CN102768304B - 储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法，首先进行多频率电流充放电控制，然后采集电压电流信号，再经过数据处理，实现蓄电池组内阻的在线检测，其中所述方法以变流器工作时自身产生的不同频率的电压谐波、电流谐波作为检测信号。本发明中对蓄电池组的充放电控制不需要额外的装置，对蓄电池组的容量和性能没有任何额外的影响；不同于其他的测量方法只对蓄电池组在静态下进行测量，本发明中测量结果反应的是蓄电池组在运行中反应出的内阻的综合情况，因此结果的可信性较高。

Description

储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池组的内阻检测方法，可应用于电池储能系统需要对蓄电池组内阻进行检测的场合，属于电池储能领域。

背景技术

当前，电池储能是解决新能源接入、电网削峰填谷、微网和电动汽车应用的关键共性技术。蓄电池的性能储能系统可靠工作的关键。用内阻检测法判定蓄电池性能，是目前公认的最佳方案之一。内阻检测方便了工作人员及早地做好蓄电池的维护、更换工作，保证设备安全、可靠地运行。因此对蓄电池内阻的监测具有重要的实际意义。

通过监测电池的内阻可以间接地反映电池的容量状况。电池的容量越大，内阻就越小，因此可以通过对蓄电池内阻的测量，实现对电池的容量进行在线评估。但由于蓄电池的内阻很小，满容量时内阻约为几个毫欧，甚至零点几个毫欧，因此内阻法在实现时有较大的技术难度。

目前，对蓄电池内阻的检测是一个比较复杂的过程，目前常见方法主要有：密度法、开路电压法、直流放电法和交流信号注入法。

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，显然不适合当前储能系统常用的密封铅酸蓄电池和锂离子电池的内阻检测。

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变得很小的蓄电池，在浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。

直流放电法和交流信号注入法是目前较常见的方法。

直流放电法是IEC896.2－1995标准中提出的方法，通过对蓄电池进行2次大小不同的大电流放电，测量蓄电池上的电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。由于必须在静态或脱机的状态下，才能实现直流放电法的测量，即无法实现蓄电池的在线测量，这样就不可避免带来设备运行安全性的隐患。由于是大电流放电对蓄电池的损害，如果为监测蓄电池而频繁的进行测量，对蓄电池的损害将会积累，从而影响蓄电池的容量以及寿命。因此，一般测量周期为一个月以上,有时甚至达到一年。

交流信号注入法是通过给蓄电池施加一个交流低频小电流信号，测出蓄电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出电池的内阻。

交流信号注入法由于无须放电，不用处于静态或脱机即可进行，可以实现安全在线监测管理，避免了对设备运行安全性的影响。但由于蓄电池两端并联电容及发布电容的存在，对施加的低频电流信号起了分流作用，流过蓄电池的低频电流减小，使单体电池内阻的监测分辨率大大降低。需要专门的交流信号注入设备也是该方法的固有缺点之一。

发明内容

本发明的针对现有技术方案存在的不足，提出一种新的蓄电池内阻在线检测方法，该方法实现简单，可以在储能系统中不增加成本地实现蓄电池内阻的在线监测。

为实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明所述的储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法，首先进行多频率电流充放电控制，然后采集电压电流信号，再经过数据处理，实现蓄电池组内阻的在线检测，其中所述方法以变流器工作时自身产生的不同频率的电压谐波、电流谐波作为检测信号。

进一步的：

所述多频率电流充放电控制，是指可以直接利用通用的储能系统变流器即可实现多频率的充放电控制。

所述采集电压电流信号，具体为：在储能系统正常运行的稳态期间，对蓄电池组两端的电压、电流进行测量，取三个频率成分的电压电流作为需要检测的量，设其频率为f₁、f₂和f₃，f₁、f₂、f₃均为f₀的整数倍。实际中，为采集的方便和保证测量精度，宜选取三个幅值较大的频率成分。

实际采样频率在被检测电压电流频率的10-100倍。电压电流采样前应进行抗混叠低通滤波处理，测量电路宜采取高速同步采样。

实际采样时间长度在被检测电压电流周期的10-20倍。

得到蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]。

所述数据处理，具体为：对采样得到蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]进行傅里叶分析，得到关注的第一个频率f1的电压电流大小及其相位差U1,I1,φ1,第二个频率f2的电压电流大小及其相位差U2,I2,φ2,第三个频率f3的电压电流大小及其相位差U3,I3,φ3；据此，联立方程组：

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_1\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_1\·C}})\·I_1[\cos \left({\mathrm{\φ}}_1\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_1\right)]=U_1$

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_2\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_2\·C}})\·I_2[\cos \left({\mathrm{\φ}}_2\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_2\right)]=U_2$

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_3\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_3\·C}})\·I_3[\cos \left({\mathrm{\φ}}_3\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_3\right)]=U_3$

上述方程组为三元一次方程组，求解得到R1，R2和C的值，即实现了蓄电池组内阻的在线检测。

相对于现有技术，本发明中对蓄电池组的充放电控制不需要额外的装置，对蓄电池组的容量和性能没有任何额外的影响；不同于其他的测量方法只对蓄电池组在静态下进行测量，本发明中测量结果反应的是蓄电池组在运行中反应出的内阻的综合情况，因此结果的可信性较高。

本发明可以应用于所有需要对蓄电池组内阻进行在线检测、监测的场合，如储能系统、电动汽车的蓄电池管理、电力直流屏、电信中心和银行的机房UPS等场合。

附图说明

图1为储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法原理示意图。

图2为采用的测量电路示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例采用以下步骤实现：

1、充放电控制

在具体的实施中，按照图1所示的原理图构成系统，在图中标注电压、电流的位置安装相应的电压、电流测量电路即可。

利用通用的储能系统变流器即可实现多频率的充放电控制，其整体等效电路结构如附图1所示。

图中，R1为蓄电池组的内部体电阻、引线电阻、接触电阻之和，R2为蓄电池组内部的膜电阻，C为蓄电池组等效电容。储能系统的负载三相等效阻抗分别为Z_fa、Z_fb、Z_fc。

在储能系统运行过程中，由于变流器死区时间、负载不平衡等因素的影响，蓄电池组两端电压和通过其的电流中含有丰富的频率成分。

变流器死区时间的影响在交流侧体现为交流侧电压、电流含有基频的整数倍频率分量。某一频率下交流侧电压和电流的三相不平衡在直流端体现为该频率的2倍的频率分量。因此，设基频频率为f₀，则交流侧基频电压电流的不平衡在蓄电池组上体现为2f₀的频率波动，频率K·f₀的交流侧电压电流不平衡在蓄电池组上体现为2K·f₀的频率波动。因此，储能系统蓄电池组端电压、端电流中与基频有关的频率成分为：2N·f₀，N=1,2,3，……。

另外，在蓄电池组两端必然存在与变流器开关频率相同的电压和电流脉动，这种脉动对于本发明而言是一个干扰信号。

本实施例中，被测对象为800V，100Ah的磷酸铁锂电池组，储能变流器为200kW的三相三线全桥变流器，构成用以平衡微网功率的储能系统。

2、电压电流信号的采集

在储能系统正常运行的稳态期间，对蓄电池组两端的电压、电流进行高速的测量，测量点如附图1标注所示。取三个频率成分的电压电流作为需要检测的量，设其频率为f₁、f₂和f₃，f₁、f₂、f₃均为f₀的整数倍。实际中，为采集的方便和保证测量精度，宜选取三个幅值较大的频率成分。

理论上讲，采样频率宜为被检测电压电流频率的整数倍，且越高越好。但受成本、技术条件等实际因素的限制，实际采样频率可在被检测电压电流频率的10-100倍。电压电流采样前应进行抗混叠低通滤波处理，测量电路宜采取高速同步采样。

采样时间长度宜为被检测电压电流周期的整数倍，且越高越好。但受成本、技术条件等实际因素的限制，实际采样时间长度可在被检测电压电流周期的10-20倍。

出于安全考虑，在保证测量精度、速度的前提下对电压、电流的测量宜采用隔离的方式进行，如对蓄电池组端电压，可采用线性光耦、隔离运放等方式；放电电流采用霍尔电流传感器进行测量。

采用如附图2所示的测量电路对图中的电压电流信号进行采样测量以得到蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]。

本实施例中，电流传感器采用霍尔电流传感器ITB 300-S，其最大测量电流300A；电压测量采用高精度隔离型运算放大器AD208；信号调理电路中采用ADI公司精密超低噪声轨到轨零漂移运算放大器ADA4528-1；电路部分的测量精度可达到0.05％。

采用16位的模数转换器AD7654以128K的采样速率对电压、电流信号进行采样，采集时间长度为5个工频周期（100ms）。在储能系统输出功率100kW时得到12800个时间点的电压、电流数据。

3、数据的处理

由附图1，根据电路理论，可列写方程如下：

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2\mathrm{\πf}\·C}}{R2+\frac{1}{j2\mathrm{\πf}\·C}})\·I_1[\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+j\sin \left(\mathrm{\φ}\right)]=U---\left(1\right)$

式中，I为通过蓄电池组的频率为f的电流有效值，U为蓄电池组端电压中的频率为f的分量的有效值，φ为频率为f的电压电流之间的相位差。

对采样得到蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]进行傅里叶分析，得到关注的第一个频率f1的电压电流大小及其相位差U1,I1,φ1,第二个频率f2的电压电流大小及其相位差U2,I2,φ2,第三个频率f3的电压电流大小及其相位差U3,I3,φ3。

据此，可以联立方程组：

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_1\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_1\·C}})\·I_1[\cos \left({\mathrm{\φ}}_1\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_1\right)]=U_1---\left(2\right)$

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_2\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_2\·C}})\·I_2[\cos \left({\mathrm{\φ}}_2\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_2\right)]=U_2---\left(3\right)$

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_3\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_3\·C}})\·I_3[\cos \left({\mathrm{\φ}}_3\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_3\right)]=U_3---\left(4\right)$

上述方程组为三元一次方程组，求解即可得到R1，R2和C的值，即实现了蓄电池组内阻的在线检测。

本实施例中，对于得到的12800点的数据，采用FFT分析计算出其交流侧5、7、11次谐波电流最大，对应到直流侧蓄电池组两端的频率为500Hz、700Hz和1100Hz，其有效值分别为8A、17A和4A，对应电压有效值分别为1.67V、3.55V和0.83V。联立方程计算得到内阻R1为161毫欧，内阻R2为48毫欧。

本发明中对蓄电池组的充放电控制不需要额外的装置，对蓄电池组的容量和性能没有任何额外的影响；不同于其他的测量方法只对蓄电池组在静态下进行测量，本发明中测量结果反应的是蓄电池组在运行中反应出的内阻的综合情况，因此结果的可信性较高。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法，其特征在于，首先进行多频率电流充放电控制，然后采集电压电流信号，再经过数据处理，实现蓄电池组内阻的在线检测，其中所述方法以变流器工作时自身产生的不同频率的电压谐波、电流谐波作为检测信号；

所述采集电压电流信号，具体为：在储能系统正常运行的稳态期间，对蓄电池组两端的电压、电流进行测量，取三个频率成分的电压电流作为需要检测的量，得到蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]；

所述数据处理，具体为：对采样得到的蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]进行傅里叶分析，得到关注的第一个频率f1的电压电流大小及其相位差U1,I1,φ1,第二个频率f2的电压电流大小及其相位差U2,I2,φ2,第三个频率f3的电压电流大小及其相位差U3,I3,φ3；R1为蓄电池组的内部体电阻、引线电阻、接触电阻之和，R2为蓄电池组内部的膜电阻，C为蓄电池组等效电容；

据此，联立方程组：

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_1\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_1\·C}})\·I_1[\cos \left({\mathrm{\φ}}_1\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_1\right)]=U_1$

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_2\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_2\·C}})\·I_2[\cos \left({\mathrm{\φ}}_2\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_2\right)]=U_2$

$(R1+\frac{R2\·\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_3\·C}}{R2+\frac{1}{j2{\mathrm{\πf}}_3\·C}})\·I_3[\cos \left({\mathrm{\φ}}_3\right)+j\sin \left({\mathrm{\φ}}_3\right)]=U_3$

上述方程组为三元一次方程组，求解得到R1，R2和C的值，即实现了蓄电池组内阻的在线检测。

2.如权利要求1所述的储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法，其特征在于：所述电压电流选取三个幅值较大的频率成分。

3.如权利要求1-2任一项所述的储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法，其特征在于：所述采集电压电流信号，其中采样频率在被检测电压电流频率的10-100倍，电压电流采样前应进行抗混叠低通滤波处理，测量电路采取同步采样。

4.如权利要求1-2任一项所述的储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法，其特征在于：采样时间长度在被检测电压电流周期的10-20倍。