CN102707238A - 蓄电池性能在线监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池性能在线监测系统和监测方法，蓄电池在线监测单元中包含采集单元、内阻测量单元和通讯单元，蓄电池组中的电池分成多个单元，负载分别与每个单元中的电池构成一个闭环电路，对电池进行放电，采集单元采集每节电池的放电参数，内阻测量单元根据采集的信息计算出每节电池的内阻，上传给通讯单元，通讯单元接入局域网，将数据传送至服务器，服务器收到数据后进行分析处理并保存，通过其内置的WEB颁布功能将数据通过网页的形式颁布出去，局域网内的电脑通过访问网页查看各蓄电池组状况。采用多循环的在线测试方法，安全可靠，分组测试放电内阻，测试时不影响电源系统安全运行。测试结果稳定、准确，测试过程便捷。

Description

蓄电池性能在线监测系统和监测方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池性能在线监测系统和监测方法，属于变电站检测技术领域。

背景技术

当前，用户对变电站蓄电池的监测主要是监测蓄电池的电压，但因为蓄电池大部分情况是在浮充状态，因此电池巡检仪测得的只是蓄电池的浮充电压，这个参数对蓄电池性能的判断很有限。如图1所示为一实际测试实例，3号电池在浮充时测得的电压在正常范围，但测量其内阻发现远远偏离标准范围，如图2，做核对放电发现其容量已低于标称容量的80%。

要对蓄电池性能进行评估最准确的方式是对蓄电池进行整组的核对性放电，即用0.1C电流对蓄电池放电，同时监测单体电压的变化，在放电时间未到，而最先达到放电截止电压的电池即性能劣化的电池。这是一种验证电池性能最可靠的方法, 通过这类测试可对电池系统进行100% 的全面检查,同时区分出电池或外部传导途径的各种问题。但做核对性放电费时费力，有些情况下无法做全容量核对性放电，如变电站在线运行的蓄电池只能做50%容量放电；并且核对性放电周期较长，一般一年做一次。

由于电池的内阻与它本身容量有着密切联系，因此，如果能够利用电池内阻这个参数来预测电池的性能，将能够大大节省对蓄电池性能的评估周期和费用。通过对大量的各种类型电池的测试表明，如果电池的内阻增至高于其基准值，即电池在最佳状态下的内阻值的30%-50%时，这个电池的容量将低于80%。实践证明，通过测量电池内阻来确定电池的状态被证明是一种非常可靠的有效方法，因此内阻测试已成为核对性放电测试的替代手段。

蓄电池内阻测试一直是争议最大的问题。但近几年蓄电池内阻测试技术迅猛发展，蓄电池内阻测试方法有了革命性进步。蓄电池内阻测试已经被公认为是一种快速、可靠、有效诊断蓄电池性能的优秀方法。

几乎所有影响电池性能的因素都导致了电池内阻变大，因此这些金属和电化学问题引起的电池容量衰竭都可以用内阻检测出来。金属电阻问题是蓄电池内部潜在最危险问题，由于充电可能引起爆炸等。这类问题会造成没有预示情况下使得电压突然下降或突然中断。电化学问题是在电池老化时就可以被检测出来。由于电池老化同时涂膏电解质和隔膜的电阻也在增加。

内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标。正常情况下，内阻小的电池的大电流放电能力强，内阻大的电池放电能力弱。

目前带内阻测试功能的监测系统多采用下面的方法来测试，即通过对电池的整组放电（放电电流为70A—100A）同时测得每个电池的压降来计算内阻。如图3为一般厂家的测试原理图，图中R为纯阻性负载，K1、K2、K3为空开，D1为大功率二极管。正常运行时K1闭合，K2、K3断开，充电机G对蓄电池UPS浮充。测量内阻时，K1断开，K2、K3闭合，蓄电池组通过负载R进行放电。如果在测量过程中交流失电，蓄电池组通过D1、K2给母线供电。测量完成后重新合上K1，断开K2、K3。在蓄电池组两端接入放电负载R，测量电压的变化（U1-U2）和电流值（I），计算电池的内阻（R）。R=(U1-U2)/I。蓄电池从浮充状态切换到放电状态，典型的电压跌落过程如图4所示。通过一个专用的设备实现大电流放电（一般采用较大电流，如70～100A以上），进行电压跌落的观察，测量两个电压值U1与U2，通过上式，计算得到蓄电池的内阻值。 放电时间一般为几分钟。

这种方法的缺点是：

由于浮充到放电过程中电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值，实际测量中，该方法所得数据的重复性较差。整组放电对直流系统影响大，尤其使用一定年限的蓄电池，当蓄电池使用几年以后难免会有一些蓄电池性能下降，当整组放电并且放电电流较大时，整组放电过程中性能最差的几只蓄电池易过放电造成损坏。

不能自动测量：串接开关不方便实现自动测量；测量内阻时必须对空开进行操作，必须人到现场合空开。

安全性差及测量不准确：由于串接了开关，并增加了二极管，在安全性方面存在级差配合的问题，万一在大电流冲击时断开将造成重大事故。并且所选产品质量及现场施工工艺都对监测产品的正常使用以及对原有被监测对象增加了不可靠性，存在隐患。

另外，由于放电采用纯阻性负载，对于不同的组压，其放电电流是不一样的，会造成测量不准。在实际应用过程中，通过这种方法测量，其测量误差高达100%以上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种蓄电池性能在线监测系统和监测方法，无须人工干预，实现对蓄电池的性能在线监测，并同时，提供了一种蓄电池内阻的在线测量方法，测试结果稳定、准确，测试过程便捷，测试时不影响电源系统安全运行。

本发明的技术方案：

一种蓄电池性能在线监测系统，其特征是，包括

多个蓄电池在线监测单元，每个蓄电池在线监测单元分别对应监测一个蓄电池组，

所述蓄电池在线监测单元中包含采集单元、内阻测量单元和通讯单元，

所述蓄电池组中的电池以N节为一个单元分成多个单元，负载分别与每个单元中的N节电池构成一个闭环电路，对电池进行放电，所述采集单元采集每节电池的放电参数，所述内阻测量单元根据所述采集单元采集的信息计算出每节电池的内阻，上传给所述通讯单元，所述通讯单元采用TCP/IP接入局域网，将数据传送至服务器，服务器收到数据后进行分析处理并保存，并通过其内置的WEB颁布功能将数据通过网页的形式颁布出去，

所述局域网内的电脑通过访问网页查看各蓄电池组状况。

所述负载由继电器切换电路切换分别连接至每个单元的电路中，与该单元中的N节电池构成一个闭环电路。

所述负载采用恒流负载。

所述采集单元、内阻测量单元和通讯单元间采用RS485通讯。

一种蓄电池内阻的在线测量方法，其特征是，

在线测量蓄电池组内阻时，将每一个蓄电池组中的电池以N节为一个单元分成多个单元，由继电器切换电路将负载依次切换至多个单元中的一个单元，由该单元中的N节电池与所述负载构成一闭环电路，对电池进行放电，直至最后一个单元放电结束；在放电的同时，由采集单元采集每节电池的放电曲线，取得压降后计算出每节电池的内阻。

所述负载采用恒流负载。

一种蓄电池性能的在线监测方法，其特征是，

在线测量蓄电池组内阻时，将每一个蓄电池组中的电池以N节为一个单元分成多个单元，由继电器切换电路将负载依次切换至多个单元中的一个单元，由该单元中的N节电池与所述负载构成一闭环电路，对电池进行放电，直至最后一个单元放电结束；在放电的同时，由采集单元采集每节电池的放电曲线，取得压降后测出每节电池的内阻；

根据每节电池的内阻判断该电池的容量，其判断步骤为：

对同一节电池在不同时间测得的内阻进行比较，以容量为100%时测得的内阻为基准值，

如果测出的该节电池的内阻高出基准值50%时，则该节电池容量低于80%；

如果测出的该节电池的内阻高出基准值30%-50%时，则该节电池容量处在临界状态。

为解决上述技术问题，本发明采用了多循环的在线测试方法，在线测量蓄电池组内阻时，将每一个蓄电池组中的电池以N节为一个单元分成多个单元，由继电器切换电路将负载依次切换至多个单元中的一个单元，由该单元中的N节电池与所述负载构成一闭环电路，对电池进行放电，直至最后一个单元放电结束；在放电的同时，由采集单元采集每节电池的放电曲线，取得压降后计算出每节电池的内阻。放电负载采用了恒流负载，确保电压变化时每次放电的电流不变。

系统可以被设成间隔一定时间自动测量一次内阻，无需人工干预。

本发明所达到的有益效果：

本发明的测量方法：

自动测量，无须人工干预；设定好测试计划，系统自动完成测试，并且在测试时为保证测试精度，在测试前预判断直流系统保证处于浮充状态。

采用多循环的在线测试方法，分组测试放电内阻，无须断开充电机，蓄电池组无须退出系统，测试时不影响电源系统安全运行。同时系统采用特有的特征点高速捕捉技术，使得测试结果稳定、准确，测试过程便捷。

安全可靠：独有的分组测试方法将整组蓄电池分为若干个测试循环小组，一旦遇到性能下降严重的电池立即停止测试，最大限度的保护被监测对象。

工艺方面：整个蓄电池监测部分不对被监测设备做任何改造，整个监测系统只是在蓄电池上安装测试线，再无其他设备，无需更改直流回路。现场比较整洁、利索，非常便于后续日常维护。

安全性方面的优点：  

设备发生任何的故障都不影响直流系统的安全运行。在线监测系统安装不更改原直流系统线路，不在充电回路上串接开关、二极管或其它装置，以免对直流系统产生安全隐患。在线监测不对直流系统施加额外的附加信号，避免对变电站保护设备等造成影响。

采样线安全措施：电压采样线的前端（与蓄电池连接端）都具有短路保护措施，采用放电法测量内阻时放电线前端有短路保护措施（其中内阻采集线前端的保险采用延时保险）。

产品自身也采取了许多安全性措施，如1000V光电隔离、系统运行前通过检测电流自动判断蓄电池是否处于浮充状态等。

可靠性方面的优点：

采用一体化的设计，将所有线路集中在一块板上，这样避免了由于连接器与跳线造成系统不稳定。在元器件选用上，运行前将进行72 小时的高温老化，确保系统的高可靠性。

附图说明

图1是蓄电池浮充时电压柱状图；

图2是图1的蓄电池内阻柱状图；

图3是现有技术中蓄电池内阻测试原理图；

图4是图3的测试曲线图；

图5是蓄电池性能在线监测系统；

图6是蓄电池内阻测试原理图；

图7是图6的测试曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一)、系统架构及组成

如图5所示，本发明蓄电池性能的在线监测系统采用浏览器/服务器（B/S）模式，将各种不同功能子系统融合到一个统一的监控平台下，极大的方便了用户的使用和管理。系统采用浏览器访问，简化了用户的使用复杂程度，只要会上网，就会熟练的使用本系统，而不需要专门的进行培训。

蓄电池在线监测系统主要由电压采集单元、内阻测量单元、通讯单元、服务器和电池在线监测系统软件组成。采集单元采集每节蓄电池的参数上传给通讯单元，通讯单元采用TCP/IP接入局域网，将数据传送至服务器，服务器收到数据后进行分析处理并保存，另外通过其内置的WEB颁布功能将数据通过网页的形式颁布出去。这样局域网内的各电脑只要访问这个网页就可以查看现场蓄电池状况。本方案基于数据库及WEB颁布技术，适合于在局域网内实现蓄电池组远程报警和远程在线实时监测，终端无需安装专用的软件。

蓄电池在线监测系统包括多个蓄电池在线监测单元，可以对应同时监测多个蓄电池组，每个蓄电池在线监测单元中都包含有采集单元、内阻测量单元和通讯单元，每个蓄电池组均由一蓄电池在线监测单元进行监测。

采集单元：每个采集单元可采集40节蓄电池，带温度接口、电流接口；各采集单元通过RS485通讯，可任意扩展，采用先进电子高速、高精度采集技术。产品外形尺寸：19英寸，1U。

内阻测量单元：内置恒流电路，采用大功率IGBT模块，具故障自诊断功能，通过RS485与服务器、采集单元通讯，具有多重保护功能，测试安全、准确。产品外形尺寸：19英寸，1U。内阻测量单元中可以完成计算内阻的过程。

通讯单元：采用RS485通讯，实时数据处理，带TCP/IP局域网接口。

如图6所示，在线测量蓄电池组内阻时，将每一组蓄电池组分成多个循环，由继电器切换电路将恒流负载切换至多个循环中的其中一个循环进行测量，每次测量内阻时先由继电器切换电路将恒流负载切换至第一个循环，并对第一个循环进行放电，结束后再由继电器切换电路将恒流负载切换至第二个循环，并对第二个循环进行放电，直至最后一个循环。在放电的同时，由采集单元高速采集每节蓄电池的放电曲线，取得压降后测出每节蓄电池的内阻。放电负载采用了恒流负载，确保电压变化时每次放电的电流不变。

系统可以被设成间隔一定时间自动测量一次内阻，无需人工干预。

如图7所示，通过瞬间向恒流负载放电，快速测量断电前、后电压U1、U2的变化，从而计算出内阻R=(U2-U1)/I，I为放电电流。放电时间一般为几秒钟。

1）、本发明的技术方案采用直流瞬间放电在线测量内阻

当前的测量仪器采用的是交流注入或直流瞬间放电测量两种方法。使用交流注入的仪器如测量阻抗或电导的仪表在测量时会对电池施加一个交流的测试信号，然后再测出相应的电压和电流阻抗的读数，V/I 会随频率而变化而容抗XC 也会使电化学电阻RE 变得更小。

采用交流方式的仪器存在着易受充电器纹波电流和其它噪声源干扰的问题，有些设备不能在线（连接充电器和负载并处于浮充状态）对电池进行测试，使用频率为60Hz或50Hz的交流测试电流更不可取，因为这是充电器纹波和噪声源的主要频率，而在大型UPS 电池组上出现大于30A的RMS纹波电流也不是稀奇的事情。

使用直流瞬间放电测量内阻方法是由电池组产生一个瞬间负载电流然后测出电池极柱上电压的瞬间变化，通过电压的变化便可推导出相应的内阻。目前的A/D 转换器能在有效地测量直流参数的同时将流经电池的交流信号忽略掉，因此这种类型的仪器甚至可在高噪声的环境下对电池进行在线测试。     在电力变电站直流系统中，由于蓄电池组两端直接带负载，对电源质量特别是纹波要求很高，而交流法是需要对被测电池注入纹波电流，因此通过交流法测量内阻的方式是不允许被使用的。

因此，本发明的技术方案采用直流法测内阻。

2）、本发明的技术方案采用纵向比较的方法

测得蓄电池内阻后，如何通过内阻来判断电池容量是十分重要的。

现有技术中大多采用横向比较的方法，即先求出蓄电池组的平均内阻值，然后逐个比较，内阻比较高的电池再做核对性放电来判断电池是否有问题。这种方法经常会发生误判。因为对于一组容量能达到100%的蓄电池组，其每个电池的内阻是不一样的，最低与最高可能会差一倍或更多，但对高内阻的电池做容量核对发现容量仍能达到100%。这些内阻上的偏差往往是由于制造工艺及材料上的偏差造成的。

所以，利用横向比较并不能准确判断电池容量。

本发明的技术方案采用了纵向比较的方法，即对同一个电池在不同时间测得的内阻进行比较，经过反复分析、比较、试验、判断，以容量为100%时取得的内阻为基准值，如果高出基准值50%时认为电池容量低于80%，高出基准值30%-50%时，认为处在临界状态，需要活化或做进一部确认。这种方法在实际应用中被验证是非常有效的。

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目前许多蓄电池巡检仪运行时间一长测量就不准确，原因是由于采集单元采用了校准用的电位器。由于电位器时间一长阻值会发生漂移，造成电压采样误差增大。

而本方案采用无电位器设计，利用芯片内固化系数的技术，解决了时间飘移的问题。

引起漂移的另一个原因是基准源。一般设备采用25PPM的基准源，而本发明的技术方案中采用了稳定性高出五倍的5PPM基准源，确保测量电路的参考值的稳定性。

另一个特点是高输入阻抗。在实际应用中有时蓄电池采样线会比较长，甚至会超过二十米，对于一般的电池巡检仪，会在采样线上产生压降，最后导致电压测量不准。而本发明的技术方案采用了极高输入电阻的输入电路，使得采样线上的电流降到微安级，使最后在采样线上的压降降到1mV以下，这样的误差是可以忽略不计的。

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在线检测每节蓄电池内阻，判断蓄电池优劣：

通过定期自动测量内阻并经过分析找出失效电池,测量过程无需人工干预。电池失效时,电池电压往往仍然是正常的,所以通过电压来判断电池是否失效是不够的。而内阻恰恰反应了电池内在性能的变化,电池由于内在的性能变化造成容量衰退时,其内阻也逐渐变大,增大到一定值时可判断为电池失效。

在线实时监测每一节电池电压﹑总电压、电流﹑环境温度： 

总电压、单体电压、温度超出报警值自动报警，阀值可设定；

支持核对性放电测试：

在做核对性放电时，只要在蓄电池组两端接入放电负载仪（另外提供），本系统就会自动进入容量记录模式，间隔一定时间记录每节电池电压、组压与放电电流，放电结束后会自动计算放出的容量。

数据专家分析功能：

本系统会对采集的数据进行自动分析，并生成月报表，找出失效电池并提出维护建议。具有专业分析管理软件，自动生成月报表并可打印。月报表显现每节电池在当月运行中电压变化情况和报警记录，发生最高、最低运行事件；提示某序号蓄电池发生电压及内阻异常，建议需要某序号蓄电池实现电池活化，建议需要某序号蓄电池及时更换；

远程在线集中监测，WEB颁布功能：     实现远程在线集中管理，监测数据以图形和曲线多种形式显示，画面友好且方便查看。保存每次监测数据，24小时可查询任意时刻数据；利用系统内置的WEB颁布功能局域网内的电脑通过IE浏览器即可查看实时数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1. 一种蓄电池性能在线监测系统，其特征是，包括

多个蓄电池在线监测单元，每个蓄电池在线监测单元分别对应监测一个蓄电池组，

所述蓄电池在线监测单元中包含采集单元、内阻测量单元和通讯单元，

所述蓄电池组中的电池以N节为一个单元分成多个单元，负载分别与每个单元中的N节电池构成一个闭环电路，对电池进行放电，所述采集单元采集每节电池的放电参数，所述内阻测量单元根据所述采集单元采集的信息计算出每节电池的内阻，上传给所述通讯单元，所述通讯单元采用TCP/IP接入局域网，将数据传送至服务器，服务器收到数据后进行分析处理并保存，并通过其内置的WEB颁布功能将数据通过网页的形式颁布出去，

所述局域网内的电脑通过访问网页查看各蓄电池组状况。

2.根据权利要求1所述的蓄电池性能在线监测系统，其特征是，所述负载由继电器切换电路切换分别连接至每个单元的电路中，与该单元中的N节电池构成一个闭环电路。

3.根据权利要求1或2所述的蓄电池性能在线监测系统，其特征是，所述负载采用恒流负载。

4.根据权利要求1所述的蓄电池性能在线监测系统，其特征是，所述采集单元、内阻测量单元和通讯单元间采用RS485通讯。

5.一种蓄电池内阻的在线测量方法，其特征是，

在线测量蓄电池组内阻时，将每一个蓄电池组中的电池以N节为一个单元分成多个单元，由继电器切换电路将负载依次切换至多个单元中的一个单元，由该单元中的N节电池与所述负载构成一闭环电路，对电池进行放电，直至最后一个单元放电结束；在放电的同时，由采集单元采集每节电池的放电曲线，取得压降后计算出每节电池的内阻。

6.根据权利要求5所述的蓄电池内阻的在线测量方法，其特征是，所述负载采用恒流负载。

7.一种蓄电池性能的在线监测方法，其特征是，

在线测量蓄电池组内阻时，将每一个蓄电池组中的电池以N节为一个单元分成多个单元，由继电器切换电路将负载依次切换至多个单元中的一个单元，由该单元中的N节电池与所述负载构成一闭环电路，对电池进行放电，直至最后一个单元放电结束；在放电的同时，由采集单元采集每节电池的放电曲线，取得压降后测出每节电池的内阻；

根据每节电池的内阻判断该电池的容量，其判断步骤为：

对同一节电池在不同时间测得的内阻进行比较，以容量为100%时测得的内阻为基准值，

如果测出的该节电池的内阻高出基准值50%时，则该节电池容量低于80%；

如果测出的该节电池的内阻高出基准值30%-50%时，则该节电池容量处在临界状态。

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