CN111505510B - 一种非侵入式变电站大电流电池巡检装置及其评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非侵入式变电站大电流电池巡检装置，包括交直流充放电电路、超级电容充电调理电路、以及超级电容；主电路的输入端接蓄电池端，所述交直流充放电电路由4个MOS管组成，所述超级电容充电调理电路由二极管、MOS管以及续流电感组成，所述超级电容串接在续流电感和超级电容的MOS管之间，所述交直流充放电电路与超级电容充电调理电路之间还设有稳压电容，本发明实现对蓄电池的可控充放电、数据采样、数据分析和评估蓄电池健康状态。

Description

一种非侵入式变电站大电流电池巡检装置及其评估方法
技术领域
本发明涉及一种电池巡检装置，特别涉及一种变电站大电流电池巡检装置。
背景技术
蓄电池组是变电站直流操作系统的能量来源。当交流电失电时，蓄电池迅速向事故性负荷提供能量，同时也必须为事故停电时的控制、信号、自动装置、保护装置及通信等负荷提供电力。这就对电池巡检装置提出了很高的要求，要求蓄电池始终保持足够的电能，从而保证可以在任意时刻投入使用。
目前，对蓄电池的检测方法主要有两种：(1)整组检测整组电池监测功能一般设计在直流电源内(如一些高端的UPS的电池管理软件)，在电池放电时电池组电压低至某下限时报警。但是整组电池监测很难发现单电池的缓慢变化，包括单电池本身的老化和因单电池一致性问题而带来的积累效应。(2)单电池电压监测这种方法检测时需要将所有电池切断，然后挨个对所有电池进行充放检测，非常费时费力。因此，对电池巡检方式的研究很重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种非侵入式变电站大电流电池巡检装置，实现对蓄电池的可控充放电、数据采样、数据分析和评估蓄电池健康状态。
本发明的目的是这样实现的：一种非侵入式变电站大电流电池巡检装置，包括主电路和控制电路；
所述主电路包括交直流充放电电路、超级电容充电调理电路、以及超级电容；主电路的输入端接蓄电池端VA-VB，所述交直流充放电电路由第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3以及第四MOS管S4组成，所述超级电容充电调理电路由二极管D5、第五MOS管S5以及续流电感L2组成，所述超级电容C3串接在续流电感L2和第五MOS管S5之间，所述交直流充放电电路与超级电容充电调理电路之间还设有稳压电容C2，所述交直流充放电电路与蓄电池正极之间串接有电感L1，所述第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4以及第五MOS管S5对应并联五个寄生二极管，分别为：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4以及第五二极管D5；
所述控制电路包括输出端连接在数字信号处理器上的超级电容电压采样电路、超级电容电流采样电路、蓄电池电压采样电路以及蓄电池电流采样电路，所述数字信号处理器的信号输出端连接有第一MOS管驱动电路、第二MOS管驱动电路、第三MOS管驱动电路、第四MOS管驱动电路、第五MOS管驱动电路。
作为本发明的进一步限定，所述第一MOS管S1的源极串接电感L1后接蓄电池正极VA，所述第一MOS管S1的漏极接第三MOS管S3的漏极作为交直流充放电电路的输出正极P，所述第二MOS管S2的漏极接第一MOS管S1的源极，所述第二MOS管S2的源极接第四MSO管S4的源极作为交直流充放电电路的输出负极G，所述第四MOS管S4的漏极第三MOS管S3的源极以及蓄电池负极VB。
作为本发明的进一步限定，所述二极管D5的负极接输出正极P、正极接超级电容C3的负极和第五MOS管的漏极，所述第五MOS管的源极接输出负极G，所述续流电感L2的一端接输出正极P、另一端接超级电容C3的正极。
作为本发明的进一步限定，所述稳压电容C2的正极接输出正极P，负极接输出负极G。
作为本发明的进一步限定，所述蓄电池电压采样电路的输入端连接在主电路蓄电池输入正极VA上，蓄电池电压采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上，所述蓄电池电流采样电路的输入端串接在主电路蓄电池输入正极VA与蓄电池之间，所述蓄电池电流采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上；所述超级电容电压采样电路的输入端连接在超级电容C3两端，所述超级电容电压采样电路的输出端连接在数字信号处理器上，所述超级电容电流采样电路的输入端连接在电感L2及超级电容C3之间，所述超级电容电流采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上，所测电流值作为反馈量与给定参考值作差，将差值传送到PID控制器内，PID输出后将其生成PWM，再由PWM输入开关来控制开关的关断。
一种非侵入式变电站大电流电池评估方法，包括以下步骤：
步骤1)控制超级电容C3恒流预充电：当VC3<VAB时，控制S5导通，控制S1-S4断开，蓄电池经二极管D1、D2给超级电容C3充电；当VC3≥VAB时，二极管D1、D4反向偏置，充电结束，控制S5保持闭合；在此充电过程中，S5通过PWM信号控制，用以控制电流IL2，防止电流过大；该充电过程持续到VC3＝VAB＝12V为止；
步骤2)控制蓄电池向超级电容C3恒流放电：控制S1、S3导通，控制S2、S4断开，蓄电池给电感L1充电，电感L1储能；储能完成后，控制S1、S2、S3、S4断开，蓄电池通过二极管D1、D2给超级电容C3充电，由于电感L1储能，该动作将持续至VC3＝2VAB结束；
步骤3)超级电容C3向蓄电池恒流放电：控制S4导通，同时控制S1，S2交替导通形成BUCK电路；当S1、S4导通时，超级电容向蓄电池放电；当S2、S4导通时，形成续流回路；该放电过程将会持续至VC3≈VAB结束；
步骤4)评估电池的健康状态，通过超级电容电压采样电路、超级电容电流采样电路、蓄电池电压采样电路以及蓄电池电流采样电路采样对应电压、电流数据，并与给定参考值比较好发送给PID控制器，配合PID控制器输出PWM控制信号控制各MOS管动作，在控制过程中利用数字化系统辨识检测电池的电荷状态，在步骤2)蓄电池对超级电容恒流放电过程和步骤3)超级电容对蓄电池放电过程中，在闭环控制系统中注入PRBS信号，分别得到两次的导纳Y1(s)、Y2(s)并与预设曲线进行比较，进而评估电池的健康状态，其中
Figure BDA0002459613790000041
其中IL1(S)为流过电感L1的电流，Vbatt(S)为蓄电池两端电压，Y1(s)为充电时导纳，Y2(s)为放电时导纳，根据上述Y1(s)、Y2(s)评估电池的健康状况
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.经济性，无需破坏串接蓄电池组的原有连接，通过对单节蓄电池的可控充放电、数据采样、数据分析，实现蓄电池状态的评估，从而可以大大减小变电站电池的运营维护成本；
2.高效性，效率高，损耗小，对蓄电池的影响小；
3.低成本，体积小、成本低、便于携带，可以大大减小运营维护中所需的人力资源和财力资源；
4.安全性，利用相关算法分析采样的数据，对电池进行评估，预测电池的寿命，减小直流操作系统的运行风险，保障变电站运行安全。
附图说明
图1为本发明主电路原理图。
图2为本发明中装置测量电池状态的图。
图3为本发明中控制流程图。
图4为本发明中超级电容预充电电路原理图。
图5为本发明中升压电路电感储能电路原理图。
图6为本发明中蓄电池向超级电容放电电路原理图。
图7为本发明中超级电容向蓄电池放电电路原理图。
图8为本发明中降压电路续流回路电路原理图。
图9为本发明中超级电容预充电电流闭环控制逻辑图程图。
图10为本发明中蓄电池向超级电容放电电流闭环控制逻辑图程图。
具体实施方式
如图1所示的一种非侵入式变电站大电流电池巡检装置，包括主电路和控制电路；
主电路包括交直流充放电电路、超级电容充电调理电路、以及超级电容；主电路的输入端接蓄电池端VA-VB，交直流充放电电路由第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3以及第四MOS管S4组成，超级电容充电调理电路由二极管D5、第五MOS管S5以及续流电感L2组成，超级电容C3串接在续流电感L2和第五MOS管S5之间，交直流充放电电路与超级电容充电调理电路之间还设有稳压电容C2，交直流充放电电路与蓄电池正极之间串接有电感L1，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4以及第五MOS管S5对应并联五个寄生二极管，分别为：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4以及第五二极管D5；
控制电路包括输出端连接在数字信号处理器上的超级电容电压采样电路、超级电容电流采样电路、蓄电池电压采样电路以及蓄电池电流采样电路，数字信号处理器的信号输出端连接有第一MOS管驱动电路、第二MOS管驱动电路、第三MOS管驱动电路、第四MOS管驱动电路、第五MOS管驱动电路。
第一MOS管S1的源极串接电感L1后接蓄电池正极VA，第一MOS管S1的漏极接第三MOS管S3的漏极作为交直流充放电电路的输出正极P，第二MOS管S2的漏极接第一MOS管S1的源极，第二MOS管S2的源极接第四MSO管S4的源极作为交直流充放电电路的输出负极G，第四MOS管S4的漏极第三MOS管S3的源极以及蓄电池负极VB。
二极管D5的负极接输出正极P、正极接超级电容C3的负极和第五MOS管的漏极，第五MOS管的源极接输出负极G，续流电感L2的一端接输出正极P、另一端接超级电容C3的正极。
稳压电容C2的正极接输出正极P，负极接输出负极G。
蓄电池电压采样电路的输入端连接在主电路蓄电池输入正极VA上，蓄电池电压采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上，蓄电池电流采样电路的输入端串接在主电路蓄电池输入正极VA与蓄电池之间，蓄电池电流采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上；超级电容电压采样电路的输入端连接在超级电容C3两端，超级电容电压采样电路的输出端连接在数字信号处理器上，超级电容电流采样电路的输入端连接在电感L2及超级电容C3之间，超级电容电流采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上，所测电流值作为反馈量与给定参考值作差，将差值传送到PID控制器内，PID输出后将其生成PWM，再由PWM输入开关来控制开关的关断。
如图3所示的一种非侵入式变电站大电流电池评估方法，利用上述巡检装置，并将其接在待评估蓄电池两端，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1)控制超级电容C3恒流预充电，如图4所示：当VC3<VAB时，控制S5导通，控制S1-S4断开，蓄电池经二极管D1、D2给超级电容C3充电；当VC3≥VAB时，二极管D1、D4反向偏置，充电结束，控制S5保持闭合；在此充电过程中，S5通过PWM信号控制，用以控制电流IL2，防止电流过大；该充电过程持续到VC3＝VAB＝12V为止；
步骤2)控制蓄电池向超级电容C3恒流放电：如图5所示，控制S1、S3导通，控制S2、S4断开，蓄电池给电感L1充电，电感L1储能；如图6所示，储能完成后，控制S1、S2、S3、S4断开，蓄电池通过二极管D1、D2给超级电容C3充电，由于电感L1储能，该动作将持续至VC3＝2VAB结束；
步骤3)超级电容C3向蓄电池恒流放电：控制S4导通，同时控制S1，S2交替导通形成BUCK电路；如图7所示，当S1、S4导通时，超级电容向蓄电池放电；如图8所示，当S2、S4导通时，形成续流回路；该放电过程将会持续至VC3≈VAB结束；
步骤4)评估电池的健康状态，如图9-10所示，通过超级电容电压采样电路、超级电容电流采样电路、蓄电池电压采样电路以及蓄电池电流采样电路采样对应电压、电流数据，并与给定参考值比较好发送给PID控制器，配合PID控制器输出PWM控制信号控制各MOS管动作，在控制过程中利用数字化系统辨识检测电池的电荷状态，在步骤2)蓄电池对超级电容恒流放电过程和步骤3)超级电容对蓄电池放电过程中，在闭环控制系统中注入PRBS信号，分别得到两次的导纳Y1(s)、Y2(s)并与预设曲线进行比较，进而评估电池的健康状态，其中
Figure BDA0002459613790000071
其中IL1(S)为流过电感L1的电流，Vbatt(S)为蓄电池两端电压，Y1(s)为充电时导纳，Y2(s)为放电时导纳，根据上述Y1(s)、Y2(s)评估电池的健康状况。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种非侵入式变电站大电流电池巡检装置，其特征在于，包括主电路和控制电路；
所述主电路包括交直流充放电电路、超级电容充电调理电路、以及超级电容；主电路的输入端接蓄电池端VA-VB，所述交直流充放电电路由第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3以及第四MOS管S4组成，所述超级电容充电调理电路由二极管D5、第五MOS管S5以及续流电感L2组成，所述超级电容C3串接在续流电感L2和第五MOS管S5之间，所述交直流充放电电路与超级电容充电调理电路之间还设有稳压电容C2，所述交直流充放电电路与蓄电池正极之间串接有电感L1，所述第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4以及第五MOS管S5对应并联五个寄生二极管，分别为：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4以及第五二极管D5；所述第一MOS管S1的源极串接电感L1后接蓄电池正极VA，所述第一MOS管S1的漏极接第三MOS管S3的漏极作为交直流充放电电路的输出正极P，所述第二MOS管S2的漏极接第一MOS管S1的源极，所述第二MOS管S2的源极接第四MSO管S4的源极作为交直流充放电电路的输出负极G，所述第四MOS管S4的漏极接 第三MOS管S3的源极以及蓄电池负极VB；所述二极管D5的负极接输出正极P、正极接超级电容C3的负极和第五MOS管的漏极，所述第五MOS管的源极接输出负极G，所述续流电感L2的一端接输出正极P、另一端接超级电容C3的正极；所述稳压电容C2的正极接输出正极P，负极接输出负极G；
所述控制电路包括输出端连接在数字信号处理器上的超级电容电压采样电路、超级电容电流采样电路、蓄电池电压采样电路以及蓄电池电流采样电路，所述数字信号处理器的信号输出端连接有第一MOS管驱动电路、第二MOS管驱动电路、第三MOS管驱动电路、第四MOS管驱动电路、第五MOS管驱动电路。
2.根据权利要求1所述的一种非侵入式变电站大电流电池巡检装置，其特征在于，所述蓄电池电压采样电路的输入端连接在主电路蓄电池输入正极VA上，蓄电池电压采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上，所述蓄电池电流采样电路的输入端串接在主电路蓄电池输入正极VA与蓄电池之间，所述蓄电池电流采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上；所述超级电容电压采样电路的输入端连接在超级电容C3两端，所述超级电容电压采样电路的输出端连接在数字信号处理器上，所述超级电容电流采样电路的输入端连接在电感L2及超级电容C3之间，所述超级电容电流采样电路的输岀端连接在数字信号处理器上，所测电流值作为反馈量与给定参考值作差，将差值传送到PID控制器内，PID输出后将其生成PWM，再由PWM输入开关来控制开关的关断。
3.一种非侵入式变电站大电流电池评估方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的巡检装置，包括以下步骤：
步骤1）控制超级电容C3恒流预充电：当Vc3<Vab时，控制S5导通，控制S1-S4断开，蓄电池经二极管D1、D2给超级电容C3充电；当Vc3≥Vab时，二极管D1、D4反向偏置，充电结束，控制S5保持闭合；在此充电过程中，S5通过PWM信号控制，用以控制电流
Figure 312573DEST_PATH_IMAGE002
，防止电流过大；该充电过程持续到Vc3=Vab=12V为止；
步骤2）控制蓄电池向超级电容C3恒流放电：控制S1、S3导通，控制S2、S4断开，蓄电池给电感L1充电，电感L1储能；储能完成后，控制S1、S2、S3、S4断开，蓄电池通过二极管D1、D2给超级电容C3充电，由于电感L1储能，该动作将持续至Vc3=2Vab结束；
步骤3）超级电容C3向蓄电池恒流放电：控制S4导通，同时控制S1，S2交替导通形成BUCK电路；当S1、S4导通时，超级电容向蓄电池放电；当S2、S4导通时，形成续流回路；该放电过程将会持续至Vc3≈Vab结束；
步骤4）评估电池的健康状态，通过超级电容电压采样电路、超级电容电流采样电路、蓄电池电压采样电路以及蓄电池电流采样电路采样对应电压、电流数据，并与给定参考值比较好发送给PID控制器，配合PID控制器输出PWM控制信号控制各MOS管动作，在控制过程中利用数字化系统辨识检测电池的电荷状态，在步骤2）蓄电池对超级电容恒流放电过程和步骤3)超级电容对蓄电池放电过程中，在闭环控制系统中注入PRBS信号，分别得到两次的导纳
Figure 839500DEST_PATH_IMAGE003
并与预设曲线进行比较，进而评估电池的健康状态，其中
Figure 556920DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 889813DEST_PATH_IMAGE005
为流过电感L1的电流，
Figure 641868DEST_PATH_IMAGE006
为蓄电池两端电压，
Figure 402014DEST_PATH_IMAGE007
为充电时导纳，
Figure 606730DEST_PATH_IMAGE008
为放电时导纳，根据上述
Figure DEST_PATH_IMAGE009
评估电池的健康状况。
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