CN110376528B

CN110376528B - 铅酸蓄电池组的在线评估方法、系统及存储介质

Info

Publication number: CN110376528B
Application number: CN201910677805.2A
Authority: CN
Inventors: 刘恒; 杨爱军; 燕琳伟
Original assignee: Zhuhai Galaxy Smart Grid Co ltd
Current assignee: Zhuhai Galaxy Smart Grid Co ltd
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: CN110376528A

Abstract

本发明公开了铅酸蓄电池组的在线评估方法、系统及存储介质，方法包括：确定蓄电池组处于电量满充状态后，测量蓄电池组的开路电压；测量蓄电池组的放电电压、蓄电池组的放电电流和蓄电池组的放电时间；根据蓄电池组的放电电流和放电时间，计算蓄电池组的放电容量；根据蓄电池组的开路电压、放电电压和放电电流，计算蓄电池组的内阻；根据蓄电池组的放电容量和内阻，确定蓄电池组的性能等级。本发明无需采用大型测量设备，降低了投入成本，且能保证测量精度，能够广泛应用于大小型配电终端，适用范围广，可广泛应用于电池监测技术领域。

Description

铅酸蓄电池组的在线评估方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及电池监测技术领域，尤其是铅酸蓄电池组的在线评估方法、系统及存储介质。

背景技术

阀控铅酸蓄电池作为配电自动化终端后备电源得到广泛应用。配电自动化终端一般安装在户外，安装分布点多面广，数量巨大。由于安装在户外，运行环境恶劣，导致蓄电池寿命缩短，在实际使用过程中存在大量蓄电池未达到设计的使用寿命就减少了额定放电容量，不能满足正常使用要求。

由于阀控铅酸蓄电池安装数量巨大且安装地点分散，因此很难实现定期检修；同时，蓄电池失效影响配电自动化终端供电可靠性。因此需要实现阀控铅酸蓄电池组性能的在线评估，来给阀控铅酸蓄电池状态检修提供依据，进而提高检修效率和设备可靠性。

现行的阀控铅酸蓄电池组性能在线评估方法一般针对大型蓄电池组，一般需要大型设备对蓄电池组内阻、电压、电流等多组参数进行精确测量，评估蓄电池组性能状况。目前这种蓄电池组在线评估方式不适合配电终端的蓄电池组在线性能评估，其存在以下缺点：1、现行方式需要大型设备进行精确测量，成本投入大，且不便于现场安装。2、现在方法适合大型蓄电池组，不适合小型配电终端，适用范围小。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种成本低且测量精度高的铅酸蓄电池组的在线评估方法、系统及存储介质。

第一方面，本发明实施例提供了一种铅酸蓄电池组的在线评估方法，包括以下步骤：

确定蓄电池组处于电量满充状态后，测量蓄电池组的开路电压；

测量蓄电池组的放电电压、蓄电池组的放电电流和蓄电池组的放电时间；

根据蓄电池组的放电电流和放电时间，计算蓄电池组的放电容量；

根据蓄电池组的开路电压、放电电压和放电电流，计算蓄电池组的内阻；

根据蓄电池组的放电容量和内阻，确定蓄电池组的性能等级；其中，所述蓄电池组的性能等级包括良好状态、正常状态、预警状态以及裂化状态。

进一步，所述确定蓄电池组处于电量满充状态后，测量蓄电池组的开路电压这一步骤，包括以下步骤：

判断蓄电池组是否处于电量满充状态，若是，则执行下一步骤；反之，则继续判断蓄电池组是否处于电量满充状态，直至蓄电池组处于电量满充状态；

投入放电负载以启动蓄电池组的放电工作，并停止蓄电池组的充电工作；

测量蓄电池组的开路电压。

进一步，所述测量蓄电池组的放电电压、蓄电池组的放电电流和蓄电池组的放电时间这一步骤，包括以下步骤：

判断蓄电池组的电压是否达到放电终止电压，若是，则执行下一步骤；反之，则继续判断蓄电池组的电压是否达到放电终止电压，直至蓄电池组的电压达到放电终止电压；

切断放电负载以停止蓄电池组的放电工作，并启动蓄电池组的充电工作；

测量蓄电池组放电到终止时的放电容量；

获取蓄电池组从开始放电到放电终止的放电时间；

基于预设的周期时间，对蓄电池组在放电期间的放电电流进行采样。

进一步，所述根据蓄电池组的放电电流和放电时间，计算蓄电池组的放电容量这一步骤，包括以下步骤：

根据蓄电池组的放电电流和放电时间，计算初始放电容量；

确定放电容量的温度补偿系数；

根据放电容量的温度补偿系数，对初始放电容量进行温度补偿计算，得到蓄电池组的放电容量。

进一步，所述根据蓄电池组的开路电压、放电电压和放电电流，计算蓄电池组的内阻这一步骤中，

所述蓄电池组的内阻的计算公式为：Rdc＝(U1-U2)/I；

其中，Rdc代表蓄电池组的内阻；U1代表蓄电池组的开路电压；U2代表蓄电池组的放电电压；I代表蓄电池组的放电电流。

进一步，所述根据蓄电池组的放电容量和内阻，确定蓄电池组的性能等级这一步骤，包括以下步骤：

根据蓄电池组的放电容量和蓄电池组的额定放电容量，计算蓄电池组的容量性能指标；

根据蓄电池组的内阻和蓄电池组的额定内阻，计算蓄电池组的内阻性能指标；

根据蓄电池组的容量性能指标和内阻性能指标，计算蓄电池组的综合评估指标；

根据蓄电池组的综合评估指标，确定蓄电池组的性能等级；

其中，所述蓄电池组的性能等级包括良好状态、正常状态、预警状态以及裂化状态。

第二方面，本发明实施例提供了一种铅酸蓄电池组的在线评估系统，包括阀控铅酸蓄电池组、蓄电池充放电模块、核心模块以及放电负载；

其中，蓄电池充放电模块，用于为阀控铅酸蓄电池组充电，并将阀控铅酸蓄电池组放电给配电终端；

核心模块，用于控制蓄电池充放电模块的工作，并测量蓄电池组的放电电压、蓄电池组的放电电流和蓄电池组的放电时间，然后计算蓄电池组的放电容量和内阻，最后确定蓄电池组的性能等级。

第三方面，本发明实施例提供了一种铅酸蓄电池组的在线评估系统，包括：

第一测量模块，用于确定蓄电池组处于电量满充状态后，测量蓄电池组的开路电压；

第二测量模块，用于测量蓄电池组的放电电压、蓄电池组的放电电流和蓄电池组的放电时间；

第一计算模块，用于根据蓄电池组的放电电流和放电时间，计算蓄电池组的放电容量；

第二计算模块，用于根据蓄电池组的开路电压、放电电压和放电电流，计算蓄电池组的内阻；

评估模块，用于根据蓄电池组的放电容量和内阻，确定蓄电池组的性能等级；其中，所述蓄电池组的性能等级包括良好状态、正常状态、预警状态以及裂化状态。

第四方面，本发明实施例提供了一种铅酸蓄电池组的在线评估系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的铅酸蓄电池组的在线评估方法。

第五方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的铅酸蓄电池组的在线评估方法。

上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例通过测量蓄电池组的开路电压、放电电压、放电电流和放电时间即可实现对蓄电池组的放电容量和内阻的计算，进而根据放电容量和内阻确定蓄电池组的性能等级；相较于现有通过大型设备来进行测量的方法，本发明无需采用大型测量设备，降低了投入成本，且能保证测量精度，能够广泛应用于大小型配电终端，适用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例的整体步骤流程图；

图2为本发明实施例的系统结构示意图；

图3为本发明实施例的蓄电池温度与放电容量关系图；

图4为本发明实施例的蓄电池等效电路。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本发明选取的评估铅酸蓄电池的关键指标为其放电容量和内阻。

阀控铅酸蓄电池容量就是指其放电电量，具体是指温度为25℃且放电率为20小时的时候，阀控铅酸蓄电池放电到终止电压时的容量。阀控铅酸蓄电池容量会依放电电流变化而变化。放电电流越小则放电电量越大，放电电流越大则放电电量越小。另外，放电电量也受蓄电池温度影响，温度越低则放电电量越小。

蓄电池内阻是指蓄电池在工作时，电流流过蓄电池内部所受到的阻力。电池老化和失效后突出的表现为内阻增大。

如图1所示，本发明的铅酸蓄电池组的在线评估方法包括以下步骤：

S1、确定蓄电池组处于电量满充状态后，测量蓄电池组的开路电压；

具体地，所述步骤S1包括以下步骤：

S11、判断蓄电池组是否处于电量满充状态，若是，则执行下一步骤；反之，则继续判断蓄电池组是否处于电量满充状态，直至蓄电池组处于电量满充状态；

S12、投入放电负载以启动蓄电池组的放电工作，并停止蓄电池组的充电工作；

S13、测量蓄电池组的开路电压。

S2、测量蓄电池组的放电电压、蓄电池组的放电电流和蓄电池组的放电时间；

具体地，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、判断蓄电池组的电压是否达到放电终止电压，若是，则执行下一步骤；反之，则继续判断蓄电池组的电压是否达到放电终止电压，直至蓄电池组的电压达到放电终止电压；

S22、切断放电负载以停止蓄电池组的放电工作，并启动蓄电池组的充电工作；

S23、测量蓄电池组放电到终止时的放电容量；

S24、获取蓄电池组从开始放电到放电终止的放电时间；

S25、基于预设的周期时间，对蓄电池组在放电期间的放电电流进行采样。

S3、根据蓄电池组的放电电流和放电时间，计算蓄电池组的放电容量；

具体地，所述步骤S3包括以下步骤：

S31、根据蓄电池组的放电电流和放电时间，计算初始放电容量；

S32、确定放电容量的温度补偿系数；

S33、根据放电容量的温度补偿系数，对初始放电容量进行温度补偿计算，得到蓄电池组的放电容量。

S4、根据蓄电池组的开路电压、放电电压和放电电流，计算蓄电池组的内阻；

具体地，所述蓄电池组的内阻的计算公式为：Rdc＝(U1-U2)/I；

S5、根据蓄电池组的放电容量和内阻，确定蓄电池组的性能等级；其中，所述蓄电池组的性能等级包括良好状态、正常状态、预警状态以及裂化状态。

具体地，所述步骤S5包括以下步骤：

S51、根据蓄电池组的放电容量和蓄电池组的额定放电容量，计算蓄电池组的容量性能指标；

S52、根据蓄电池组的内阻和蓄电池组的额定内阻，计算蓄电池组的内阻性能指标；

S53、根据蓄电池组的容量性能指标和内阻性能指标，计算蓄电池组的综合评估指标；

S54、根据蓄电池组的综合评估指标，确定蓄电池组的性能等级；

本发明定期对阀控铅酸蓄电池组进行性能评估在线判断。其方法主要是对其放电容量进行测量，并考虑环境温度对放电容量的影响，将修正后的放电容量和给定值进行比较，从而判断蓄电池是否失效。

如图1所示，当蓄电池处于充满的状态下。核心模块控制继电器闭合投入放电负载，同时控制蓄电池充放电模块停止给蓄电池组充电。

蓄电池组在充满状态时蓄电池组电压为54.6V，蓄电池组放电终止电压为42V。当蓄电池组电压达到放电终止电压时，核心模块控制切断放电负载，同时蓄电池充放电模块给蓄电池组充电。

首先，计算蓄电池放电容量：

根据蓄电池放电容量的定义，是指25℃，20小时放电率时，放电到终止电压时的容量。其放电容量S的理论计算公式为：

即放电容量为放电电流在蓄电池从开始放电到达到放电终止时间段的积分。其中，T为开始放电到达到放电终止的时间。I为放电电流。

实际应用中蓄电池组多采用7Ah的蓄电池组，需要蓄电池组以平均0.05C(0.35A)进行放电，放电负载R＝(54.6V+42V)/(2*0.35A)＝138Ω，即放电负载采用R＝138Ω的纯阻性负载，该阻值负载下蓄电池组平均放电电流为约为0.05C，保证蓄电池的放电率和额定容量下的放电率基本相同。

本发明通过核心模块每隔1s对蓄电池组放电电流进行采样，直到蓄电池放电终止。模块在t时间时对应的采样值为I_t。蓄电池组放电容量值S_i为：

其中，S_i为蓄电池组第i次放电时测量的放电容量。I_t为蓄电池组在t时刻的放电电流，t为从蓄电池充满状态一直到蓄电池放电终止的时间。

由于蓄电池放电容量受放电电流大小和温度的影响，因此针对测量的蓄电池组放电容量值S_i需要进行温度补偿计算，即将容量S_i调整至25℃下的可比容量值S'_i。S_i与S'_i的关系为：

S_i＝k*S_i'

其中，k为温度补偿系数。

图3是蓄电池周围温度与放电容量的关系图。根据图3所示，蓄电池在0.05C的放电率下，周围温度与放电容量呈现一条抛物曲线的关系。

本实施例设定曲线为：

k＝aT²+bT+c

其中T为温度，k为温度补偿系数。分别代入T1＝25℃，k1＝1；T2＝0℃，k2＝0.8；T3＝-20℃，k3＝0.6这三组数据进行计算得到该温度补偿系数公式为：

k＝0.000086T²+0.0058T+0.8

接着，计算蓄电池组内阻：

本实施例的蓄电池组等效电路如图4所示。其中Rdc为蓄电池内阻。

本实施例的蓄电池内阻测试步骤如下：

1)在程序开始蓄电池性能评估，断开蓄电池充电，此时测试蓄电池组开路电压为U1。

2)投入放电负载。测试蓄电池组电压为U2，蓄电池放电电流为I。

3)蓄电池内阻计算公式为

U1＝U2+Rdc*I，

Rdc＝(U1-U2)/I

因此，本实施例根据开路电压为U1、放电电压U2以及放电电流I即可计算得到蓄电池内阻Rdc。

最后，进行蓄电池组性能评估

本发明将蓄电池性能分为4个等级，分别为：良好、正常、预警、裂化。

其中裂化的判断依据是：当S'_i≤0.5Se或Rdc≥5Re时，蓄电池组的在线评估结果为裂化，需要立即更换蓄电池组。其中，S'_i为温度补偿后的第i次蓄电池放电容量测量值。Se为蓄电池组额定放电容量，Re为蓄电池组内阻额定值。

本发明引入裂化速率动态因子的性能综合评估方法。方法同时考虑蓄电池容量及内阻两个关键参数指标，同时根据裂化速率动态分配指标权重，当某个指标出现快速裂化时，在评价体系中能体现较高的评价权重，准确的评估蓄电池状态。

当S'_i>0.5Se且Rdc＜5Re时，本实施例通过蓄电池组的放电容量评估和内阻评估来确定蓄电池为良好、正常或者预警状态。

1)、容量评估要素：

容量评估要素C为反映蓄电池容量的性能指标。该指标计算公式如下：

其中，C的取值在0-1之间。当蓄电池处于良好状态，测量的蓄电池放电容量接近其额定放电容量Se，C值也接近1；当蓄电池放电容量下降，处于裂化状态，其放电容量测量值接近0.5Se，C值也接近0。

2)内阻评估要素：

内阻评估要求R为反映蓄电池内阻的性能指标。该指标计算公式如下：

R的取值在0-1之间，当蓄电池处于良好状态，测量的蓄电池内阻接近其内阻额定值Re，C值也接近1；当蓄电池放电容量下降，处于裂化状态，其放电容量测量值接近5Re，R值也接近0。

3)综合评估方法：

对蓄电池组进行性能评估需要综合考虑容量评估要素和内阻评估要素的影响。

蓄电池综合评估指标L计算公式如下：

L＝i*C+j*R

其中i，j为权重因子，i+j＝1。

本发明采取根据裂化速率动态分配权重因子大小的方法来确定i和j的值，该方法能够反馈出现的快速裂化信息，准确预警蓄电池裂化状态。

i和j权重因子大小的分配方式根据指标裂化速率进行分配。即指标裂化的越快，其权重相对越大，具体地：

其中，C_n代表第n次计算的容量评估要素值；C_n-1代表第n-1次所计算的容量评估要素值；R_n代表第n次计算的内阻评估要素值；R_n-1代表第n-1次计算的内阻评估要素值。根据上述公式可以计算权重i和j的比例关系。本实施例的i和j满足：i+j＝1。

进而计算得到：

即蓄电池综合评估指标L：

本实施例的L的计算值在0-1之间。根据L的计算值，将蓄电池分为蓄电池良好、正常、预警状态。表1为最终的蓄电池状态评估：

表1

良好状态	0.8＜L≤1
		正常状态	0.6＜L≤0.8
预警状态	0＜L≤0.6
		裂化状态	S'<sub>i</sub>≤0.5Se或Rdc≥5Re

如图2所示，本发明实施例还提供了一种铅酸蓄电池组的在线评估系统，该系统由阀控铅酸蓄电池组、蓄电池充放电模块、核心模块以及放电负载组成。

其中，本实施例的阀控铅酸蓄电池组由4节12V的7Ah蓄电池串联起来组成。

蓄电池充放电模块功能为给阀控铅酸蓄电池组充电，当外部供电电压失电时，阀控铅酸蓄电池组通过模块放电给配电自动化终端供电。

核心模块可以实现阀控铅酸蓄电池组充放电电压、电流采集，蓄电池组温度采集。通过数据计算以及相关算法评估判断蓄电池性能。

放电负载为蓄电池性能评估时的放电负载，放电负载为一个纯阻性负载。

本发明实施例还提供了一种铅酸蓄电池组的在线评估系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

此外，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的铅酸蓄电池组的在线评估方法。

综上所述，本发明选取检测蓄电池内阻和蓄电池容量为监测指标，根据裂化速率动态分配指标权重，采用公式算法将蓄电池性能指标量化，可以实现蓄电池组性能的在线评估，得到蓄电池性能的准确评估结果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。