CN101477149B - 电池内阻在线直流检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池内阻在线直流检测方法，包括以下步骤：检测蓄电池在电源设备中自检放电时的放电电流，当放电电流瞬时值大于设定上限值时，将其记录为第一电流值，并检测此时刻蓄电池中单体电池的电压，将其记录为第一电压值；当放电电流瞬时值小于设定下限值时，将其记录为第二电流值，并检测此时刻单体电池的电压，将其记录为第二电压值；将第一电压值与第二电压值之差除以第一电流值与第二电流值之差得到单体电池的内阻。还公开了一种应用此检测方法的蓄电池内阻在线直流检测系统。利用电源设备自身的自检放电，本发明提供了测试手段简单且检测精度高的蓄电池内阻在线检测方法和系统。

Description

电池内阻在线直流检测方法和系统

技术领域

本发明涉及蓄电池，特别是涉及一种蓄电池内阻在线直流检测方法和系统。

背景技术

蓄电池作为电源系统停电时的备用电源，已广泛的应用于工业生产、交通和通信等行业。如果电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必须对蓄电池的运行参数进行全面的在线监测。蓄电池状态的重要标志之一就是它的内阻。无论是蓄电池即将失效、容量不足或是充放电不当，都能从它的内阻变化中体现出来。因此可以通过测量蓄电池内阻，对其工作状态进行评估。目前测量蓄电池内阻的常见方法有：

(1)密度法

密度法主要通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口式铅酸电池的内阻测量，不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量。该方法的适用范围窄。

(2)开路电压法

开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池内阻，精度很差，甚至得出错误结论。因为即使一个容量已经变得很小的蓄电池，再浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。

(3)直流放电法

直流放电法就是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。目前这种方法已经在实践中得到了广泛的应用，一些主流厂家的电池在线监侧仪就是采用直流放电发进行电池内阻的测试。直流放电法内阻计算公式如下：

$R=\frac{U_2-U_1}{I_2-I_1}$

其中，I1表示放电电流瞬时值，U1表示对应时刻的单体电池电压，I2表示放电结束瞬间的电流，U2表示对应时刻的单体电池电压。

(4)交流注入法

交流法是通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号Is，测量出蓄电池两端的电压响应信号Vo以及两者的相位差θ，由阻抗公式

Z＝V₀/I_s及R＝Zcosθ

来确定蓄电池的内阻R。交流法注入电流的频率一般选择在100Hz到1KHz之间。如图1所示，根据电池内阻的阻抗频谱特性，在该频率范围内可以相对比较稳定获得电池组内部的高频电阻成分。目前也有一些厂家的电池在线监侧仪及大多数手持式的便携内阻表采用的是这种方法。

由于密度法和开路电压法自身的局限性，很少有应用在电池内阻的在线检测中，目前电池内阻在线检测仪通常使用的都是直流放电法或交流注入法。这两种方法存在各自的优点和缺点，就检测精度及可信度而言，一般理论上认为直流法较交流法更好，原因如下：

对蓄电池内阻的分析通常可以简化成对图2所示模型的分析，可以看出，采用直流放电法，所计算到的电池内阻包含R1和R2两部分。而如果采用交流注入法，由于注入的交流电流会被电池等效电容C旁路掉，只能测得占电池内阻约55％的R1部分，即高频电阻成分。而占电池内阻约45％的R2部分无法测得。另外，直流法放电电流大，故可以得到几十毫伏到上百毫伏的电压响应，远大于交流法微伏级的电压响应，因此信号检测误差较小，计算精度高。

但是直流放电法通常需要提供几十安培的放电电流，因而放电电阻体积大，功耗大，测试仪体积无法做小。并且这种大电流的放电测试也不能频繁进行，所监测的内阻数据实时性就不强。此外，大电流放电对蓄电池本身也可能造成损害，影响蓄电池的容量及寿命。

相比而言，交流注入法不需对蓄电池进行放电，只需要设计一个交流信号发生器来给电池注入几百毫安左右的交流电流。因此采用交流注入法的在线电池内阻测试仪通常可以设计的比较小巧。但相比直流法，前文已经介绍过，交流法的在测试数据可信度及检测精度方面还是存在明显的不足。

无论直流放电法还是交流注入法，它们有一个共同的特点，就是都需要通过主动的对在线运行的电池组施加影响(比如逐节放电或逐节注入电流信号)，检测蓄电池对该影响的响应并据此来计算内阻，其缺点如下：

1、利用直流放电法或交流注入法的内阻测试仪，通常要包含电池放电负载单元，或者需要一个一定功率的交流信号源。此外，还需要一套复杂的切换电路，使电池组中串联的每节电池可以通过该切换电路被逐一接入到放电负载单元或交流信号源。

2、采用直流放电或交流注入法进行在线检测，例如检测图3电池组中BAT2的内阻，则要内阻检测设备通过B、C两个连接点给电池放电，或注入交流信号，并且同时要从B、C两点读取电压响应来计算内阻。这样测试电流会会流经内阻测试仪与电池间连接点，该连接点阻抗将被计算入电池内阻，对于毫欧级的电池内阻而言，这种内阻测试仪信号线的相对较大的连接阻抗将严重影响内阻测试精度。因此通常不得不将注入回路/放电通路和检测回路分开，即再增加一组内阻仪与电池之间的连线，专门注入信号或提供放电通路，再通过另一组连线专门检测电压响应以排除连接点阻抗的影响。复杂程度的增加是显而易见的。

3、直流放电或交流注入法会对电池施加直流或交流电流，并检测电池的响应来计算内阻，实际上电源设备工作过程中已经在实时的对电池注入电流，无论是直流或交流。因此，采用直流放电或交流注入法，其采集到的这种电压响应，包含的就不仅是对测试仪所主动注入电流的响应，它还包含了对电源设备注入电流的响应。如果不对其进行区分，测试仪得出就是错误结果。举例来说：对于UPS系统，采用直流放电法的测试仪在某一时刻对电池组中的一节电池进行50A放电来测算内阻，但与此同时，UPS的充电器可能正在以40A对该电池进行充电，测试仪必须同时把充电电流将造成的影响也考虑在内才能准确算出电池内阻。同样，对于采用交流注入法的测试仪，某一时刻可能对电池组中的某节电池注入100HZ的500mA的电流，对通常的UPS蓄电池而言，这种注入可能得到几百微伏到1毫伏的电压响应。而电源设备运行过程中对蓄电池注入的各种频率交流电流的电压响应可能达到几百毫伏，内阻测试仪必须在这几百毫伏的背景电压中精确选择出其注入电流对应的微伏级的响应，但这通常需要复杂的电路，精度必然难以得到保证。

发明内容

本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，利用电源设备自身的自检放电，提供一种测试手段简单且检测精度高的蓄电池内阻在线直流检测方法和系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种蓄电池内阻在线直流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.检测蓄电池在电源设备中自检放电时的放电电流，当放电电流瞬时值大于设定上限值时，将其记录为第一电流值，并检测此时刻蓄电池中单体电池的电压，将其记录为第一电压值；

B.当放电电流瞬时值小于设定下限值时，将其记录为第二电流值，并检测此时刻所述单体电池的电压，将其记录为第二电压值；

C.将所述第一电压值与所述第二电压值之差除以所述第一电流值与所述第二电流值之差，得到所述单体电池的内阻。

所述设定上限值的取值范围为11A～100A，且所述设定下限值的取值范围为0A～5A。

所述步骤B中，先判断是否是在预定时间内放电结束，当判断为是时，完成所述步骤B。

优选地，所述预定时间不大于1秒。

优选地，所述步骤A之前还包括：在所述电源设备上设置一种蓄电池内阻自检放电模式，在所述模式下蓄电池按设定电流放电并持续0.1秒～10秒。

一种蓄电池内阻在线直流检测系统，其特征在于，包括：

电流检测模块，用于检测蓄电池的第一电流值和第二电流值，所述第一电流值为蓄电池在电源设备自检放电过程中超过设定上限值时的放电电流瞬时值，所述第二电流值为在所述自检放电过程中低于设定下限值时的放电电流瞬时值；

电压检测模块，用于检测蓄电池中单体电池上的第一电压值和第二电压值，所述第一电压值为所述第一电流值测取时刻的电压值，所述第二电压值为所述第二电流值测取时刻的电压值；和

信号处理模块，用于根据所述第一、二电流值和第一、二电压值计算所述单体电池的内阻。

所述设定上限值的取值范围为11A～100A，所述设定下限值的取值范围为0A～5A。

还包括放电时间监视模块，用于监视是否是在预定时间内结束放电，并通知所述信号处理模块。

优选地，所述预定时间不大于1秒。

优选地，还包括中央监控模块，用于存储、分析来自所述信号处理模块的处理数据，并提供告警、数据输出以及数据显示的手段。

本发明有益的技术效果是：

本发明中，蓄电池通过电源设备自检时发生的放电来测试蓄电池内阻，从而定期获得直流内阻测试数据，可以相对全面地监控电池组中各单体电池的内阻状态变化趋势以及评判各单体电池性能的好坏，从而达到最佳的电池监控效果。

相比现有的采用直流放电法或交流注入法的内阻检测方法，本发明利用电源设备自身自检放电的工作特性，不需要由检测仪对蓄电池施加任何影响，仅通过检测即可精确计算出电池内阻。这种基于电源设备自身工作特性所进行的内阻检测方法，具有如下显著优点：

1、本发明不需要设置传统直流放电法通常需要的电池放电负载单元以及配套使用的复杂的切换电路，从而大大降低了在线检测设备的复杂程度，提高了设备可靠性并缩小了设备体积。

2、本发明所利用的直流放电电流由电源设备本身产生，它不流经内阻测试设备与电池之间的信号线，因此对测试结果不会造成影响，这也避免大幅度增加检测设备的复杂程度。具体来说，由于本发明不需要内阻检测设备通过信号线连接点为蓄电池放电，因而不会发生由于测试电流流经内阻检测设备与电池间的连接点，使得该连接点阻抗被计入电池内阻，导致严重影响内阻测试精度的问题，从而，也不需要为了解决这一问题而将注入回路和检测回路分开，即通过一组内阻仪与电池之间的连线用于专门注入信号，再通过另一组连线专门检测电压响应来排除连接点阻抗的影响。

3、本发明利用电源设备实际工作过程中蓄电池的自检放电电流进行内阻检测，因此，其采集到的电压响应，就是蓄电池在电源设备的自检工作模式下的电压响应，避免了在测试仪的放电测试过程中，电源设备同时对该蓄电池进行充电以及对蓄电池注入各种频率的纹波电流而造成影响，这样，本发明不需要设置复杂的相关检测电路以精确选择出对测试放电电流的响应。由于本发明是基于电源设备自身工作性质的内阻检测，其完全不受传统直流放电方法中电源设备的对蓄电池注入信号的干扰，故检测精度高。

附图说明

图1为蓄电池阻抗谱图；

图2为蓄电池内阻的简化模型图；

图3展示了注入回路和检测回路结合在一起的内阻检测设备；

图4展示了蓄电池组在电源设备中的常见连接；

图5展示了本发明蓄电池内阻在线直流检测方法实施例的流程；

图6为本发明蓄电池内阻在线直流检测系统实施例的结构框图。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

具体实施方式

对于大多数应用蓄电池的电源设备，例如UPS(不间断电源)、通信电源、电力操作电源等，蓄电池通常会按例如图4所示的方式与电源系统连接。一方面，蓄电池要与作为充电器的功率变换器连接，进行储能充电，另一方面，其又要与实现能量输出的功率变换器进行连接，在适当的时候将电池的储能通过功率变换释放出去。处于在线运行的电源系统中的电池组，大多数时间处于充电或浮充状态，另外少部分时间则处于放电状态。作为蓄电池充电器的功率变换器通常为AC/DC(交流/直流)或DC/DC(直流/直流)变换器，常见为工频整流电源或高频开关电源，变换器的输出通过电容滤波后获得直流充电电压并作用到蓄电池上。

目前，大多数UPS等电源系统通常设置有定期蓄电池自检功能，即定期的执行蓄电池放电，让电池组放出一定的容量，并根据放电过程中电池组总电压下降的幅度和下降的速度，来判断整个电池组性能。但该功能往往只能粗略判断整个电池组的整体性能，不能具体到蓄电池中各单体电池的性能。例如，如果几十节电池中只有一节单体电池的性能稍稍出现下降，而其它电池正常，则这种电池自检功能就不能发现问题。

本发明利用电源设备上述的自检放电特性，作出了巧妙改进，实现对蓄电池各单体电池直流内阻的定期获取。

如图5所示，在一种实施例中，蓄电池内阻在线直流检测方法包括以下步骤：

步骤1、自检直流放电时检测蓄电池的放电电流，即若检测到电池放电电流高于设定上限值，则触发放电法内阻检测功能，待放电电流相对稳定时，记录放电电流值和各单体电池电压值。

步骤2、触发后，若检测到放电电流低于设定下限值，则记录该时刻放电电流值和电池电压值。

由于放电时间过长时电压差中包含电池电动势下降部分，其将导致内阻检测数据不正确，因此本步骤优选先判断放电时间是否超出预定时间，若放电时间预定时间时，例如超过10秒时，放弃已测得的数据。

步骤3、代入公式(1)计算放电法内阻：

$R=\frac{U_2-U_1}{I_2-I_1}---\left(1\right)$

其中，I1表示放电电流瞬时值，U1表示对应时刻的单体电池电压，I2表示放电结束瞬间的电流，U2表示对应时刻的单体电池电压。通过计算，可以获得相应单体电池内阻R。

应了解，本文中术语“电流瞬时值”并非严格指达到设定值瞬间时刻的值，为有利于实际测试，还包括非严格的瞬时值，例如(如上文所述)放电电流高于设定上限值并达到相对稳定状态后的值。

由于常规的电池自检功能是对电池进行相对长时间的放电，这往往意味着几十秒的电池放电而释放出大量的电池备用电量，这种对电池的长时间大容量放电的操作并不适合频繁执行。实际上，对电池内阻检测而言，小于1秒钟的短时间放电就足够完成检测了。优选的实施例中，预先在电源设备设置一个有别于目前电池自检功能的内阻自检模式，例如不超过1秒钟的短时放电的内阻自检模式。

以一台120KVA三进三出双变换在线式UPS作为实例，蓄电池包括40节串联的电池单体，直接挂接在UPS的母线上。基于UPS对蓄电池的自检放电功能，预先在该UPS上设置一种蓄电池内阻自检放电模式，在这种模式下，UPS令蓄电池按规定电流放电并只持续数秒钟，优选不超过2秒，并设定上限触发电流例如20A，以及下限触发电流例如5A。在放电过程中分别达到上限触发电流和下限触发电流时，内阻检测仪记录该时刻电流瞬时值，并读取对应时刻各单体电池的电压值，然后，处理器件根据利用直流放电法的计算公式进行计算。这样，通过分析定期检测的直流内阻数据，可以精确监控蓄电池组中单体电池内阻状态的变化趋势以及评判单体电池性能的好坏，从而达到最佳的电池监控效果。

在另一方面，本发明还提供了一种蓄电池内阻在线直流检测系统。

如图6所示，一种实施例的检测系统包括电流检测模块、电压检测模块和信号处理模块。其中，电流检测模块检测蓄电池的第一电流值I1和第二电流值I2，第一电流值I1为蓄电池在电源设备作自检放电过程中超过设定上限值时的放电电流瞬时值，第二电流值为低于设定下限值时、即蓄电池放电结束瞬间的放电电流瞬时值；电压检测模块检测蓄电池中单体电池上的第一电压值U1和第二电压值U2，第一电压值U1为第一电流值I1的测取时刻的电压值，第二电压值U2为第二电流值I2的测取时刻的电压值；信号处理模块根据第一、二电流值I1、I2和第一、二电压值U1、U2，并利用式(1)计算相应单体电池的内阻。优选的，设定上限值的取值范围为11A～100A，设定下限值的取值范围为0A～5A。

优选的实施例中，还设置了放电时间监视模块，放电时间监视模块监视自检放电是否是在预定时间内结束，并通知信号处理模块，信号处理模块根据其进行后续处理。例如，当判断超出了预定时间时，放弃此次测得的数据。该预定时间优选不大于1秒。

一些实施例中，电压检测模块包括选择输出多路单体电池电压信号的选通电路，例如固态继电器阵列，其选通信号可来自CPLD(复杂可编程逻辑器件)、DSP(数字信号处理器)或单片机发出的二进制地址信号，通过译码生成选通信号后送至选通电路。

一些实施例中，处理单元采用DSP或单片机。

一些优选的实施例中，还设置了用于滤除信号干扰的滤波电路，例如差模、共模滤波电路。

一些优选的实施例中，还包括中央监控模块，其通过如RS485总线与信号处理模块连接，中央监控模块可存储、分析来自信号处理模块的处理数据，还可包括进行告警、输出数据以及显示数据的手段。例如，通过长期的数据存储功能，实现定期的自动数据记录、历史告警记录以及根据告警触发的数据记录。利用这些数据能够方便的实现对电池失效问题的追溯，或者可以方便维护人员根据历史数据分析判断电池性能走势。又例如，通过USB(通用串行接口)或RS232接口可以导出电池数据或历史记录，通过RS485总线或SNMP卡可以实现与后台通讯。又例如，还具备LCD显示和操作菜单，可对上传的数据提供图形化显示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种蓄电池内阻在线直流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.检测蓄电池在电源设备中自检放电时的放电电流，当放电电流瞬时值超过设定上限值时，将其记录为第一电流值，并检测此时刻蓄电池中单体电池的电压，将其记录为第一电压值，所述设定上限值的取值范围为11A～100A；

B.当放电电流瞬时值低于设定下限值时，将其记录为第二电流值，并检测此时刻所述单体电池的电压，将其记录为第二电压值，所述设定下限值的取值范围为0A～5A；

所述步骤B中，先判断是否是在预定时间内放电结束，当判断为是时，完成所述步骤B，当判断为否时，放弃已测得的数据；

C.将所述第一电压值与所述第二电压值之差除以所述第一电流值与所述第二电流值之差，得到所述单体电池的内阻。

2.如权利要求1所述的蓄电池内阻在线直流检测方法，其特征在于，所述预定时间不大于1秒。

3.如权利要求1所述的蓄电池内阻在线直流检测方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括：在所述电源设备上设置蓄电池内阻自检放电模式，在所述模式下蓄电池按设定电流放电并持续0.1秒～10秒。

4.一种蓄电池内阻在线直流检测系统，其特征在于，包括：

电流检测模块，用于检测蓄电池的第一电流值和第二电流值，所述第一电流值为蓄电池在电源设备自检放电过程中超过设定上限值时的放电电流瞬时值，所述第二电流值为在所述自检放电过程中低于设定下限值时的放电电流瞬时值；

电压检测模块，用于检测蓄电池中单体电池上的第一电压值和第二电压值，所述第一电压值为所述第一电流值测取时刻的电压值，所述第二电压值为所述第二电流值测取时刻的电压值；和

信号处理模块，用于根据所述第一、二电流值和第一、二电压值，将所述第一电压值与所述第二电压值之差除以所述第一电流值与所述第二电流值之差，得到所述单体电池的内阻；

所述设定上限值的取值范围为11A～100A，所述设定下限值的取值范围为0A～5A；

还包括放电时间监视模块，用于监视是否是在预定时间内结束放电，并通知所述信号处理模块，信号处理模块根据其进行后续处理，当判断超出了预定时间时，放弃此次测得的数据。

5.如权利要求4所述的蓄电池内阻在线直流检测系统，其特征在于，所述预定时间不大于1秒。

6.如权利要求4或5所述的蓄电池内阻在线直流检测系统，其特征在于，还包括中央监控模块，用于存储、分析来自所述信号处理模块的处理数据，并提供告警、数据输出以及数据显示的手段。

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