CN103401274A - 变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统，包括：电压电流检测单元，采用霍尔传感器实时检测全体蓄电池构成的电池组的总电压、充放电电流和充放电容量，配备与主控单元的CAN通讯接口，实时上传数据；若干电压检测及均衡单元，外接电池组电池、实时检测有关参数，主动均衡电压；主控单元联系；主控单元，进行管理、存储数据、与上位机通讯。本发明还涉及采用上述系统进行变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制方法。本发明综合电池主动均衡，电池健康度检测功能于一身，组成在线智能电池管理系统，替代目前只能检测电池电压的电池巡检仪，实时在线均衡电池电压，准确预测电池健康度，提高运行和维护水平，提高变电站的自动化程度，减轻人员负担。

Description

变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池的管理控制系统，尤其是涉及一种变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统。本发明还涉及采用所述系统进行变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制方法。

背景技术

阀控铅酸蓄电池(VRLA)在变电站已得到广泛推广应用，基本取代了传统开口式富液型蓄电池。与富液型铅酸电池相比，VRLA具有体积比能量大、放电性能好、维护工作量小等优点。

根据现场实际使用情况，由于多方面的原因，VRLA电池在运行过程中会出现漏液、变形、短时间内容量衰减以至失效的现象，严重影响了电源系统的运行可靠性。造成这种状况的一个重要原因是阀控电池的充电方法还沿用开口式电池的充电方法，如定期抬高电压均衡充电。均衡充电造成一些电池过充，电解液溢出，而阀控电池是全密封的，无法补充电解液，使电池过早失效。许多变电站已取消均衡充电，但由于电池之间的漏电流不同，长时间浮充下会产生电池之间的严重不平衡，一些电池过充，一些电池充电不足。

另外，目前变电站已基本实现了无人值守。因此，预测电池的健康状态是十分必要的，可以使运行人员及早发现电池的安全隐患，避免事故发生。目前的电池管理基本上是监测电池的浮充电压，而浮充电压不能反映电池的健康状况。传统的电池核容做法是人工定期对电池组放电核对容量，费时、费力，由于有人员因素，可能会造成测试数据存在误差。而且，对于只有单组电池的系统，全放电检测对变电站是很危险的。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用上述系统进行变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制方法。

本发明的系统和方法，可使电池组各个电池的浮充电压趋于一致，浮充电压控制在最佳状态，使电池极板的腐蚀系数降至最低，避免造成电池过充和欠充，提高电池的使用寿命、提高电池的安全性、可靠性；健康度预测节省人力、物力、准确度高，避免完全放电。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统，其特征是：包括：

电压电流检测单元，采用霍尔传感器实时检测全体蓄电池构成的电池组的总电压、充放电电流和充放电容量，配备与主控单元的CAN通讯接口，实时上传数据；

若干电压检测及均衡单元，每个电压检测及均衡单元外接电池组相邻的12只串联电池、实时检测电池组单电池有关的参数：单电池电压﹑温度；主动均衡各个单体电池电压，使单体电池电压达到均衡；配备与主控单元的CAN通讯接口，实时上传数据；

主控单元，与电压检测及均衡单元、电压电流检测单元通讯，并进行管理；根据总电压和电流对电池组的放电自动探测，并储存这些放电过程数据用于查询、分析，以便对电池状况做出判断；如果有任何参数超过用户设定阈值都会触发继电器，并自动地向管理计算机呼叫发出报警；配有显示触摸屏，可实时显示数据，进行参数设置等操作；存储3-12个月的报警数据和电池组数据；与上位机通讯，上传数据。

更具体些，所述的电压检测及均衡单元由串联电池电压检测电路、均衡电路、单片机和隔离通讯电路组成，电压检测电路外接12路电池连线并输出至单片机的A/D变换接口，均衡电路外接12路电池连线且输入单片机指令、输出至电压检测电路，单片机经隔离通信连接主控单元。

所述的电压检测电路由AQW214EH光电继电器组成开关阵列，V0—V10为电池电压的输入端，JD1—JD13为驱动端，由单片机控制顺序接通各个电池的输入端，获得每只电池的实际电压，经过运放信号调理电路输入单片机的A/D转换口获得每路电池的电压；

每个电压检测及均衡单元中包含12路均衡单元，每个均衡单元对应一个电池，均衡电路通过将光隔PC817的驱动端拉低，使输出端导通，驱动MOSFET管导通，接通连接在电池两端的电阻放电，达到改电池电压均衡的目的。

在上述基础上，本发明还可以作进一步的改进：

根据电池组中电池个数配置电压检测及均衡单元的数量，最多每组电池中包括250只电池，电压检测及均衡单元与主控单元间通过通讯总线相连。

由于各电压检测及均衡单元检测的是串联电池组中不同的电池，它们之间有一定的电压差，故通讯线需要隔离，本系统通过光偶实现隔离。

解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制方法，其特征是包括以下步骤：

S1每个电压检测及均衡单元检测、均衡12个相邻的串联电池,根据主控单元发来的指令，将检测的数据上发到主控单元；

S2主控单元通过与电压检测及均衡单元的串口通讯，取得全部电池的电压，并计算电压的平均值、最大值、最小值；

S3根据上述平均值、最大值、最小值给各个电压检测及均衡单元发布平均电压信息；

S4电压检测及均衡单元根据主控单元发布的电池平均电压确定是否启动均衡电路；

S5对电池进行检测：关闭直流屏交流电源，不脱开电池，使电池处于正常放电状态，经过20-30分钟的短期放电，在此过程中，记录电池的电压、电流、温度等参数，根据电池数学模型计算出用百分比表示的电池健康度；

S6每隔3-6个月天对电池进行浅充浅放。

通过上述过程的运行，使电池组中各单电池的能量由电压高的电池向电压低的电池流动，使整组电池电压趋于一致。

电池在浮充状态下，主动均衡模块保证电池浮充电压的一致，确保所有电池的充电态处于同一水平，这是以下容量检测的基础。因为不均衡的电池组各个电池之间没有可比性，可能得出错误结论。

定期对电池进行浅充浅放可起到对蓄电池活化的作用，可以避免长期浮充造成极板钝化，电池容量降低。

有益效果：本发明采用主动均衡技术解决电池不平衡的问题，电池主动均衡采用单片机控制，使电池组各个电池的浮充电压趋于一致，最大电压差低于25mV（2V电池），使浮充电压控制在最佳状态，使电池极板的腐蚀系数降至最低，避免造成电池过充和欠充，提高电池的使用寿命、提高电池的安全性、可靠性。

另外，通过短时间放电的方法对电池的健康度进行预测，使用智能电池管理系统替代人工对电池的定期核对容量，节省人力、物力、准确度高，避免完全放电。而且定期对电池浅放电有利于电池活化，避免长期浮充引起电池极板钝化。使运行人员及时了解电池状态，对有问题的电池及时更换，避免事故发生。

综上所述，本发明综合电池主动均衡，电池健康度检测功能于一身，组成在线智能电池管理系统，替代目前只能检测电池电压的电池巡检仪，实时在线均衡电池电压，准确预测电池健康度，提高运行和维护水平，提高变电站的自动化程度，减轻人员负担。

附图说明

图1为本发明的管理控制系统实施例的组成和连接关系示意图；

图2为实施例的电压检测及均衡单元框图；

图3为实施例的电压检测及均衡单元中电压检测电路的原理图；

图4为实施例的电压检测及均衡单元中单电池的均衡电路；

图5为安装均衡之前的浮充电压；

图6为安装均衡之后的浮充电压。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统实施例，包括：

电压电流检测单元，采用霍尔传感器实时检测全体蓄电池构成的电池组的总电压、充放电电流和充放电容量，配备与主控单元的CAN通讯接口，实时上传数据；

若干电压检测及均衡单元，每个电压检测及均衡单元外接检测电池组相邻的12只串联电池、实时检测电池组单电池有关的参数：单电池电压﹑温度；主动均衡各个单体电池电压，使单体电池电压达到均衡；配备与主控单元的CAN通讯接口，实时上传数据；

主控单元，与电压检测及均衡单元、电压电流检测单元通讯，并进行管理；根据总电压和电流对电池组的放电自动探测，并储存这些放电过程数据用于查询、分析，以便对电池状况做出判断；如果有任何参数超过用户设定阈值都会触发继电器，并自动地向管理计算机呼叫发出报警；配有显示触摸屏，可实时显示数据，进行参数设置等操作；存储3-12个月的报警数据和电池组数据；与上位机通讯，上传数据。

图3为电压检测及均衡单元中电压检测电路的原理图。具体来说，电压检测及均衡单元由串联电池电压检测电路、均衡电路、单片机、隔离通讯电路组成，电压检测电路外接12路电池连线并输出至单片机的A/D变换接口，均衡电路外接12路电池连线且输入单片机指令、输出至电压检测电路，单片机经隔离通信连接主控单元。

对于多于12只电池的电池组，通过模块级联的方式扩展。

电压检测电路由AQW214EH光电继电器组成开关阵列，V0—V10为电池电压的输入，JD1—JD13为继电器的驱动端，由单片机控制顺序接通各个电池的输入端，获得每只电池的实际电压，经过运放信号调理电路输入单片机的A/D转换口获得每路电池的电压。

图4为电压检测及均衡单元中单电池均衡电路原理图。

每个电压检测及均衡单元中包含12路图4中的均衡电路，每个均衡电路对应一个电池，均衡电路采用对电压高的电池放电的方式，通过将光隔PC817的驱动端拉低，使输出端导通，驱动MOSFET管导通，接通连接在电池两端的电阻放电，达到改电池电压均衡的目的。

根据电池组中电池个数可配置电压检测及均衡单元的数量，最多每组电池中包括250只电池，电压检测及均衡单元与主控单元间通过通讯总线相连。

由于各电压检测及均衡单元检测的是串联电池组中不同的电池，它们之间有一定的电压差，故通讯线需要隔离，本系统通过光偶实现隔离。

各个电压检测及均衡单元与主控模块间通过隔离的CAN通讯总线相连，通过通讯总线，电压检测及均衡单元向主控单元返回检测的电池电压，主控单元向电压检测及均衡单元发送指令。

要检测串联电池组中单电池的电压，并要保证足够的检测精度，本装置采用光电继电器组成继电器阵列快速切换需测量的电池，实现单个电池电压的快速检测。如检测1号电池电压，需要将V0，V1两条线输入，其他线断开。将JD1，JD2拉低，使对应通道导通，其余驱动拉高，对应通道关闭。则V0与GND连接，V1与运放的正输入连接，第一级运放的输出通过电位器P101的分压后接入第二级运放，通过第二级运放的缓冲将每个电池的电压输入到单片机的A/D转换端进行A/D变换。

电源VCC给各光电继电器供电，JD1-JD11分别连接至单片机的I/O端口。

单片机的I/O端口用来选通光电继电器阵列（也即分别连接JD1-JD11），顺序接入1—N的电池电压，完成一组电池电压的测量。

均衡方式采用放电方式。电压高的电池，其浮充漏电流较小，由于整组电池的充电电流相同，漏电较小的电池电压逐渐提高，产生过充。通过对过充电池的小电流放电，补偿过充电流，达到电池均衡的目的。如图4所示，每只电池对于一个放电单元。当该电池电压大于平均电压时，由单片机控制对应的放电单元开启，对该电池放电。

需要对电池放电时，由单片机将FD32拉低，使光隔GG303导通，从而使Q303导通，电池通过电阻放电。

将上述电压检测及均衡和一个主控单元封装到一个机箱中，构成一个能检测均衡12只2V电池的装置。

主控单元由带液晶触摸屏的工控机组成。通过主控单元可设定系统参数，如：电池组中电池个数，报警电压等。主控单元负责协调整个系统的工作，通过与电压检测及均衡单元的串口通讯，取得全部电池的电压，并计算电压的平均值、最大值、最小值。根据上述值给各个子单元发布电压信息。检测、均衡电路根据主控单元发布的电池电压确定是否启动均衡电路。

如含有104只阀控电池的电池组，需要9只检测均衡单元（9*12=108大于104），一只总电压电流检测单元，一个主控单元。这些单元通过CAN总线连接，即可完成整组电池的管理。

采用上述系统进行变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制方法实施例，包括以下步骤：

S1主控单元向所有电压检测及均衡单元发出电压检测指令，各个单元开始检测电压，这样可以保证电池电压是同时检测的；每个电压检测及均衡单元负责检测、均衡12个相邻的串联电池,因为整个电池组是串联的，每个单元的地电位有很大差异，因此通讯总线与单元之间必须通过通讯光隔隔离，根据主控单元发来的指令，将检测的数据上发到主控单元；

S2延时0.1秒后，主控单元向每个电压检测及均衡单元发出传送检测电压的指令，主控单元通过与电压检测及均衡单元的串口通讯，取得全部电池的电压，并计算电压的平均值、最大值、最小值；

S3根据上述平均值、最大值、最小值给各个电压检测及均衡单元发布平均电压信息；

S4电压检测及均衡单元根据接收到的主控单元发布的电池平均电压，与检测的电压值比较，如果与平均值差异超过设定的启动值则启动均衡模块进行均衡；

S5对电池进行检测：关闭直流屏交流电源，不脱开电池，使电池处于正常放电状态，经过20-30分钟的短期放电，在此过程中，记录电池的电压、电流、温度等参数，根据电池数学模型计算出用百分比表示的电池健康度。

S6每隔.3-6个月.对电池进行浅充浅放。

本发明的效果如图5、图6所示。

Claims (3)

1.一种变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统，其特征是：包括：

电压电流检测单元，采用霍尔传感器实时检测全体蓄电池构成的电池组的总电压、充放电电流和充放电容量，配备与主控单元的CAN通讯接口，实时上传数据；

若干电压检测及均衡单元，每个电压检测及均衡单元外接电池组相邻的12只串联电池、实时检测电池组单电池有关的参数：单电池电压﹑温度；主动均衡各个单体电池电压，使单体电池电压达到均衡；配备与主控单元的CAN通讯接口，实时上传数据；

主控单元，与电压检测及均衡单元、电压电流检测单元通讯，并进行管理；根据总电压和电流对电池组的放电自动探测，并储存这些放电过程数据用于查询、分析，以便对电池状况做出判断；如果有任何参数超过用户设定阈值都会触发继电器，并自动地向管理计算机呼叫发出报警；配有显示触摸屏，可实时显示数据，进行参数设置等操作；存储3-12个月的报警数据和电池组数据；与上位机通讯，上传数据。

2.根据权利要求1所述的变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制系统，其特征是：所述的电压检测及均衡单元由串联电池电压检测电路、均衡电路、单片机和隔离通讯电路组成，电压检测电路外接12路电池连线并输出至单片机的A/D变换接口，均衡电路外接12路电池连线且输入单片机指令、输出至电压检测电路，单片机经隔离通信连接主控单元；

所述的电压检测电路由AQW214EH光电继电器组成开关阵列，V0—V10为电池电压的输入端，JD1—JD13为驱动端，由单片机控制顺序接通各个电池的输入端，获得每只电池的实际电压，经过运放信号调理电路输入单片机的A/D转换口获得每路电池的电压；

每个电压检测及均衡单元中包含12路均衡单元，每个均衡单元对应一个电池，均衡电路通过将光隔PC817的驱动端拉低，使输出端导通，驱动MOSFET管导通，接通连接在电池两端的电阻放电，达到改电池电压均衡的目的。

3.一种采用如权利要求1或2所述的管理控制系统进行变电站阀控铅酸蓄电池的管理控制方法，其特征是包括以下步骤：

S1每个电压检测及均衡单元检测、均衡12个相邻的串联电池,根据主控单元发来的指令，将检测的数据上发到主控单元；

S2主控单元通过与电压检测及均衡单元的串口通讯，取得全部电池的电压，并计算电压的平均值、最大值、最小值；

S3根据上述平均值、最大值、最小值给各个电压检测及均衡单元发布平均电压信息；

S4电压检测及均衡单元根据主控单元发布的电池平均电压确定是否启动均衡电路；

S5对电池进行检测：关闭直流屏交流电源，不脱开电池，使电池处于正常放电状态，经过20-30分钟的短期放电，在此过程中，记录电池的电压、电流、温度等参数，根据电池数学模型计算出用百分比表示的电池健康度；

S6每隔3-6个月天对电池进行浅充浅放。

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