蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理技術(shù)

       蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用具有世界先進(jìn)水平的多頻點(diǎn)交流放電法內(nèi)阻測(cè)試技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)蓄電池組電壓、充放電電流、溫度及每每節(jié)蓄電池的歐姆電阻、極化電阻、雙電層電容、端電壓等參數(shù)，能夠計(jì)算電池的容量，可以監(jiān)測(cè)充電裝置穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)等參數(shù)，準(zhǔn)確分析蓄電池容量及荷電量。具有專家管理系統(tǒng)，用SQL-SEVER數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，方便隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)蓄電池工作異常及劣化電池時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，保證供電系統(tǒng)的安全，為蓄電池組的精細(xì)維護(hù)提供依據(jù)。

       系統(tǒng)可以和放電儀進(jìn)行通信，控制放電儀按設(shè)定的放電終止條件（電池組電壓、單體電壓、放電時(shí)間、放電容量）對(duì)蓄電池進(jìn)行核對(duì)性容量放電，精確測(cè)試蓄電池的容量，放電結(jié)束后，可以自動(dòng)生成核容報(bào)表。在停電放電及充電時(shí)，系統(tǒng)全程監(jiān)測(cè)并記錄充放電過(guò)程中電壓、電流、溫度、單體電池電壓變化情況。

       系統(tǒng)具有以太網(wǎng)、GPRS、RS232/485、USB等多種通信接口及MODBUS通信協(xié)議，可以和動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫連接，可以在廣闊的地域范圍內(nèi)以多種通信方式組建蓄電池監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，方便各級(jí)管理和檢修人員在允許的權(quán)限內(nèi)隨時(shí)隨地查看現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及調(diào)閱歷史相關(guān)數(shù)據(jù)，有利于提高蓄電池維護(hù)技術(shù)管理水平。

工作原理
1、交流放電法
公司研發(fā)的交流放電法蓄電池檢測(cè)技術(shù)，綜合了直流放電法和交流注入法的優(yōu)點(diǎn)。
其原理是：
（1）CPU通過(guò)D/A控制智能負(fù)載，使蓄電池向智能負(fù)載放電，產(chǎn)生一個(gè)低頻的5A（有效值）正弦波交流激勵(lì)電流信號(hào)（特征激勵(lì)信號(hào)）；
（2）由于蓄電池阻抗的存在，每節(jié)蓄電池上也產(chǎn)生相應(yīng)的特征電壓信號(hào)；

 

交流放電法測(cè)量原理圖
 

交流放電法特征激勵(lì)電流及特征電壓波形圖

（3）對(duì)該電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行帶通濾波放大，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行初步濾除；
（4）對(duì)濾波放大后的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行高速同步采樣變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；
（5）對(duì)電壓和電流數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn)行付利葉分析和小波分析，提取特征電流信號(hào)：i（t）=ImaxSinωt
和特征電流信號(hào)：
v（t）=VmaxSin（ωt + φ）；
（6）進(jìn)行計(jì)算：
A）阻抗為：Z（ω）=ejφ×Vmax/Imax
即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其相角為φ，而其模|Z|=Vmax/Imax。
B）角差為：φ
C）直流電阻：R=|Z|/Cos（φ）
（7）結(jié)合蓄電池單體電壓、浮充電池、內(nèi)阻的變化趨勢(shì)對(duì)蓄電池進(jìn)行計(jì)算狀態(tài)評(píng)估。

       由于蓄電池內(nèi)阻極小，一般為微歐級(jí)，相應(yīng)地，特征激勵(lì)電流信號(hào)產(chǎn)生的特征電壓信號(hào)非常小，也為微伏級(jí)。因此需要采用高精度、低零漂的多級(jí)放大器進(jìn)行放大。
       低頻交流激勵(lì)電流信號(hào)和蓄電池上感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)放大、濾波后，送入同步高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。由于蓄電池組在線工作時(shí)還存在較大的工作電流，而工作電流存在各種頻率的諧波成分，相應(yīng)在蓄電池上也感含有應(yīng)出各種頻率的諧波成分的電壓信號(hào)。這些干擾信號(hào)的幅值較大，往往大于測(cè)量信號(hào)，測(cè)量電路需要采用多級(jí)帶通濾波器對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理。

       由于理想的帶通濾波器是不存在的，因此，實(shí)際采樣的電流和電壓的數(shù)字信號(hào)除有效成分外，還夾雜著大量的各種頻率的非有效成分，需要用數(shù)字信號(hào)分析處理方法對(duì)實(shí)際采樣的電流和電壓的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取出有用信號(hào)。綜合采用付利葉變換和小波變換的數(shù)字信號(hào)處理方法，從數(shù)字化的采樣信號(hào)中，提取特征激勵(lì)電流信號(hào)和特征電壓信號(hào)，再通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，計(jì)算出特征激勵(lì)電流信號(hào)和特征電壓信號(hào)的有效值和相位，最后計(jì)算出蓄電池內(nèi)阻。
 

2、基于模型的多頻點(diǎn)內(nèi)阻測(cè)試
對(duì)于處于在線運(yùn)行狀態(tài)蓄電池的評(píng)估，要取決于以下兩個(gè)參量：
（1）荷電量（SOC）：是指蓄電池當(dāng)前的實(shí)際荷電量或能夠放出的容量，一般用核容放電法可以確定，其單位是Ah。
（2）容量（C）：是指充分充電的情況下，蓄電池的最大荷電量或放電量，其單位是Ah。
容量是對(duì)蓄電池劣化狀態(tài)的評(píng)估，而荷電量則是對(duì)蓄電池充電狀態(tài)的評(píng)估。在通訊基站中，雖然蓄電池一直處于充電狀態(tài)，但由于蓄電池的不均衡性，很難保證荷電量=容量。
       實(shí)際運(yùn)行中，蓄電池過(guò)充或欠充的不均衡現(xiàn)象的普遍存在。欠充的蓄電池，只是其荷電量是不足，但其容量是正常的。這類蓄電池，只需做均衡處理后，即可正常使用。
       但是，現(xiàn)有的蓄電池維護(hù)技術(shù)手段，并未區(qū)分蓄電池荷電量與容量的關(guān)系，簡(jiǎn)單地把蓄電池的荷電量等同于蓄電池的容量，把許多荷電量不足但容量正常的蓄電池，當(dāng)作容量不足的劣化蓄電池來(lái)看待。實(shí)際工作中，把欠充的蓄電池當(dāng)作劣化蓄電池來(lái)處理，要求退出或更換，造成不必要的浪費(fèi)。
       蓄電池是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，其放電及充電反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)及電化學(xué)過(guò)程，真正決定蓄電池容量及荷電量的是電池的化學(xué)和電化學(xué)狀態(tài)。下圖是實(shí)際蓄電池的電路模型：

 
蓄電池電路模型

蓄電池電路模型中，各符號(hào)的含義如下：
E：蓄電池電動(dòng)勢(shì)；
R1：蓄電池歐姆電阻，包括極板、極柱、溶液、隔膜的電阻及接觸電阻；
R2：蓄電池極化電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化的電阻；
C2：電極雙電層電容。
根據(jù)上述的電路模型，蓄電池復(fù)阻抗計(jì)算公式如下：
 

式中：f為測(cè)試信號(hào)頻率。

       從式中可以看出，通過(guò)采用多個(gè)頻率進(jìn)行測(cè)試，可以建立聯(lián)立方程，分別計(jì)算出蓄電池歐姆電阻、極化電阻、電容、電感等特性參數(shù)。
       博試電氣根據(jù)電池的電路模型，使用多頻點(diǎn)蓄電池測(cè)試技術(shù)，精確測(cè)量蓄電池的電壓、電流、歐姆電阻、極化電阻、電容、電感等特性參數(shù)，相比于目前市場(chǎng)上簡(jiǎn)單的內(nèi)阻測(cè)試的蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)先進(jìn)的多頻點(diǎn)交流放電法蓄電池測(cè)試技術(shù)與蓄電池多參量的分析，可以更加準(zhǔn)確地分析蓄電池容量、荷電量，可防止電池因欠充而硫酸鹽化，或因過(guò)充而失水，從而顯著提高蓄電池的使用壽命。此項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，明顯優(yōu)于國(guó)外同類技術(shù)，因而獲得國(guó)家科技部重點(diǎn)支持。

標(biāo)簽： 蓄電池