CN108983104B - 一种基于电池开路电压法在线容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，采用双电池供电设计，通过微控制器对双电源进行切换，使其中一组电池处于静置状态，分开测量电池开路电压，均对不同的电池进行SOC估算。本发明既能保证系统的正常工作，同时能够确保被测试的电池处于离线开路状态。

Description

一种基于电池开路电压法在线容量计算方法

技术领域

本发明涉及输电线路上电源电池容量测试领域，特别是一种基于电池开路电压法在线容量计算方法。

背景技术

目前各行各业对电力的需求量突飞猛涨,对高压输电线路的可靠性要求越来越高,因此对高压输电线路进行线路监测具有重要意义。但由于人工巡检维护很难及时对出现在线路周围及铁塔上的危险提出预警和告警，因此要求系统可以通过远程监测有效的提高线路巡检、巡查的效率。运维人员可以远程查看线路的实时监控图像,及时了解现场信息,将事故消灭在萌芽状态,有效地减少由于导线覆冰、洪水冲刷、不良地质、火灾、导线舞动、导线应力变化、通道树木长高、线路大跨越、导线悬挂异物、线路周围建筑施工、塔材被盗等因素引起的电力事故,从而实现对输电线路的全天候监测,大大减少巡视人员的巡线工作量,特别是在人员不易到达的地区。

针对上述需求，输电线路在线监测装置应运而生，包括图像监测、微气象监测、视频监测、防外力破坏监测等，由于输电线路均为高压线路，架空铁塔上无可用的安全电源，目前主要应用太阳能+蓄电池的方式进行供电。

输电线路在线监测装置，主要由电源模块、各种类型传感器、处理单元(采集、压缩)、远程传输模块组成。主要包含如下内容：

(1)采用太阳能和蓄电池进行供电，解决了高压传输线上无法取电的问题。

(2)处理单元采集传感器生成的数据，并接入到远程后台服务器中，供巡视人员实时查看。

(3)采用4G网络进行实时数据传输。

(4)具备对装置自身工作状态包括采集、存储、处理、通信等的管理与自检测功能；判断装置出现运行故障时，能启动相应措施恢复装置的正常运行状态。输电线路在线监测装置中电源是整个系统可靠运行必不可少的部件，因此对装置中供电的蓄电池进行在线SOC预测是非常重要的环节。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，既能保证系统的正常工作，同时能够确保被测试的电池处于离线开路状态。

本发明采用以下方案实现：一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，包括输电线路在线监测装置，所述输电线路在线监测装置包括电源模块、传感器模块、处理单元、以及远程传输模块；其特征在于：所述电源单元包括第一电池单元、第二电池单元、第一微处理单元、以及第二微处理单元；所述第一微处理单元与第一电池单元电性相连，用以控制第一电池单元的充、放电过程以及用以采集第一电池单元的状态信息，所述第二微处理单元与第二电池单元电性相连，用以控制第二电池单元的充、放电过程以及用以采集第二电池单元的状态信息；所述第一微处理单元与第二微处理单元均与所述处理单元电性相连，受处理单元指令控制；

情况一：当输电线路在线监测装置正常工作时，第一电池单元与第二电池单元同时工作为输电线路在线监测装置中的其他耗电器件供电；

情况二：当输电线路在线监测装置的功耗小于预设值时，处理单元向第一微处理单元与第二微处理单元发送电池SOC估算指令，第一微处理单元或第二微处理单元控制对应的电池单元从电源模块中切除形成开路工作状态，并静置一预设的时间后，采集该处于开路工作状态的电池单元的电池两端开路电压，进而对该电池单元的SOC进行估算，期间另一电池单元正常工作；重复情况二对另一电池单元的SOC进行估算。

进一步地，所述第一电池单元与第二电池单元均包括蓄电池。

进一步地，所述第一电池单元、第二电池单元、第一微处理单元、第二微处理单元均装配在一个金属外箱内。

进一步地，所述第一微处理单元、第二微处理单元通过RS485总线与处理单元通信。

进一步地，所述传输模块为无线传输模块。

进一步地，所述第一微处理单元、第二微处理单元均包括微控制器及其控制电路。

较佳的，美国先进电池联合会(United States Advanced Battery Consortium,USABC)将SOC定义为在特定放电倍率条件下，电池剩余电量占相同条件下额定容量百分比：

式中，Q_C为电池剩余容量；Q_I为以电流I放电时所具有的容量。电池充满时，SOC＝1；电池放完电时，SOC＝0。随着放电倍率的变化，相应的额定容量也会发生变化。依据该定义，电池在不同工况时，Q_I会发生变化。以此公式计算SOC由于没有固定的参考基准值，结果缺乏实用价值。因此，人们在实际工程中一般用电池标称容量(Q_N)来代替不同放电倍率下的额定容量(Q_I)，即：

此定义适用于恒定低功率负载场合，但是在动力电池应用场所，电池工况变化复杂，负载和环境温度大范围变动，电池组电压也有很宽的波动范围，从能量角度定义SOC更加合适即：

式中，E_N表示电池标称电压；W_N表示电池标称电能。W_C表示电池剩余电能，可表示为：

式中，W₀表示电池初始电能；E(SOC)为电池的电动势；I为电池充放电电流。

基于电量和电能定义的SOC，可以得到经典SOC估算方法：

式(6)和式(7)中，在获得初始值Q₀和W₀后，以积分方法累积电量或电能，但是，测量Q₀和W₀时的工况并不同于实时工况，导致估计误差。例如，当充满电(按定义得SOC＝1)的电池以某一恒定的大电流放电至终止电压,放出了该恒流放电所能放出的电量,按定义得SOC＝0，但这时如果再以较小的电流放电,则电池又能继续放电,表现出SOC≠0；将充满电的电池在低温下以某一恒定电流放电，等到放电结束，则SOC＝0，再将电池放于常温下放电，还以该电流放电，可以发现电池还能放电一段时间，这表明电池SOC≠0，这又会出现矛盾。根源在于Q₀和W₀是针对标称工况的初值，而实际很难保证运行在这一理想状态。

二次电池(铅酸电池、锂电池等)电动势与SOC密切相关，而电池开路电压在数值上接近电池电动势。由于铅酸电池开路电压、剩余容量和电解液密度有良好的线性关系。尤其在充电初期和末期效果较好，所以本发明利用电池静置状态的开路电压来估计电池SOC初值。

采用本发明的方法可确保被测试的电池处于开路状态，并且测试前电池已进行静置处理，相比传统直接测试的方法，本发明所提方法更能准确的测试电池容量，而且额外增加的成本低。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提出的电池开路测量方法，充分考虑电池在负载影响下其两极电压不稳定造成测试结果不准确，具有更高测量精度。同时本发明的方法既保证系统正常工作，同时确保被测试的电池处于离线开路状态。

附图说明

图1为本发明实施例的系统控制原理图。

图2为发明实施例的微处理单元的具体电路示意图。

图3为本发明实施例的2V单体蓄电池开路电压与剩余容量的对应曲线图。

图4为本发明实施例的12V单体蓄电池开路电压与剩余容量的对应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，包括输电线路在线监测装置，所述输电线路在线监测装置包括电源模块、传感器模块、处理单元、以及远程传输模块；其特征在于：所述电源单元包括第一电池单元、第二电池单元、第一微处理单元、以及第二微处理单元；所述第一微处理单元与第一电池单元电性相连，用以控制第一电池单元的充、放电过程以及用以采集第一电池单元的状态信息，所述第二微处理单元与第二电池单元电性相连，用以控制第二电池单元的充、放电过程以及用以采集第二电池单元的状态信息；所述第一微处理单元与第二微处理单元均与所述处理单元电性相连，受处理单元指令控制；

情况一：当输电线路在线监测装置正常工作时，第一电池单元与第二电池单元同时工作为输电线路在线监测装置中的其他耗电器件供电；

情况二：当输电线路在线监测装置的功耗小于预设值时，处理单元向第一微处理单元与第二微处理单元发送电池SOC估算指令，第一微处理单元或第二微处理单元控制对应的电池单元从电源模块中切除形成开路工作状态，并静置一预设的时间后，采集该处于开路工作状态的电池单元的电池两端开路电压，进而对该电池单元的SOC进行估算，期间另一电池单元正常工作；重复情况二对另一电池单元的SOC进行估算。

在本实施例中，所述第一电池单元与第二电池单元均包括蓄电池。

在本实施例中，所述第一电池单元、第二电池单元、第一微处理单元、第二微处理单元均装配在一个金属外箱内，与电池形成一个完整的整体，微处理单元完成电池的充、放电、状态采集等工作，微处理单元内部又细分为若干部分，其中功耗较小的为一部分(MCU芯片、MOS控制管等运行电流只有几个微安级别)，功耗大的为另外一部分，一般在几个毫安级别，正常情况下这几部分都正常运行，配合主机系统完成整个输电线路在线监测装置的供电以及系统状态采集、反馈等工作。

在本实施例中，所述第一微处理单元、第二微处理单元通过RS485总线与处理单元通信。

在本实施例中，所述传输模块为无线传输模块。

在本实施例中，所述第一微处理单元、第二微处理单元均包括微控制器及其控制电路。

较佳的，在本实施例中，美国先进电池联合会(United States Advanced BatteryConsortium，USABC)将SOC定义为在特定放电倍率条件下，电池剩余电量占相同条件下额定容量百分比：

式中，Q_C为电池剩余容量；Q_I为以电流I放电时所具有的容量。电池充满时，SOC＝1；电池放完电时，SOC＝0。随着放电倍率的变化，相应的额定容量也会发生变化。依据该定义，电池在不同工况时，Q_I会发生变化。以此公式计算SOC由于没有固定的参考基准值，结果缺乏实用价值。因此，人们在实际工程中一般用电池标称容量(Q_N)来代替不同放电倍率下的额定容量(Q_I)，即：

此定义适用于恒定低功率负载场合，但是在动力电池应用场所，电池工况变化复杂，负载和环境温度大范围变动，电池组电压也有很宽的波动范围，从能量角度定义SOC更加合适即：

W_N＝Q_N×E_N (4)；

式中，E_N表示电池标称电压；W_N表示电池标称电能。W_C表示电池剩余电能，可表示为：

式中，W₀表示电池初始电能；E(SOC)为电池的电动势；I为电池充放电电流。

基于电量和电能定义的SOC，可以得到经典SOC估算方法：

式(6)和式(7)中，在获得初始值Q₀和W₀后，以积分方法累积电量或电能，但是，测量Q₀和W₀时的工况并不同于实时工况，导致估计误差。例如，当充满电(按定义得SOC＝1)的电池以某一恒定的大电流放电至终止电压,放出了该恒流放电所能放出的电量,按定义得SOC＝0，但这时如果再以较小的电流放电,则电池又能继续放电,表现出SOC≠0；将充满电的电池在低温下以某一恒定电流放电，等到放电结束，则SOC＝0，再将电池放于常温下放电，还以该电流放电，可以发现电池还能放电一段时间，这表明电池SOC≠0，这又会出现矛盾。根源在于Q₀和W₀是针对标称工况的初值，而实际很难保证运行在这一理想状态。

二次电池(铅酸电池、锂电池等)电动势与SOC密切相关，而电池开路电压在数值上接近电池电动势。由于铅酸电池开路电压、剩余容量和电解液密度有良好的线性关系。尤其在充电初期和末期效果较好，所以本发明利用电池静置状态的开路电压来估计电池SOC初值。

如图3所示，在本实施例中，2V单体蓄电池开路电压与剩余容量的对应曲线图，输电线路产品一般为12V系统，故需要使用6节这样的单体电池进行串联，根据图示，11.33V是电池容量为0，12.83V以上为100％，此电池在12V左右特性比较强，大部分容量都在此区间。如图4所示，图2为12V单体蓄电池开路电压与剩余容量的对应曲线图，根据图示，11.70V是电池容量为0，13V以上为100％。

在本实施例中，根据电池开路电压与容量关系，本实施例采用双电池供电设计，通过微控制器对双电源进行切换，使其中一组电池处于静置状态，分开测量电池开路电压，均对不同的电池进行SOC估算。

目前输电线路在线监测装置晚上都不需要工作，故像摄像头，无线通讯、其他传感器等大功率器件均可进行关机，系统整体的功耗可以很大幅度的减小，这个时候主机系统可以给电池微控制器发送电池SOC估算指令，电池收到指令后根据先后顺序，在微控制器控制下，整个电池将从系统中进行切除，被切除的电池形成开路工作状态，在此状态下保持一段时间以后，微控制器开始采集电池两端开路电压，即可进行电池SOC估算。估算完成后将计算好的数据通过485总线发送给主机系统进行存储分析，SOC采集过程中，系统电源由另外一组电池进行供电。

图2是与蓄电池在同一个外箱内部的控制电路，U3为微控制器，Q1为MOS开关(方框1)，Q1在微控制器U1提供驱动信号情况下，可实现电池在线与离线的切换，白天输电线路在线监测装置需要工作时，Q1开通，CIS100(方框2)完成对电池的充电、放电管理，晚上装置不需要太多电力，微控制器接收主控机命令进行电池电量计算，电池箱内的微控制器给Q1发送关断信号，当前电池从系统中切除，静置数小时后，微控制器通过图中方框3处采集电池开路电压，分多次进行采集后平滑过滤，将过滤后的值用事先存储在控制器中的线性方程进行计算电池容量。

根据电池厂商提供的技术参数，不同品牌电池特性会不一样，因此在生产输电线路在线监测装置时会对应用到的电池在公司出厂时，进行3到4个点的开路电压采集与放电容量测试，通过曲线拟合该品牌电池开路电压与容量的线性方程，并将该方程特征量存储在电池箱中的微控制器内，用于现场电池的采集计算。

采用此方法在线预算电池容量对整体硬件要求较低，不需要实时采集蓄电池的电流，现行的设备只需要进行简单改造即可实现在线测算电池SOC。

采用本实施例的方法可确保被测试的电池处于开路状态，并且测试前电池已进行静置处理，相比传统直接测试的方法，本发明所提方法更能准确的测试电池容量，而且额外增加的成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，包括输电线路在线监测装置，所述输电线路在线监测装置包括电源模块、传感器模块、处理单元、以及远程传输模块；其特征在于：所述电源模块包括第一电池单元、第二电池单元、第一微处理单元、以及第二微处理单元；所述第一微处理单元与第一电池单元电性相连，用以控制第一电池单元的充、放电过程以及用以采集第一电池单元的状态信息，所述第二微处理单元与第二电池单元电性相连，用以控制第二电池单元的充、放电过程以及用以采集第二电池单元的状态信息；所述第一微处理单元与第二微处理单元均与所述处理单元电性相连，受处理单元指令控制；

情况一：当输电线路在线监测装置正常工作时，第一电池单元与第二电池单元同时工作为输电线路在线监测装置中的其他耗电器件供电；

情况二：当输电线路在线监测装置的功耗小于预设值时，处理单元向第一微处理单元与第二微处理单元发送电池SOC估算指令，第一微处理单元或第二微处理单元控制对应的电池单元从电源模块中切除形成开路工作状态，并静置一预设的时间后，采集该处于开路工作状态的电池单元的电池两端开路电压，进而对该电池单元的SOC进行估算，期间另一电池单元正常工作；重复情况二对另一电池单元的SOC进行估算。

2.根据权利要求1所述的一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，其特征在于：所述第一电池单元与第二电池单元均包括蓄电池。

3.根据权利要求1所述的一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，其特征在于：所述第一电池单元、第二电池单元、第一微处理单元、第二微处理单元均装配在一个金属外箱内。

4.根据权利要求1所述的一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，其特征在于：所述第一微处理单元、第二微处理单元通过RS485总线与处理单元通信。

5.根据权利要求1所述的一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，其特征在于：所述远程传输模块为无线传输模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于电池开路电压法在线容量计算方法，其特征在于：所述第一微处理单元、第二微处理单元均包括微控制器及其控制电路。

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