蓄电池在线监测系统的原理技术

       蓄电池在线监测系统采用具有世界先进水平的多频点交流放电法内阻测试技术，能够实时在线监测蓄电池组电压、充放电电流、温度及每每节蓄电池的欧姆电阻、极化电阻、双电层电容、端电压等参数，能够计算电池的容量，可以监测充电装置稳压精度、稳流精度、纹波系数等参数，准确分析蓄电池容量及荷电量。具有专家管理系统，用SQL-SEVER数据库对监测数据进行管理，方便随时调用数据并进行分析。系统发现蓄电池工作异常及劣化电池时能够及时报警，保证供电系统的安全，为蓄电池组的精细维护提供依据。

       系统可以和放电仪进行通信，控制放电仪按设定的放电终止条件（电池组电压、单体电压、放电时间、放电容量）对蓄电池进行核对性容量放电，精确测试蓄电池的容量，放电结束后，可以自动生成核容报表。在停电放电及充电时，系统全程监测并记录充放电过程中电压、电流、温度、单体电池电压变化情况。

       系统具有以太网、GPRS、RS232/485、USB等多种通信接口及MODBUS通信协议，可以和动力环境监控系统进行无缝连接，可以在广阔的地域范围内以多种通信方式组建蓄电池监测网络。系统采用B/S结构，方便各级管理和检修人员在允许的权限内随时随地查看现场数据及调阅历史相关数据，有利于提高蓄电池维护技术管理水平。

工作原理
1、交流放电法
公司研发的交流放电法蓄电池检测技术，综合了直流放电法和交流注入法的优点。
其原理是：
（1）CPU通过D/A控制智能负载，使蓄电池向智能负载放电，产生一个低频的5A（有效值）正弦波交流激励电流信号（特征激励信号）；
（2）由于蓄电池阻抗的存在，每节蓄电池上也产生相应的特征电压信号；

 

交流放电法测量原理图
 

交流放电法特征激励电流及特征电压波形图

（3）对该电压信号和电流信号进行带通滤波放大，对干扰信号进行初步滤除；
（4）对滤波放大后的电压和电流信号进行高速同步采样变为数字信号；
（5）对电压和电流数字采样信号进行付利叶分析和小波分析，提取特征电流信号：i（t）=ImaxSinωt
和特征电流信号：
v（t）=VmaxSin（ωt + φ）；
（6）进行计算：
A）阻抗为：Z（ω）=ejφ×Vmax/Imax
即阻抗是与频率有关的复阻抗，其相角为φ，而其模|Z|=Vmax/Imax。
B）角差为：φ
C）直流电阻：R=|Z|/Cos（φ）
（7）结合蓄电池单体电压、浮充电池、内阻的变化趋势对蓄电池进行计算状态评估。

       由于蓄电池内阻极小，一般为微欧级，相应地，特征激励电流信号产生的特征电压信号非常小，也为微伏级。因此需要采用高精度、低零漂的多级放大器进行放大。
       低频交流激励电流信号和蓄电池上感应电压信号经放大、滤波后，送入同步高速A/D转换器转变为数字信号。由于蓄电池组在线工作时还存在较大的工作电流，而工作电流存在各种频率的谐波成分，相应在蓄电池上也感含有应出各种频率的谐波成分的电压信号。这些干扰信号的幅值较大，往往大于测量信号，测量电路需要采用多级带通滤波器对测量信号进行处理。

       由于理想的带通滤波器是不存在的，因此，实际采样的电流和电压的数字信号除有效成分外，还夹杂着大量的各种频率的非有效成分，需要用数字信号分析处理方法对实际采样的电流和电压的数字信号进行分析处理，提取出有用信号。综合采用付利叶变换和小波变换的数字信号处理方法，从数字化的采样信号中，提取特征激励电流信号和特征电压信号，再通过数学计算，计算出特征激励电流信号和特征电压信号的有效值和相位，最后计算出蓄电池内阻。
 

2、基于模型的多频点内阻测试
对于处于在线运行状态蓄电池的评估，要取决于以下两个参量：
（1）荷电量（SOC）：是指蓄电池当前的实际荷电量或能够放出的容量，一般用核容放电法可以确定，其单位是Ah。
（2）容量（C）：是指充分充电的情况下，蓄电池的最大荷电量或放电量，其单位是Ah。
容量是对蓄电池劣化状态的评估，而荷电量则是对蓄电池充电状态的评估。在通讯基站中，虽然蓄电池一直处于充电状态，但由于蓄电池的不均衡性，很难保证荷电量=容量。
       实际运行中，蓄电池过充或欠充的不均衡现象的普遍存在。欠充的蓄电池，只是其荷电量是不足，但其容量是正常的。这类蓄电池，只需做均衡处理后，即可正常使用。
       但是，现有的蓄电池维护技术手段，并未区分蓄电池荷电量与容量的关系，简单地把蓄电池的荷电量等同于蓄电池的容量，把许多荷电量不足但容量正常的蓄电池，当作容量不足的劣化蓄电池来看待。实际工作中，把欠充的蓄电池当作劣化蓄电池来处理，要求退出或更换，造成不必要的浪费。
       蓄电池是一个极为复杂的系统，其放电及充电反应是复杂的化学及电化学过程，真正决定蓄电池容量及荷电量的是电池的化学和电化学状态。下图是实际蓄电池的电路模型：

 
蓄电池电路模型

蓄电池电路模型中，各符号的含义如下：
E：蓄电池电动势；
R1：蓄电池欧姆电阻，包括极板、极柱、溶液、隔膜的电阻及接触电阻；
R2：蓄电池极化电阻，包括电化学极化和浓差极化的电阻；
C2：电极双电层电容。
根据上述的电路模型，蓄电池复阻抗计算公式如下：
 

式中：f为测试信号频率。

       从式中可以看出，通过采用多个频率进行测试，可以建立联立方程，分别计算出蓄电池欧姆电阻、极化电阻、电容、电感等特性参数。
       博试电气根据电池的电路模型，使用多频点蓄电池测试技术，精确测量蓄电池的电压、电流、欧姆电阻、极化电阻、电容、电感等特性参数，相比于目前市场上简单的内阻测试的蓄电池监测设备，通过先进的多频点交流放电法蓄电池测试技术与蓄电池多参量的分析，可以更加准确地分析蓄电池容量、荷电量，可防止电池因欠充而硫酸盐化，或因过充而失水，从而显著提高蓄电池的使用寿命。此项具有自主知识产权的专利技术，明显优于国外同类技术，因而获得国家科技部重点支持。

标签： 蓄电池