟蹤蓄電池組和單只電池工作狀況，并對(duì)各種工作狀況采取相應(yīng)的控制。最終得以實(shí)現(xiàn)蓄電池管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。SmartBatMonitor是該電池管理系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件。該

16、軟件采用MODBUS通信協(xié)議，通過485串口通信對(duì)電池管理單元進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。SmartBatMonitor主界面采用多文檔視圖，主要包括工具欄、站點(diǎn)窗口、數(shù)據(jù)窗口。軟件界面如下圖：圖3.電池管理系統(tǒng)軟件主界面軟件工具欄提供了所有本軟件的快捷操作通道，包括顯示設(shè)備列表、模擬量與告警量以及設(shè)置量的切換，歷史放電曲線的查詢與保存，告警記錄的查詢與保存，內(nèi)阻的采集，系統(tǒng)的設(shè)置等。站點(diǎn)窗口用于指示當(dāng)前在線的站點(diǎn)，即某一電池管理單元所連接的電池組，可切換不同站點(diǎn)，修改站點(diǎn)名稱。數(shù)據(jù)窗口包含模擬量、告警量、設(shè)置量三個(gè)標(biāo)簽頁(yè)。其中模擬量提供數(shù)字和圖形兩種顯示方式，用于顯示當(dāng)前站點(diǎn)電池組各只電池的電壓、內(nèi)阻、溫度、電流；告警量記錄當(dāng)前告警和告警起始時(shí)間；設(shè)置量用于電池管理系統(tǒng)的配置信息。4 應(yīng)用實(shí)例以對(duì)航管樓并機(jī)UPS蓄電組的管理為例，航管樓UPS蓄電池管理系統(tǒng)的組網(wǎng)示意圖如下：圖4. 航管樓UPS電池管理系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖通過10個(gè)電池管理單元（BHM）對(duì)航管樓并機(jī)UPS的10組共計(jì)350只電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。通過該系統(tǒng)在日常維護(hù)中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分電池性能明顯異于其他電池，表現(xiàn)為電池內(nèi)阻增大、電池放電初始電壓極低，最終通過更換電池解決了電池安全隱患。5 結(jié)束語(yǔ)UPS蓄電池的維護(hù)保障，對(duì)空管設(shè)備供電安全尤為重要。通過對(duì)UPS蓄電池管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在日常維護(hù)管理