1、UPS蓄電池管理系統的原理與應用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（UPS）的蓄電池管理系統的解決方案。全文從UPS電池工作原理入手，論述了電池性能指標及影響因素，分析比較了電池管理系統與傳統電池性能檢測方法的差異，最后闡述了電池管理系統的軟硬件組成結構、工作原理及實際應用。關鍵詞：UPS、蓄電池、電池檢測、電池管理0引言UPS電源系統作為為空管設備供電的核心，為空管設備提供不間斷的供電。而UPS系統中電池是平均無故障時間最短

2、的器件。如何對電池性能進行檢測和維護，直接決定了UPS供電的可靠性與穩定性。如果蓄電池性能下降，甚至失效，那么再優良的UPS也無法提供后備電源，這對供電可靠性要求極高的設備，后果將是災難性的。那么如何實現對UPS電池的有效管理就成為一個重要課題，本文提供了一套優秀的電池管理系統解決方案。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蓄電池作為儲存電能的裝置。蓄電池先用直流電源對其充電，將電能轉化為化學能而儲存起來。當市電中斷時，UPS電源將靠儲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的實現，首先必須了解蓄電池的工作原理及特點，從而有針對性地去設計蓄電池管

3、理系統，才能在蓄電池的檢測和維護工作中掌握重點。1.1 電池工作原理蓄電池主要由正負極板群、電解液、隔板、電池槽蓋、安全閥和極柱端子等零部件組成。正、負極板都由板柵和活性物質構成，其中正極板上的活性物質是二氧化鉛(PbO2)，負極板上的活性物質為海綿狀鉛(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極板上的硫酸鉛分解為二氧化鉛和海綿狀鉛。放電時，正極板的二氧化鉛和負極板的海綿狀鉛與電解液中的硫酸反應，逐漸轉化為硫酸鉛。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，導致正極板產生氧氣，負極板產生氫氣。若這

4、些氣體流失，就必須給蓄電池定期補給水。而作為UPS的蓄電池，由于其長期處于浮充狀態和很小的自放電狀態，蓄電池始終不處于正常工作狀態，因而，較其他蓄電池更容易產生粗大的硫酸鉛結晶體，此現象就是所說的不可逆硫酸鹽化。這時，電池在充電過程中，其化學反應就不夠充分，從而表現為電池充電難。1.2 表征電池性能的相關參數 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。一般規定為以一定的放電率放電，放到最低允許使用電壓時所能獲得的電量。而電池的額度容量，以固定鉛酸蓄電池為例，規定為在25環境下，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間長短。依據IEC標準，放電時間率有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環境溫度下放電至能再反復充電使用的最低電壓稱為放電終止電壓。大多數固定型蓄電池規定以10小時放電率放電時（25）終土電壓為1.8V/只。終止電壓值視放電速率和需要而規定。為使電池安全運行，小電流放電時終止電壓取值稍高，大電流放電時終止電壓取值稍低。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載電流作放電倍率來測量電池的放電容量。 1.2.2電池內阻

6、電池內阻有歐姆內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、結構及裝配因素有關。后者由電化學極化和濃差極化引起，這些電阻是在電池放電或充電過程，兩電極進行電化學反應時極化產生的內阻。極化電阻除與制造工藝、電極結構、活性物質的活性有關外，還與電池工作電流大小、溫度等因素有關。電池內阻決定了電池工作電壓、工作電流和輸出能量。電池的內阻對電池的使用性能影響很大。在充放電時，它要消耗電池的能量，使電池發熱，限制電池電流的增加，降低電池的工作電壓；在成組使用時，電池內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，導致電池的使用安全和使用壽命大大降

7、低。因此對于UPS電池組而言，如何保證其電池內阻的一致性就尤為重要，必須做到對單體電池內阻的準確監測。1.2.3電池電動勢及電池電壓 當蓄電池用導體在外部接通時，正極和負極的電化反應自發地進廳，倘若電池中電能與化學能轉換達到平衡時，正極的平衡電極電勢與負極平衡電極電勢的差值，便是電池電動勢，它在數值上等于達到穩定值時的開路電壓。但電池電動勢與開路電壓意義不同，電動勢可依據電池中的反應利用熱力學計算或通過測量汁算，有明確的物理意義。后者只在數字上近于電動勢，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，其性能將出現不斷下降的情況，具體表現為蓄電池實際容量下降、內阻增大、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部陽極鈍化和水分的揮發。影響蓄電池性能的因素包括：環境溫度和深度放電。環境溫度升高后，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，加速電池老化。另一方面溫度升高會造成電池固有存儲壽命縮短。配置帶有溫度補償功能的充電器可上述情況緩解，但不能消除。而溫度降低會使蓄電池所提供的有效容量下降。結合以上兩點，要消除環境溫度帶來的不利影響，最好的辦法就是控制蓄電池環境溫度，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重要原因，這種情況極易發生在采用具有固定的“蓄電池電壓過低自動關機”保護電路閾值設計方案中，而絕大多數UPS均采用此種方案。由于空管系統的UPS往往配置成長延時供電系統，后備時間很長，而實際負載往往不大，極易造成蓄電池的深度放電。而對電池性能的影響因素最終變現為電池相關參數的變化，如何控制影響蓄電池性能的因素就成為關鍵，要實現合理的控制首先必須實現對電池各項參數的精確檢測。2 傳統檢測方法傳統的電池檢測方法一般為離線式測量，或通過測量儀表外加負載的方式進行測量。這些檢測方法一方面對測量精度低，無法連續實時檢測，另一方面降低了UPS運行的可靠性。要準

10、確測量電池的容量(C)/儲備能量(W)是很困難的。比較簡單的方法是：測量電池的實時電流和與之對應的實時電壓，算出電池的實時電量（Ah 或mAh）和能量（Wh或kWh）以及電池容量/能量與時間的關系。實際離線檢測中，將整組蓄電池組脫離通信電源系統并上電阻絲，以八或十小時率恒流放電，然后以最先到達放電終止電壓的某一單體蓄電池的放電時間與電流，來推算其容量。而電池內阻的測量，因為電池的內阻是有源元件，所以電池的內阻不能用普通歐姆電表測量電阻的方法，而必須用特殊的方法去測量。電池內阻的測量，一般有交流法和直流法兩種。但不管用那一種方法，所測得的都只是一定使用條件下電池的歐姆內阻。換言之，電池的電化學反

11、應極化電阻(Re)是很難測量的。電池的內阻一般在電池制造廠產品質量檢測時逐個進行測量，但只能測一定負荷下的歐姆電阻。另一個極其重要的就是電池溫度的測量，應當測量每個單體電池內部的溫度。但是，測量電池內部的溫度是很困難的。所以一般可用測量電極柱表面溫度的方法測量電池的溫度。因為電極柱與電極集電體相聯，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部溫度很相近，溫度傳導滯后也不大。3 電池管理系統3.1系統功能本系統能實現對UPS蓄電池組中的單體電池的在線檢測，包括單體電池電壓、單體電池內阻、單體電池溫度、環境溫度、蓄電池組電壓、蓄電池組的充放電流。通過檢測電池的外特性參數（如電

12、壓、電流、溫度等），采用適當的算法，實現電池內部狀態（如容量和SOC等）的估算和監控，這是電池管理系統有效運行的基礎和關鍵。系統采用在線智能設計，自動適應不同的運行環境，定時對蓄電池內阻進行檢測，在檢測過程中區別于傳統方法，不需要對電池進行離線充放電，不需要改變電池運行狀態，很大程度上減少了檢測維護時的運行風險。在獲取了電池各項參數的實時數據后，通過上位機監控軟件，實現電池均衡管理、充放電管理、故障報警等功能，還可以繪制充放電曲線、記錄歷史數據、告警和實時數據的導出。3.2系統結構總的來說，電池管理系統按照實現方式可以分為兩大類: 一類是基于芯片的電池管理系統; 另一類是基于分立式器件的電池管

13、理系統。基于芯片的電池管理系統一般將前端采集電路、均衡電路以及電量計量算法、通訊功能等集成在芯片中，輔以外圍電路完成對電池的管理功能，基于分立器件的電池管理系統，有基于純硬件和基于軟硬件協調工作的解決方案，而軟硬件協調工作方案由于實現更靈活、功能更完善，被廣泛采用。本文所述系統采用后者。電池管理系統由接口電路、軟件系統組成。由傳感器完成單只電池模擬量的采集，并傳送至參數采集單元，并由處理器匯集該電池組各只電池的數據，也就是一個蓄電池管理單元。由于需要對多組電池組進行管理，各個蓄電池管理單元的數據通過串行通信傳送至交換機，從而與上位機進行連接。上位機的軟件部分，負載對各項數據進行分析處理，并傳送

14、至終端顯示。3.2.1硬件組成目前，在UPS電池管理系統中必須有監控模塊，即蓄電池管理單元，其對蓄電池的監控管理起主要作用。各種監控模塊控制功能大小不一，結構上差異也較大，但是系統組成的框圖類似，即由單片機采集單元作下位機，計算機作上位機，調節檢測板采集信息數據。系統結構框圖如下：圖1.電池管理系統結構框圖蓄電池參數檢測板和控制板組成了一個蓄電池管理單元，硬件上它包括了多路開關、AD變換器及放大器等部分。它將從蓄電池檢測的電壓、電流先經模擬開關通道選擇，再經過放大后，由AD變換器處理變為數據。控制板上設置了單片機，由它完成數據處理和接口處理。最后可通過交換機將多組數據傳送至上位機。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；干接點接口：向外提供一路干接點信號，用于告警；通信接口：用于和外部進行RS485通信。內阻注入信號接口：通過這兩個接口可以分別向兩組電池注入電流信號。 3.2.2軟件組成上位機接受到來自蓄電池管理單元的數據后，由軟件監控部分跟蹤蓄電池組和單只電池工作狀況，并對各種工作狀況采取相應的控制。最終得以實現蓄電池管理系統的各項功能。SmartBatMonitor是該電池管理系統的上位機監控軟件。該

16、軟件采用MODBUS通信協議，通過485串口通信對電池管理單元進行實時監控。SmartBatMonitor主界面采用多文檔視圖，主要包括工具欄、站點窗口、數據窗口。軟件界面如下圖：圖3.電池管理系統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，包括顯示設備列表、模擬量與告警量以及設置量的切換，歷史放電曲線的查詢與保存，告警記錄的查詢與保存，內阻的采集，系統的設置等。站點窗口用于指示當前在線的站點，即某一電池管理單元所連接的電池組，可切換不同站點，修改站點名稱。數據窗口包含模擬量、告警量、設置量三個標簽頁。其中模擬量提供數字和圖形兩種顯示方式，用于顯示當前站點電池組各只電池的電壓、內阻、溫度、電流；告警量記錄當前告警和告警起始時間；設置量用于電池管理系統的配置信息。4 應用實例以對航管樓并機UPS蓄電組的管理為例，航管樓UPS蓄電池管理系統的組網示意圖如下：圖4. 航管樓UPS電池管理系統組網示意圖通過10個電池管理單元（BHM）對航管樓并機UPS的10組共計350只電池進行實時監控和管理。通過該系統在日常維護中檢測發現部分電池性能明顯異于其他電池，表現為電池內阻增大、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 結束語UPS蓄電池的維護保障，對空管設備供電安全尤為重要。通過對UPS蓄電池管理系統的實際應用表明，該系統在日常維護管理