中图分类号：TP39；TM912 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2025）07-0014-05
Abstract：Inorder to meet therequirements of high stabilityand the chalenges of powersupply under complex working conditions，the keyroleofbatery management system inimproving theoverallperformanceofUPSsystemand enhancing the adaptabilityofcomplex environmentisanalyzed.AimingatthecharacteristicsofUPS，anefcient andreliableDCUPs Batery Management System isdesignedand implemented.The systemcan acurately monitor thecurrent，voltageand temperature， realize the accurate trackingof thechargequantityand have the functions ofovercurrent protectionandovertemperature detection.Italsorealizesreal-time monitoringofbaterystatus，Stateof Charge（SOC）estimation，bateryqualizationontrol， faultalarandprotectionmechasm，suresbateryafetyprolongsitsserviceife，andacieveseconomicandevioetal protection goals.
Keywords： DC UPS; battery management; battry status monitoring; State of Charge estimation
0 引言
1 系统设计
在当前社会对电力供应的高稳定性和连续性要求下，直流不间断电源系统（DCUPS）的电池管理系统（BMS）已成为确保关键基础设施（如数据中心、通信基站、工业自动化系统、医疗设备以及交通设施）电力安全运行的基石。
BMS系统可以实时监控电池状态，准确诊断电池的健康状况，有效预防过充和过放，从而延长电池寿命并提高UPS的效能。此外，故障预警与保护机制的建立保证了系统的安全可靠运行，而低功耗与模块化设计则提升了系统的经济性，与绿色高能效的行业趋势相吻合，因此，该系统在工程中得到了越来越多的应用[1]。
直流UPS电池管理系统采用STM32核心芯片，管理系统由电压采集电路、充放电控制电路、充电均衡电路、库仑计电路、通信模块等构成。MCU通过前端模拟部分进行电压与电量采集，当发生过充或过放时，通过充放电控制电路进行保护。当电压不均衡时，使用充电均衡电路进行电压均衡，以保护电池安全；同时，使用算法计算当前电池容量，并与UPS等设备进行通信。在设计过程中，充分考虑了低功耗设计，符合绿色发展理念，并注重成本控制，尽量符合生产规范。为充分考虑电压匹配性、电池安全性、循环寿命以及BMS对电池性能优化的重要性等因素，本设计采用了4节磷酸铁锂电池串联，并通过一套高效的电池管理系统（BMS）进行精细管理。BMS不仅可以实时获取每节电池的状态信息（如电压、电流、温度及SOC），确保各节电池之间的均衡运行，延长整个电池组的使用寿命；同时还能精确执行各种保护策略，预防潜在的安全隐患，全面提升系统的稳定性和可靠性[2]。
系统架构如图1所示，该系统综合了温度、电压和电流采集模块，可确保电池单元状态得以实时跟踪，预防过热、过压及过流情况的发生。通过内置的均衡模块，有效解决了电池单元间的性能差异问题，从而提升了电池组的整体寿命。
图1系统架构设计框图微控制器单元（MCU）作为数据处理与决策中心，基于复杂算法分析传感器数据并执行相应控制策略。此外，系统具备对外通信能力，可与外部设备交换信息，实现电池状态的远程监控和策略调整[3]
2 电路设计
2.1 电池前端采样电路设计
电池前端采样芯片BQ76920的电路设计如图2（a）与图2（b）所示。图2（a）是芯片的外围电路，BQ76920芯片的VCn引脚（VC1至VC5）用于连接串联电池组中的各节电池，实现电池电压的实时采样。在本设计中，由于只使用4颗锂电池，根据芯片手册将VC4与VC5进行短接。每个VCn引脚对应一节电池，通过内置的高精度模数转换器（ADC），芯片能够以预定的采样周期对各节电池电压进行测量，并将结果存储在相应的寄存器中，供主控制器通过PC接口读取[4-5]。
REGSRC引脚作为内部稳压器的输入，连接至电池组正极，为芯片提供稳定的电源。REGOUT引脚则为内部电路和外部设备提供稳定的电源输出，可选择 2 . 5 V 或 3 . 3 V 电压等级。在本设计中，使用3 . 3 V 电压等级的芯片。
CHG和DSG引脚分别作为充电FET和放电FET的驱动输出，控制电池组的充放电过程。在本设计中，这些引脚连接至高端MOS管驱动芯片，以实现对电池组的充放电控制。
TS1引脚用于连接外部热敏电阻，以便于后续锂电池的热管理，实现对电池组温度的实时监控。
当BQ76920芯片侦测到过压、欠压、过流、短路等保护事件时，ALERT引脚告警信号输出高电平，通知主控制器采取相应措施。
图2（b）实现了BQ76920芯片的采样与外部电池平衡功能。当芯片采样锂电池电压时， 1 0 0 Ω 电阻与 1 μ F 的电容形成了RC低通滤波器，使采样的电压更加平滑。当芯片对电池进行平衡时，芯片内部将需要平衡的电池两端短接，外部平衡MOS管将开启，多余电能通过两颗 8 0 . 6 Ω 电阻进行耗散，达到平衡电池组的目的。
SRP和SRN引脚连接电流采样电路，该电路的核心是外接的低阻抗电流采样电阻Rsense。当电流流过Rsense时，产生的电压降被BQ76920芯片内部的ADC采样并转换为数字信号。为防止过大的电流导致Rsense过热，我们选择了一个功率等级足够且温升较小的电阻，并在其附近布置了适当的散热措施。此外，在引脚输入端增加了一个RC低通滤波器，滤除高频噪声干扰，确保电流测量的准确性[。
（a）BQ76920芯片组构成的电池前端采样电路
图2前端采样电路
2.2充放电控制电路设计
设计构建的BQ76200外围电路如图3所示，其核心任务是通过驱动N-MOS管来精确调控锂电池组的充放电过程。具体而言，CHG与DSG引脚分别对应两组MOS管的驱动控制。其中，考虑到放电电流通常大于充电电流，放电路径采用了两颗并联的MOS管，以确保系统在大电流输出情境下的稳定性。由于采用高侧驱动方式，N-MOS管的栅极驱动电压需高于电池组电压。为此，BQ76200芯片内部集成了电荷泵电路，只需将一个 4 7 0 n F 的陶瓷电容连接至VDDCP引脚，即可为芯片提供所需的高电压驱动[7-8]。
图3BQ76200芯片构成的锂电池充放电控制电路PACKDIV引脚提供了PACK + 电压的分压模拟信号，这一功能对于主机系统实时监测电池包电压至关重要，确保了电池状态监测的准确性与实时响应。考虑到本设计采用 3 . 3 V 供电的微控制器（MCU），PACKDIV信号需先经分压至 3 . 3 V 以下，方可适配单片机ADC引脚的电压范围。
2.3微处理器与模块连接设计
MCU外围电路以及与模块的连接图如图4所示。 P B0 ～ P B3 、PB6用于控制电池高端控制模块，并读取电池包总电压。电池前端采样模块与MCU的IIC引脚相连，用于通信。ALERT引脚连接至MCU的外部中断引脚，一旦芯片检测到任何保护事件，MCU将即时响应中断，迅速进行相应处理[9]。
电池充放电的控制信号源自前端采样芯片，并传递至高端控制模块进行执行。在设计中特别考虑了MCU故障场景下的系统安全性：即使MCU出现故障，前端采样模块仍能保持独立运作。例如，遭遇短路等异常情况时，前端采样模块能自主切断输出，有效防止潜在危险，显著提升系统的整体安全性[10]。
在供电方案上，MCU的电源供给由模拟前端采样芯片BQ76920直接提供，无须增设单独的供电模块。此举不仅降低了系统功耗，还减少了硬件成本，实现了节能与经济性的双重优化。
3 BMS软件方案设计
本设计的软件流程图如图5所示。系统启动后，首先进行初始化操作，这包括设置各种参数，如电压、电流、温度等阈值，以及通信协议等，还需要对电池组进行初始化，例如读取电池的初始状态等。系统初始化完成后，需要判断电池组是否已连接到UPS。如果未连接，则跳过后续步骤；如果已连接，则继续执行下一步。根据电池组的状态（即是否连接到UPS），决定是否开启或关闭充电、放电MOS。如果电池组已连接到UPS，则开启充电、放电MOS，否则关闭充电、放电MOS。开启充电、放电MOS后，开始测量电池的数据，包括电压、电流、温度等。这些数据将用于后续的电池状态判断和SOC计算。根据测量得到的电池数据，判断电池的状态。例如，如果电池的电压或温度超过预设的阈值，则认为电池处于异常状态；否则，认为电池处于正常状态。根据电池的状态和测量得到的数据，计算电池的荷电状态（SOC）。SOC对于UPS系统的稳定运行具有重要意义。最后，将测量得到的电池数据和计算得到的SOC发送到UPS。这样，UPS可以根据这些数据调整其工作模式，以确保系统的稳定运行[]。
图5软件流程图4实验测试及结果分析
完成硬件组装后，需要对电池管理系统进行全方位测试，确保达到设计需求。
4.1基础功能测试
基础功能测试内容如下：
1）硬件检查。目视检查电路板上的元器件安装状态，包括处理器、传感器、芯片等，确认焊接无误。
2）上电测试。接通电源，检查各芯片供电是否正常。将固件烧写进MCU，查看串口通信反馈信息，验证系统初始化过程，确认无异常报警。
3）基本功能测试。通过软件或专用工具，检查电路板与外部设备的初步通信能力，如发送和接收测试指令。
依次使用直流电源对BMS进行0.2C电流（即1.2A）充电1小时，再通过串口获取BMS数据。
从电池组中取出电池B0进行充电，使该电池电压高于其他电池 0 . 2V ，然后安装进BMS中。激活BMS的均衡功能，程序每隔2分钟监测一次电池组中单体电池电压的变化情况，并绘图。数据如图6所示，电池B0起初处于过电压状态。随着BMS均衡机制的介入，逐步释放了B0中多余的电能，保证所有单体电池的电压差在允许范围内，最终实现了电压均衡，增强了电池组的稳定性并延长了使用寿命。
图6电池均衡电压数据4.2 测试结果
将BMS测量数据与万用表测量数据进行对比，表1结果显示，BMS传感器读数与标准设备读数的误差均在 0 . 5 % 的范围内，传感器数据准确可靠。
表1BMS数据表SOC计算精确度则对比直流电源数据，BMS估算的SOC值与理论值相比误差较小，证明了计算方法的有效性。
5结论
直流UPS电池管理系统基本达到了设计要求的性能标准，但仍存在提升空间。在BMS通信方面，考虑到增强通信的稳定性和抗干扰能力，可以考虑将现有的232串口升级为485串口，或采用CAN总线通信技术。这不仅能提升数据传输的速率，还能在复杂电磁环境中确保信号的清晰度和可靠性。
为了提升保护机制的响应速度与效率，可以尝试给系统添加智能负载预测算法。基于历史数据预测负载模式，提前调整充放电策略，当发生异常情况时及时断开电源。同时，添加快速响应的电子保护器件，如快速熔断器和高精度温度传感器，确保在过流、过热等紧急状况下立即响应，增加系统安全性。
在后续的研究工作中，可以通过上述策略，以增强系统的整体效能，进一步推动系统的智能化和可靠性，为未来的实际应用提供更坚实的基础。
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作者简介：陈文琪（2005一），女，汉族，江苏连云港人，本科在读，研究方向：电力系统自动化控制；张军（1971—），男，汉族，江苏连云港人，研发部经理，本科，研究方向：汽车传感器应用研发。
