UPS电源输出电压及电池放电状态的监测分析

刘永强

（甘肃省气象信息与技术装备保障中心，甘肃 兰州 730020）

0 引 言

作为在电力、通信等行业均得到广泛应用的电源形式，UPS电源在供电稳定性和电能储备方面均有良好表现[1]。由于其自带蓄电池装置，因此可以满足移动设备的用电需求，整个UPS系统的电源放电情况监测效果决定着其在实际应用中的价值。通常情况下，UPS电源出现故障的概率较小，影响其使用寿命的重要因素就是对电源的不健康使用方式，例如过渡耗电、电源长时间处于低电量状态等[2]。相关实践表明，UPS电源蓄电池组的使用寿命波动范围可以达到10年，蓄电池参数差异或使用不当造成的使用寿命缩短是主要原因[3]。为了实现对电池状态的科学保养，对UPS电源状态进行监测成为保证其使用寿命的重要依据。对于大、中型的UPS直流电源而言，其对应的母线电压大多数为400 V，单个蓄电池难以满足其用电需求，需要通过串联多个电池组达到目标供电值[4]。但这种连接方式又在一定程度上加大对UPS电源监测的难度，传统的通过对蓄电池组端电压进行测量确定电源状态的方法已经无法满足监测要求。当电池组中电池的数量达到一定规模时，单体电源的劣化趋势并不明显，仅将电压测量值作为整组电源状态的分析标准是远远不够的[5]。现阶段关于电源监测的设备，例如电压巡检仪、电导测试仪以及内阻测试仪等都是对电源表观数据的监测，对实际放电状态的分析可以起到辅助作用。考虑到蓄电池电压不仅仅是对电源供电强度的反馈，其数值也间接受电源容量的影响，因此本文利用该特征进行UPS电源状态的监测。

面对市场对及时准确的电源状态监测方法的需求，本文以UPS电源为研究对象，提出了UPS电源输出电压及电池放电状态的监测分析研究，利用电源输出电压与电池放电状态之间的关系，实现对电源状态的准确监测，并通过实验验证了所提方法的有效性。通过本文的研究，以期为UPS电源的合理使用提供可靠的数据支持。

1 UPS电源状态监测方法

1.1 输出电压监测

实现对UPS电源输出电压监测的主要难点在于对电池放电状态的监测，考虑到电压与电池蓄电量之间的关系，本文利用Dallas公司推出的DS2438智能电池监视芯片实现对输出电压的监测，以此为基础间接实现对电池放电状态的检测[6]。

在对电源电压进行检测时，DS2438芯片内的二通道A/D转换器主要负责将电源的电能信号转化为芯片可识别的电压信号。同时为了避免电源运行功率过高引起监测芯片异常，内置的温度传感器可以实时采集监测环境内的温度数值，当出现其运行条件以外的数据信息时，通过人工调节的方式对其进行修正[7]。

由于UPS电源工作的过程中数据参数是以相对动态的形式存在的，而且产生的数据规模相对较大，因此采集到的电源数据都以文件的形式暂存在芯片内部的存储单元。当再次对同一电源或相同类型电源进行监测时，无需重复输入[8]。在对电源数据进行监测时，DS243作为单总线器件，其对信息的接受和发送都是通过单总线接口实现的。为了便于数据的统计，本文对DS2438的8个脚分别进行了SOIC表面贴装，封装后各个管脚对应的功能如表1所示。

表1 DS2438管脚功能设置

按照表1的设置方式，1号管脚DQ为DS2438的单总线接口，2号管脚VAD为电压转换的输入端，内部是10位的A/D转换器。在此模式下，当VDD的输入值为5 V时，6号管脚的测量范围为0～10 V，测量精度为10 mV。A/D输入的转换命令传输到DS2438时，启动对信号的转换功能，转换后的数据存储于电压寄存器。为了以防万一，当电压数据测量管脚出现异常时，8号备用管脚也可以实现数据采集功能。3号管脚和4号管脚主要负责电流转换，其数值主要是对电压监测结果的验证。为了避免串联电源过多导致管脚故障，在其外部添加了一个滑动变阻器。电流转换周期为0.012 s，通过设置可以实现自主转换。

1.2 电池放电状态监测

由于无法通过直接测量的方式得到电池的放电状态信息，因此本文利用电源输出电压与电池放电状态之间的关系，通过分析计算得到准确的数据[9]。

UPS电源的电池内阻、温度、总电流、总电压、单体电压以及放电量都会对电池的放电状态产生影响，在电池组的电荷状态（State Of Charge，SOC）为100%时，恒流放电模式下输出电压与SOC之间的关系如图1所示。

图1 输出电压与SOC关系

从图1可以看出，电池SOC为100%时，输出电压为电源电压的上限。随着电池的电压逐渐下降，SOC首先以相对平缓的趋势逐渐下降，在0.9～0.25阶段，均处于相对稳定的下降速率中。到达放电后期时，电压的下降速度明显加快。由此可以看出，UPS电源的输出电压与电池状态之间存在必然联系。

以此为基础，将BP神经网络应用于电池SOC估算。通过设置收敛区间，确保估算结果的曲线关系与理论值达到一定程度的契合，提高SOC数据的可靠性。考虑到电池电压等因素对SOC的影响，对数据进行处理。将电压、电流、内阻以及温度作为输入值，SOC作为输出值。为了加速收敛速度，对数据指标进行统一的量纲化处理，其处理方式为：

式中，y为处理后的数据，x为初始数据，xmin为初始数据最小值，xmax为初始数据最大值，ymin为处理后数据最小值，ymax为处理后数据最大值。将Sigmoid函数作为计算输出变量的基准函数，为了实现对输出精度的有效控制，设置Sigmoid的输出阈值为（0,1），通过这样的方式实现对UPS电源放电SOC的监测。

2 测试分析

将本文提出的监测方法在实际环境中进行应用测试，并将文献[3]提出的以电池内温度场分布情况为基础的电池状态监测技术、文献[4]提出的以局部温度变化识别为基础的电池状态监测方法以及文献[5]提出的直流电源状态监测系统作为对照组，分析4种方法的监测效果[10]。

2.1 仿真环境搭建

实验中的UPS电源额定容量为500 VA/300 W，允许输入交流电压为162～268 V，对应的频率为45～55 Hz，允许输出电压为220 V×（1±10%），对应的频率为（50±1） Hz。在半载状态下，电池的备用时间大于6 min，充电时间为15 h，对电能信号的转换时间为10 ms。正常工作环境条件为温度0～40℃，湿度20%～90%。输入谐波电流低于5%，输出电压精度最高不超过2%，以此为基础对其电压及放电状态进行监测。

2.2 监测结果分析

在上述基础上，分别利用4种方法各进行了10次测试。经初步对比，4种方法对电压的监测结果均与实际值一致。由于电压的监测可以直接通过相关设备采集得到，因此本文重点对比4种方法的SOC监测结果，具体如表2所示。

表2 不同方法SOC监测结果

观察表1可以看出，在4种监测方法中，文献[3]方法的误差基本稳定在2%左右，监测精度较低；文献[4]方法虽然对于部分数据的监测误差仅为0.28%，但稳定性较低，最大误差为3.25%；文献[5]方法的误差基本稳定在1%以内，虽然已经达到了一定程度的精准监测，但其与本文方法相比，仍存在提升空间。本文的监测结果与实际值的误差始终小于0.1%，在实际的电池应用中，可以实现高精度的状态监测，可以为电池充电管理提供可靠参考。

3 结 论

UPS电源作为一种重要的储能电源，在多个领域都得到了广泛应用。与其他类型的电源相比，其具有更高的便携性，但也正因如此，对其状态进行精准监测是确保其稳定供电的基础。UPS电源电压可通过直接测量的方式得到，但其放电状态的监测无法直接得到，因此本文提出以UPS电源电压为基础的电池放电状态监测方法。通过对直观数据电压的分析，计算电池剩余电荷的可用状态。通过本文的研究，以期为UPS电池状态的监测提供参考，解决电能过渡消耗带来的不便。