CN104122503B - 不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置及方法。所述电池定压回溯在线测试装置包括一电池放电电流闭环控制模块和一电池电流采样调理模块；所述的电池放电电流闭环控制模块包括一PID控制器、一驱动波形发生器和一放电执行机构，所述PID控制器的输出端连接至所述驱动波形发生器的输入端，所述驱动波形发生器的输出端连接至所述放电执行机构；所述电池电流采样调理模块对电池的放电电流进行采样及滤波处理，所述电池电流采样调理模块的输出值与给定值的差值作为所述PID控制器的输入信号。本发明实现对电池在线式恒流测试，大大节约了测试成本，且本发明方法测试精度更高，量化电池性能，测试结果更直观。
Description
技术领域
本发明涉及一种不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置及方法。
背景技术
随着全球经济的快速发展，各数据中心、银行网点、高速公路及高铁等都得到了快速的发展，而这些行业都需要高质量的电能保证系统的安全不间断工作，因此这些行业为UPS行业带来了发展契机。其中UPS的后备能源—蓄电池的性能决定了系统的后备工作时间，UPS厂商及其客户均希望系统常规供电正常的情况下得到可靠的、相对准确的电池性能相关信息，以此作为电池维护、更新、备用预案的准备工作等的参考，因此在线式UPS急需要一种在线的、相对准确的、定性的反映电池性能参数的测试方案。
现有电池测试的常用方法为有在线测试和离线测试两种，在对电能质量要求较高的系统中，离线式电池测试会带来相应的风险，而且测试的准备工作相对繁琐；在线式测试方法往往需要建立一个或几个复杂的数据表格或者复杂的算法，将实际电池放电情况与数据表格中的参数进行对比，获得电池性能的信息，由于负载的不同及不稳定等因素，为了获得更加准确的电池性能，需要建立愈加繁琐的表格信息，表格的获取麻烦且占用大量的内存空间。
发明内容
本发明的其中一目的在于提供一种不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置，所述电池定压回溯在线测试装置包括一电池放电电流闭环控制模块和一电池电流采样调理模块；所述的电池放电电流闭环控制模块包括一PID控制器、一驱动波形发生器和一放电执行机构，所述PID控制器的输出端连接至所述驱动波形发生器的输入端，所述驱动波形发生器的输出端连接至所述放电执行机构；所述电池电流采样调理模块对电池的放电电流进行采样及滤波处理，所述电池电流采样调理模块的输出值与给定值的差值作为所述PID控制器的输入信号。
在本发明一实施例中，所述不间断电源系统包括AC/DC模块、DC/DC模块或DC/AC模块以及电池，所述AC/DC模块的输出端与所述DC/DC模块或DC/AC模块的输入端及所述电池连接；所述的放电执行机构即为所述的AC/DC模块，所述的AC/DC模块为可控的整流电路。
在本发明一实施例中，所述不间断电源系统包括AC/DC模块、DC/DC降压充电模块、DC/DC升压放电模块、DC/AC模块或DC/DC模块以及电池；所述AC/DC模块的第一输出端接至所述DC/DC降压充电模块的输入端，所述DC/DC降压充电模块的输出端接至电池，所述AC/DC模块的第二输出端接至所述DC/AC模块或DC/DC模块的第一输入端，所述DC/DC升压放电模块的输入端接至电池，所述DC/DC升压放电模块的输出端接至所述DC/AC模块或DC/DC模块的第二输入端；所述的放电执行机构即为所述的DC/DC升压放电模块；所述的DC/DC升压放电模块用于电池的放电，所述的DC/DC降压充电模块用于电池的充电，所述的AC/DC模块为可控的整流电路。
本发明另一目的在于提供一种基于上述不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置的电池定压回溯在线测试方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于上述不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置的电池定压回溯在线测试方法，包括如下步骤：
步骤1：实时监控电池端电压Ubat、电池电流值Ibat，AC/DC模块的输出电压值U、不间断电源系统输出电压值Uout和输出电流值Iout；
步骤2：不间断电源系统判断是否有电池在线测试命令，若有，则进入步骤3，否则退出；
步骤3：判断电池是否处于浮充状态且负载功率P=Uout·Iout＞A·C，其中A>0，C为电池的标称容量，若是，则进入步骤4，否则返回不满足电池测试条件信息；
步骤4：缓慢调整AC/DC模块的输出电压值U使其小于电池端电压Ubat；
步骤5：判断电池电流值Ibat是否小于等于-A·C，若是则进入步骤6，否则返回步骤4；
步骤6：将电池电流值Ibat与给定值Iref=-A·C的差值，经PID控制器输出至驱动波形发生器，驱动波形发生器产生驱动信号控制AC/DC模块，实现电池恒流放电闭环控制，电池测试计时器清零并启动电池测试计时器计时；
步骤7：当电池端电压Ubat≤电池放电终点电压Ulow，记录电池测试计时器记录的测试时间T，并设置电池放电电流闭环控制的给定值Iref大于零，恢复AC/DC模块正常整流工作模式；
步骤8：根据测试时间T与电池理想放电时间T0比较，计算K=T/T0，以判断电池性能；其中，电池理想放电时间T0，即电池处于标称容量状态下，以放电电流为A·C进行恒流放电至电池放电终止电压对应的理论时间值；
所述的电池电流值Ibat大于0时，电池处于充电状态；所述的电池电流值Ibat小于0时，电池处于放电状态。
本发明另一目的在于提供一种基于上述不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置的电池定压回溯在线测试方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于上述不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置的电池定压回溯在线测试方法，包括如下步骤：
步骤1：实时监控电池端电压Ubat、电池电流值Ibat，AC/DC模块的输出电压值U、输出电压值Uout和输出电流值Iout；
步骤2：系统判断是否有电池在线测试命令，若有，则进入步骤3，否则退出；
步骤3：判断电池是否处于浮充状态且负载功率P=Uout·Iout＞A·C，其中A>0，C为电池的标称容量，若是，则进入步骤4，否则返回不满足电池测试件信息；
步骤4：关闭DC/DC降压充电模块，开启DC/DC升压放电模块，并缓慢增加电池放电电流闭环控制的给定值；
步骤5：将电池电流值Ibat与给定值Iref=A·C的差值，经PID控制器输出至驱动波形发生器，驱动波形发生器产生PWM驱动信号控制DC/DC升压放电模块，实现对电池放电电流的闭环控制；
步骤6：判断电池放电电流值是否大于等于A·C，若是则进入步骤7，否则返回步骤4，
步骤7：电池测试计时器清零并启动电池测试计时器计时，当蓄电池的端电压Ubat≤电池测试终点电压Ulow，记录电池测试计时器记录的测试时间T，缓慢降低电池放电电流控制闭环的给定值至0，关闭DC/DC升压放电模块，开启DC/DC降压充电模块，不间断电源系统恢复正常工作状态；
步骤8：根据测试时间T与电池理想放电时间T0比较，计算K=T/T0，以判断电池性能；电池理想放电时间T0，即电池处于标称容量状态下，以放电电流为A·C进行恒流放电至电池放电终止电压对应的理论时间值。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
其一，不间断电源系统中仅增加一电池电流采样调理电路及一闭环控制即可实现对电池在线式恒流测试，可在线测试，实现简单，测试前期准备工作较少，大大节约了测试成本等特点；
其二，通过对电池放电电流的闭环控制，使得电池放电电流稳定，可不受负载波动等因素影响，克服了以往电池测试需要负载相对稳定的问题；
其三，本发明中，通过放电控制器缓慢增加电池放电电流，直到电池放电电流等于某一值（如放电倍率为0.1）并保持，进入测试环节，如此可有效防止电池未接的时候突然进入电池测试导致输出掉电的故障；
其四，测试过程中，电池放电倍率可控，可简单的通过关键电压点及测试时间实现对电池性能的评估，从而简化了电池性能评估的算法；将建立庞大的不同蓄电池、不同放电倍率的离散信息表的问题转化为控制放电倍率的问题，参考信息容易获取，测试精度更高，量化电池性能，测试结果更直观。
附图说明
图1为本发明的不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置原理图。
图2实施例1中不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置原理图。
图3实施例2中不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置原理图。
图4实施例1中不间断电源系统的电池定压回溯在线测试方法流程图。
图5实施例2中不间断电源系统的电池定压回溯在线测试方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如附图1所述，不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置，包括一电池放电电流闭环控制模块和一电池电流采样调理模块；所述的电池放电电流闭环控制模块包括一PID控制器、一驱动波形发生器和一放电执行机构G(s)，所述PID控制器的输出端连接至所述驱动波形发生器的输入端，所述驱动波形发生器的输出端连接至所述放电执行机构；所述电池电流采样调理模块对电池的放电电流进行采样及滤波处理，所述电池电流采样调理模块的输出值与给定值的差值作为所述PID控制器的输入信号。
不间断电源系统主要分为两种，其一为电池直连式，蓄电池不需要配置充电模块和放电模块；另一种在线式不间断电源需包含一充电模块、放电模块，主要用于对对蓄电池进行充放电功能。
通常不间断电源系统的负载由用户具体使用情况而定，甚至出现负载突变的现象，无法保证测试中放电电流恒定。假设不间断电源系统中各器件均为理想器件，无有功损耗，则输出功率P由两部分组成，其中一部分为AC/DC模块（即整流器）输出功率P1，另一部分为电池输出功率P2，即P=P1+P2。当AC/DC模块（即整流器）异常时，P1=0，不间断电源系统由电池供电P=P2；当AC/DC模块（即整流器）正常时，不间断电源系统由市电供电，同时为电池充电，P2不大于零；当电池测试时P2=A·C×Ubattery，AC/DC模块（即整流器）输入功率P1=P-P2。
实施例
1
应用于电池直连式的不间断电源系统，如图2所示，不间断电源系统包括依次连接的AC/DC模块、DC/DC模块或DC/AC模块以及电池，所述电池连接至AC/DC模块的输出端，所述的放电执行机构为AC/DC模块，所述的AC/DC模块为可控的整流电路；此类系统无独立的充放电控制回路，电池充电由AC/DC模块控制，当AC/DC模块异常时，蓄电池放电完全由负载决定。其中AC/DC模块实现交流电能转换为直流电能的功能，DC/DC模块或DC/AC模块主要是将前级获得的相对稳定的直流电能转换为负载要求的电能。
电池与直流母线直接相连，只有当母线电压低于电池端电压时，电池才能被动的放电。在一定的负载条件下，可以通过控制AC/DC模块输入功率间接的对电池放电电流进行控制。但是输出负载不确定，整机损耗无法实时的、准确的获取等诸多因素导致了无法精确控制整流器输入功率，但是电池放电电流很容易获取，本发明的思路将稳定的放电电流作为控制的目标，实现电池恒流放电状态进行电池性能测试，即将电池放电电流作为整流器控制的目标形成闭环控制。由于AC/DC在正常工作状态是作为充电器，当电池放电时，可认为电池的充电电流为负，便可直接利用UPS已有的恒流充电功能对放电进行闭环控制，将充电电流闭环给定值设定为-A·C ，本实施例A取值为0.1，实际放电电流Ibat经采样后，将其取负后作为充电电流反馈值。相较于传统的UPS系统，本系统仅需要加入一个电池电流采样调理模块，通过一定的控制逻辑将各部分有效的配合起来，就能实现电池测试，具体测试过程如下：
所述的不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置的电池定压回溯在线测试方法，包括如下步骤实现：
步骤1：实时监控电池端电压Ubat、电池电流值Ibat，AC/DC模块的输出电压值U、不间断电源系统输出电压值Uout和输出电流值Iout；
步骤2：不间断电源系统判断是否有电池在线测试命令，若有，则进入步骤3，否则退出；
步骤3：判断电池是否处于浮充状态且负载功率P=Uout·Iout＞A·C，其中A>0，C为电池的标称容量，若是，则进入步骤4，否则返回不满足电池测试条件信息；
步骤4：缓慢调整AC/DC模块的输出电压值U使其小于电池端电压Ubat；
步骤5：判断电池电流值是否小于等于-A·C，若是则进入步骤6，否则返回步骤4，
步骤6：将电池电流值Ibat与给定值Iref=-A·C的差值，经PID/PI控制器，PID控制器输出至驱动波形发生器，驱动波形发生器产生驱动信号控制AC/DC模块，实现电池恒流放电闭环控制，电池测试计时器清零并启动电池测试计时器计时；
步骤7：当电池端电压Ubat≤电池放电终点电压Ulow，记录电池测试计时器记录的测试时间T，并设置电池放电电流闭环控制的给定值Iref大于零，恢复AC/DC模块正常整流工作模式。
步骤8：根据测试时间T与电池理想放电时间T0比较，计算K=T/T0以判断电池性能，T0为电池理想放电时间，即电池处于标称容量状态下，以放电电流为A·C进行恒流放电至电池放电终止电压对应的理论时间值。
其中，A的取值与不间断电源系统负载量状态以及电池的放电特性对应的放电率相关。
实施例
2
应用于电池非直连式的不间断电源系统，如图3所示，所述不间断电源系统包括AC/DC模块、DC/DC降压充电模块、DC/DC升压放电模块、DC/AC模块或DC/DC模块、电池，所述AC/DC模块输出接至DC/DC降压充电模块的输入端、DC/AC模块或DC/DC模块的输入端，DC/DC降压充电模块的输出端接至电池，所述DC/DC升压放电模块的输入端接至电池，所述DC/DC升压放电模块的输出端接至DC/AC模块或DC/DC模块的输入端，所述的放电执行机构为DC/DC升压放电模块，所述的DC/DC升压放电模块用于电池的放电，所述的DC/DC降压充电模块用于电池的充电，所述的AC/DC模块为可控的整流电路。
其中AC/DC模块实现交流电能转换为直流电能的功能，DC/DC模块或DC/AC模块主要是将前级获得的相对稳定的直流电能转换为负载要求的电能，充电DC/DC模块可完成对蓄电池的恒流充电和恒压充电的功能；放电DC/DC模块通常以直流母线电压作为放电DC/DC模块控制器的反馈信号，获得相对稳定的直流电压。
电池管理中具有独立的充放电控制回路，理论上放电电路可不受直流母线电压的直接影响。正常情况下均是在AC/DC模块无法正常工作时由电池升压维持母线电压值稳定。当进行电池测试时，为了获得期望的放电电流AC，本实施例A取值为0.1，可将电池放电电流作为升压DC/DC控制电路的给定值，形成闭环对电池放电电流进行精确控制。负载功率P不可控，电池放电电流P2由恒定电流放电实现，P1仍然无需精准控制，而是通过稳定直流母线电压达到总输入与总输出自动平衡。相较于常规UPS系统，本测试系统仅需要加入电池电流采样调理模块，一个放电电流控制闭环（如图3所示），其中Iref为放电电流给定值，Ibat为实际放电电流采样值。通过一定的控制逻辑将各部分有效的配合起来，就能实现电池测试，当进入电池测试时，该模块以电池放电电流作为反馈信号，控制电池恒流放电，进入电池放电测试功能，具体实现如下，参考附图5：
所述的不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置的电池定压回溯在线测试方法，包括如下步骤实现：
步骤1：实时监控电池端电压Ubat、电池电流值Ibat，AC/DC模块的输出电压值U、输出电压值Uout和输出电流值Iout；
步骤2：系统判断是否有电池在线测试命令，若有，则进入步骤3，否则退出；
步骤3：判断电池是否处于浮充状态且负载功率P=Uout·Iout＞A·C，其中A>0，C为电池的标称容量，若是，则进入步骤4，否则返回不满足电池测试件信息；
步骤4：关闭DC/DC降压充电模块，开启DC/DC升压放电模块，并缓慢增加电池放电电流闭环控制的给定值；
步骤5：将电池电流值Ibat与给定值Iref=A·C的差值，经PID控制器，PID控制器输出至驱动波形发生器，驱动波形发生器产生PWM驱动信号控制DC/DC升压放电模块，实现对电池放电电流的闭环控制；
步骤6：判断电池放电电流值是否大于等于A·C，若是则进入步骤7，否则返回步骤4，
步骤7：电池测试计时器清零并启动电池测试计时器计时，当蓄电池的端电压Ubat≤电池测试终点电压Ulow，记录测试时间T，缓慢降低电池放电电流控制闭环的给定值至0，关闭DC/DC升压放电模块，开启DC/DC降压充电模块，不间断电源系统恢复正常工作状态；
步骤8：根据测试时间T与电池理想放电时间T0比较，计算K=T/T0以判断电池性能，T0为电池理想放电时间，即电池处于标称容量状态下，以放电电流为A·C进行恒流放电至电池放电终止电压对应的理论时间值。
其中，A的取值与不间断电源系统负载量状态以及电池的放电特性对应的放电率相关。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置，其特征在于：所述电池定压回溯在线测试装置包括一电池放电电流闭环控制模块和一电池电流采样调理模块；所述的电池放电电流闭环控制模块包括一PID控制器、一驱动波形发生器和一放电执行机构，所述PID控制器的输出端连接至所述驱动波形发生器的输入端，所述驱动波形发生器的输出端连接至所述放电执行机构；所述电池电流采样调理模块对电池的放电电流进行采样及滤波处理，所述电池电流采样调理模块的输出值与给定值的差值作为所述PID控制器的输入信号。
2.根据权利要求1所述的不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置，其特征在于：所述不间断电源系统包括AC/DC模块、DC/DC模块或DC/AC模块以及电池，所述AC/DC模块的输出端与所述DC/DC模块或DC/AC模块的输入端及所述电池连接；所述的放电执行机构即为所述的AC/DC模块，所述的AC/DC模块为可控的整流电路。
3.根据权利要求1所述的不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置，其特征在于：所述不间断电源系统包括AC/DC模块、DC/DC降压充电模块、DC/DC升压放电模块、DC/AC模块或DC/DC模块以及电池；所述AC/DC模块的第一输出端接至所述DC/DC降压充电模块的输入端，所述DC/DC降压充电模块的输出端接至电池，所述AC/DC模块的第二输出端接至所述DC/AC模块或DC/DC模块的第一输入端，所述DC/DC升压放电模块的输入端接至电池，所述DC/DC升压放电模块的输出端接至所述DC/AC模块或DC/DC模块的第二输入端；所述的放电执行机构即为所述的DC/DC升压放电模块；所述的DC/DC升压放电模块用于电池的放电，所述的DC/DC降压充电模块用于电池的充电，所述的AC/DC模块为可控的整流电路。
4.一种采用权利要求2所述的不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置的电池定压回溯在线测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：实时监控电池端电压Ubat、电池电流值Ibat，AC/DC模块的输出电压值U、不间断电源系统输出电压值Uout和输出电流值Iout；
步骤2：不间断电源系统判断是否有电池在线测试命令，若有，则进入步骤3，否则退出；
步骤3：判断电池是否处于浮充状态且负载功率P=Uout∙Iout＞A∙C，其中A>0，C为电池的标称容量，若是，则进入步骤4，否则返回不满足电池测试条件信息；
步骤4：缓慢调整AC/DC模块的输出电压值U使其小于电池端电压Ubat；
步骤5：判断电池电流值Ibat是否小于等于-A∙C，若是则进入步骤6，否则返回步骤4；
步骤6：将电池电流值Ibat与给定值Iref=-A∙C的差值，经PID控制器输出至驱动波形发生器，驱动波形发生器产生驱动信号控制AC/DC模块，实现电池恒流放电闭环控制，电池测试计时器清零并启动电池测试计时器计时；
步骤7：当电池端电压Ubat≤电池放电终点电压Ulow，记录电池测试计时器记录的测试时间T，并设置电池放电电流闭环控制的给定值Iref大于零，恢复AC/DC模块正常整流工作模式；
步骤8：将测试时间T与电池理想放电时间T0比较，计算K=T/T0，以判断电池性能；其中，电池理想放电时间T0，即电池处于标称容量状态下，以放电电流为A∙C进行恒流放电至电池放电终点电压Ulow对应的理论时间值；
所述的电池电流值Ibat大于0时，电池处于充电状态；所述的电池电流值Ibat小于0时，电池处于放电状态。
5.根据权利要求4所述的电池定压回溯在线测试方法，其特征在于：所述A的取值与不间断电源系统负载量状态以及电池的放电特性对应的放电率相关。
6.一种采用权利要求3所述的不间断电源系统的电池定压回溯在线测试装置的电池定压回溯在线测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：实时监控电池端电压Ubat、电池电流值Ibat，AC/DC模块的输出电压值U、输出电压值Uout和输出电流值Iout；
步骤2：系统判断是否有电池在线测试命令，若有，则进入步骤3，否则退出；
步骤3：判断电池是否处于浮充状态且负载功率P=Uout∙Iout＞A∙C，其中A>0，C为电池的标称容量，若是，则进入步骤4，否则返回不满足电池测试件信息；
步骤4：关闭DC/DC降压充电模块，开启DC/DC升压放电模块，并缓慢增加电池放电电流闭环控制的给定值；
步骤5：将电池电流值Ibat与给定值Iref=A∙C的差值，经PID控制器输出至驱动波形发生器，驱动波形发生器产生PWM驱动信号控制DC/DC升压放电模块，实现对电池放电电流的闭环控制；
步骤6：判断电池电流值Ibat是否大于等于A∙C，若是则进入步骤7，否则返回步骤4，
步骤7：电池测试计时器清零并启动电池测试计时器计时，当电池端电压Ubat≤电池测试终点电压Ulow，记录电池测试计时器记录的测试时间T，缓慢降低电池放电电流控制闭环的给定值至0，关闭DC/DC升压放电模块，开启DC/DC降压充电模块，不间断电源系统恢复正常工作状态；
步骤8：将测试时间T与电池理想放电时间T0比较，计算K=T/T0，以判断电池性能；电池理想放电时间T0，即电池处于标称容量状态下，以放电电流为A∙C进行恒流放电至电池放电终点电压Ulow对应的理论时间值。
7.根据权利要求6所述的电池定压回溯在线测试方法，其特征在于：所述A的取值与不间断电源系统负载量状态以及电池的放电特性对应的放电率相关。
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