CN106443489A - 一种蓄电池在线管理系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种蓄电池在线管理系统及其运行方法，能够切换蓄电池的运行状态，实现对单体蓄电池开路电压的测量；实现对单体蓄电池内阻在特定条件下的测量，解决现有运行方式下只测量蓄电池浮充电压不能准确反应蓄电池健康状况的问题，以及现有测量蓄电池内阻测量方法不能在大电流状态工作，不能真实反映蓄电池的工况，解决内部接触不良等隐患不能被发现的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄电池在线管理系统及其运行方法，一般应用于电力系统直流操作电源领域。
背景技术
作为电力系统直流操作电源的核心部件，蓄电池组大多采用多节单体蓄电池串联的形式，随着蓄电池运行时间的不断加长，以及温度、湿度等环境的影响，蓄电池组中各单体蓄电池的性能也在不断变化，其中会导致部分蓄电池内阻增大、容量下降或其他的故障，在需要直流系统向负载提供电源的时刻，由于一节或几节单体蓄电池的故障使得整组蓄电池无法输出，造成直流母线失压，从而造成保护设备或控制设备无法正常工作。
根据规程，要求蓄电池长期处于浮充运行模式，由于蓄电池的电压为浮充电压，因此，在浮充状态下测量电池电压无法反映蓄电池的健康状况。
现有的蓄电池管理系统，大都只测量浮充电压不能反映电池的真实健康状况，有带内阻测量管理系统大多采用交流信号注入原理，由于蓄电池是一个基于电化学的储能元件，因此，不能等效为一个纯电阻，通过注入信号并检测注入信号的变化实现的蓄电池内阻检测是不准确的，并不能反映蓄电池真实运行工况时的情况；还有部分带内阻测量管理系统的虽然采用直流放电法测量蓄电池内阻，但蓄电池都在浮充运行状态，且只对单只电池进行放电，放电电流小，也不能反映电池大电流放电的工况。总之，目前蓄电池在线管理系统都不能测量电池的开路电压和评估电池组在大电流放电工况，也就并不能正确评估电池的健康状况。
发明内容
本发明的目的是提供一种蓄电池在线管理系统及其运行方法，能够切换蓄电池的运行状态，实现对单体蓄电池开路电压的测量；实现对单体蓄电池内阻在特定条件下的测量，解决现有运行方式下只测量蓄电池浮充电压不能准确反应蓄电池健康状况的问题，以及现有测量蓄电池内阻测量方法不能在大电流状态工作，不能真实反映蓄电池的工况，解决内部接触不良等隐患不能被发现的问题。
本发明的技术解决方案为：一种蓄电池在线管理系统，应用于由多节单体蓄电池串联构成的蓄电池组中，其特征在于：
包括：主控制模块Z，放电模块F，电池监测模块M，开关K1，开关K2，电气元件D1；
电气元件D1必须具有单向导通特性；
开关K1是可控的，且至少具有一极，并与电气元件D1并联；
开关K1与电气元件D1并联后，串接至蓄电池组的正极或负极；
开关K2是可控的，且至少具有两极，其中一极接至蓄电池组的正极，另一极接至蓄电池组的负极；
放电模块F连接在开关K2的另一端，可以是一个电阻或电阻的组合，也可以是一个具有对蓄电池放电功能的装置；
电池监测模块M连接在每节单体蓄电池两端，如果有n节电池，则需要设置n个电池监测模块M1-Mn；
电池监测模块M内至少包含一个电池均衡模块JH，至少一个处理器C，至少一个电压检测电路单元Y，至少一个通信电路单元T；
主控制模块Z内至少包含一个报警和信息上送GPRS模块，至少包含一个处理器C0，至少一个通信电路单元T0，至少一组可以控制所述开关K1和开关K2的电路单元K；
所述的电池监测模块M内的通信电路单元T与所述的主控制模块Z内的通信电路单元T0具有相同的接口，可以相互通信。
所述的一种蓄电池在线管理系统，其特征在于：
开关K1和开关K2可以是接触器，和/或继电器，和/或断路器，且必须为直流专用，如果是断路器，则还需配置一个电动操作机构单元；
开关K1和开关K2可以通过触点控制，也可以通过通信控制。
所述的一种蓄电池在线管理系统，其特征在于：
电池监测模块M包含的电池均衡模块JH，具有充电和放电特性，可以通过所述的电压检测电路单元Y获得所监测的蓄电池的电压，如果大于设定值，则对蓄电池进行充电，如果小于设定值，则对蓄电池进行放电；
充电电路可以采用DC/DC，也可以采用AC/DC，还可以并联电容。
所述的一种蓄电池在线管理系统，其特征在于：
电气元件D1可以是二极管，也可以是可控硅，也可以是具有单向导通特性的电子装置。
所述的一种蓄电池在线管理系统，其特征在于：
所述的电池监测模块M，还可以包括一个温度检测电路单元W，可以通过检测蓄电池的温度，且温度检测电路单元W接至蓄电池的负极极柱上。
一种管理蓄电池的方法，运行在权利要求1-5的蓄电池管理系统上，其特征在于包含以下步骤：
1）正常运行时，使开关K1处于闭合状态，开关K2处于断开状态，此时，蓄电池组处于浮充运行模式，在测量蓄电池内阻之前，断开开关K1，使蓄电池组脱离浮充运行模式。
2）测量开路电压：断开开关K1后，主控模块连续测量各只电池的开路电压，过电池监测模块M1-Mn测量蓄电池1-蓄电池n的电压U1-Un，并监测每只电池开路电压的变化，当一定时间内电压不再下降或下降率小于设定值时，测得各只电池的开路电压，发现有开路电压不满足要求的电池时报警。（开路电压应在平均值的±0.03V，一般设置为±0.03V）。
3）闭合开关K2，使蓄电池组通过放电模块F放电，放电电流恒定为If；
在放电状态下，通过电池监测模块M1-Mn测量蓄电池1-蓄电池n的电压U1-Un。
4）通过以下公式计算蓄电池1-蓄电池n的内阻：
Rx = Ux / If；
式中：Rx表示第x节蓄电池的内阻值，Ux表示第x接蓄电池的电压值，If为恒定的放电电流值；
获得蓄电池1-n的内组织R1-Rn。
5）对测得的第1-n节蓄电池的内阻进行如下判断，设内阻值R1-Rn最大者为Rmax，平均值为Ravr，若
Rmax > a * Ravr
则判定为该节蓄电池下降；
式中，a为设定的系数。
6） 对测得的第1-n节蓄电池的内阻进行如下判断，设内阻值R1-Rn最大者为Rmax，平均值为Ravr，若
Rmax > a * Ravr
则判定为该节蓄电池容量下降，并进行报警；
式中，a为设定的系数。
7） 对一定电流下1-n节蓄电池的电压变化进行如下判断：
ΔU>ΔU的平均值*b；
式中，b为设定的系数。
则判定为该节蓄电池容量下降，并进行报警。
8） 控制放电模块F放电，放电电流恒定为If1、If2；
分别在If1、If2下重复进行上述（5）（6）（7）步；
式中，If、If1、If2 可以根据不同容量的电池预设。
9） 打开K2、闭K1，恢复正常的浮充运行状态。
10） 在浮充运行状态下主控模块Z连续监测电池电压，当
UX > Up +ΔU 时 给X电池发均衡放电指令；
UX < Up -ΔU 时 给X电池发均衡充电指令；
ΔU 一般设置为0.05V。
11） 在浮充运行状态下主控模块连续计时，当到达设定的测量开路电压和内阻时间时，转入测量程序（步骤2）。
12） 主控模块有启动手工测量功能，设置报警参数功能。主控模块通过GPRS发报警短信，并把数据上送专用电池运行数据监测服务器。
本发明采用上述系统及方法，可以解决蓄电池非浮充方式的切换，实现对蓄电池开路电压和内阻(同一电流下电压降的比对)的测量，通过短时间大电流给蓄电池组放电能真实检测电池的带负载能力，能及时发现电池内部接触不良和准开路的隐患，解决现有运行方式下蓄电池在线检测装置特性监测不准确等问题。
附图说明
图1是本发明系统的技术原理图；
图2是本发明方法的流程图；
图3是本发明方法的技术原理图。
具体实施方式
本发明涉及一种蓄电池在线管理系统及其运行方法。
图1是本发明的技术原理图。如图，本系统包括：主控制模块Z，放电模块F，电池监测模块M，开关K1，开关K2，电气元件D1；其中，电气元件D1必须具有单向导通特性；开关K1是可控的，且至少具有一极，并与电气元件D1并联；开关K1、与电气元件D1并联后，串接至蓄电池组的正极或负极；开关K2是可控的，且至少具有两极，其中一极接至蓄电池组的正极，另一极接至蓄电池组的负极；放电模块F连接在开关K2的另一端，可以是一个电阻或电阻的组合，也可以是一个具有对蓄电池放电功能的装置；电池监测模块M连接在每节单体蓄电池两端，如果有n节电池，则需要设置n个电池监测模块M1-Mn；电池监测模块M内至少包含一个电池均衡模块JH，至少一个处理器C，至少一个电压检测电路单元Y，至少一个通信电路单元T；主控制模块Z内至少包含一个处理器C0，至少一个通信电路单元T0，至少一组可以控制所述开关K1和开关K2的电路单元K；所述的电池监测模块M内的通信电路单元T与所述的主控制模块Z内的通信电路单元T0具有相同的接口，可以相互通信。
其中，开关K1和开关K2可以是接触器，和/或继电器，和/或断路器，且必须为直流专用，如果是断路器，则还需配置一个电动操作机构单元；开关K1和开关K2可以通过触点控制，也可以通过通信控制。
电池监测模块M包含的电池均衡模块JH，具有温度、电压监测及充电、放电特性，与所述的主控制模块Z内的通信电路单元T0具有相同的接口，可以相互通信。可以通过所述的电压检测电路单元Y获得所监测的蓄电池的电压，并与主控制模块Z通讯，主控制模块接收到电池电压之后，进行分析比对，如果其大于设定值（平均值+0.05V），则对蓄电池进行放电，如果小于设定值（平均值-0.05V），则对蓄电池进行充电；充电电路可以采用DC/DC，也可以采用AC/DC，还可以并联电容。
电气元件D1可以是二极管，也可以是可控硅，也可以是具有单向导通特性的电子装置。
电池监测模块M，还可以包括一个温度检测电路单元W，可以通过检测蓄电池的温度，且温度检测电路单元W接至蓄电池的负极极柱上或粘贴于电池表面。
本发明采用上述系统及方法，可以解决蓄电池非浮充方式的切换，实现对蓄电池开路电压和内阻测量（通过分析比对每只电池在同一放电电流下的电压降落一致性，间接反映电池的内阻），解决蓄电池特性监测不准确等问题。
实施例：主控制模块Z负责系统的总体监视和控制，包括对电池监测模块M1 – Mn的控制、电压信号采集，并与之通信，负责控制开关K1、K2，负责总体的计算与报警；放电模块F为一个放电仪，也可以是一个大功率电阻器，用于对电池总体实现可控的放电；电池监测模块M1 – Mn，连接在每节电池的两端，用于对蓄电池单体进行均衡，测量单体电压，并结合主控模块Z的放电试验获得蓄电池内阻值；可控的开关K1，可以选择直流接触器，或者断路器加电动操作机构，或电力电子开关器件；可控的开关K2，可以选择直流接触器，或者断路器加电动操作机构，或电力电子开关器件；单向导通元件D1为二极管。
图2是实施例中电池监测模块M1的实施方案，包括在线均衡电路单元，对多节电池电压进行均衡，如果电压偏高，予以放电，如果电压偏低，则予以充电；电压测量电路单元（含温度检测），用于检测蓄电池的单体电压及温度，检测温度的传感器应置于蓄电池的负极极柱上或粘贴于电池表面；主控制单元，包括MCU及周边电路，用于控制模块的具体工作；通信单元，用于响应主控制模块Z发来的指令。
图3是本发明方法的技术原理图。其具体实施步骤为：
1） 正常运行时，使开关K1处于闭合状态，开关K2处于断开状态，此时，蓄电池组处于浮充运行模式，在测量蓄电池开路电压和内阻之前，断开开关K1，使蓄电池组脱离浮充运行模式，进入准浮充状态，直流母线电压一旦低于电池组电压时二极管导通，电池组带负荷持续运行。
2） 测量开路电压：断开开关K1后，主控模块连续测量各只电池的开路电压，过电池监测模块M1-Mn测量蓄电池1-蓄电池n的电压U1-Un，并监测每只电池开路电压的变化，当一定时间内电压不再下降或下降率小于设定值时，测得各只电池的开路电压，发现有开路电压不满足要求的电池时报警。（开路电压应在平均值的±0.03V，一般设置为±0.03V）。
3） 闭合开关K2，使蓄电池组通过放电模块F放电，放电电流恒定为If。
4） 在放电状态下，通过电池监测模块M1-Mn测量蓄电池1-蓄电池n的电压U1-Un。
5） 通过以下公式计算蓄电池1-蓄电池n的内阻：
Rx = Ux / If；
式中：Rx表示第x节蓄电池的内阻值，Ux表示第x接蓄电池的电压值，If为恒定的放电电流值；
获得蓄电池1-n的内组织R1-Rn。
6） 对测得的第1-n节蓄电池的内阻进行如下判断，设内阻值R1-Rn最大者为Rmax，平均值为Ravr，若
Rmax > a * Ravr
则判定为该节蓄电池容量下降，并进行报警；
式中，a为设定的系数。
7） 对一定电流下1-n节蓄电池的电压变化进行如下判断：
ΔU>ΔU的平均值*b；
式中，b为设定的系数；
则判定为该节蓄电池容量下降，并进行报警。
8） 控制放电模块F放电，放电电流恒定为If1、If2；
分别在If1、If2下重复进行上述（5）（6）（7）步；
式中，If、If1、If2 可以根据不同容量的电池预设。
9） 打开K2、闭K1，恢复正常的浮充运行状态。
10） 在浮充运行状态下主控模块Z连续监测电池电压，当
UX > Up +ΔU 时 给X电池发均衡放电指令；
UX < Up -ΔU 时 给X电池发均衡充电指令；
ΔU 一般设置为0.05V。
11） 在浮充运行状态下主控模块连续计时，当到达设定的测量开路电压和内阻时间时，转入测量程序（步骤2）。
12） 主控模块有启动手工测量功能，设置报警参数功能。主控模块通过GPRS发报警短信，并把数据上送专用电池运行数据监测服务器。
Claims (6)
1.一种蓄电池在线管理系统，应用于由多节单体蓄电池串联构成的蓄电池组中，其特征在于：
包括：主控制模块Z，放电模块F，电池监测模块M，开关K1，开关K2，电气元件D1；
电气元件D1必须具有单向导通特性；
开关K1是可控的，且至少具有一极，并与电气元件D1并联；
开关K1与电气元件D1并联后，串接至蓄电池组的正极或负极；
开关K2是可控的，且至少具有两极，其中一极接至蓄电池组的正极，另一极接至蓄电池组的负极；
放电模块F连接在开关K2的另一端，可以是一个电阻或电阻的组合，也可以是一个具有对蓄电池放电功能的装置；
电池监测模块M连接在每节单体蓄电池两端，如果有n节电池，则需要设置n个电池监测模块M1-Mn；
电池监测模块M内至少包含一个电池均衡模块JH，至少一个处理器C，至少一个电压检测电路单元Y，至少一个通信电路单元T；
主控制模块Z内至少包含一个报警和信息上送GPRS模块，至少包含一个处理器C0，至少一个通信电路单元T0，至少一组可以控制所述开关K1和开关K2的电路单元K；
所述的电池监测模块M内的通信电路单元T与所述的主控制模块Z内的通信电路单元T0具有相同的接口，可以相互通信。
2.如权利要求1所述的一种蓄电池在线管理系统，其特征在于：
开关K1和开关K2可以是接触器，和/或继电器，和/或断路器，且必须为直流专用，如果是断路器，则还需配置一个电动操作机构单元；
开关K1和开关K2可以通过触点控制，也可以通过通信控制。
3.如权利要求1所述的一种蓄电池在线管理系统，其特征在于：
电池监测模块M包含的电池均衡模块JH，具有充电和放电特性，可以通过所述的电压检测电路单元Y获得所监测的蓄电池的电压，如果大于设定值，则对蓄电池进行充电，如果小于设定值，则对蓄电池进行放电；
充电电路可以采用DC/DC，也可以采用AC/DC，还可以并联电容。
4.如权利要求1所述的一种蓄电池在线管理系统，其特征在于：
电气元件D1可以是二极管，也可以是可控硅，也可以是具有单向导通特性的电子装置。
5.如权利要求1所述的一种蓄电池在线管理系统，其特征在于：
所述的电池监测模块M，还可以包括一个温度检测电路单元W，可以通过检测蓄电池的温度，且温度检测电路单元W接至蓄电池的负极极柱上。
6.一种管理蓄电池的方法，运行在权利要求1-5的蓄电池管理系统上，其特征在于包含以下步骤：
1）正常运行时，使开关K1处于闭合状态，开关K2处于断开状态，此时，蓄电池组处于浮充运行模式，在测量蓄电池内阻之前，断开开关K1，使蓄电池组脱离浮充运行模式；
2）测量开路电压：断开开关K1后，主控模块连续测量各只电池的开路电压，过电池监测模块M1-Mn测量蓄电池1-蓄电池n的电压U1-Un，并监测每只电池开路电压的变化，当一定时间内电压不再下降或下降率小于设定值时，测得各只电池的开路电压，发现有开路电压不满足要求的电池时报警（开路电压应在平均值的±0.03V，一般设置为±0.03V）；
3）闭合开关K2，使蓄电池组通过放电模块F放电，放电电流恒定为If；
在放电状态下，通过电池监测模块M1-Mn测量蓄电池1-蓄电池n的电压U1-Un；
4）通过以下公式计算蓄电池1-蓄电池n的内阻：
Rx = Ux / If；
式中：Rx表示第x节蓄电池的内阻值，Ux表示第x接蓄电池的电压值，If为恒定的放电电流值；
获得蓄电池1-n的内组织R1-Rn；
5）对测得的第1-n节蓄电池的内阻进行如下判断，设内阻值R1-Rn最大者为Rmax，平均值为Ravr，若
Rmax > a * Ravr
则判定为该节蓄电池下降；
式中，a为设定的系数；
6） 对测得的第1-n节蓄电池的内阻进行如下判断，设内阻值R1-Rn最大者为Rmax，平均值为Ravr，若
Rmax > a * Ravr
则判定为该节蓄电池容量下降，并进行报警；
式中，a为设定的系数；
7） 对一定电流下1-n节蓄电池的电压变化进行如下判断：
ΔU>ΔU的平均值*b；
式中，b为设定的系数；
则判定为该节蓄电池容量下降，并进行报警；
8） 控制放电模块F放电，放电电流恒定为If1、If2；
分别在If1、If2下重复进行上述（5）（6）（7）步；
式中，If、If1、If2 可以根据不同容量的电池预设；
9） 打开K2、闭K1，恢复正常的浮充运行状态；
10） 在浮充运行状态下主控模块Z连续监测电池电压，当
UX > Up +ΔU 时 给X电池发均衡放电指令；
UX < Up -ΔU 时 给X电池发均衡充电指令；
ΔU 一般设置为0.05V；
11） 在浮充运行状态下主控模块连续计时，当到达设定的测量开路电压和内阻时间时，转入测量程序（步骤2）；
12） 主控模块有启动手工测量功能，设置报警参数功能；主控模块通过GPRS发报警短信，并把数据上送专用电池运行数据监测服务器。
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