CN108767335A - 电池在线监测与维护系统 - Google Patents

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翁东雷
王国义
许欣
林英杰
张晓东
方忠
宋鹏
程国开
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Abstract

本发明公开了一种电池在线监测与维护系统，其包括隔离电源、微处理器、通信芯片、脉冲模块、充电模块、测量模块和放电模块，隔离电源用于消除电压杂波，脉冲模块、充电模块和放电模块分别与微处理器连接、受微处理器控制，脉冲模块、充电模块、放电模块各自的输出端分别与电池连接，测量模块的第一数据采集端与电池连接，测量模块的第二数据采集端与放电模块连接，测量模块的输出端与微处理器连接，微处理器获得电池的电压、温度、内阻、动态负载电压、动态放电电流及动态放电系数或动态放电功率或动态放电能量，微处理器与通信芯片连接；优点是其在线监测的参数种类多，可采用分布式安装，且实现了在线电压均衡和在线高频脉冲防硫化维护功能。

Description

电池在线监测与维护系统
技术领域
本发明涉及一种电池监测技术，尤其是涉及一种电池在线监测与维护系统。
背景技术
电池在线测量监视技术已经广泛应用，如蓄电池在线监测技术在电力变电站得到了广泛的应用。近年来，电池在线电压均衡和在线活化技术也得到了实验性应用，但是装置复杂，在实用性方面有所欠缺，得不到推广。
目前已经应用的电池在线监测技术，主要存在以下不足：
1)从电池技术本质来看，对于变电站直流系统等大量应用的密封式阀控铅酸蓄电池(VRLA，valve‐regulated lead‐acid battery)，学术界提不出准确的物理模型，不同容量、不同厂家的电池特性各异，电池在不同运行时期的特性不同，而目前已经应用的电池在线监测系统使用统一的技术方式测量蓄电池的特性，显然测量准确性是存在较大误差的。
2)目前已经应用的电池在线监测系统大多数停留在电池参数测量监视阶段，并且所测量的参数种类少，一般只包括电池电压、电池温度和电池内阻，精度一般较差，重复性差。
3)目前已经应用的电池在线监测系统的安装结构一般分为分布式(以瑞士的LEM为代表)和集中式(以杭州高特为代表)；分布式：每个电池配置一个电池在线监测系统，接线短、测量精度好、稳定性好、维护直观方便，便于实现多种功能，但是成本高，且只具有测量监测功能，不具有维护功能；集中式：一般27节电池共用一个电池在线监测系统，成本低，但是连线长、测量精度有影响、维护复杂。国内主流的大多数电池在线监测系统的安装结构采用的是集中式。
4)目前已经应用的电池在线监测系统缺少对运行中的电池自动化维护保养的技术手段，电池在线电压均衡和在线活化技术，还只是在实验设备上实现，这类装置一般价格昂贵，结构复杂，在广泛进行工业化实用方面有所欠缺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电池在线监测与维护系统，其在线监测的参数种类多，安装结构可采用分布式，且实现了在线电压均衡维护功能和在线高频脉冲防硫化维护功能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电池在线监测与维护系统，其特征在于包括隔离电源、微处理器、通信芯片、脉冲模块、充电模块、测量模块和放电模块，所述的隔离电源接入24V电压并消除接入的电压中的杂波和干扰以向该电池在线监测与维护系统提供稳定的24V直流电压，且所述的隔离电源输出的24V直流电压作为所述的脉冲模块和所述的充电模块的电压源，所述的脉冲模块、所述的充电模块和所述的放电模块分别与所述的微处理器连接、受所述的微处理器控制，所述的脉冲模块的输出端与电池连接、以消除电池的负极板的硫化，所述的充电模块的输出端与电池连接、以恒压恒流充电方式对电池在低电压情况下的浮充电流进行补偿进而维持电池的电压平衡，所述的放电模块的输出端与电池连接、以对电池进行动态放电，所述的测量模块的第一数据采集端与电池连接、以采集电池的正极与负极之间的电压及电池的表面温度，所述的测量模块的第二数据采集端与所述的放电模块连接、以采集放电过程中所述的放电模块的电压信息和电流信息，所述的测量模块的输出端与所述的微处理器连接、以上传采集的测量数据给所述的微处理器，所述的微处理器获得电池的电压、温度、内阻、动态负载电压、动态放电电流及动态放电系数或动态放电功率或动态放电能量，所述的微处理器与所述的通信芯片连接、以通过所述的通信芯片与外部终端设备实现数据与信号交互。
所述的隔离电源选用24V DC/DC隔离电源。其隔离电压为1000V，能够防止蓄电池所在的直流系统接地，以及阻止该电池在线监测与维护系统中的各模块之间因蓄电池电位差引起环流。
所述的微处理器采用型号为ATMEGA16A AU 1647的单片机。电池的电压和温度由测量模块直接测得上传给微处理器；单片机计算电池的内阻可采用直流法获得，大致过程为：电池组在线运行时，对单体电池外接负载进行大电流放电，同时测量电池电压与放电电流，通过放电末端电压与放电结束回升瞬间电压差值与放电电流的比值，得到电池的内阻Rn(测量精度为10μΩ)，其中，Vh表示放电末端电压，Vl表示放电结束回升瞬间电压，I表示放电电流，实现了电池正常处在电池组运行状态下的在线测量；设定单体电池3s动态放电，电池的动态负载电压Vd为放电前的实时电压V0与放电稳定电压VI的差值，即Vd＝V0-VI，测量精度为±0.5％；设定单体电池3s动态放电，动态放电电流为放电稳定时的电流值；动态放电功率或动态放电能量可通过现有技术获得；设定单体电池3s动态放电，动态放电系数为电压陡降区间功率特征值，动态放电系数P＝V1×I1+V2×I2+…+Vm×Im，V1、V2、Vm对应表示从放电开始时刻每隔10ms采集，采集的第1个电池电压、第2个电池电压、第m个电池电压，I1、I2、Im对应表示从放电开始时刻每隔10ms采集，采集的第1个动态放电电流、第2个动态放电电流、第m个动态放电电流，m＞1。
所述的通信芯片选用485通信芯片。该485通信芯片实现带隔离的485总线通信功能，通过该485通信芯片实现数据与信号交互时要求外部终端设备如PC机等具有485通信协议和485通信接口。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明的电池在线监测与维护系统适用于容量在200AH及以上的密封式阀控铅酸蓄电池，且可根据电池的规格和厂家的不同，通过对测量模块和放电模块的微调实现测量，自适应性好。
2)本发明的电池在线监测与维护系统所测量的参数种类多，包括电池的电压、温度、内阻、动态负载电压、动态放电电流及动态放电系数或动态放电功率或动态放电能量，更利于电池的故障诊断。
3)单个电池在线监测与维护系统的成本低，因此其安装结构可采用更先进更合理的分布式，成本可控制在合理范围内。
4)利用充电模块实现了在线电压均衡维护功能，浮充状态下，对电压低的单体电池进行补偿充电电流，使电池电压处于合格范围，带温度补偿，充电电压和电流可按需调整；对电压高的单体电池进行动态放电，使电池电压降低，回归合格范围，可工业化实际应用。
5)利用脉冲模块实现了在线高频脉冲防硫化维护功能，采用业界成熟的脉冲除硫技术原理，运行中可对单体电池施加微功率激励脉冲，抑制负极板硫化生产，消除轻微的硫化，提高电池荷电率，不影响系统纹波，可工业化实际应用。
附图说明
图1为本发明的电池在线监测与维护系统的组成结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的一种电池在线监测与维护系统，如图所示，其包括隔离电源1、微处理器2、通信芯片3、脉冲模块4、充电模块5、测量模块6和放电模块7，隔离电源1接入24V电压并消除接入的电压中的杂波和干扰(包括电磁干扰和电压突变等)以向该电池在线监测与维护系统提供稳定的24V直流电压，且隔离电源1输出的24V直流电压作为脉冲模块4和充电模块5的电压源，脉冲模块4、充电模块5和放电模块7分别与微处理器2连接、受微处理器2控制，脉冲模块4的输出端通过接口插件8的第1个接口与电池连接、以消除电池的负极板的硫化，充电模块5的输出端通过接口插件8的第2个接口与电池连接、以恒压恒流充电方式对电池在低电压情况下的浮充电流进行补偿进而维持电池的电压平衡，放电模块7的输出端通过接口插件8的第3个接口与电池连接、以对电池进行3s动态放电，测量模块6的第一数据采集端通过接口插件8的第4个接口与电池连接、以采集电池的正极与负极之间的电压及电池的表面温度，测量模块6采集电池的正极与负极之间的电压的测量精度为±0.2％、最小测量周期为20μs，测量模块6采集电池的表面温度的测量精度为‐10～+60℃内，±1℃，测量模块6的第二数据采集端与放电模块7连接、以采集放电过程中放电模块7的电压信息和电流信息，测量模块6的输出端与微处理器2连接、以上传采集的测量数据给微处理器2，微处理器2获得电池的电压(电池的正极与负极之间的电压)、温度(表面温度)、内阻(电池内部的等效电阻)、动态负载电压、动态放电电流及动态放电系数或动态放电功率或动态放电能量，微处理器2与通信芯片3连接、以通过通信芯片3与外部终端设备实现数据与信号交互。上述，充电模块5并非一直工作，只有当电池的电压较低时充电模块5才工作，对该电池进行补偿充电，而何时对该电池充电的判断依据是测量模块6采集到的电池电压数据，微处理器2根据电池电压数据判断该电池是否需要进行补偿充电，若需要充电，则控制充电模块5对该电池进行补偿充电。
在本实施例中，隔离电源1选用现有的24V DC/DC隔离电源。其隔离电压为1000V，能够防止蓄电池所在的直流系统接地，以及阻止该电池在线监测与维护系统中的各模块之间因蓄电池电位差引起环流。
在本实施例中，微处理器2采用型号为ATMEGA16A AU 1647的单片机。电池的电压和温度由测量模块6直接测得上传给微处理器2；单片机计算电池的内阻可采用直流法获得，大致过程为：电池组在线运行时，对单体电池外接负载进行大电流放电，同时测量电池电压与放电电流，通过放电末端电压与放电结束回升瞬间电压差值与放电电流的比值，得到电池的内阻Rn(测量精度为10μΩ)，其中，Vh表示放电末端电压，Vl表示放电结束回升瞬间电压，I表示放电电流，实现了电池正常处在电池组运行状态下的在线测量；设定单体电池3s动态放电，电池的动态负载电压Vd为放电前的实时电压V0与放电稳定电压VI的差值，即Vd＝V0-VI，测量精度为±0.5％；设定单体电池3s动态放电，动态放电电流为放电稳定时的电流值；动态放电功率或动态放电能量可通过现有技术获得；设定单体电池3s动态放电，动态放电系数为电压陡降区间功率特征值，动态放电系数P＝V1×I1+V2×I2+…+Vm×Im，V1、V2、Vm对应表示从放电开始时刻每隔10ms采集，采集的第1个电池电压、第2个电池电压、第m个电池电压，I1、I2、Im对应表示从放电开始时刻每隔10ms采集，采集的第1个动态放电电流、第2个动态放电电流、第m个动态放电电流，m＞1。
在本实施例中，通信芯片3选用485通信芯片。该485通信芯片实现带隔离的485总线通信功能，通过该485通信芯片实现数据与信号交互时要求外部终端设备如PC机等具有485通信协议和485通信接口，通过485通信芯片可配合上层系统进行电池故障诊断和远程化管控。
在本实施例中，脉冲模块4可实现高频窄幅脉冲群的激励，中心频率为8.33KHz，脉冲模块4的启停、脉冲频率和波形参数受微处理器2控制；充电模块5的启停、充电模块5的充电电压、充电电流及充电时间受微处理器2控制；测量模块6可根据其所需测量的数据利用常规技术手段获得；放电模块7由一对功率MOS管、康铜片电阻、电流采样电阻、熔丝及压敏元件组成，脉冲放电电流最大幅值为100A，放电型式(单脉冲或连续脉冲)受微处理器2控制。
表1给出了本发明的电池在线监测与维护系统相对于已经应用的电池在线监测系统的优势。
表1本发明的电池在线监测与维护系统相对于已经应用的电池在线监测系统的优势

Claims (4)

1.一种电池在线监测与维护系统，其特征在于包括隔离电源、微处理器、通信芯片、脉冲模块、充电模块、测量模块和放电模块，所述的隔离电源接入24V电压并消除接入的电压中的杂波和干扰以向该电池在线监测与维护系统提供稳定的24V直流电压，且所述的隔离电源输出的24V直流电压作为所述的脉冲模块和所述的充电模块的电压源，所述的脉冲模块、所述的充电模块和所述的放电模块分别与所述的微处理器连接、受所述的微处理器控制，所述的脉冲模块的输出端与电池连接、以消除电池的负极板的硫化，所述的充电模块的输出端与电池连接、以恒压恒流充电方式对电池在低电压情况下的浮充电流进行补偿进而维持电池的电压平衡，所述的放电模块的输出端与电池连接、以对电池进行动态放电，所述的测量模块的第一数据采集端与电池连接、以采集电池的正极与负极之间的电压及电池的表面温度，所述的测量模块的第二数据采集端与所述的放电模块连接、以采集放电过程中所述的放电模块的电压信息和电流信息，所述的测量模块的输出端与所述的微处理器连接、以上传采集的测量数据给所述的微处理器，所述的微处理器获得电池的电压、温度、内阻、动态负载电压、动态放电电流及动态放电系数或动态放电功率或动态放电能量，所述的微处理器与所述的通信芯片连接、以通过所述的通信芯片与外部终端设备实现数据与信号交互。
2.根据权利要求1所述的电池在线监测与维护系统，其特征在于所述的隔离电源选用24V DC/DC隔离电源。
3.根据权利要求1所述的电池在线监测与维护系统，其特征在于所述的微处理器采用型号为ATMEGA16A AU 1647的单片机。
4.根据权利要求1所述的电池在线监测与维护系统，其特征在于所述的通信芯片选用485通信芯片。
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