CN103066650B - 变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统及方法，该系统包括变浆驱动及变浆电机、备用蓄电池组模块、供电及充电电源、传感器模块、MCU、现场监控主机、变浆控制模块以及充放电控制模块，其通过利用传感器采集蓄电池单体电压、内阻、温度等参数，判断蓄电池组的健康状况，采用MCU采集汇总，在可视化的PC端界面中执行相应的操作，通过总线向变浆控制模块发出相应信号，保障蓄电池组故障在风机出现断电等紧急故障前发现，确保风机安全，此外，本发明同时具有对蓄电池组各电池电压进行均压的功能，保证蓄电池组中的各单位蓄电池在待机浮充过程中电压彼此一致，提高后备电池的使用寿命，降低相应的成本开支。

Description

变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统以及方法

技术领域

本发明关于一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统以及方法，特别是涉及一种大型风电机组的变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统以及方法。

背景技术

变桨系统是风力发电机组的重要组成部分，根据风速自动调整桨距角使输出功率平稳，同时变桨系统还是风力发电机组的主刹车系统，在停机时使叶片顺桨，利用空气动力学原理使机组停车。目前风机的变桨方式主要是电动变桨，在风机故障或停电等情况下由蓄电池组中储存的电能来实现顺桨停机，以保障风机的安全，一旦顺桨失败，极易造成飞车等事故。在传统的监测系统中，对于蓄电池的参数获取往往并不准确与精确，当蓄电池处于浮充状态时，电池的剩余容量与其端电压的高低无直接关系，不能仅仅从端电压的高低来判定电池的剩余容量。由于蓄电池生产过程中材料、工艺等非一致性，导致了单体电池性能参数的离散性，每个单体电池并没有按理想设定的浮充电压运行。浮充电压不均衡，是电池过充、欠充的前提，也是电池失效，缩短使用寿命的根本原因。在充电机输出电压保持不变的情况下，电池组有过充电池，也必有欠充电池，单体电池电压会相互影响，产生更大的波动，加强了过充和欠充现象。长期运行后造成电池两极分化，过充或欠充最后都导致电池失效，减少使用寿命，更严重的是失效电池给变桨系统运行带来巨大的安全隐患。目前的直流电源管理系统中，大多只是对蓄电池组进行整体管理和数据监测，重点放在电压和温度等参数的采集、显示、查询等方面，却忽视了蓄电池组中单体电池不一致性的问题。在循环充放电过程中，各单体电池化学组分的差异以及电池运行历史的不同将使电池的不一致性扩大，导致在同一充放电条件下各单体电池的容量不同。假如让蓄电池组在该情况下运行而不加以管理，将导致个别电池因严重过充或欠充而出现早期失效的现象，从已往的实验数据可知，当单体蓄电池额定循环寿命达到400余次时，其蓄电池组的循环寿命往往只能达到25～30次，经济性、可靠性与安全性均不理想。并且由于风电机组的特殊性，尤其是海上风机，经常性地派驻维护人员前往现场调试设备是不现实的，所以设计一个具有远端监控功能的监测系统是十分必要的。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明之目的在于提供一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统以及方法，其不仅可以及时、准确地监测蓄电池组中每节电池的具体参数，依此在远端的监控主机上对变桨控制器进行对应的操作，而且在监测的过程中通过对各个蓄电池组单体进行电压均衡操作，使蓄电池组长期处于健康稳定的状态。

为达上述及其它目的，本发明提出一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统，包括变浆驱动及变浆电机、备用蓄电池组模块以及供电及充电电源，另外，该系统还包括：

传感器模块，包含多个传感器，实行分布式安装，该备用蓄电池组模块中每块蓄电池组上均连接有传感器，各传感器将其采集到的每块蓄电池组的参数传送至MCU；

MCU，对接收到的各参数进行分析，将分析结果传送至现场监控主机或充放电控制模块；

现场监控主机，以于发现有异常情况时，向变桨控制模块发出异常信号；

变浆控制模块，以于接收到异常信号时，进行相应处理；以及

充放电控制模块，根据分析结果实现各蓄电池组间的电压均衡，使之都维持在基准电压附近。

进一步地，每块蓄电池组的参数包括电压、内阻及温度。

进一步地，该MCU对于从传感器模块接收到的各参数首先根据电池组的温度依据温度补偿公式确定当前条件下的浮充电压，然后再分析电池组的电压参数。

进一步地，该温度补偿公式为：

V_tc＝V_n-T_cN(T-25)；

其中，V_tc为经温度补偿后的浮充电压，V_n为未经温度补偿的浮充电压，T_c为温度补偿系数，N为蓄电池组中的蓄电池个数，T为检测到的蓄电池的温度。

进一步地，该系统还包括远程监控主机，该现场监控主机通过总线或无线信号与该远程监控主机相连。

进一步地，该传感器模块中各传感器为LEM公司的Sentinel传感器。

进一步地，各Sentinel传感器直接从各蓄电池组的正负极连出，将获取到的参数通过通讯线传送至MCU。

进一步地，该MCU为一单片机。

为达到上述及其他目的，本发明还提供一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡方法，包括如下步骤：

步骤一，传感器模块中各传感器采集对应之蓄电池单体电压、内阻及温度参数，并将其传送至MCU；

步骤二，MCU对接收到的各参数根据电池组的温度依据温度补偿公式确定当前条件下的浮充电压；

步骤三，分析电池组的电压参数，判断电压是否在允许偏差范围内，若否，则判断为蓄电池组损坏，向现场监控主机发送故障信号，若是，则进入步骤四；

步骤四，判断电压值是否处于基准电压范围内，若否，则通过充放电控制模块对蓄电池组进行充放电操作，使之电压达到基准电压水平；以及

步骤五，若电压值处于基准电压范围内，则将蓄电池各参数发送至监控主机。

进一步地，MCU按顺序对蓄电池组模块中的各蓄电池组进行步骤二至步骤五之操作，完成排除故障、均衡电压、收集参数功能。

与现有技术相比，本发明一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统及方法利用LEM公司的Sentinel传感器采集蓄电池单体电压、内阻、温度等参数，判断蓄电池组的健康状况，采用MCU(单片机)采集汇总，在远程监控主机的可视化的PC端界面中执行相应的操作，通过CAN总线或Wireless经现场监控主机向变浆控制设备发出相应信号，保障蓄电池组故障在风机出现紧急故障前发现，确保风机安全，此外，本发明同时具有对蓄电池组各电池电压进行均压的功能，保证蓄电池组中的各单位蓄电池在待机浮充过程中电压彼此一致，提高后备电池的使用寿命，降低相应的成本开支。

附图说明

图1为本发明一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统的系统架构图；

图2为本发明较佳实施例中传感器模块与蓄电池组之间连接的细部电路图；

图3为本发明较佳实施例中蓄电池内阻测量原理图；

图4为本发明较佳实施例中单片机控制程序的流程图；

图5为本发明一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统的系统架构图。如图1所示，本发明一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统，至少包括：变浆驱动及变浆电机10、备用蓄电池组模块11、供电及充电电源12、传感器模块13、MCU14、现场控制主机15、充放电控制模块16以及变浆控制模块17。

供电及充电电源12变桨驱动及变浆电机10的供电电源和备用蓄电池组模块11的充电电源；传感器模块13包括多个传感器，备用蓄电池组模块11中的每块蓄电池组上均连接有传感器，各传感器将其获得的每块蓄电池组的参数(如电压、内阻、温度)传送至MCU14，在本发明较佳实施例中，传感器采用LEM公司的Sentinel传感器；MCU14对接收到的各参数进行分析，再将信号传送至现场监控主机15或充放电控制模块16，在本发明较佳实施例中，MCU14可为一单片机；现场监控主机15与变浆控制模块17，以于发现有异常情况时，向变桨控制模块17发出正常、警告、故障停机等信号并及时更换相应的电池，同时，现场监控主机15还可通过CAN总线或无线信号与远程监控主机相连，这可使得维护人员不需要进入现场就可读取各参数(电压、内阻、温度)信息并调试系统；充放电控制模块16用于实现各蓄电池组间的电压均衡，使之都维持在基准电压(12V×3)附近。

在本发明较佳实施例中，对所采用的LEM公司的Sentinel传感器实行分布式安装，Sentinel传感器是用来检测蓄电池(阻抗、电压、温度)的智能传感器，采用了一个订制的片上系统，超高的集成度大大降低了模块成本，串行通信则进一步简化了安装，更少的部件确保了模块更高的可靠性。Sentinel传感器具有产生一个中等大小的电流测试信号的能力，即最大12A的测试电流。这种测试电流与一种特有的算法配合使用就可以判断出电压的响应是来自视在能量层还是来自蓄电池本身能量层，从而保证该阻抗测试方法的高可靠性。传感器模块13通过短时间(5秒)中等电流放电(方波)来测量内阻，电流放电会引起很小的电压波动，而Sentinel能够监测到电压的波动，并放大处理，进而通过计算得出内阻值。Sentinel传感器可用于连续监测备用蓄电池的在线系统，由于其采用单芯片设计，可以测量单个电池及单块电池组(2V～12V)。Sentinel传感器是具有智能功能的电量监测传感器，因此在测量蓄电池的端电压、温度及阻抗时，蓄电池的电压可以在静态(浮充状态)和动态(放电)两种情况下测量。Sentinel传感器通过监测蓄电池的电压、温度和阻抗，可以精确地预知哪只蓄电池会失效，及时更换电池以确保较高的系统可靠性，避免了在电源备用系统应用中因为一只蓄电池的故障导致整组蓄电池无法工作的情况，以此保证蓄电池使用寿命最大化。另外，还可以通过对蓄电池温度检测出热失控的情况，并在引起灾难性故障之前做出相应校正，在预防火灾发生的同时，根据各蓄电池温度的不同，依据浮充电压与温度的关系，通过温度补偿公式对浮充电压进行修正。

在正常浮充状态下，本发明之在线监测及电压均衡系统进行日常的电压巡检，电阻的测量按一定周期启动进行一次内阻值的扫描，将得到的各参数通过现场监控主机将信息传送到远端的控制主机中，通过专业软件对于数据进行分析，获得内阻的变化趋势，若发现有异常情况，通过CAN总线向变桨控制模块17发出正常、警告、故障停机等信号并及时更换相应的电池。若无异常状况，则根据所得的电压与温度参数对蓄电池进行均压操作，以达到各单元电压的均衡。

在本发明较佳实施例中，备用蓄电池组模块采用的是VRLA电池，温度对于VRLA电池的寿命有很大的影响，在充电过程中，温度的影响主要体现在浮充电压的大小上。VRLA电池出厂时提供的技术参数一般是在环境温度为25℃是时给出的，当中包括浮充电压的值，在设置浮充电压值时一般就是以25℃的电压值为标准的。对于VRLA电池来说，充电过程本身就是一个放热反应，再加上环境温度的变化，使得在实际应用中不可能令电池恒定地保持在25℃。若把浮充电压限定为标准值，则当温度超过25℃时，浮充电压就会过大而使电池处于过充电状态，继而使温度进一步升高，严重损害蓄电池的寿命；相反，当温度低于25℃时，就会因浮充电压过小而使蓄电池充电不足，同样使对其寿命造成影响。由此可见，为了避免温度的变化对电池寿命的影响，在浮充过程中需要随着温度的变化来调节浮充电压值。根据浮充电压与温度的关系，可通过温度补偿公式对浮充电压进行修正：

V_tc＝V_n-T_cN(T-25)；

式中V_tc──经温度补偿后的浮充电压；V_n──未经温度补偿的浮充电压；T_c──温度补偿系数，一般为3.9mV/℃；N──蓄电池组中的蓄电池个数；T──由温度传感器检测到的蓄电池的温度。不同品牌和型号的VRLA电池，其温度特性都不同，在进行温度补偿时可根据厂家所提供的相应技术指标来设定温度补偿系数。通过温度补偿技术，可以避免因温度的变化而导致的欠充或过充,在一定程度上保证了电池的使用寿命。

图2为本发明较佳实施例中传感器模块与蓄电池组之间连接的细部电路图，如图2所示，各Sentinel传感器直接从各蓄电池组的正负极连出，将获取的参数通过通讯线传送至MCU14(单片机)。因为VRLA电池的电池阻抗通常非常低(<10mΩ)，所以电压信号也非常小(<10mV)，因此，采用独立的‘Sense’线检测电压信号。在放电过程中，Sentinel传感器使用内部算法控制电流振幅及脉冲频率，以保证蓄电池电压的响应来源于蓄电池本身的能量层。

上述的内阻测量原理设计有如下几个特点：

a.解决了交流测试内阻的不稳定性、不准确性

b.独立性测试电流不受电池充放电回路的影响

c.重复性可在高噪声环境中对电池进行在线测试，得出稳定结果

d.抗干扰能力强

按顺序对本发明较佳实施例中的6组蓄电池组均进行如上操作，完成排除故障、均衡电压、收集参数等功能。

图5为本发明一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡方法的步骤流程图。如图5所示，本发明变浆系统后备电池在线监测及电压均衡方法，包括如下步骤：

步骤501，传感器模块中各传感器采集对应之蓄电池单体电压、内阻及温度等参数，并将其传送至MCU；

步骤502，MCU对接收到的各参数根据电池组的温度依据温度补偿公式确定当前条件下的浮充电压；

步骤503，分析电池组的电压参数，判断电压是否在允许偏差范围内，若否，即不在偏差允许范围内，则判断为蓄电池组损坏，向监控主机发送故障信号；若是，则进入步骤504；

步骤504，判断电压值是否处于基准电压范围内，若否，则通过充放电控制模块对蓄电池组进行充放电操作，使之电压达到基准电压水平；

步骤505，若电压值处于基准电压范围内，则将蓄电池各参数(内阻、电压、温度)发送至监控主机；

MCU按顺序对蓄电池组模块中的各组蓄电池组进行如上操作，完成排除故障、均衡电压、收集参数等功能。

综上所述，本发明一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统及方法利用LEM公司的Sentinel传感器采集蓄电池单体电压、内阻、温度等参数，判断蓄电池组的健康状况，采用单片机采集汇总，在可视化的PC端界面中执行相应的操作，通过CAN总线向变浆控制设备发出相应信号，保障蓄电池组故障在风机出现断电等紧急故障前发现，确保风机安全，此外，本发明同时具有对蓄电池组各电池电压进行均压的功能，保证蓄电池组中的各单位蓄电池在待机浮充过程中电压彼此一致，提高后备电池的使用寿命，降低相应的成本开支。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统，包括变浆驱动及变浆电机、备用蓄电池组模块以及供电及充电电源，其特征在于，该系统还包括：

传感器模块，包含多个Sentinel传感器，实行分布式安装，该备用蓄电池组模块中每块蓄电池组上均连接有，各Sentinel传感器将其采集到的每块蓄电池组的电压、内阻及温度参数传送至MCU；各Sentinel传感器直接从各蓄电池组的正负极连出，当发送阻抗测量命令时，Sentinel传感器从蓄电池获得电流脉冲，电流脉冲在蓄电池组正负极产生电压波动；Sentinel传感器通过5秒的短时间中等方波电流放电来测量内阻，电流放电会引起很小的电压波动，Sentinel传感器能够监测到电压的波动，并放大处理，进而通过计算得出内阻值；

MCU，该MCU为一单片机，对接收到的各参数进行分析，将分析结果传送至现场监控主机或充放电控制模块；所述MCU执行的程序包括：所述MCU获得启动信号并初始化内部系统，对于从Sentinel传感器接收到的各参数首先根据蓄电池组的温度依据温度补偿公式确定当前条件下的浮充电压，然后分析蓄电池组的电压参数，如果电压偏差较大，不在偏差允许范围内，则判断为蓄电池组损坏，向现场监控主机发送故障信号；如果电压偏差不大，在允许范围内，再判断是否需要充放电，如果电压值接近于基准电压，则不进行充放电操作，直接将蓄电池的各参数送至现场监控主机，反之则对蓄电池组进行充放电操作，使之电压达到基准电压水平，再将各参数送至现场监控主机；所述温度补偿公式为：

V_tc＝V_n-T_cN(T-25)；

其中，V_tc为经温度补偿后的浮充电压，V_n为未经温度补偿的浮充电压，T_c为温度补偿系数，N为蓄电池组中的蓄电池个数，T为检测到的蓄电池的温度；

现场监控主机，以于发现有异常情况时，向变桨控制模块发出异常信号；

变浆控制模块，以于接收到异常信号时，进行相应处理；以及

充放电控制模块，根据分析结果实现各蓄电池组间的电压均衡，使之都维持在基准电压附近。

2.如权利要求1所述的一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统，其特征在于：该系统还包括远程现场监控主机，该现场监控主机通过总线或无线信号与该远程监控主机相连。

3.一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡方法，采用如权利要求1所述的一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡系统，该方法包括如下步骤：

步骤一，传感器模块中各传感器采集对应之蓄电池单体电压、内阻及温度参数，并将其传送至MCU；

步骤二，MCU对接收到的各参数根据电池组的温度依据温度补偿公式确定当前条件下的浮充电压；

步骤三，分析电池组的电压参数，判断电压是否在允许偏差范围内，若否，则判断为蓄电池组损坏，向现场监控主机发送故障信号，若是，则进入步骤四；

步骤四，判断电压值是否处于基准电压范围内，若否，则通过充放电控制模块对蓄电池组进行充放电操作，使之电压达到基准电压水平；以及

步骤五，若电压值处于基准电压范围内，则将蓄电池各参数发送至现场监控主机。

4.如权利要求3所述的一种变浆系统后备电池在线监测及电压均衡方法，其特征在于：MCU按顺序对蓄电池组模块中的各蓄电池组进行步骤二至步骤五之操作，完成排除故障、均衡电压、收集参数功能。