CN114236242A - 基于复合频率的蓄电池内阻测试仪及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于复合频率的蓄电池内阻测试仪及测试方法,其中测试仪包括:安装于蓄电池的每个单体电池上和整个蓄电池上的传感器组,传感器组分别采集每个单体电池的内阻和电压,采集整个蓄电池的内阻和电压;多路选择器的输入端接收每个传感器组采集的内阻和电压,输出端连接滤波电路的输入端,控制端连接中央控制器;滤波电路输出端连接AD采样电路的输入端,AD采样电路的输出端连接中央控制器。本发明可以单独对电池组中某一个单体电池的状态参数进行测试,从而只针对异常的单体电池进行维护处理,保障直流电源系统运行的安全性和可靠性,延长蓄电池的使用寿命,节省成本,有巨大经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池内阻测试技术领域,特别涉及一种基于复合频率的蓄电池内阻测试仪及测试方法。
背景技术
目前,蓄电池凭借其稳定性好、成本低等优势在电力变电站直流电源系统、通信电源、机房UPS,以及储能电站、光伏电站、通讯基站、电动汽车等领域广泛使用。而蓄电池或蓄电池组作为直流备用电源,对整个体系的安全可靠运转起到至关重要的作用,如若管理维护不当,则会带来不可估量的安全隐患,后果将不堪设想。
作为后备电源的蓄电池,平时都处于浮充状态,根据蓄电池电化学特性,长期的浮充使得蓄电池内部电化学物质结晶,内阻增大,影响电池的容量和使用寿命。一般蓄电池单节出厂设计的寿命为8到10年,但是实际使用过程中,由于蓄电池成组使用,普遍的使用寿命只能达到5年左右,到了5年后,这批电池就要被全部更换掉,这样造成的问题是电池成组使用寿命大大缩短了,购买成本增加了。另外,蓄电池组中,并非所有单节电池都到了截止寿命,这些电池如果被停止使用更换掉,又造成了使用效率降低,极大的浪费,从节约、节能、环保方面看造成负面影响。再者,蓄电池的欧姆内阻增大异常,极化电阻、极化电容异常也跟电池潜在开路、热失控、变形等故障有关,因此,有效对蓄电池进行基于欧姆内阻、极化内阻、极化电容等检测,对有问题电池及时发现处理,是有效提前防止后备电源系统安全故障的重要手段之一。因此,对蓄电池的状态参数进行有效测量,及时对蓄电池进行维护就显得至关重要。
目前,对蓄电池进行维护大都集中于电池管理维护设备上,例如,蓄电池充放电系统、电池监测系统或BMS。现有技术中对蓄电池内阻测试大都使用手持式蓄电池检测仪表等,主要是基于直流放电法或者单一频点的交流激励法,测出的内阻实际上是蓄电池的整个阻抗模值,不能真正反应电池的极化内阻特性。另一方面,检测蓄电池内阻是检测线接法不同(直接用端子固定在电极,用电夹夹在电极上),对内阻检测的结果有很大影响,再者电线本身还带来外加阻抗和压降,在现场环境,也极易受到其他电力设备的干扰。现总之,现有蓄电池内阻测试仪对电池健康状态的判断有很大误差性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于复合频率的蓄电池内阻测试仪及测试方法,可以解决现有技术中对电池健康状态的判断误差较大的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
第一方面,本发明提供一种基于复合频率的蓄电池内阻测试仪,包括传感器组、多路选择器、电压采样电路、滤波电路、AD采样电路和中央控制器;所述传感器组安装于蓄电池的每个单体电池上和整个蓄电池上,分别采集每个单体电池的内阻和电压,以及采集整个蓄电池的内阻和电压;所述多路选择器的输入端接收每个传感器组采集的内阻和电压,输出端连接所述滤波电路的输入端,控制端连接所述中央控制器;所述滤波电路输出端连接所述AD采样电路的输入端,所述AD采样电路的输出端连接所述中央控制器。
进一步的,所述中央控制器包括Thevenin电池物理模型、信号提取模块、计算模块和分析模块;其中所述Thevenin电池物理模型的输入端接收AD采样电路的采样信号,输出端连接所述信号提取模块的输入端;所述信号提取模块的输出端连接所述计算模块的输入端,所述计算模块的输出端连接所述分析模块的输入端;所述分析模块的输出端输出单体蓄电池的状态信息或整体蓄电池的状态信息。
第二方面,本发明提供一种基于复合频率的蓄电池内阻测试方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、分别采集蓄电池的参数或单体电池的参数;
步骤S2、中央控制器控制多路选择器的一路导通,将采集的蓄电池的参数或单体电池的参数发送给滤波电路,由滤波电路滤波后再由AD采样电路进行采样;
步骤S3、中央控制器接收AD采样电路的采样信号,分析单体电池的状态或蓄电池的状态。
进一步的,所述步骤S3包括:
Thevenin电池物理模型将输入的叠加复合交流采样信号进行处理,得出响应输出信号序列;
信号提取模块对响应输出信号序列做离散傅里叶分析,提取有用的单频信号簇;
计算模块根据Thevenin电池模型阻抗方程,联立输出输入信号计算的阻抗方程,求解模型中的欧姆内阻R1、电压V1、极化R2以及极化电容C2,并计算内阻比值、电压比值;
分析模块根据内阻比值、电压比值以及极化电容值,判断蓄电池的状态或单体电池的状态。
进一步的,所述内阻比值的计算公式为:
进一步的,所述电压比值的计算公式为:
进一步的,所述蓄电池的状态或单体电池的状态的判断方法为:
当R比<1.15时,单体电池或蓄电池的状态为优秀;
当1.15≤R比<1.5时,单体电池或蓄电池的状态为良好;
当1.5≤R比<2.0时,单体电池或蓄电池的状态为中等;
当R比≥2.0时,单体电池或蓄电池的状态为需要更换。
进一步的,当V比<0.9或V1>1.2V标时,单体电池或蓄电池的状态为异常。
进一步的,所述的基于复合频率的蓄电池内阻测试方法还包括根据内阻比值估算单体电池容量或蓄电池容量的步骤:
当单体电池或蓄电池的状态为异常时,容量C=0;
当R比<1.2时,容量C=100;
当R比<2.0时,容量C=100-(R比-1.2)/0.8×20.0;
当2.0≤R比<5.0时,容量C=80-(R比-2.0)/3.0×50.0;
当5.0≤R比<10.0时,容量C=30-(R比-5.0)/10.0×30.0;
当10.0≤R比时,容量C=0。
本发明基于复合频率的蓄电池内阻测试研究,根据Thevenin电池物理模型辨识蓄电池的状态参数。另一方面,可以单独对电池组中某一个单体电池的状态参数进行测试,从而只针对异常的单体电池进行维护处理,可以补偿电池荷电量SOC以及健康状态的SOH的不均衡性的差异,达到整组电池一致的状态,从而避免了部分电池由于长期处于过充状态而产生失水,也可以避免部分电池由于长期处于欠充状态而产生硫酸盐化的现象,显著地提高蓄电池日常维护的技术水平,保障直流电源系统运行的安全性和可靠性,延长蓄电池的使用寿命,节省成本,有巨大经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于复合频率的蓄电池内阻测试仪的电路框图;
图2为本发明的中央控制器的电路框图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然,所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例,而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本公开保护的范围。
本发明的基于复合频率的蓄电池内阻测试仪,如图1所示,包括传感器组、多路选择器、电压采样电路、滤波电路、AD采样电路和中央控制器。传感器组安装于蓄电池的每个单体电池上和整体蓄电池上,分别采集每个单体电池的内阻和电压,以及采集整个蓄电池的内阻和电压。多路选择器的输入端接收每个传感器组采集的内阻和电压,输出端连接滤波电路的输入端,控制端连接中央控制器。滤波电路输出端连接AD采样电路的输入端,AD采样电路的输出端连接中央控制器。
本发明图1的工作原理为:每个传感器组分别采集每个单体电容的内阻和电压,整个蓄电池的内阻和电压,发送到多路选择器的输入端。多路选择器根据用户的选择,可以控制其中某一个单体蓄电池的数据传输到后端,也可以控制整个蓄电池的数据传输到后端。具体控制方式通中央控制器来完成。滤波电路对从多路选择器输出的信号进行滤波和放大后,由AD采样电路对信号进行采样后发送给中央控制器。中央控制器对接收到的采样信号进行分析处理,判断每个单体蓄电池的状态,以及判断整体蓄电池的状态。
进一步的,中央控制器包括Thevenin电池物理模型、信号提取模块、计算模块和分析模块。其中Thevenin电池物理模型的输入端接收AD采样电路的采样信号,输出端连接信号提取模块的输入端;信号提取模块的输出端连接计算模块的输入端,计算模块的输出端连接分析模块的输入端。分析模块的输出端输出单体蓄电池的状态信息或整体蓄电池的状态信息。
中央控制器的工作原理为:Thevenin电池物理模型将输入的叠加复合交流信号进行处理,得出响应输出信号序列。信号提取模块对响应输出信号序列做离散傅里叶分析,提取有用的单频信号簇。计算模块根据Thevenin电池模型阻抗方程,联立输出输入信号计算的阻抗方程,求解模型中的欧姆内阻R1、极化R2以及极化电容C2,并计算内阻比值、电压比值。分析模块根据内阻比值、电压比值以及极化电容值,分析蓄电池的状态或单体电池的状态。
本发明还提供一种基于复合频率的蓄电池内阻测试方法,基于上述基于复合频率的蓄电池内阻测试仪来实现,包括以下步骤:
步骤S1、分别采集蓄电池的参数或单体电池的参数。
步骤S2、中央控制器控制多路选择器的一路导通,将采集的蓄电池的参数或单体电池的参数发送给滤波电路,由滤波电路滤波后再由AD采样电路进行采样。
步骤S3、中央控制器接收AD采样电路的采样信号,分析单体电池的状态或蓄电池的状态。
进一步的,步骤S3包括:
步骤S301、Thevenin电池物理模型将输入的叠加复合交流采样信号进行处理,得出响应输出信号序列。
步骤S302、信号提取模块对响应输出信号序列做离散傅里叶分析,提取有用的单频信号簇。
步骤S303、计算模块根据Thevenin电池模型阻抗方程,联立输出输入信号计算的阻抗方程,求解模型中的欧姆内阻R1、电压V1、极化R2以及极化电容C2,并计算内阻比值、电压比值。
进一步的,内阻比值的计算公式为:
进一步的,电压比值的计算公式为:
步骤S304、分析模块根据内阻比值、电压比值以及极化电容值,判断蓄电池的状态或单体电池的状态。
进一步的,蓄电池的状态或单体电池的状态的判断方法为:
当R比<1.15时,单体电池或蓄电池的状态为优秀;
当1.15≤R比<1.5时,单体电池或蓄电池的状态为良好;
当1.5≤R比<2.0时,单体电池或蓄电池的状态为中等;
当R比≥2.0时,单体电池或蓄电池的状态为需要更换。
当V比<0.9或V1>1.2V标时,单体电池或蓄电池的状态为异常。
进一步的,还包括根据内阻比值估算单体电池容量或蓄电池容量的步骤:
当单体电池或蓄电池的状态为异常时,容量C=0;
当R比<1.2时,容量C=100;
当R比<2.0时,容量C=100-(R比-1.2)/0.8×20.0;
当2.0≤R比<5.0时,容量C=80-(R比-2.0)/3.0×50.0;
当5.0≤R比<10.0时,容量C=30-(R比-5.0)/10.0×30.0;
当10.0≤R比时,容量C=0。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接或彼此可通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上仅为说明本发明的实施方式,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,凡在本发明的精神和原则之内,不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于复合频率的蓄电池内阻测试仪,其特征在于,包括传感器组、多路选择器、电压采样电路、滤波电路、AD采样电路和中央控制器;所述传感器组安装于蓄电池的每个单体电池上和整个蓄电池上,分别采集每个单体电池的内阻和电压,以及采集整个蓄电池的内阻和电压;所述多路选择器的输入端接收每个传感器组采集的内阻和电压,输出端连接所述滤波电路的输入端,控制端连接所述中央控制器;所述滤波电路输出端连接所述AD采样电路的输入端,所述AD采样电路的输出端连接所述中央控制器。
2.根据权利要求1所述的基于复合频率的蓄电池内阻测试仪,其特征在于,所述中央控制器包括Thevenin电池物理模型、信号提取模块、计算模块和分析模块;其中所述Thevenin电池物理模型的输入端接收AD采样电路的采样信号,输出端连接所述信号提取模块的输入端;所述信号提取模块的输出端连接所述计算模块的输入端,所述计算模块的输出端连接所述分析模块的输入端;所述分析模块的输出端输出单体蓄电池的状态信息或整体蓄电池的状态信息。
3.基于复合频率的蓄电池内阻测试方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、分别采集蓄电池的参数或单体电池的参数;
步骤S2、中央控制器控制多路选择器的一路导通,将采集的蓄电池的参数或单体电池的参数发送给滤波电路,由滤波电路滤波后再由AD采样电路进行采样;
步骤S3、中央控制器接收AD采样电路的采样信号,分析单体电池的状态或蓄电池的状态。
4.根据权利要求3所述的基于复合频率的蓄电池内阻测试方法,其特征在于,所述步骤S3包括:
Thevenin电池物理模型将输入的叠加复合交流采样信号进行处理,得出响应输出信号序列;
信号提取模块对响应输出信号序列做离散傅里叶分析,提取有用的单频信号簇;
计算模块根据Thevenin电池模型阻抗方程,联立输出输入信号计算的阻抗方程,求解模型中的欧姆内阻R1、电压V1、极化R2以及极化电容C2,并计算内阻比值、电压比值;
分析模块根据内阻比值、电压比值以及极化电容值,判断蓄电池的状态或单体电池的状态。
7.根据权利要求5所述的基于复合频率的蓄电池内阻测试方法,其特征在于,所述蓄电池的状态或单体电池的状态的判断方法为:
当R比<1.15时,单体电池或蓄电池的状态为优秀;
当1.15≤R比<1.5时,单体电池或蓄电池的状态为良好;
当1.5≤R比<2.0时,单体电池或蓄电池的状态为中等;
当R比≥2.0时,单体电池或蓄电池的状态为需要更换。
8.根据权利要求6所述的基于复合频率的蓄电池内阻测试方法,其特征在于,当V比<0.9或V1>1.2V标时,单体电池或蓄电池的状态为异常。
9.根据权利要求5所述的基于复合频率的蓄电池内阻测试方法,其特征在于,还包括根据内阻比值估算单体电池容量或蓄电池容量的步骤:
当单体电池或蓄电池的状态为异常时,容量C=0;
当R比<1.2时,容量C=100;
当R比<2.0时,容量C=100-(R比-1.2)/0.8×20.0;
当2.0≤R比<5.0时,容量C=80-(R比-2.0)/3.0×50.0;
当5.0≤R比<10.0时,容量C=30-(R比-5.0)/10.0×30.0;
当10.0≤R比时,容量C=0。
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