CN1451972A - Ups电池在线监测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
UPS电池在线监测方法及其装置，方法为：在单体电池两端并联放电电阻；测单体电池的放电电流；检测单体电池端电压；改变单体电池放电电阻，检测端电压值；将单体电池电压值Ui、单体电池的放电电流Ii、内阻ri与电池标准值比较评价单体电池性能。在线监测装置为在电池组串连安装电流表Q1，在单节电池两端分别通过一个开关J与电压表V并联，电压表V一端通过继电器触点CJ01、电流表Q2与电阻R1和继电器触点CJ02连接，继电器触点CJ02的另一端与电阻R2连接，电阻R1、电阻R2与电压表V另一端连接。本发明实行在线实时监测方式，能及时准确发现容量不足的电池，确保UPS提供足够的后备时间，在循环监测时，不影响UPS的正常工作。
Description
发明所属领域
本发明涉及对UPS电池组的电池单体及整体进行在线监测，从而发现容量不足的电池或有故障的电池技术，是UPS电池在线监测方法及其装置。
发明背景技术
众所周知，在石化、通讯及交通等重要企业中生产是一个连续的过程，为了克服电力系统晃电、短时停电造成这个连续的生产过程被打破，重要负荷由UPS供电，因为UPS带有电池，贮存一定的能量，能够提供一定的后备时间。对UPS电池进行检测，确保电池贮存有足够的能量成为一个关键问题。
传统的蓄电池检测是对每一蓄电池测量充放电曲线、电解液比重、温度后判定电池容量，这种方法耗能大，测量时间长。现今这类国内外具有多种电池检测仪器，如国外的产品有日本HIOKI的“3551型电池测试仪”、美国MICROCELLTRON公司的“CTM-300蓄电池电导仪”等产品，它们仅仅是通过检测电池的内阻或电导来判定电池的优劣，同时它们对电池的检测是通过人工测量，不具备实时性和在线性。现国内已开发出在线式电池检测系统，如：北京齐纳公司、上海宇宏公司的产品。他们往往是通过电压检测法来完成电池的检测，而单独的电压检测法根本无法解决故障电池作为电容特性的累计电荷等一系列问题。中国专利9623325.3公开了一种采用蓄电池交流电导值来判断电池性能的仪器，它利用交流恒流检测信号源模块，控制正向反向晶闸管的导通与关断，对蓄电池实施正反向检测电流，测量充放电电导值，再根据电导值判断电池的状态，这种方法在测量时会对UPS的工作状态造成影响，不能实现不间断在线检测。
发明内容
本发明目的是在不影响UPS的正常工作、不改变UPS内部电路、不打开电池开关、不改动UPS电池串联主回路的情况下，在线完成对UPS电池单体的监测。
本发明提供如下方法，步骤为：
1)在UPS电池组每个单体电池两端并联放电电阻R；
2)在线检测计算单体电池的放电电流Ii，Ii＝I3-I1，I1为UPS电池组浮充电流，I3为放电回路电流；
3)在线检测单体电池放电状态下的端电压值Ui；
4)改变单体电池两端并联放电电阻R的值，检测单体电池放电状态下的端电压值Ui/、放电电流Ii/，计算放电电池的内阻ri，ri＝(Ui/-Ui)/(Ii-Ii/)；
5)将单体电池电压值Ui、单体电池的放电电流Ii、内阻ri与电池标准值比较，检测出UPS每个单体电池性能。
本发明还提供如下方法：
电压值Ui低于标准值、单体电池的放电电流Ii低于标准值、内阻ri高于标准值时确定电池不合格。
对UPS单体电池检测采用计算机实时控制、计算和比较。
对单体电池检测采用计算机实时控制、计算和比较。
通过单体电池电压值Ui同时计算出电池的保有容量。
本发明UPS电池在线监测装置技术方案如下：
UPS电池在线监测装置由电流表、电压表、继电器、电阻构成，在UPS电池组串连安装电流表A1，在单节电池两端分别通过一个开关J与电压表V并联，电压表V一端通过继电器触点CJ01、电流表A2与电阻R1和继电器触点CJ02连接，继电器触点CJ02的另一端与电阻R2连接，电阻R1、电阻R2与电压表V另一端连接，在电压表V通过继电器J01和J02组成的倒极器与每节电池上的开关连接。
本发明UPS电池在线监测装置还可以使用如下技术方案：
在电路中安装可编程序控制器，可编程序控制器输入端连接电流表和电压表采集信号，在可编程序控制器输出端可连接继电器，控制单节电池两端分别通过一个开关J、继电器触CJ01、CJ02和继电器J01和J02的闭合。
在电路中安装可编程序控制器时电流表和电压表由霍尔元件替代。
本发明在对UPS电池进行循环监测时，不影响UPS的正常工作，并且当UPS的交流电源停电时，UPS电池组立刻投入运行(保留了UPS无转换时间的特性)。解决了以往在检测UPS电池好坏时，须打开UPS电池开关，甚至拆下电池进行测量，使UPS在交流电停电时失去了电池组后备电源。
本发明实行在线实时监测方式，总是能及时准确的发现容量不足的电池，确保了UPS能够提供足够的后备时间。
本发明可以及时发现容量不足或损坏的个别电池，发出报警信号，确保及时更换和维护UPS电池。
附图说明
图1为UPS单节电池等效电路图；
图2为UPS单节电池放电电路分析图；
图3为UPS单节电池放电电路R1负载下的内阻分析图；
图4为UPS单节电池放电电路R2负载下的内阻分析图；
图5为UPS电池在线监测装置主电路结构示意图；
图6为UPS电池在线监测装置可编程序控制器控制示意图。
发明实施例
蓄电池的优劣是通过电压、电流、内阻、电导等电学信号表现出来，本发明是解决了电压检测法所解决不了的累计电荷、多源系统无法计算等问题，对蓄电池的检测应通过对电压、电流、内阻、电导等电信号的采集，对其内在规律进行分析，从而判断蓄电池的优劣。
本发明电池组在浮充状态下，利用恒定负载对每节电池进行轮流短时放电，采集电流、电压值并使用可编程序控制计算放电电流、电池内阻、电池单体在线端电压、电池保有容量、电池活性度，判断电池优劣。
本发明方法步骤为：
1)在UPS电池组每个单体电池两端并联放电电阻R；
2)在线检测计算单体电池的放电电流Ii，Ii＝I3-I1，I1为UPS电池组浮充电流，I3为放电回路电流；
3)在线检测单体电池放电状态下的端电压值Ui；
4)改变单体电池两端并联放电电阻R的值，检测单体电池放电状态下的端电压值Ui/、放电电流Ii/，计算放电电池的内阻ri，ri＝(Ui/-Ui)/(Ii-Ii/)；
5)将单体电池电压值Ui、单体电池的放电电流Ii、内阻ri与电池标准值比较，检测出UPS每个单体电池性能。
本发明还提供的方法如下：
电压值Ui低于标准值、单体电池的放电电流Ii低于标准值、内阻ri高于标准值时确定电池不合格。
对UPS单体电池检测采用计算机实时控制、计算和比较。
对单体电池检测采用计算机实时控制、计算和比较。
通过单体电池电压值Ui同时可计算出电池的保有容量。本发明是根据电池组的等效电路(图1)，建立电池单节放电的等效电路，理论上认为电池组的浮充电源是一个理想的恒压源，电池单体本身从理论上认为是具有一定内阻的电压源。图中：Uf：浮充源电压(UPS整流器对电池组的浮充电压)；Ut：其他多节电池的电动势的总和；Rt：其他多节电池内阻的总和；Ui：放电电池的电动势；ri：放电电池的电阻；R：放电负载的电阻。
本发明研究对象是UPS的n节电池构成的电池组，所以其他多节电池在这里指的是n-1节。
本发明就是计算出单体电池的Ii、Ui、ri对其进行定性、定量的综合分析，同时可计算出电池的保有容量。
电池单体放电电流值的计算：
从图1中可以看出放电负载上的电流由三部分构成：①放电电池对放电负载形成的放电电流；②其他多节电池对放电负载形成的放电电流；③UPS浮充源对放电负载形成的放电电流。本发明分析中提到的放电电流必须是放电电池对放电负载形成的放电电流，另外两个电流的影响必须消除。
本发明消除另外两个电流的理论原理是，把图1中UPS浮充源Uf、其他多节电池Ut、Rt用戴维南定理进行等效处理，处理后用Us和Rs来表示，见图2。在电路中放置两个电流测量元件(q)，直接测出I1、I3的数值。根据基尔霍夫电流定律可知Ii＝I3-I1，这样计算出Ii值。Ii值就是电池单体的放电电流值。单节电池放电不会造成对其他多节电池过充的解释如下。图2利用戴维南定理可得出，图中：
Us：UPS浮充源和其他多节电池的电动势的总和；
Rs：其他多节电池内阻的总和；
Ui：正在被检测的电池(假设是第i节电池)的电动势；
Ri：正在被检测的电池的内阻；
R：作为放电负载的电阻。在实例中分发明以32节的电池组为例进行推导。
Us＝Uf-U1-U2-…-U32(不包括Ui)；
Rs＝r1+r2+…+r32(不包括Ri)；
放电电池可以是32节电池中的任意一节，如果是第一节、第二节、第32节上面公式只须修改下标的数字。利用迭加定理列出图2的网孔方程：
(Rs+R)×I1+R×Ii＝Us ①
(ri+R)×Ii+R×I1＝Ui ②
把Rs＝31r ri＝r Us＝Ui＝u代入上面两式可得：
(31r+R)×Ii+R×I2＝u ③
(r+R)×Ii+R×I1＝u ④
通过求解上面的方程组可得：
I1＝(r×u)/(31r2+32r×R)
Ii＝(31r×u)/(31r2+32r×R)
计算Ii与I1的比值：
Ii/I1＝31
以上说明在图2的放电方式下，放电负载上的电流主要来自第i节放电电池(Ii值)。设计电路时，使Ii大约等于6A，这样I1＝0.19A，不会出现其它电池的过充问题。
在线监测中单节电池内阻的计算由图3而得，
通过把图2中的放电负载R切换成R1，就得到了图3
通过把图2中的放电负载R切换成R2，就得到了图4
由图3可得出Ii放电回路方程：
U2＝Ii×r+UCD ① Ii、UCD为已知数
由图4可得出I2′放电回路方程：
U2＝Ii′×r+UCD′ ② Ii′、UCD′为已知数
方程①减去方程②并计算可得：
r＝(UCD′-UCD)/(Ii-Ii′)
电池单体放电状态下的端电压值可直接用电压元件检测出。
电池的保有容量计算和判定，是根据使用电池的的具体型号，将原厂提供的有关性能参数数据，通过使用和对电池的实测量值，将表示有关电池各种状态下的内阻、电流、电压等参数综合排列，就可以通过人工比对进行综合判断，得出被测电池优劣的结论。也可使用机算计并将以上数据通过和校正曲线编为程序，输入可编程序控制器中，作出人机界面，随时调出各种数据监视或由机算计自动对比同时发出各种报警信号。
在比较时，电压的测量是利用通过电池单体的电压检测尔元件测量出来的，Ui与低电压标准值U进行比较，当Ui＞U电池较好，当Ui＜U电池较差，同时Ui与高电压标准值Ug进行比较，当Ui＞Ug电池较差，当Ui＜Ug电池较好，标准值Ui、Ug的确定是根据电池的规格型号、电池的产品标准、电池应用的现场要求等各方面条件设定，如日本YUASA NP65-12的电池U可定为10.8V，Ug定为15V。
电流的测量是利用通过在电路中放置两个电流测量元件，直接测出I1、I3的数值。根据基尔霍夫电流定律可知I2＝I3-I1，这样计算出I2值。I2值就是电池单体的放电电流值。I2值与标准值I值进行比较当I2＞I值电池合格，当I2＜I值表明电池有故障。I值的确定是根据电池放电电压和放电电阻来决定的。
内阻值与标准值rb进行比较，当r＞rb，电池特性较差，当r＜rb，电池特性较好。Rb值是根据电池的规格型号、电池的产品标准、电池应用的现场要求等各方面条件所确定，对于日本YUASA NP65-12的电池rb可定为150mΩ。
电池保有容量的计算可参照“VRLA(阀控式铅酸蓄电池)状况的评估”(Intelec会议论文)提出的方法。即放电状态下，电池端电压UZ与保有容量CB的关系，即对电池施加一个电流进行放电，记录其特定时间的电压值，两者之间有很好的对应关系，测出电压值就知道了现有容量值。这种检测的实质是测定电池的极化电阻的增大值，因此不会发生将失效电池检测为良好的误判断，检测可靠性很高。对于日本YUASA NP65-12电池的电池端电压UZ与保有容量CB的关系，通过实验可确定对应曲线，不同的电池型号曲线不同。在重要场所UPS电池的保有容量小于50％，电池的特性较差。
当电压、电流、内阻、保有容量三个以上参数判定电池特性较差时，可判断此电池不合格。以电池内阻的测量为例，用2.07Ω和0.97Ω两组负载对日本YUASA NP65-12电池进行放电测试内阻，首先用2.07Ω电阻对UPS在线运行的单节电池进行放电180秒，在150秒读电池的各参量数据，180秒后用0.97Ω电阻对UPS在线运行的单节电池进行放电60秒，在40秒时读电池的各参量数据.数据如下表，根据计算公式：r＝(UCD’一UCD)/(I2-I2’)可计算出内阻r＝57mΩ，判定此电池内阻较好。
| U1V)(电池总电压) | I1(A)(主回路电流) | UCD(V)(电池单体电压) | I2(A)(放电负载电流) | |
| R1(2.07Ω) | 432 | 0.025 | 11.9 | 5.7 |
| R2(0.97Ω) | 432 | 0.025 | 11.41 | 11.8 |
本发明UPS电池在线监测装置由电流表、电压表、继电器、电阻构成，在UPS电池组串连安装电流表A1，在单节电池两端分别通过一个开关J与电压表V并联，电压表V一端通过继电器触点CJ01、电流表A2与电阻R1和继电器触点CJ02连接，继电器触点CJ02的另一端与电阻R2连接，电阻R1、电阻R2与电压表V另一端连接，在电压表V通过继电器J01和J02组成的倒极器与每节电池上的开关连接。
在电路中安装可编程序控制器，可编程序控制器输入端连接电流表和电压表采集信号，在可编程序控制器输出端可连接继电器，控制单节电池两端分别通过一个开关J、继电器触CJ01、CJ02和继电器J01和J02的闭合。
在电路中安装可编程序控制器时电流表和电压表由霍尔元件替代。
本发明实施例给出32节电池的UPS，E1-32表示32节电池，J1-33为33个电池选择继电器触点(开关)，J01、02为倒极继电器触点，CJ01、02为放电电阻选择继电器，R1、R2为放电电阻，V、A为电压、电流检测表。当使用机算计控制时，可编程序控制器(PLC)程序发出指令开始检测，合上第一节电池的继电器触点J1、J2，合上放电负载的直流接触器CJ01，对第一节电池进行检测，延时150秒后，PLC采集两个电流表和一个电压V的输出信号数值；然后打开第二个直流接触器CJ02，改变放电负载，延时40秒后PLC再次采集数据，第一节电池检测完毕，PLC计算各种参数值，存入内存中，并打开第一节电池的继电器触点J1和直流接触器T01。按照同样步骤可以检测第二节电池，但在转换电池时J2、J3将极性倒置，需要使用J01和J02将极性颠倒。当发现容量不足或有故障电池时，可编程序控制器(PLC)给出报警信号，32节电池检测完毕后，等候第二个检测周期到来。可以使报警信号能够自保持，等候电气巡检人员到来复位，巡检人员可以调出各种数据发现问题所在。同时，每隔4小时对电池单体浮充电压进行检测。
本发明可以设置电池自动巡检周期并通过触摸屏式人机界面完成，可以任意时间间隔(1天到30天任意设定)巡检一遍，也可以采用人工监视计算。
在使用可编程序控制器(PLC)时各种电量信号包括电流、电压、内阻信号是通过霍尔元件将一次电量转换为4-20MA的标准信号，这些信号送入可编程序控制器的模拟量输入模块，可编程序控制器将这些模拟量转换为16进制的数字量，通过自主开发的程序对这些数字量进行编辑和处理，信号采集和各种工作状态的转换是可编程序控制器通过各种输出模块及接口，控制电气主回路中的各执行元件，从而达到电池浮充状态及放电状态的信号采集。人机之间的交流是通过可编程序控制器将处理完的各数字量及各种运行状态送入触摸屏，而触摸屏将操作人员的各种指令进行转换后送入可编程序控制器进行处理。本发明可以使用可编程序控制器(PLC)为OMRON公司的CQM1H-CPU21，AD041四通道模拟量输入模块，OC222继电器输出单元；电压霍尔元件为LEM公司的LV25-P和BLZ电量变送器；电流霍尔元件为LEM公司的BLF20-S7。
Claims (7)
1.一种UPS电池在线监测方法，其特征在于采用步骤为：
1)在UPS电池组每个单体电池两端并联放电电阻R；
2)在线检测计算单体电池的放电电流Ii，Ii＝I3-I1，I1为UPS电池组浮充电流，I3为放电回路电流；
3)在线检测单体电池放电状态下的端电压值Ui；
4)改变单体电池两端并联放电电阻R的值，检测单体电池放电状态下的端电压值Ui/、放电电流Ii/，计算放电电池的内阻ri，ri＝(Ui/-Ui)/(Ii-Ii/)；
5)将单体电池电压值Ui、单体电池的放电电流Ii、内阻ri与电池标准值比较，检测出UPS每个单体电池性能。
2.根据权利要求1所述的UPS电池在线监测方法，其特征在于：在电压值Ui低于标准值、单体电池的放电电流Ii低于标准值、内阻ri高于标准值时确定电池不合格。
3.根据权利要求1或2所述的UPS电池在线监测方法，其特征在于：可以对UPS单体电池检测采用计算机实时控制、计算和比较。
4.根据权利要求1或2所述的UPS电池在线监测方法，其特征在于：通过单体电池电压值Ui同时计算出电池的保有容量。
5.UPS电池在线监测装置，其特征在于由电流表、电压表、继电器、电阻构成，在UPS电池组串连安装电流表A1，在单节电池两端分别通过一个开关J与电压表V并联，电压表V一端通过继电器触点CJ01、电流表A2与电阻R1和继电器触点CJ02连接，继电器触点CJ02的另一端与电阻R2连接，电阻R1、电阻R2与电压表V另一端连接，在电压表V通过继电器J01和J02组成的倒极器与每节电池上的开关连接。
6.根据权利要求5所述的UPS电池在线监测装置，其特征在于：在电路中安装可编程序控制器，可编程序控制器输入端连接电流表和电压表采集信号，在可编程序控制器输出端可连接继电器，控制单节电池两端分别通过一个开关J、继电器触CJ01、CJ02和继电器J01和J02的闭合。
7.根据权利要求5或6所述的UPS电池在线监测装置，其特征在于：在电路中安装可编程序控制器时电流表和电压表由霍尔元件替代。
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