UPS电池管理系统的原理与应用

1、UPS蓄电池管理系统的原理与应用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间断电源系统（UPS）的蓄电池管理系统的解决方案。全文从UPS电池工作原理入手，论述了电池性能指标及影响因素，分析比较了电池管理系统与传统电池性能检测方法的差异，最后阐述了电池管理系统的软硬件组成结构、工作原理及实际应用。关键词：UPS、蓄电池、电池检测、电池管理0引言UPS电源系统作为为空管设备供电的核心，为空管设备提供不间断的供电。而UPS系统中电池是平均无故障时间最短

2、的器件。如何对电池性能进行检测和维护，直接决定了UPS供电的可靠性与稳定性。如果蓄电池性能下降，甚至失效，那么再优良的UPS也无法提供后备电源，这对供电可靠性要求极高的设备，后果将是灾难性的。那么如何实现对UPS电池的有效管理就成为一个重要课题，本文提供了一套优秀的电池管理系统解决方案。1 UPS蓄电池概述目前在UPS不间断电源中，广泛使用密封式兔维护蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能而储存起来。当市电中断时，UPS电源将靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作。要了解电池管理系统的实现，首先必须了解蓄电池的工作原理及特点，从而有针对性地去设计蓄电池管

3、理系统，才能在蓄电池的检测和维护工作中掌握重点。1.1 电池工作原理蓄电池主要由正负极板群、电解液、隔板、电池槽盖、安全阀和极柱端子等零部件组成。正、负极板都由板栅和活性物质构成，其中正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极板上的活性物质为海绵状铅(Pb)。电解液是用蒸馏水(H2O)和纯硫酸(H2SO4)按一定的比例配成。其充电过程就是正负极板上的硫酸铅分解为二氧化铅和海绵状铅。放电时，正极板的二氧化铅和负极板的海绵状铅与电解液中的硫酸反应，逐渐转化为硫酸铅。可见充放电过程是可逆的。但是由于在充电过程中，有水生成，那么在充电后期就有可能有水被电解，导致正极板产生氧气，负极板产生氢气。若这

4、些气体流失，就必须给蓄电池定期补给水。而作为UPS的蓄电池，由于其长期处于浮充状态和很小的自放电状态，蓄电池始终不处于正常工作状态，因而，较其他蓄电池更容易产生粗大的硫酸铅结晶体，此现象就是所说的不可逆硫酸盐化。这时，电池在充电过程中，其化学反应就不够充分，从而表现为电池充电难。1.2 表征电池性能的相关参数 1.2.1电池容量电池的容量(C)是指从电池中获得的电量，用Ah 表示。一般规定为以一定的放电率放电，放到最低允许使用电压时所能获得的电量。而电池的额度容量，以固定铅酸蓄电池为例，规定为在25环境下，以10 h率电流放电至终止电压所能获得电量。10h率额定容量用C10表示。那么这就涉及到

5、放电率和放电终止电压的概念。放电率指在一定放电条件下，放电至放电终止电压的时间长短。依据IEC标准，放电时间率有20h、 10h、5h、3h、lh、0.5h率及分钟率。而放电终止电压为铅蓄电池以一定的放电率25环境温度下放电至能再反复充电使用的最低电压称为放电终止电压。大多数固定型蓄电池规定以10小时放电率放电时（25）终土电压为1.8V/只。终止电压值视放电速率和需要而规定。为使电池安全运行，小电流放电时终止电压取值稍高，大电流放电时终止电压取值稍低。不同的放电率，电池有不同的容量。放电率越大，电池的容量越小。所以，一般都是采用常用负载电流作放电倍率来测量电池的放电容量。 1.2.2电池内阻

6、电池内阻有欧姆内阻和极化电阻两部分。前者由电极村料、隔膜、电解液、接线柱等组成，除此，还与电池尺寸、结构及装配因素有关。后者由电化学极化和浓差极化引起，这些电阻是在电池放电或充电过程，两电极进行电化学反应时极化产生的内阻。极化电阻除与制造工艺、电极结构、活性物质的活性有关外，还与电池工作电流大小、温度等因素有关。电池内阻决定了电池工作电压、工作电流和输出能量。电池的内阻对电池的使用性能影响很大。在充放电时，它要消耗电池的能量，使电池发热，限制电池电流的增加，降低电池的工作电压；在成组使用时，电池内阻一致性误差的存在，使电池组各单体电池的电压或电流的一致性变坏，导致电池的使用安全和使用寿命大大降

7、低。因此对于UPS电池组而言，如何保证其电池内阻的一致性就尤为重要，必须做到对单体电池内阻的准确监测。1.2.3电池电动势及电池电压 当蓄电池用导体在外部接通时，正极和负极的电化反应自发地进厅，倘若电池中电能与化学能转换达到平衡时，正极的平衡电极电势与负极平衡电极电势的差值，便是电池电动势，它在数值上等于达到稳定值时的开路电压。但电池电动势与开路电压意义不同，电动势可依据电池中的反应利用热力学计算或通过测量汁算，有明确的物理意义。后者只在数字上近于电动势，需视电池的可逆程度而定。电池工作电压，及我们常说的电池电压是指电池有电流通过（闭路）时的端电压，它分为充电电压和放电电压。1.3影响蓄电池性

8、能的因素UPS蓄电池在使用过程中，其性能将出现不断下降的情况，具体表现为蓄电池实际容量下降、内阻增大、电池初始放电电压下降。从电池工作原理可知，影响蓄电池性能下降的主要原因就是在蓄电池不断充放电过程中内部阳极钝化和水分的挥发。影响蓄电池性能的因素包括：环境温度和深度放电。环境温度升高后，蓄电池所允许的浮充电压阈值将下降，从而使电池处于过压充电状态，加速电池老化。另一方面温度升高会造成电池固有存储寿命缩短。配置带有温度补偿功能的充电器可上述情况缓解，但不能消除。而温度降低会使蓄电池所提供的有效容量下降。结合以上两点，要消除环境温度带来的不利影响，最好的办法就是控制蓄电池环境温度，将工作温度控制在

9、20至25度。深度放电是蓄电池寿命缩短的另一个重要原因，这种情况极易发生在采用具有固定的“蓄电池电压过低自动关机”保护电路阈值设计方案中，而绝大多数UPS均采用此种方案。由于空管系统的UPS往往配置成长延时供电系统，后备时间很长，而实际负载往往不大，极易造成蓄电池的深度放电。而对电池性能的影响因素最终变现为电池相关参数的变化，如何控制影响蓄电池性能的因素就成为关键，要实现合理的控制首先必须实现对电池各项参数的精确检测。2 传统检测方法传统的电池检测方法一般为离线式测量，或通过测量仪表外加负载的方式进行测量。这些检测方法一方面对测量精度低，无法连续实时检测，另一方面降低了UPS运行的可靠性。要准

10、确测量电池的容量(C)/储备能量(W)是很困难的。比较简单的方法是：测量电池的实时电流和与之对应的实时电压，算出电池的实时电量（Ah 或mAh）和能量（Wh或kWh）以及电池容量/能量与时间的关系。实际离线检测中，将整组蓄电池组脱离通信电源系统并上电阻丝，以八或十小时率恒流放电，然后以最先到达放电终止电压的某一单体蓄电池的放电时间与电流，来推算其容量。而电池内阻的测量，因为电池的内阻是有源元件，所以电池的内阻不能用普通欧姆电表测量电阻的方法，而必须用特殊的方法去测量。电池内阻的测量，一般有交流法和直流法两种。但不管用那一种方法，所测得的都只是一定使用条件下电池的欧姆内阻。换言之，电池的电化学反

11、应极化电阻(Re)是很难测量的。电池的内阻一般在电池制造厂产品质量检测时逐个进行测量，但只能测一定负荷下的欧姆电阻。另一个极其重要的就是电池温度的测量，应当测量每个单体电池内部的温度。但是，测量电池内部的温度是很困难的。所以一般可用测量电极柱表面温度的方法测量电池的温度。因为电极柱与电极集电体相联，而且都是由传热性能较好的铜和铝材料做成，所以电极柱的温度与电芯内部温度很相近，温度传导滞后也不大。3 电池管理系统3.1系统功能本系统能实现对UPS蓄电池组中的单体电池的在线检测，包括单体电池电压、单体电池内阻、单体电池温度、环境温度、蓄电池组电压、蓄电池组的充放电流。通过检测电池的外特性参数（如电

12、压、电流、温度等），采用适当的算法，实现电池内部状态（如容量和SOC等）的估算和监控，这是电池管理系统有效运行的基础和关键。系统采用在线智能设计，自动适应不同的运行环境，定时对蓄电池内阻进行检测，在检测过程中区别于传统方法，不需要对电池进行离线充放电，不需要改变电池运行状态，很大程度上减少了检测维护时的运行风险。在获取了电池各项参数的实时数据后，通过上位机监控软件，实现电池均衡管理、充放电管理、故障报警等功能，还可以绘制充放电曲线、记录历史数据、告警和实时数据的导出。3.2系统结构总的来说，电池管理系统按照实现方式可以分为两大类: 一类是基于芯片的电池管理系统; 另一类是基于分立式器件的电池管

13、理系统。基于芯片的电池管理系统一般将前端采集电路、均衡电路以及电量计量算法、通讯功能等集成在芯片中，辅以外围电路完成对电池的管理功能，基于分立器件的电池管理系统，有基于纯硬件和基于软硬件协调工作的解决方案，而软硬件协调工作方案由于实现更灵活、功能更完善，被广泛采用。本文所述系统采用后者。电池管理系统由接口电路、软件系统组成。由传感器完成单只电池模拟量的采集，并传送至参数采集单元，并由处理器汇集该电池组各只电池的数据，也就是一个蓄电池管理单元。由于需要对多组电池组进行管理，各个蓄电池管理单元的数据通过串行通信传送至交换机，从而与上位机进行连接。上位机的软件部分，负载对各项数据进行分析处理，并传送

14、至终端显示。3.2.1硬件组成目前，在UPS电池管理系统中必须有监控模块，即蓄电池管理单元，其对蓄电池的监控管理起主要作用。各种监控模块控制功能大小不一，结构上差异也较大，但是系统组成的框图类似，即由单片机采集单元作下位机，计算机作上位机，调节检测板采集信息数据。系统结构框图如下：图1.电池管理系统结构框图蓄电池参数检测板和控制板组成了一个蓄电池管理单元，硬件上它包括了多路开关、AD变换器及放大器等部分。它将从蓄电池检测的电压、电流先经模拟开关通道选择，再经过放大后，由AD变换器处理变为数据。控制板上设置了单片机，由它完成数据处理和接口处理。最后可通过交换机将多组数据传送至上位机。蓄电池管理单

15、元接口面板如下图：图2.电池管理单元接口面板图各接口主要功能如下：电源输入口：接受市电输入；电池连接端子：外接电池采样电缆，为电池电压信号的输入通道；电流传感器接口：外接电流传感器，为电池充放电流的输入通道；干接点接口：向外提供一路干接点信号，用于告警；通信接口：用于和外部进行RS485通信。内阻注入信号接口：通过这两个接口可以分别向两组电池注入电流信号。 3.2.2软件组成上位机接受到来自蓄电池管理单元的数据后，由软件监控部分跟踪蓄电池组和单只电池工作状况，并对各种工作状况采取相应的控制。最终得以实现蓄电池管理系统的各项功能。SmartBatMonitor是该电池管理系统的上位机监控软件。该

16、软件采用MODBUS通信协议，通过485串口通信对电池管理单元进行实时监控。SmartBatMonitor主界面采用多文档视图，主要包括工具栏、站点窗口、数据窗口。软件界面如下图：图3.电池管理系统软件主界面软件工具栏提供了所有本软件的快捷操作通道，包括显示设备列表、模拟量与告警量以及设置量的切换，历史放电曲线的查询与保存，告警记录的查询与保存，内阻的采集，系统的设置等。站点窗口用于指示当前在线的站点，即某一电池管理单元所连接的电池组，可切换不同站点，修改站点名称。数据窗口包含模拟量、告警量、设置量三个标签页。其中模拟量提供数字和图形两种显示方式，用于显示当前站点电池组各只电池的电压、内阻、温度、电流；告警量记录当前告警和告警起始时间；设置量用于电池管理系统的配置信息。4 应用实例以对航管楼并机UPS蓄电组的管理为例，航管楼UPS蓄电池管理系统的组网示意图如下：图4. 航管楼UPS电池管理系统组网示意图通过10个电池管理单元（BHM）对航管楼并机UPS的10组共计350只电池进行实时监控和管理。通过该系统在日常维护中检测发现部分电池性能明显异于其他电池，表现为电池内阻增大、电池放电初始电压极低，最终通过更换电池解决了电池安全隐患。5 结束语UPS蓄电池的维护保障，对空管设备供电安全尤为重要。通过对UPS蓄电池管理系统的实际应用表明，该系统在日常维护管理