CN105510718A - 一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统，所述的系统包括PTC放电负载模块、多个单体蓄电池串联连接的蓄电池组和分别与单体蓄电池并联的多个蓄电池单体监测模块，所述的PTC放电负载模块和蓄电池组串联，所述的PTC放电负载模块上集成有第一电流监测装置，所述的蓄电池单体监测模块包括测量单体蓄电池电压的电压监测装置。本发明还涉及一种内阻监测系统的控制方法，本发明采用无线方式进行数据传递，同时由蓄电池组监测主机控制蓄电池的内阻测量，减少了人为测量产生的误差。

Description

一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组变桨系统领域，尤其涉及一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统及控制方法。

背景技术

近年来，阀控式铅酸蓄电池在许多领域都得到了迅速推广应用。在风电机组变桨系统中，密封阀控式铅酸蓄电池是应用广泛的后备电源储能设备之一。在风电机组运行现场，变桨用蓄电池寿命短、故障多、维护成本高等一系列的问题都会影响风电机组正常运行。根据风电机组设计寿命，在风电机组的寿命周期中，蓄电池要更换5次～8次，蓄电池的费用可达变桨系统总投资的40％以上。无论从系统运行可靠性、可维护性，还是经济效益角度考虑，后备电源都成了变桨系统中十分薄弱的环节。现在应用于蓄电池的监测技术不能很好的监测蓄电池的状态，而蓄电池的内阻信息可以很好反应其蓄电池的状态。

目前测量蓄电池内阻的常见方法有密度法、开路电压法、直流放电法和交流法等。其中：密度法，是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，该方法的适用范围窄。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，甚至有可能得出错误结论。直流放电法，是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上的瞬间电压降，再通过欧姆定律计算出电池内阻，虽然这种方法在实践中也得到了广泛的应用，但是无法实现在线测量。交流法，是通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号，测量出蓄电池两端的电压响应信号以及两者的相位差，由阻抗公式来确定蓄电池的内阻。该方法不需对蓄电池进行放电，可以实现安全在线检测电池内阻，故不会对蓄电池的性能造成影响。但该方法需要测量交流电流信号、电压响应信号以及电压和电流之间的相位差，不但干扰因素多，而且增加了系统的复杂性，同时也影响了测量精度。同时，现有交流法测试内阻都利用锁相放大环节进行小信号处理，由于专门锁相放大芯片价格较为昂贵，故这种方法对于需要控制成本的场合也并不适用。

申请号为CN200810055316的中国专利涉及一种蓄电池内阻测量方法，属于利用蓄电池大电流直流放电法测量蓄电池内阻的测量方法。具体步骤如下：选用大功率，高精度、小阻值的电阻作为放电电阻；控制大功率继电器闭合，接通放电回路使蓄电池对所述放电电阻进行瞬间放电，放电时间控制在7-12s，同时测量放电时的放电电流I和蓄电池两端的电压V1；断开放电回路，延时1-2ms，测量此时的蓄电池两端的电压V2；计算蓄电池的内阻。上述蓄电池内阻的测量方法可以测量蓄电池的内阻，但是：(1)上述测量方法的时间控制不易把握，有可能造成测量失败；(2)测量方法不易操作，有可能测量结果的误差较大。

申请号为CN201510275601的中国专利公开了一种铅蓄电池内阻检测电路，包括用于为电池放电、使电池的正负极上产生电压压降的放电模块，用于采集电池正负极电压压降的压降采集模块，用于检测负载上电压值的负载电压检测模块和处理计算模块。所述处理计算模块根据负载上的电压值计算出电池内阻的平均电流，再根据电池正负极的电压压降和电池内阻的平均电流计算出电池内阻。

鉴于此提出本发明。

发明内容

本发明的目的为克服现有技术风力发电机组蓄电池内阻测量不能实现数据的无线传输，测量中没有考虑温度、形变等因素的影响，测量误差较大等的缺点，提供一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统。

为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：

所述的系统包括PTC放电负载模块、多个单体蓄电池串联连接的蓄电池组和分别与单体蓄电池并联的多个蓄电池单体监测模块，所述的PTC放电负载模块和蓄电池组串联，所述的PTC放电负载模块上集成有第一电流监测装置，所述的蓄电池单体监测模块包括测量单体蓄电池电压的电压监测装置。

通过单体蓄电池对PTC放电负载模块放电，记录蓄电池放电时的电压和停止放电时的瞬时电压以及瞬时电流即可计算蓄电池的内阻。每个单体蓄电池分别并联有蓄电池单体监测模块，便于了解每个单体蓄电池的电压，内阻等信息。

进一步的，还包括蓄电池组监测主机，所述的蓄电池组监测主机分别与PTC放电负载模块、蓄电池单体监测模块通信连接。所述的蓄电池组监测主机可以控制PTC放电负载模块是否工作，同时可以获得蓄电池单体监测模块的相关数据，便于进行蓄电池的内阻监测。

进一步的，还包括第二电流监测装置，所述的第二电流监测装置与蓄电池组串联，所述的蓄电池组监测主机与第二电流监测装置通信连接。在蓄电池组连接外部负载时，可以通过电压监测装置测得单体蓄电池的电压，断开与外部负载的连接后，可以通过第二电流监测装置测得断开瞬间的电流，通过电压监测装置测得断开瞬间的电压，从而可以测得蓄电池的内阻，了解每个单体蓄电池的电压，内阻，电流等信息。

进一步的，所述的蓄电池单体监测模块还包括温度传感器和形变传感器。温度传感器和形变传感器可以测量单体蓄电池的温度、形变等参数，在单体蓄电池的温度、形变等达到预设值时，可以启动单体蓄电池的内阻测量，从而可以用于监测系统的电流、蓄电池组的电压、蓄电池组总内阻、单个蓄电池的内阻、蓄电池的容量等。

进一步的，还包括无线空气温湿度传感器模块和/或无线门磁传感器模块，所述的无线空气温湿度传感器模块和/或无线门磁传感器模块与蓄电池组监测主机通信连接。所述的无线空气温湿度传感器模块可以用于获得风力发电机组机舱的环境温湿度等参数，从而能够获得机舱不同温湿度环境下，蓄电池的温度，电压，内阻等信息，同时上述传感器与蓄电池监控主机之间采用无线传输方式进行数据的传递。所述的无线门磁传感器模块能够实现机舱舱门关闭状态下的风力发电机组蓄电池的内阻监测和数据传递。

本发明的另一个目的是提供一种风力发电机组蓄电池内阻的监测系统的控制方法，所述的控制方法可以在需要监测内阻时进行蓄电池的内阻监测，也可以在单体蓄电池的温度、电压、形变等达到预设值时，进行蓄电池的内阻监测，所述的蓄电池内阻测试系统的控制方法为：

a、控制蓄电池组接通PTC放电负载模块，单体蓄电池对PTC放电负载模块放电，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得相应单体蓄电池的电压V1；

b、控制蓄电池组断开与PTC放电负载模块的连接，单体蓄电池停止对PTC放电负载模块放电，第一电流监测装置测得断电瞬间的瞬时电流I1，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得断电瞬间的瞬时电压V2；

c、由R＝(V2-V1)/I1计算得到单体蓄电池内阻。

进一步的，蓄电池组断开与PTC放电负载模块的连接时，控制方法如下：

a1、控制蓄电池组接通外部负载，单体蓄电池对外部负载放电，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得相应单体蓄电池的电压V3；

b1、控制蓄电池组断开与外部负载的连接，单体蓄电池停止对外部负载放电，第一电流监测装置测得断电瞬间的瞬时电流I2，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得断电瞬间的瞬时电压V4；

c1、R1＝(V4-V3)/I2计算得到单体蓄电池内阻。

进一步的，所述蓄电池组监测主机监测蓄电池组是否接通外部负载，若是，则断开蓄电池组与PTC放电负载模块的连接；若否，则控制接通蓄电池组与PTC放电负载模块的连接。蓄电池组监测主机控制单体蓄电池连接外部负载或PTC放电负载模块，从而控制内阻的测量，便于了解蓄电池的内阻情况，及时了解蓄电池的性能。

进一步的，所述蓄电池组监测主机可根据蓄电池单体监测模块、无线空气温湿度传感器模块和/或无线门磁传感器模块反馈的数据，主动监测单体蓄电池的内阻。在单体蓄电池的电压大于预设值上限或者小于预设值下线、温度发生突变或大于预设值上限、形变发生突变等情况时，监控主机可以控制对该单体蓄电池的内阻测量。

进一步的，蓄电池的内阻监测包括冲击内阻监测和动态内阻监测，其中监测蓄电池冲击内阻的控制方法为：

a2：蓄电池组监测主机2发出测试单体蓄电池3冲击内阻的命令，控制蓄电池组接通PTC放电负载模块7或外部负载，并控制蓄电池3产生冲击电压，电压监测装置测得单体蓄电池的冲击电压V5；

b2：蓄电池组监测主机断开与PTC放电负载模块7或外部负载的连接，电压监测装置测得断开瞬间的电压V6，第二电流监测装置或第一电流监测装置的电流I3；

c2：根据R2＝(V6-V5)/I3计算得到单体蓄电池的冲击内阻。

监测蓄电池动态内阻时，步骤a2中蓄电池组监测主机发出测试单体蓄电池动态内阻的命令，并控制蓄电池产生动态内阻。

蓄电池的冲击内阻可以很好地反应系统的抗击穿性能，蓄电池的动态内阻可以反映蓄电池在正常工作时的内阻状态，蓄电池的冲击内阻和动态内阻可以很好地反映蓄电池的性能。

采用本发明所述的技术方案后，带来以下有益效果：

1、本发明风力发电机组的蓄电池内阻监测系统的监测主机与单体监测模块和PTC放电负载模块双向通信，既可以在需要测量内阻时，通过无线方式控制蓄电池的内阻测量，也可以在单体监测模块的电压大于预设值上限或者小于预设值下线、温度发生突变或大于预设值上限、形变发生突变等情况时，由蓄电池组监控主机发出命令，控制进行蓄电池的内阻测量，便于实现蓄电池的定期维护，及时了解蓄电池的性能。

2、本发明的蓄电池单体监测模块的每个单体蓄电池分别并联有蓄电池单体监测模块，便于获得每个单体蓄电池的温度、电压、内阻等信息，了解每个蓄电池性能，在个别单体蓄电池出现问题时，可以及时进行单体蓄电池的维护，保证每个蓄电池的稳定运行。

3、本发明无线空气温湿度传感器模块和/或无线门磁传感器模块可以及时获取机舱的环境温湿度，进而得到不同环境温湿度情况下蓄电池的内阻，同时可以在机舱舱门关闭状态下实现蓄电池的内阻监测。

4、本发明蓄电池组监测主机与蓄电池单体监测模块、电流检测装置以及无线传感器模块的通信连接，减少了数据传递线路的设置以及相应的空间占用。

附图说明

图1：本发明蓄电池内阻监测系统的系统原理图；

其中：2、蓄电池组监测主机，3、单体蓄电池，7、PTC放电负载模块，11、第二电流监测装置，12、蓄电池单体监测模块，13、无线空气温湿度传感器模块，14、无线门磁传感器模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的介绍。

如图1所示：一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统，包括PTC放电负载模块7、多个单体蓄电池3串联连接的蓄电池组和分别与单体蓄电池3并联的多个蓄电池单体监测模块12，所述的PTC放电负载模块7和蓄电池组串联，所述的PTC放电负载模块7上集成有第一电流监测装置，所述的蓄电池单体监测模块包括测量单体蓄电池电压的电压监测装置，监测蓄电池温度和形变的温度传感器和形变传感器。每个单体蓄电池3上分别并联电压传感器，温度传感器，形变传感器，每个传感器都具有唯一ID，与单体蓄电池3一一对应。

该内阻监测系统还设置有蓄电池组监测主机2，所述的蓄电池组监测主机2分别与PTC放电负载模块7、蓄电池单体监测模块12通信连接。所述的蓄电池组监测主机2可以控制PTC放电负载模块7是否连接蓄电池组，同时可以获得电流监测装置11、蓄电池单体监测模块12的相关数据，便于进行蓄电池的内阻监测，同时采用通信连接方式减少了数据传递线路的空间占用。

还包括第二电流监测装置11，所述的第二电流监测装置11与蓄电池组串联。所述的蓄电池组监测主机2与第二电流监测装置11通信连接，蓄电池组监测主机2可以获取第二电流监测装置11的电流信息。

在蓄电池组连接外部负载时，电压监测装置可以测得单体蓄电池的电压；断开与外部负载的连接后，第二电流监测装置11测得断开瞬间的电流，电压监测装置测得断开瞬间的电压；从而蓄电池组监测主机2可以计算出蓄电池的内阻，便于了解每个单体蓄电池的电压，内阻，电流等信息。

所述蓄电池组监测主机2监测蓄电池组是否接通外部负载，若是，则断开与PTC放电负载模块7的连接；若否，则控制接通与PTC放电负载模块7的连接。蓄电池组监测主机2控制单体蓄电池连接外部负载或PTC放电负载模块7，从而控制内阻的测量，便于了解蓄电池的内阻情况，及时了解蓄电池的性能。

在蓄电池组监测主机2监测蓄电池组没有接通外部负载时，控制接通与PTC放电负载模块7的连接，蓄电池内阻监测系统的控制方法为：

a、控制蓄电池组接通PTC放电负载模块7，单体蓄电池3对PTC放电负载模块7放电，蓄电池单体监测模块12的电压检测装置测得相应单体蓄电池的电压V1；

b、控制蓄电池组断开与PTC放电负载模块7的连接，单体蓄电池3停止对PTC放电负载模块7放电，第一电流监测装置测得断电瞬间的瞬时电流I1，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得断电瞬间的瞬时电压V2；

c、由R＝(V2-V1)/I1计算得到单体蓄电池内阻。

在蓄电池组监测主机2监测蓄电池组与外部负载接通时，控制断开与PTC放电负载模块7的连接，蓄电池内阻监测系统的控制方法为：

a1、控制蓄电池组接通外部负载，单体蓄电池对外部负载放电，蓄电池单体监测模块12的电压检测装置测得相应单体蓄电池的电压V3；

b1、控制蓄电池组断开与外部负载的连接，单体蓄电池3停止对外部负载放电，第一电流监测装置测得断电瞬间的瞬时电流I2，蓄电池单体监测模块12的电压检测装置测得断电瞬间的瞬时电压V4；

c1、R1＝(V4-V3)/I2计算得到单体蓄电池内阻。

除了上述蓄电池内阻监测系统的控制方法，蓄电池组监测主机可根据蓄电池单体监测模块反馈的数据，主动监测单体蓄电池的内阻。在单体蓄电池的电压大于预设值上限或者小于预设值下线、温度发生突变或大于预设值上限、形变发生突变等情况时，监控主机可以控制对该单体蓄电池的内阻测量。

上述蓄电池内阻监测系统的控制方法可以用于控制蓄电池3的冲击内阻和动态内阻的监测。

蓄电池组监测主机控制蓄电池产生冲击电压，从而测得冲击内阻的控制方法如下：

a2：蓄电池组监测主机2发出测试单体蓄电池3冲击内阻的命令，控制蓄电池组接通PTC放电负载模块7或外部负载，并控制蓄电池3产生冲击电压，电压监测装置测得单体蓄电池的冲击电压V5；

b2：蓄电池组监测主机断开与PTC放电负载模块7或外部负载的连接，电压监测装置测得断开瞬间的电压V6，第二电流监测装置或第一电流监测装置的电流I3；

c2：根据R2＝(V6-V5)/I3计算得到单体蓄电池的冲击内阻。

在测试动态内阻时，蓄电池组监测主机2发出测试单体蓄电池3动态内阻的命令，并控制蓄电池3产生动态电压，相应的监测装置测得相应的电压和电流，按照内阻计算公式即可计算出动态内阻。

蓄电池的冲击内阻可以很好地反应系统的抗击穿性能，蓄电池的动态内阻可以反映蓄电池在正常工作时的内阻状态，蓄电池的冲击内阻和动态内阻可以很好地反映蓄电池的性能。

实施例一：

本实施例中，所述的外部负载为电容，电容可以作为负载同时又能够把能量存储起来供其他模块使用，这样不但测量简单，同时可以避免采用电容外的其他耗能负载测试时蓄电池电量的浪费。

实施例二

本实施例中，还包括被动均衡模块，所述的被动均衡模块与单体蓄电池3并联。被动均衡模块可以用于均衡蓄电池的电压，防止个别蓄电池出现的过充电情况，延长单体蓄电池的寿命。

实施例三：

本实施例中，一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统还包括无线空气温湿度传感器模块13，所述的无线空气温湿度传感器模块13与蓄电池组监测主机2通信连接。所述的无线空气温湿度传感器模块13设置在风力发电机组的机舱内，由微控制单元、数字温度传感器、数字射频收发器、耐高温锂亚电池、外壳和天线组成。

该组传感器模块13可以用于获得风力发电机组机舱的环境温湿度等参数，从而能够获得机舱不同温湿度环境下，蓄电池的温度、电压、内阻等相关信息，同时上述传感器与蓄电池组监测主机2之间采用无线传输方式进行数据的传递，减少了排线造成的空间占用。

实施例四：

本实施例中，一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统还包括无线门磁传感器模块14，所述的无线门磁传感器模块14与蓄电池组监测主机2通信连接。所述的无线门磁传感器模块14设置在风力发电机组的机舱内，由微控制单元、数字射频收发器、磁传感器组成。所述的无线门磁传感器模块14能够实现机舱舱门关闭状态下的风力发电机组蓄电池的内阻监测。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统，其特征在于：所述的系统包括PTC放电负载模块、多个单体蓄电池串联连接的蓄电池组和分别与单体蓄电池并联的多个蓄电池单体监测模块，所述的PTC放电负载模块和蓄电池组串联，所述的PTC放电负载模块上集成有第一电流监测装置，所述的蓄电池单体监测模块包括测量单体蓄电池电压的电压监测装置。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统，其特征在于：还包括蓄电池组监测主机，所述的蓄电池组监测主机分别与PTC放电负载模块、蓄电池单体监测模块通信连接。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统，其特征在于：还包括第二电流监测装置，所述的第二电流监测装置与蓄电池组串联，所述的蓄电池组监测主机与第二电流监测装置通信连接。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统，其特征在于：所述的蓄电池单体监测模块还包括温度传感器和形变传感器。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统，其特征在于：还包括无线空气温湿度传感器模块和/或无线门磁传感器模块，所述的无线空气温湿度传感器模块和/或无线门磁传感器模块与蓄电池组监测主机通信连接。

6.一种如权利要求1-5任一所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统的控制方法，其特征在于：

a、控制蓄电池组接通PTC放电负载模块，单体蓄电池对PTC放电负载模块放电，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得相应单体蓄电池的电压V1；

b、控制蓄电池组断开与PTC放电负载模块的连接，单体蓄电池停止对PTC放电负载模块放电，第一电流监测装置测得断电瞬间的瞬时电流I1，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得断电瞬间的瞬时电压V2；

c、由R＝(V2-V1)/I1计算得到单体蓄电池内阻。

7.根据权利要求6所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统的控制方法，其特征在于：

a1、控制蓄电池组接通外部负载，单体蓄电池对外部负载放电，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得相应单体蓄电池的电压V3；

b1、控制蓄电池组断开与外部负载的连接，单体蓄电池停止对外部负载放电，第一电流监测装置测得断电瞬间的瞬时电流I2，蓄电池单体监测模块的电压检测装置测得断电瞬间的瞬时电压V4；

c1、R1＝(V4-V3)/I2计算得到单体蓄电池内阻。

8.根据权利要求7所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统控制方法，其特征在于：所述蓄电池组监测主机监测蓄电池组是否接通外部负载，若是，则断开蓄电池组与PTC放电负载模块的连接；若否，则控制接通蓄电池组与PTC放电负载模块的连接。

9.根据权利要求6所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统控制方法，其特征在于：所述蓄电池组监测主机可根据蓄电池单体监测模块、无线空气温湿度传感器模块和/或无线门磁传感器模块反馈的数据，主动监测单体蓄电池的内阻。

10.根据权利要求6所述的一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统控制方法，其特征在于：蓄电池的内阻监测包括冲击内阻监测和动态内阻监测，其中监测蓄电池冲击内阻的控制方法为：

a2：蓄电池组监测主机发出测试单体蓄电池冲击内阻的命令，控制蓄电池组接通PTC放电负载模块或外部负载，并控制蓄电池产生冲击电压，电压监测装置测得单体蓄电池的冲击电压V5；

b2：蓄电池组监测主机断开与PTC放电负载模块或外部负载的连接，电压监测装置测得断开瞬间的电压V6，第二电流监测装置或第一电流监测装置的电流I3；

c2：根据R2＝(V6-V5)/I3计算得到单体蓄电池的冲击内阻。

监测蓄电池动态内阻时，步骤a2中蓄电池组监测主机发出测试单体蓄电池动态内阻的命令，并控制蓄电池产生动态内阻。