CN204374302U - 一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置，包括：采集板和放电板；其中，所述采集板包括光耦继电器通道切换电路，译码驱动电路，放电驱动电路，模数转换器，单片机以及温度测量单元；所述放电板包括继电器，熔断器，放电主回路保护电路，放电电流测量单元以及功率负载；所述装置用于同时测试最多八节蓄电池的参数，所述参数包括内阻，浮充电，温度以及连接条电阻中的至少一种。本实用新型实施例技术方案中，采用直流放电法测试内阻，可用于八节蓄电池的监测，采用分布式测量，测试结果受采集线长度影响小，且由于采用独立的功率负载和前向通道的切换技术使成本大大缩减。

Description

一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统蓄电池在线监测技术领域，具体涉及一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置。

背景技术

阀控铅酸蓄电池作为电力系统直流操作电源的后备电源具有重要的作用，在变电站主变二次侧发生短路故障时，交流失电后直流系统整流模块无输出，保护系统通过后备电源启动保护并跳闸，如果后备电池的故障(开路，容量不足)无法提供保护跳闸所需的直流电源，将导致主变的烧毁；由于直流系统后备电池故障导致的电厂、变电站损失的案例举不胜举。蓄电池的设计寿命为12年，往往部分蓄电池运行不到6年就发生容量下降和失水劣化，需要一套行之有效的方法将这些在设计寿命周期内劣化的蓄电池分辨出来，时间证明蓄电池内阻与电池的容量关联性最大，内阻的明显增加反映了蓄电池容量的降低或是内部极板腐蚀、硫化状况在加重，需要提前对蓄电池进行活化或维修。

目前内阻测试方法有交流法和瞬间大电流放电直流法；前者需要向蓄电池注入一定频率的交流信号，通过测量电池两端的电压交流分量以及电压电流的相位差将蓄电池阻抗的实部计算出来，由于蓄电池内部有很大的法拉级电容，将部分交流信号旁路，以及直流系统广泛存在50～60Hz纹波，将影响交流法的测量精度；通过理论计算结果可知使用不同的频率测试到的内阻可能是错误的(和实际内阻的变化相反)。直流瞬间大电流放电法测试内阻，使用欧姆定律计算蓄电池的内阻，具有良好的可重复精度以及不受充电机纹波的影响，便于在线监测系统中应用，被广泛采用。实践发现，现有的内阻测试方法，其测试结果受采集线长度影响大，不够精确。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置，以便更精确的测量阀控铅酸蓄电池内阻。

本实用新型实施例提供的一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置，包括：采集板和放电板；其中，所述采集板包括光耦继电器通道切换电路，译码驱动电路，放电驱动电路，模数转换器，单片机以及温度测量单元；所述放电板包括继电器，熔断器，放电主回路保护电路，放电电流测量单元以及功率负载；所述装置用于同时测试最多八节蓄电池的参数，所述参数包括内阻，浮充电，温度以及连接条电阻中的至少一种；

所述光耦继电器通道切换电路与所述译码驱动电路连接，所述译码驱动电路与所述单片机连接，所述单片机与所述放电驱动电路连接，所述模数转换器分别与所述光耦继电器通道切换电路和连所述单片机接，所述温度测量单元与所述单片机连接；所述熔断器的一端通过一个继电器与所述光耦继电器通道切换电路的一端连接，且通过另一个继电器与所述光耦继电器通道切换电路的另一端连接；所述熔断器的另一端与所述功率负载连接，所述功率负载与所述放电电流测量单元连接，所述放电电流测量单元与所述光耦继电器通道切换电路的又一端连接。

由上可见，本实用新型实施例技术方案中，采用直流放电法测试内阻，可用于八节蓄电池的监测，采用分布式测量，测试结果受采集线长度影响小，且由于采用独立的功率负载和前向通道的切换技术使成本大大缩减。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例和现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型实施例提供的阀控铅酸蓄电池内阻采集装置的电路原理图；

图2是前向通道开关译码驱动电路的原理图；

图3是内阻测试电路原理示意图；

图4是放电继电器驱动逻辑及保护互锁示意图；

图5是主回路硬件保护电路原理示意图；

图6是内阻测试回路的测试原理示意图；

图7是内阻测试的波形示意图；

图8是本实用新型实施例阀控铅酸蓄电池内阻采集装置的外观示意图；

图9是本实用新型实施例阀控铅酸蓄电池内阻采集装置的外观示意图；。

具体实施方式

本实用新型实施例提供一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置，。为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

实施例一

请参考图1，本实用新型实施例提供一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置，该装置可包括：采集板和放电板；其中，所述采集板包括光耦继电器通道切换电路2，译码驱动电路7，放电驱动电路8，模数转换器3，单片机9以及温度测量单元10；所述放电板包括继电器1和11，熔断器4，放电主回路保护电路30，放电电流测量单元6以及功率负载5；所述装置用于同时测试最多八节蓄电池的参数，所述参数包括内阻，浮充电，温度以及连接条电阻中的至少一种。

所述光耦继电器通道切换电路2与所述译码驱动电路7连接，所述译码驱动电路7与所述单片机9连接，所述单片机9与所述放电驱动电路8连接，所述模数转换器3分别与所述光耦继电器通道切换电路2和连所述单片机9接，所述温度测量单元10与所述单片机9连接；所述熔断器4的一端通过一个继电器1与所述光耦继电器通道切换电路2的一端连接，且通过另一个继电器11与所述光耦继电器通道切换电路2的另一端连接；所述熔断器4的另一端与所述功率负载5连接，所述功率负载5与所述放电电流测量单元6连接，所述放电电流测量单元6与所述光耦继电器通道切换电路2的又一端连接。

本实用新型实施例阀控铅酸蓄电池内阻采集装置的外观如图8和图9所示。

本实用新型一些实施例中，所述的光耦继电器通道切换电路，采用具有400V耐压的单通道光继电器AB30S，并且使用16片AB30S实现对8节蓄电池的电压、内阻、以及连接条电阻的测量；所述译码驱动电路，使用两片74HC138译码器输出控制前向通道的切换，以确保任何时刻通道切换开关只有2个处于接通状态，防止由于通道的错误开通导致蓄电池的短路故障。

本实用新型一些实施例中，所述放电驱动电路，使用可重复触发单稳态芯片74HC123的输出作为两路放电执行和放电使能输出的使能信号，在cpu正常运行时使能允许两路放电执行和放电使能输出，否则两路放电执行和放电使能输出闭锁。

本实用新型一些实施例中，所述模数转换器实现对蓄电池内阻的测量，所述模数转换器的前端采用一个增益为100的仪表放大器，蓄电池的正极通过一个采样保持器连接到仪表放大器的负输入端，蓄电池的正极连至仪表放大器的正输入端。

本实用新型一些实施例中，所述模数转换器控制蓄电池放电一段时间后，在释放放电继电器的同时触发采样保持，此时仪表放大器的负输入端为放电继电器释放前一瞬间的电池的电压，仪表放大器的正极为放电继电器释放后蓄电池的电压，仪表放大器的输出为放电继电器释放时电池产生的一个短时间阶跃电压的100倍；通过模数转换器快速转换，得到由于放电电流在蓄电池内阻上产生压降的100倍；此电压与放电电流的比值即可获得蓄电池的内阻。

本实用新型一些实施例中，所述温度测量单元由一个独立的单片机处理，并将温度数据通过串口传送给单片机；所述温度测量单元，采用一线制数字温度传感器探头18B20，并采用温度探头ID自动识别的工作模式。

本实用新型一些实施例中，所述继电器，使用PCB焊接型14V80A触点容量的汽车级功率继电器。

本实用新型一些实施例中，所述装置的工作电源由作为测试对象的蓄电池获得。

本实用新型一些实施例中，所述放电主回路保护电路的工作电源取自放电负载的两端，当负载两端有电压时，保护电路开始工作，并对一个比较器的正 输入端的电容充电，当电压大于比较器负输入端的基准电压时，比较器输出变位并驱动保护继电器，将部分负载短路使放电主回路电流增加并快速烧断主回路熔断器；其中，所述保护继电器的驱动电源取自蓄电池。

由上可见，本实用新型实施例技术方案中，采用直流放电法测试内阻，可用于八节蓄电池的监测，采用分布式测量，测试结果受采集线长度影响小，且由于采用独立的功率负载和前向通道的切换技术使成本大大缩减。

实施例二

本实用新型实施例提供的阀控铅酸蓄电池内阻采集装置如图1所示，其信号采集由通道切换开关2及译码驱动电路7组成，保证任何时刻通道切换开关只有一对接通，防止由于多个开关误动作导致蓄电池短路，通过开关的组合选通可对蓄电池的端电压和连接条电阻进行测量；模数转换电路(ACD)由开关后方的差分电路和高速模数转换器组成。使用一个独立的单片机提供对8节蓄电池负极柱温度的测量，采用一线制数字温度传感器18B20作为温度探头，最多可以接入8个温度探头，并将温度采集数据通过一个隔离的串口传给主cpu处理。

由于选用14伏80安触点容量的汽车继电器，一个继电器只能对四节电池进行放电，所以将8节蓄电池分成两个部分，如图1所示。继电器1动作时对前四节蓄电池放电，继电器11动作时对后四节蓄电池放电；两部分的放电负载有一个共用的功率电阻负载5实现，采用6个50W 0.1欧两并三串形成一个0.15欧300W的负载。放电电流测量6，是通过测量1/3负载上的压降实现。

如图4所示，所述放电开关驱动和保护8(即放电驱动电路)，是通过一系列逻辑条件和互锁，使两个主回路放电开关避免同时动作、避免在系统死锁时误动作、避免受干扰时误动作，如图3所示。其中放电主回路还设计有简单可靠的硬件保护电路，如图5所示；当放电继电器12失控无法释放时，负载两端的电压经过整流桥给保护电路供电，并通过电阻16向电容17充电，当比较器20正输入端的电压超过负输入端的电压时，比较器20输出翻转，驱动保护继电器14，其触点将负载13的2/3电阻短路使负载突变以致电流成倍增加达到烧毁熔断器21的效果，从而达到保护放电主回路的目的。

内阻测试单元由采样保持器、仪表放大器、高速ADC组成，通过控制释放放电继电器的同时触发采样保持器将继电器释放前电池的电压保持在仪表放大器的负输入端，当继电器释放后电池的阶跃电压加在仪表放大器的正输入端，仪表放大器的输出为继电器释放的一瞬间电池电压产生的阶跃响应，并放大100倍，可以通过高速ADC将该阶跃电压捕获(完成一次采保到结束转换只需3uS时间)。该电压与放电电流的比值即为对应蓄电池的内阻值。

所述连接电阻的测量是通过将连接条两端的电压放大测量，得到的连接条两端的电压与放电电流的比值即为连接条的电阻。

如图1所示，本实用新型一些实施例中，前向通道采用16片光耦继电器切换，具有400V的耐压性能，通过2片74HC138译码器输出驱动光继电器的接通，由图2所示，其中一片74HC138驱动8节电池的正极开关的闭合，任何时刻只允许一个开关闭合；另一片74HC138驱动8节电池的负极开关的闭合，任何时刻只允许一个开关闭合；由图1，当通道切换单元2中的开关1和开关2闭合时，可以测量1#电池的电压，当开关2和开关3闭合时可以测量1#，2#电池间的连接条压降，以此类推。

如图1所示，本实用新型一些实施例中，所述装置将八节电池串等分成前后两部分，通过2个14伏80A的汽车继电器1和11分别对前面4节和后面4节电池进行放电，放电继电器的执行具有可靠的逻辑保护和互锁，如图4所示，所述的“系统正常”条件是指主CPU正常运行时，不断的触发一个“可重复触发的单稳态电路”，如果CPU死锁或上电初始化时，单稳态电路输出0，闭锁放电继电器使之无法动作；在“系统正常”条件满足的情况下，还需“继电器开出1、2使能信号”和“继电器开出1、2执行信号”同时有效时方可驱动放电继电器1或11。

本实用新型一些实施例中，所述装置将八节蓄电池的内阻测量分成2部分进行，第一部分测试前4节电池内阻，第二部分测试后4节蓄电池内阻；每一部分内阻测试需要4个放电周期才能完成，如图7所示：对于第一部分内阻测试，系统启动图1所述的放电继电器1，放电主回路获得35～42安的放电电流；

放电负载R＝0.15Ω，总电压为U＝2.225*4＝8.9V，考虑到放电线缆、连接器 上的电阻R’，放电电流I＝U/(R+R’)＝35～42A；

在放电继电器1闭合3秒后，系统控制主回路电流的测量获得第一节电池的放电电流I1，并测量1#电池与2#电池间连接条的压降Uc1，立即释放继电器1并捕获1#电池上的阶跃电压ΔU1，0.5秒后第二次闭合放电继电器1并持续一秒后测量2#电池的放电电流I2，并测量2#电池与3#电池间的连接条的压降Uc2，再次释放继电器1并捕获2#电池上的阶跃电压ΔU2,0.5秒后第三次闭合放电继电器1并持续一秒后测量3#电池的放电电流I3，并测量3#电池与4#电池间的连接条的压降Uc3，再次释放继电器1并捕获3#电池上的阶跃电压ΔU3；0.5秒后第四次闭合放电继电器1并持续一秒后测量4#电池的放电电流I4，并测量4#电池与5#电池间的连接条的压降Uc4，再次释放继电器1并捕获4#电池上的阶跃电压ΔU4,如此完成第一部分前四节电池的内阻测试工作；

计算出1#～4#的连接条电阻：

Rci＝Uci/Ii    (i＝1～4)

计算出1#～4#的电池内阻：

Ri＝ΔUi/Ii    (i＝1～4)

同理，通过操作图一中放电继电器11，完成第二部分后四节电池的内阻测试工作；

计算出5#～8#的连接条电阻：

Rci＝Uci/Ii    (i＝5～8)

计算出5#～8#的电池内阻：

Ri＝ΔUi/Ii    (i＝5～8)

由图3所示，本实用新型一些实施例中，对蓄电池内阻测量环节，使用TI仪表放大器INA141，增益固定为100，采样保持器23的输出与仪表放大器24的负输入端相连，采保23的输入端、电池正极以及仪表放大器24的正输入端相连。测试原理是：当切换放电继电器从闭合到释放的一瞬间，电池两端产生的阶跃电压，经过仪表放大器的精确放大100倍后由16位ADC快速捕获，如图6所示；考虑到仪表放大器的增益误差为0.05％，ADC的INL为2LSB；折算到内阻的计算中，对R的测量有优于1％的精度。对于一个2V、500安时的铅酸蓄电池，假 设其内阻为350μΩ，放电电流为40A，则在放电继电器释放切断负载时，电池将会在这一瞬间产生一个40A*350μΩ＝14mV的阶跃电压；通过仪表放大器的输出为14mV*(100*1.005)＝1.40007V；ADC转换结果为1.40018V(基准电压为2.5V，INL为2LSB)，考虑电流测量的精度可达0.5％，则计算出的内阻R＝1.40018/1000/(40*1.005)＝348μΩ，计算误差为(350-348)/350＝0.6％。

由上可见，本实用新型实施例通过给电池串接一个0.75mΩ电阻(即100A75mV分流器)，做若干次测量，再将分流器去掉在做若干次测量，两组测试结果的差值为0.740-0.760之间，表现良好的测量精度和测试可重复度。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上对本实用新型实施例所提供的一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想，不应理解为对本实用新型的限制。本技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种阀控铅酸蓄电池内阻采集装置，其特征在于，包括：

采集板和放电板；其中，所述采集板包括光耦继电器通道切换电路，译码驱动电路，放电驱动电路，模数转换器，单片机以及温度测量单元；所述放电板包括继电器，熔断器，放电主回路保护电路，放电电流测量单元以及功率负载；所述装置用于同时测试最多八节蓄电池的参数，所述参数包括内阻，浮充电，温度以及连接条电阻中的至少一种；

所述光耦继电器通道切换电路与所述译码驱动电路连接，所述译码驱动电路与所述单片机连接，所述单片机与所述放电驱动电路连接，所述模数转换器分别与所述光耦继电器通道切换电路和连所述单片机接，所述温度测量单元与所述单片机连接；

所述熔断器的一端通过一个继电器与所述光耦继电器通道切换电路的一端连接，且通过另一个继电器与所述光耦继电器通道切换电路的另一端连接；所述熔断器的另一端与所述功率负载连接，所述功率负载与所述放电电流测量单元连接，所述放电电流测量单元与所述光耦继电器通道切换电路的又一端连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的光耦继电器通道切换电路，采用具有400V耐压的单通道光继电器AB30S，并且使用16片AB30S实现对8节蓄电池的电压、内阻、以及连接条电阻的测量；所述译码驱动电路，使用两片74HC138译码器输出控制前向通道的切换，以确保任何时刻通道切换开关只有2个处于接通状态，防止由于通道的错误开通导致蓄电池的短路故障。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述放电驱动电路，使用可重复触发单稳态芯片74HC123的输出作为两路放电执行和放电使能输出的使能信号，在cpu正常运行时使能允许两路放电执行和放电使能输出，否则两路放电执行和放电使能输出闭锁。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述模数转换器实现对蓄电池内阻的测量，所述模数转换器的前端采用一个增益为100的仪表放大器，蓄电池的正极通过一个采样保持器连接到仪表放 大器的负输入端，蓄电池的正极连至仪表放大器的正输入端。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述模数转换器控制蓄电池放电一段时间后，在释放放电继电器的同时触发采样保持，此时仪表放大器的负输入端为放电继电器释放前一瞬间的电池的电压，仪表放大器的正极为放电继电器释放后蓄电池的电压，仪表放大器的输出为放电继电器释放时电池产生的一个短时间阶跃电压的100倍；通过模数转换器快速转换，得到由于放电电流在蓄电池内阻上产生压降的100倍；此电压与放电电流的比值即可获得蓄电池的内阻。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述温度测量单元由一个独立的单片机处理，并将温度数据通过串口传送给单片机；

所述温度测量单元，采用一线制数字温度传感器探头18B20，并采用温度探头ID自动识别的工作模式。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述继电器，使用PCB焊接型14V80A触点容量的汽车级功率继电器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述装置的工作电源由作为测试对象的蓄电池获得。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述放电主回路保护电路的工作电源取自放电负载的两端，当负载两端有电压时，保护电路开始工作，并对一个比较器的正输入端的电容充电，当电压大于比较器负输入端的基准电压时，比较器输出变位并驱动保护继电器，将部分负载短路使放电主回路电流增加并快速烧断主回路熔断器；

其中，所述保护继电器的驱动电源取自蓄电池。