CN109884553B - 超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法及系统，获取超级电容储能电源模组所有模块电压数据和模块内阻状态数据；判断超级电容模块电压数据是否正常，如果不正常，则电压数据异常故障计数加1；判断超级电容模块内阻是否异常，若是，则内阻异常故障计数加1；判断是否完成了T个周期的监测，若是，判断电压数据异常或内阻异常故障计数是否达到阈值，若是，则输出超级电容电压数据异常或者模块内阻异常故障提示，结束；否则，将故障计数清零。本发明可以在车辆运行过程中及时有效的判定电容内阻突变，提前识别异常内阻模块，提高了超级电容器储能电源系统的可靠性。

Description

超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及超级电容器储能电源内阻检测领域，特别是一种超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法及系统。

背景技术

以往城市交通工具多采用燃油作为主动力能源，迫于环境的压力以及技术的发展，燃油开始逐步被电力牵引方式所代替。随着对节能环保的要求日趋提高，大功率高比能储能电源在轨道交通、机械装备、智能电网等领域的应用显著增加。

以超级电容器储能电源为例：由于超级电容单体的工作电压较低，通常在3V以下，因此通常将多个电容单体串并联构成储能电源，以满足储能容量和电压等级的需要，然而由于制造技术的限制，各个电容单体性能如容量、内阻等方面存在一定的差异性，在同样电流通过的情况下，电容单体电压变化率，发热功率等指标会表现出差异性。这种差异性一方面表现在当充电过程中一些单体电压接近饱和时，如果不停止充电，可能会造成某些单体电容电压过高被击穿，内部电解质也会在高压下发生分解，最终会导致电容性能急剧下降和寿命缩减甚至爆炸。同时储能电源经过长时间的使用，即使在良好的均衡条件下也可能产生内阻突变。而内阻突变的单体或模组对于整个储能电源来说其特性已经改变，如果不及时处理很容易导致单体的过压过充，严重还会导致漏液甚至爆炸。

目前，对于储能电源模组内阻检测工程上采用的都是离线非实时的检测手段，在车辆静止时利用专门的测试设备对模组或储能电源整体进行充放电进而测量其内阻，无法在车辆运行过程中及时有效的判定电容内阻突变，且需大量的售后人员定期性的对车辆储能电源内阻一致性进行普查，不仅耗费大量的时间和精力，而且对问题暴露具有滞后性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法及系统，提前识别异常内阻模块，提高超级电容器储能电源系统的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法，其包括以下步骤：

1)获取超级电容储能电源模组所有模块电压数据和模块内阻状态数据；

2)判断超级电容模块电压数据是否正常，如果不正常，则电压数据异常故障计数加1；判断超级电容模块内阻是否异常，若是，则内阻异常故障计数加1；

3)判断是否完成了T个周期的监测，若是，进入步骤4)；否则，返回步骤1)；

4)判断电压数据异常或内阻异常故障计数是否达到阈值，若是，则输出超级电容电压数据异常或者模块内阻异常故障提示，进入步骤5)；否则，将故障计数清零，进入步骤5)；

5)结束。

步骤2)中，判断超级电容模块内阻是否异常的具体实现过程包括：

1)采集超级电容储能电源模组每个模块电压数据和超级电容储能电源模组的电压数据，获得模组电压的N个历史数据，按时间排序为U(0)～U(N)，U(0)为最旧模组电压数据，U(N)为最新模组电压数据，并求取历史电压数据对时间t的一阶导数和二阶导数；

2)判断最旧模组电压数据U(0)的一阶导数dX[0]是否大于第一阈值，若是，则进入步骤3)，否则，结束；

3)判断所有时刻的模组电压数据的一阶导数是否大于第二阈值，若是，则进入步骤4)；否则，结束；

4)判断最旧模组电压数据U(0)的二阶导数是否大于第三阈值，若是，进入步骤5)，否则，结束；

5)判断模组历史电压数据中排序第二和第三的二阶导数之和,即d²X[1]+d²X[2]是否小于0，若是，进入步骤6)；否则，结束；

6)求当前时刻所有模块电压数据对时间t的一阶导数，剔除最大值和最小值后求平均值，将所有模块电压的一阶导数与平均值进行比较，若某一模块历史电压数据的一阶导数超过平均值的1～1.5倍(针对9500F的超级电容，应取1倍以上以防止数据抖动误报，1.5倍以上等同于筛选标准提高，故障更难以暴露，所以可以定为1～1.5倍)，则累计一次故障记录，当故障记录次数达到预设的累计故障次数，则输出该模块内阻异常的信号。

借由上述过程可以及时识别出故障内阻。

相应地，本发明还提供了一种超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断系统，其包括：

采集单元，用于获取超级电容储能电源模组所有模块电压数据和模块内阻状态数据；

第一判断单元，用于判断超级电容模块电压数据是否正常，如果不正常，则电压数据异常故障计数加1；

第二判断单元，用于判断超级电容模块内阻是否异常，若是，则内阻异常故障计数加1；

第三判断单元，用于判断是否完成了T个周期的监测，若是，则判断电压数据异常或内阻异常故障计数是否达到阈值，若是，则输出超级电容电压数据异常或者模块内阻异常故障提示；否则，执行采集单元的操作；否则，将故障计数清零。

所述第二判断单元包括：

超级电容模块内阻状态判断模块，用于执行如下操作：

1)采集超级电容储能电源模组每个模块电压数据和超级电容储能电源模组的电压数据，获得模组电压的N个历史数据，按时间排序为U(0)～U(N)，U(0)为最旧模组电压数据，U(N)为最新模组电压数据，并求取历史电压数据对时间t的一阶导数和二阶导数；

2)判断最旧模组电压数据U(0)的一阶导数dX[0]是否大于第一阈值，若是，则进入步骤3)，否则，结束；

3)判断所有时刻的模组电压数据的一阶导数是否大于第二阈值，若是，则进入步骤4)；否则，结束；

4)判断最旧模组电压数据U(0)的二阶导数是否大于第三阈值，若是，进入步骤5)，否则，结束；

5)判断模组历史电压数据中排序第二和第三的二阶导数之和,即d²X[1]+d²X[2]是否小于0，若是，进入步骤6)；否则，结束；

6)求最新时刻所有模块电压数据的一阶导数，剔除最大值和最小值后求平均值，将所有模块电压的一阶导数与平均值进行比较，若某一模块历史电压数据的一阶导数超过平均值的1～1.5倍，则累计一次故障记录，当故障记录次数达到预设的累计故障次数，则输出该模块内阻异常的信号。

所述超级电容模块内阻状态判断模块包括：

电压数据采集单元，用于采集超级电容储能电源模组每个模块电压数据和超级电容储能电源模组的电压数据，获得模组电压的N个历史数据，按时间排序为U(0)～U(N)，U(0)为最旧模组电压数据，U(N)为最新模组电压数据，并求取历史电压数据对时间t的一阶导数和二阶导数；

第一状态判断单元，用于判断最旧模组电压数据U(0)的一阶导数dX[0]是否大于阈值，若是，则执行第二状态判断单元的操作；

第二状态判断单元，用于判断所有时刻的模组电压数据的一阶导数是否大于阈值，若是，则执行第三状态判断单元的操作；

第三状态判断单元，判断最旧模组电压数据U(0)的二阶导数是否大于阈值，若是，执行第四状态判断单元的操作；

第四状态判断单元，判断模组电压历史数据中排序第二和第三的二阶导数之和,即d²X[1]+d²X[2]是否小于0，若是，执行输出单元的操作；

输出单元，用于求取当前时刻所有模块电压数据对时间t的一阶导数，剔除最大值和最小值后求平均值，将所有模块电压的一阶导数与平均值进行比较，若某一模块历史电压数据的一阶导数超过平均值的1～1.5倍，则累计一次故障记录，当故障记录次数达到预设的累计故障次数，则输出该模块内阻异常的信号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以在车辆运行过程中及时有效的判定电容内阻突变，无需大量的售后人员定期性的对车辆储能电源内阻一致性进行普查，节省了大量的人力，可以提前识别异常内阻模块，提高了超级电容器储能电源系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明SCU内阻异常判断流程；

图2为本发明MU内阻异常故障判断流程；

图3为本发明MU与SCU功能示意图。

具体实施方式

本发明将以超级电容在城市轨道交通领域的应用为例，针对超级电容模组内阻差异性的问题，提出一种车载实时在线的内阻一致性检测方法。以储能式现代有轨电车储能电源为例：储能电源共由2个并联支路，每个并联支路由344个串联的(共688个)超级电容器构成，每2(2个并联支路)并为一个模块，每8串构成一个模组，共43个模组。每个储能电源箱内安装基于ARM-comtex-M3内核的STM32F107微处理器设计的主控制单元，以下简称MU，每个模组均安装基于ARM-comtex-M3内核的STM32F105微处理器的采样均衡板，以下简称SCU。具备实时采集电压温度等状态信息、实时进行数据通信功能。数据采样周期为500ms，MU与SCU通信周期为500ms。

一、实时在线内阻一致性诊断原理

根据《GB/T 34870.12017超级电容器第1部分：总则》中对于超级电容内阻的测试原理，可以知道采集充电结束瞬间的电压变化率就可以近似得到超级电容的内阻值。对于实时运行的车辆而言，准确的判断充电区间并通过算法筛选出充电结束瞬间时刻的电压变化值是内阻一致性诊断实现的关键。

1)SCU采集超级电容储能电源模组每个模块电压数据和超级电容储能电源模组的电压数据，获得模组电压的8个历史数据，按时间排序为U(0)～U(7)，U(0)为最旧模组电压数据，U(7)为最新模组电压数据，并求取历史电压数据对时间t的一阶导数和二阶导数。

2)判断最旧电压数据的一阶导数dX[0]是否大于第一阈值100，用于判断储能电源是否处于充电区间。

3)判断所有电压数据的一阶导数即dX[0]～dX[6]是否大于第二阈值40，用于排除车辆制动回流对于数据的影响，从而确认判断区间是属于充电区间。

4)判断最旧电压数据的二阶导数d²X[0]是否大于第三阈值100，用于确认充电结束瞬间的电流变化率符合要求。

5)判断模组历史电压数据中排序第二和第三的二阶导数之和,即d²X[1]+d²X[2]是否小于0，若是，进入步骤6)；否则，结束。

6)求取当前时刻所有模块电压数据对时间t的一阶导数，剔除最大值和最小值后求平均值，将所有模块电压的一阶导数与平均值进行比较，若某一模块历史电压数据的一阶导数超过平均值的1～1.5倍，则累计一次故障记录，当故障记录次数达到预设的累计故障次数，则输出该模块内阻异常的信号。

本发明采样周期为0.5s，故障判定任务周期是4s，数据个数是根据任务周期决定的。

本发明实时车载在线内阻一致性诊断过程如下：

1)获取超级电容储能电源所有模块电压数据；MU接收SCU传输的模块内阻状态故障信号；

2)判断超级电容模块电压数据是否正常，如果不正常，则电压数据异常故障计数加1；判断超级电容模块内阻是否异常，若是，则内阻异常故障计数加1；

3)判断是否完成了T(本发明中，T＝30)个周期的监测，若是，进入步骤4)；否则，返回步骤1)；

4)判断电压数据异常或内阻异常故障计数是否达到阈值，若是，则输出超级电容电压数据异常或者模块内阻异常故障提示，进入步骤5)；否则，将故障计数清零，进入步骤5)；

5)结束。

Claims (5)

1.一种超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取超级电容储能电源模组所有模块电压数据和模块内阻状态数据；

2)判断超级电容模块电压数据是否正常，如果不正常，则电压数据异常故障计数加1；判断超级电容模块内阻是否异常，若是，则内阻异常故障计数加1；

3)判断是否完成了T个周期的监测，若是，进入步骤4)；否则，返回步骤1)；

4)判断电压数据异常或内阻异常故障计数是否达到阈值，若是，则输出超级电容电压数据异常或者模块内阻异常故障提示，进入步骤5)；否则，将故障计数清零，进入步骤5)；

5)结束；

步骤2)中，判断超级电容模块内阻是否异常的具体实现过程包括：

21)采集超级电容储能电源模组每个模块电压数据和超级电容储能电源模组的电压数据，获得模组电压的N个历史数据，按时间排序为U(0)～U(N)，U(0)为最旧模组电压数据，U(N)为最新模组电压数据，并求取历史电压数据对时间t的一阶导数和二阶导数；

22)判断最旧模组电压数据U(0)的一阶导数dX[0]是否大于第一阈值，若是，则进入步骤23)，否则，结束；

23)判断所有时刻的模组电压数据的一阶导数是否大于第二阈值，若是，则进入步骤24)；否则，结束；

24)判断最旧模组电压数据U(0)的二阶导数是否大于第三阈值，若是，进入步骤25)，否则，结束；

25)判断模组历史电压数据中排序第二和第三的二阶导数之和,即d²X[1]+d²X[2]是否小于0，若是，进入步骤26)；否则，结束；

26)求当前时刻所有模块电压数据对时间t的一阶导数，剔除最大值和最小值后求平均值，将所有模块电压的一阶导数与平均值进行比较，若某一模块历史电压数据的一阶导数超过平均值的1～1.5倍，则累计一次故障记录，当故障记录次数达到预设的累计故障次数，则输出该模块内阻异常的信号。

2.根据权利要求1所述的超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法，其特征在于，所述第一阈值为100；第二阈值为40；第三阈值为100。

3.根据权利要求1所述的超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断方法，其特征在于，所述超级电容储能电源模组与第一微处理器连接；所述第一微处理器采集超级电容储能电源模组每个模块电压数据和超级电容储能电源模组的电压数据，并将模块内阻状态故障信号传输给第二微处理器。

4.一种超级电容储能电源内阻一致性实时在线诊断系统，其特征在于，包括：

采集单元，用于获取超级电容储能电源模组所有模块电压数据和模块内阻状态数据；

第一判断单元，用于判断超级电容模块电压数据是否正常，如果不正常，则电压数据异常故障计数加1；

第二判断单元，用于判断超级电容模块内阻是否异常，若是，则内阻异常故障计数加1；

第三判断单元，用于判断是否完成了T个周期的监测，若是，则判断电压数据异常或内阻异常故障计数是否达到阈值，若是，则输出超级电容电压数据异常或者模块内阻异常故障提示；否则，执行采集单元的操作；否则，将故障计数清零；

所述第二判断单元包括：

超级电容模块内阻状态判断模块，用于执行如下操作：

1)采集超级电容储能电源模组每个模块电压数据和超级电容储能电源模组的电压数据，获得模组电压的N个历史数据，按时间排序为U(0)～U(N)，U(0)为最旧模组电压数据，U(N)为最新模组电压数据，并求取历史电压数据对时间t的一阶导数和二阶导数；

2)判断最旧模组电压数据U(0)的一阶导数dX[0]是否大于第一阈值，若是，则进入步骤3)，否则，结束；

3)判断所有时刻的模组电压数据的一阶导数是否大于第二阈值，若是，则进入步骤4)；否则，结束；

4)判断最旧模组电压数据U(0)的二阶导数是否大于第三阈值，若是，进入步骤5)，否则，结束；

5)判断模组历史电压数据中排序第二和第三的二阶导数之和,即d²X[1]+d²X[2]是否小于0，若是，进入步骤6)；否则，结束；

6)求最新时刻所有模块电压数据的一阶导数，剔除最大值和最小值后求平均值，将所有模块电压的一阶导数与平均值进行比较，若某一模块历史电压数据的一阶导数超过平均值的1～1.5倍，则累计一次故障记录，当故障记录次数达到预设的累计故障次数，则输出该模块内阻异常的信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述超级电容模块内阻状态判断模块包括：

电压数据采集单元，用于采集超级电容储能电源模组每个模块电压数据和超级电容储能电源模组的电压数据，获得模组电压的N个历史数据，按时间排序为U(0)～U(N)，U(0)为最旧模组电压数据，U(N)为最新模组电压数据，并求取历史电压数据对时间t的一阶导数和二阶导数；

第一状态判断单元，用于判断最旧模组电压数据U(0)的一阶导数dX[0]是否大于第一阈值，若是，则执行第二状态判断单元的操作；

第二状态判断单元，用于判断所有时刻的模组电压数据的一阶导数是否大于第二阈值，若是，则执行第三状态判断单元的操作；

第三状态判断单元，判断最旧模组电压数据U(0)的二阶导数是否大于第三阈值，若是，执行第四状态判断单元的操作；

第四状态判断单元，判断模组电压历史数据中排序第二和第三的二阶导数之和,即d²X[1]+d²X[2]是否小于0，若是，执行输出单元的操作；

输出单元，用于求取当前时刻所有模块电压数据对时间t的一阶导数，剔除最大值和最小值后求平均值，将所有模块电压的一阶导数与平均值进行比较，若某一模块历史电压数据的一阶导数超过平均值的1～1.5倍，则累计一次故障记录，当故障记录次数达到预设的累计故障次数，则输出该模块内阻异常的信号。

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