CN109901081B - 蓄电池在线监测均衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓄电池在线监测均衡系统，包括中央监控模块、集控采集模块和单体监控模块；单体监控模块内设置有单体电压采集电路、单体阻抗采集电路和第一温度采集模块；集控采集模块包括通讯模块、集体电压采集电路和第二温度采集模块，集体电压采集电路采集蓄电池组的电压，第二温度采集模块采集蓄电池组的环境温度；集控采集模块利用通讯模块将单体监控模块和集控采集模块采集的数据传递至中央监控模块；本发明的在线监测均衡系统对蓄电池组的多个物理参数进行监测，根据多个物理参数综合计算蓄电池组的健康得分，科学的反应蓄电池组的健康状况，避免因蓄电池组失效而影响各类工业系统。

Description

蓄电池在线监测均衡系统
技术领域
本发明涉及电池监测设备领域，尤其涉及一种蓄电池在线监测均衡系统。
背景技术
蓄电池广泛应用在工业生产中，无论作为直接电源还是备用电源，蓄电池的健康状况都对工业生产具有重要的意义。在很多重要的领域，例如电力系统，具有安全隐患的蓄电池极有可能产生巨大的生产事故，因此这些领域常常需要对蓄电池的健康状况进行健康，及时排除或更换失效的蓄电池。在现有技术中，各类蓄电池监测系统所监测的仅仅是蓄电池的电压，并不能真正反映蓄电池的健康状况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型的蓄电池在线监测均衡系统，科学的反映蓄电池的健康状况，及时对具有安全隐患的蓄电池发出预警。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种蓄电池在线监测均衡系统，包括中央监控模块、集控采集模块和单体监控模块；
单体监控模块内设置有单体电压采集电路、单体阻抗采集电路和第一温度采集模块；单体电压采集电路采集单体蓄电池的电压值并将结果传递至集控采集模块，单体阻抗采集电路采集单体蓄电池的阻抗值并将结果传递至集控采集模块，第一温度采集模块采集单体蓄电池极柱的温度并将结果传递至集控采集模块；
集控采集模块包括通讯模块、集体电压采集电路和第二温度采集模块，集体电压采集电路采集蓄电池组的电压，第二温度采集模块采集蓄电池组的环境温度；集控采集模块利用通讯模块将单体监控模块和集控采集模块采集的数据传递至中央监控模块；
中央监控模块依据如下标准对蓄电池组计分：
Figure BDA0001966475050000021
中央监控模块根据蓄电池组的得分S对蓄电池组的健康水平进行分类；
如果S＝100，蓄电池组健康水平为健康；
如果90≤S≤99，蓄电池组健康水平为亚健康；
如果80≤S≤89，蓄电池组健康水平为低风险；
如果60≤S≤79，蓄电池组健康水平为高风险；
如果S≤59，蓄电池组健康水平为不健康；
当蓄电池组处于低风险、高风险或不健康状态时，中央监控模块发出告警；
在上述的蓄电池组计分标准中，各物理参数是否正常是指物理参数是否在设定范围之内，如果物理参数在设定范围之类，则获得对应分值，否则不得分。其中，蓄电池组的均衡度是指蓄电池组中电压最高的单体蓄电池和电压最低的单体蓄电池之间的电压差。
所述单体监控模块内还包括脉冲放电电路，脉冲放电电路在单体电压采集电路采集单体蓄电池的电压之前控制单体蓄电池进行脉冲放电。经过长期测试：蓄电池存在表面能量层及真实能量层。表现为蓄电池在未放电状态时，12V单体蓄电池电压为13.5V左右，带负载放电时，单体蓄电池电压从13.5V降低到12.3V左右。未放电时电压13.5V表征为表面能量层，放电初期电压12.3V表征为蓄电池真实能量层。对蓄电池单体进行一定频率的脉冲放电，能很快到达蓄电池真实能量层，获得蓄电池的真实电压值。其中，当脉冲放电的幅值为单体蓄电池恒流放电电流的50％时，到达蓄电池真实能量层的时间最短。脉冲频率的范围是100Hz～100KHz，12v单体蓄电池宜选择频率为8KHz的脉冲放电。
进一步的，所述通讯模块为无线通讯模块。
进一步的，蓄电池在线监测均衡系统还包括修复模块，修复模块内设置有用于修复蓄电池的尖脉冲放电电路、充电电路和/或放电电路；中央监控模块根据实际条件判定单体蓄电池是否发生硫化现象、不均衡现象或者深度活化故障；
当单体蓄电池满足下述条件时：
Figure BDA0001966475050000031
判定单体蓄电池发生硫化现象；
其中R：单体蓄电池的阻抗；
R初：单体蓄电池的初始阻抗；
V：单体蓄电池的电压；
V平均：蓄电池组的平均电压；
Vset：电压偏差设定值；
T：单体蓄电池负极柱温度；
T平均：蓄电池组内单体蓄电池负极柱平均温度；
Tset：温度偏差设定值。
当单体蓄电池发生硫化现象时，中央监控模块控制尖脉冲放电电路对单体蓄电池释放周期小于10ms的脉冲电流。
当蓄电池组中电压最高的单体蓄电池和电压最低的单体蓄电池之间的电压差超过设定时，判定蓄电池组发生不均衡现象；此时，充电电路对电压最低的单体蓄电池进行间歇性充电，放电电路对电压最高的单体蓄电池进行间歇性放电。
当蓄电池组中阻抗最高的单体蓄电池的阻抗大于阻抗最低的单体蓄电池的阻抗的1.3倍时，判定阻抗最高的单体蓄电池具有深度活化故障；此时，充电电路和放电电路对单体蓄电池进行充电和放电循环以活化修复单体蓄电池。
有益效果：(1)本发明的在线监测均衡系统对蓄电池组的多个物理参数进行监测，根据多个物理参数综合计算蓄电池组的健康得分，科学的反应蓄电池组的健康状况，避免因蓄电池组失效而影响各类工业系统。(2)本发明的在线监测均衡系统在对单体蓄电池测量电压之前先行对单体蓄电池进行脉冲放电，到达蓄电池的真实能量层，使得电压测量结果更加准确。(3)本发明的在线监测均衡系统设置有修复模块，中央监控模块识别单体蓄电池的健康故障并利用修复模块及时修复，提高蓄电池组的健康状况。
附图说明
图1是实施例1蓄电池在线监测均衡系统结构框图。
图2是实施例1蓄电池在线监测均衡系统的脉冲放电电路电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的蓄电池在线监测均衡系统包括中央监控模块、集控采集模块、单体监控模块和修复模块；
中央监控模块对应多个集控采集模块，一个集控采集模块对应多个单体监控模块，一个单体监控模块监控一块单体蓄电池；修复模块包括修复蓄电池的尖脉冲放电电路、充电电路和放电电路，修复模块整合在单体监控模块内；
本实施例的蓄电池在线监测均衡系统主要用于监测变电所内的12V蓄电池组；
单体监控模块内设置有单体电压采集电路、单体阻抗采集电路、第一温度采集模块和脉冲放电电路；单体电压采集电路采集单体蓄电池的电压值并将结果传递至集控采集模块，单体阻抗采集电路采集单体蓄电池的阻抗值并将结果传递至集控采集模块，第一温度采集模块采集单体蓄电池极柱的温度并将结果传递至集控采集模块；
脉冲放电电路在单体电压采集电路采集单体蓄电池的电压之前控制单体蓄电池进行脉冲放电。经过长期测试：蓄电池存在表面能量层及真实能量层。表现为蓄电池在未放电状态时，12V单体蓄电池电压为13.5V左右，带负载放电时，单体蓄电池电压从13.5V降低到12.3V左右。未放电时电压13.5V表征为表面能量层，放电初期电压12.3V表征为蓄电池真实能量层。对蓄电池单体进行一定频率的脉冲放电，能很快到达蓄电池真实能量层，获得蓄电池的真实电压值。其中，当脉冲放电的幅值为单体蓄电池恒流放电电流的50％时，到达蓄电池真实能量层的时间最短。脉冲频率的范围是100Hz～100KHz，12v单体蓄电池宜选择频率为8KHz的脉冲放电；
脉冲放电电路的电路图如图2所示，从CPU芯片14、15脚输出PWM脉冲波，经过滤波倍压加到运放IC7同相端，经过电压跟随器输出电路与由稳压管IC10、IC11提供基准电压共同加到运放IC12的同相输入端，电流恒流电阻--输出电阻(R42//R43并联)电压又反馈到IC12的反相输入端。利用运放输入端虚短的原理：同相输入端与反向输入端电压一致；经过CPU输出的电压加到恒流电阻(R42//R43并联)两端，使得经过功率管对蓄电池放电电流与恒流电阻(R42//R43并联)上的一致，即可起到控制蓄电池脉冲放电的目的。通过调节PWM波脉宽，达到控制恒流电阻(R42//R43并联)两端电压，即达到了控制放电回路电流的调节目的。通过控制功率MOSFET管的导通及截止时间，控制功率MOSFET管的Vg驱动电压有无的频率，即可控制蓄电池脉冲放电的频率。
集控采集模块包括通讯模块、集体电压采集电路和第二温度采集模块，集体电压采集电路采集蓄电池组的电压，第二温度采集模块采集蓄电池组的环境温度；集控采集模块利用通讯模块将单体监控模块和集控采集模块采集的数据传递至中央监控模块；
中央监控模块依据如下标准对蓄电池组计分：
Figure BDA0001966475050000061
中央监控模块根据蓄电池组的得分S对蓄电池组的健康水平进行分类；
如果S＝100，蓄电池组健康水平为健康；
如果90≤S≤99，蓄电池组健康水平为亚健康；
如果80≤S≤89，蓄电池组健康水平为低风险；
如果60≤S≤79，蓄电池组健康水平为高风险；
如果S≤59，蓄电池组健康水平为不健康；
当蓄电池组处于低风险、高风险或不健康状态时，中央监控模块发出告警；
在上述的蓄电池组计分标准中，各物理参数是否正常是指物理参数是否在设定范围之内，如果物理参数在设定范围之类，则获得对应分值，否则不得分。其中，蓄电池组的均衡度是指蓄电池组中电压最高的单体蓄电池和电压最低的单体蓄电池之间的电压差。
本实施例的中央监控模块根据实际条件判定单体蓄电池是否发生硫化现象、不均衡现象或者深度活化故障；
当单体蓄电池满足下述条件时：
Figure BDA0001966475050000071
判定单体蓄电池发生硫化现象；
其中R：单体蓄电池的阻抗；
R初：单体蓄电池的初始阻抗；
V：单体蓄电池的电压；
V平均：蓄电池组的平均电压；
Vset：电压偏差设定值，本实施例取值为0.6V；
T：单体蓄电池负极柱温度；
T平均：蓄电池组内单体蓄电池负极柱平均温度；
Tset：温度偏差设定值，本实施例取值为5℃。
当单体蓄电池发生硫化现象时，中央监控模块控制尖脉冲放电电路对单体蓄电池释放周期小于10ms的脉冲电流。
当蓄电池组中电压最高的单体蓄电池和电压最低的单体蓄电池之间的电压差超过0.6V时，判定蓄电池组发生不均衡现象；此时，充电电路对电压最低的单体蓄电池进行间歇性小电流(0.5A)充电，放电电路对电压最高的单体蓄电池进行间歇性小电流(0.5A)放电。
当蓄电池组中阻抗最高的单体蓄电池的阻抗大于阻抗最低的单体蓄电池的阻抗的1.3倍时，判定阻抗最高的单体蓄电池具有深度活化故障；此时，充电电路和放电电路对单体蓄电池进行充电和放电循环以活化修复单体蓄电池。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种蓄电池在线监测均衡系统，其特征在于：包括中央监控模块、集控采集模块和单体监控模块；
单体监控模块内设置有单体电压采集电路、单体阻抗采集电路和第一温度采集模块；单体电压采集电路采集单体蓄电池的电压值并将结果传递至集控采集模块，单体阻抗采集电路采集单体蓄电池的阻抗值并将结果传递至集控采集模块，第一温度采集模块采集单体蓄电池极柱的温度并将结果传递至集控采集模块；
集控采集模块包括通讯模块、集体电压采集电路和第二温度采集模块，集体电压采集电路采集蓄电池组的电压，第二温度采集模块采集蓄电池组的环境温度；集控采集模块利用通讯模块将单体监控模块和集控采集模块采集的数据传递至中央监控模块；
中央监控模块依据如下标准对蓄电池组计分：
Figure FDA0003126592020000011
中央监控模块根据蓄电池组的得分S对蓄电池组的健康水平进行分类；
如果S＝100，蓄电池组健康水平为健康；
如果90≤S≤99，蓄电池组健康水平为亚健康；
如果80≤S≤89，蓄电池组健康水平为低风险；
如果60≤S≤79，蓄电池组健康水平为高风险；
如果S≤59，蓄电池组健康水平为不健康；
当蓄电池组处于低风险、高风险或不健康状态时，中央监控模块发出告警；
所述单体监控模块内还包括脉冲放电电路，脉冲放电电路在单体电压采集电路采集单体蓄电池的电压之前控制单体蓄电池进行脉冲放电；
当单体蓄电池满足下述条件时：
Figure FDA0003126592020000021
判定单体蓄电池发生硫化现象；
其中R：单体蓄电池的阻抗；
R初：单体蓄电池的初始阻抗；
V：单体蓄电池的电压；
V平均：蓄电池组的平均电压；
Vset：电压偏差设定值；
T：单体蓄电池负极柱温度；
T平均：蓄电池组内单体蓄电池负极柱平均温度；
Tset：温度偏差设定值；
当蓄电池组中电压最高的单体蓄电池和电压最低的单体蓄电池之间的电压差超过设定时，判定蓄电池组发生不均衡现象；
当蓄电池组中阻抗最高的单体蓄电池的阻抗大于阻抗最低的单体蓄电池的阻抗的1.3倍时，判定阻抗最高的单体蓄电池具有深度活化故障。
2.根据权利要求1所述的蓄电池在线监测均衡系统，其特征在于：所述脉冲放电的幅值为单体蓄电池恒流放电电流的50％。
3.根据权利要求2所述的蓄电池在线监测均衡系统，其特征在于：所述通讯模块为无线通讯模块。
4.根据权利要求1所述的蓄电池在线监测均衡系统，其特征在于：还包括修复模块，修复模块内设置有尖脉冲放电电路；当单体蓄电池发生硫化现象时，中央监控模块控制尖脉冲放电电路对单体蓄电池释放周期小于10ms的脉冲电流。
5.根据权利要求1所述的蓄电池在线监测均衡系统，其特征在于：还包括修复模块，修复模块内设置有充电电路和放电电路，当蓄电池组发生不均衡现象时，充电电路对电压最低的单体蓄电池进行间歇性充电，放电电路对电压最高的单体蓄电池进行间歇性放电。
6.根据权利要求1所述的蓄电池在线监测均衡系统，其特征在于：还包括修复模块，修复模块内设置有充电电路和放电电路；当单体蓄电池发生深度活化故障后，充电电路和放电电路对单体蓄电池进行充电和放电循环以活化修复单体蓄电池。
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