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蓄電池監(jiān)測裝置的研究

發(fā)布時間:2009-07-14 來源:EAW電子設(shè)計應(yīng)用

中心議題:
  • 基于數(shù)字濾波器的內(nèi)阻測量技術(shù)
  • 監(jiān)測裝置與充電機互動設(shè)計方案
  • 監(jiān)測裝置的模塊化設(shè)計
解決方案:
  • 監(jiān)測采用不同深度放電測試達到檢測SOH的目的
  • 檢測模塊完成數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)傳給控制模塊
  • 內(nèi)阻模塊與系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)相適應(yīng),受檢測模塊的調(diào)度
  • 控制模塊用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和人機界面操作

一、基于數(shù)字濾波器的內(nèi)阻測量技術(shù)

  
在線測量每個單電池的內(nèi)阻是檢測裝置的難題之一,測量準確度直接關(guān)系到分析的準確度。在線測量需要解決充電機和用電負載干擾的問題。對于大容量電池,內(nèi)阻是微歐級小信號,本文采用了數(shù)字濾波技術(shù)提高測量準確度。
  
在線測量主要存在以下因素影響測量:
  1)測量線耦合的高頻干擾信號;
  2)50Hz工頻干擾;
  3)充電機低頻紋波;
  4)充電或放電的電壓緩變;
  5)負載的不規(guī)則變動。
  
對于高頻干擾,一方面通過硬件低通濾波削減,另一方面,在有效的A/D采樣頻率下進行平滑濾波處理。有效信號組成如圖1-1所示。
                     
 
本文的研究中設(shè)計了專用的激勵裝置,向電池組饋入受控交流信號,測量電路采集被測電池的交流電壓信號。為消除上述影響因素,采用了IIR數(shù)字濾波技術(shù)。


采用直接方式即可實現(xiàn)差分方程運算。圖1-2是采用橢圓濾波器設(shè)計的帶通濾波器,M=N=11,具有良好的下降斜率,在通帶和阻帶內(nèi)均為等紋波。
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 表1是量程為50mΩ的實測數(shù)據(jù),表明該方法具有良好的線性和重復(fù)性。

                                表1采用IIR濾波器的實測數(shù)據(jù)(mΩ)
                       
 
二、監(jiān)測裝置與充電機互動設(shè)計方案
  
監(jiān)測裝置與充電機互動方案是提高劣化程度預(yù)測準確性的創(chuàng)造性工作模式,其基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
                      

互動方案的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
  
浮充狀態(tài)下的測量理論和方法有其固有的局限性,放電測試能得到更為可靠的數(shù)據(jù),但目前的放電測試或者需要人工干預(yù),或者在不確定的停電發(fā)生后被動進行,前者難于經(jīng)常性的進行,而且風(fēng)險較大,后者的不確定性也帶來隱患。本文的互動方案是針對先進電源裝置的系統(tǒng)化設(shè)計方案,能有效解決前述的多方面問題。
  
互動方案的主要原理是:電池監(jiān)測(BatteryMonitoringUnit--BMU)進行日常的巡檢,并且分析采集的數(shù)據(jù)及變化趨勢,在一定條件下請求充電機(RectifierUnit--RU)配合進行部分放電測試。由于RU在部分放電時設(shè)置為一個比蓄電池放電下限電壓低的某一整流輸出值,既能使電池提供用電設(shè)備的負荷功率,又避免了放電過程中由于電池問題帶來的停機風(fēng)險。
  
在正常浮充狀態(tài)下,BMU連續(xù)檢測電池組的電壓和內(nèi)阻,若發(fā)現(xiàn)電壓或內(nèi)阻異常,則啟動部分放電測試過程,進行更深一層次的測試。該測試過程也被設(shè)置為按一定周期啟動,如一個月。
  
在放電測試期間,將劣化程度預(yù)測模型所需的放電數(shù)據(jù),采集包括浮充電壓、初始跌落、正常放電電壓等數(shù)據(jù),通過電池的劣化程度(SOH)預(yù)測模型運算,準確得知SOH。
  
此外,互動方案并不排斥停電后的被動測試,被動放電也可以觸發(fā)進行預(yù)測計算,出現(xiàn)放電即觸發(fā)數(shù)據(jù)采集,在放電深度達到某個設(shè)定值時啟動一次預(yù)測運算。
  
這樣,在內(nèi)阻監(jiān)測的基礎(chǔ)上,監(jiān)測系統(tǒng)通過采用三類不同深度的放電測試達到長期連續(xù)準確檢測SOH的目的:
  
1)完全放電電池在投運之前應(yīng)進行一次100%深度的放電,以確認該電池組能滿足設(shè)計要求。否則,若存在產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題,會影響到后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的準確性,放電前應(yīng)該充滿并在浮充狀態(tài)保持一定的時間。
  
2)中等深度的放電中等深度指30—50%深度的放電。檢測裝置的數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)此深度的放電數(shù)據(jù)可以相當(dāng)準確地計算各電池的SOH,同時亦避免了更加深度放電過程的突然停電,使設(shè)備承受斷電的危險,一般的電池配置往往考慮了電池容量的裕量,比如一倍。因此中等深度的放電在一般情況下,包括一般停電故障發(fā)生情況下是安全的。
  
3)周期性的短時放電根據(jù)蓄電池應(yīng)用場合選取適合的周期,例如3個月。一般短時放電的深度為5%左右,檢測裝置啟動FNN運算,預(yù)測電池的SOH。因為是預(yù)測,其可靠程度在目前仍處在研究中。這也包括FNN算法中所使用的輸入數(shù)據(jù)是否對所有的電池失效情況均敏感。在FNN運算中,還存在算法的“保守性”一面,即寧可低估SOH,也放棄高估SOH所帶來的風(fēng)險。
  
因此,互動方案在長期運行方式如圖2-2所示,一般為多次短時放電測試后加入一次中等深度放電,或者在短時放電測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)電池可能嚴重劣化時進行一次中等放電予以確認。如果被確認預(yù)測結(jié)果正確,則通知控制中心;若證明預(yù)測有誤,則對預(yù)測模型作自適應(yīng)調(diào)整。在最后一次中等深度放電確定電池劣化嚴重后,采取更換措施,更換之前進行一次完全放電,本組數(shù)據(jù)對于SOH模型的完善有重要意義。
                                
                                                          圖2-2互動方案的監(jiān)測過程
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三、監(jiān)測裝置的模塊化設(shè)計
  
3.1監(jiān)測裝置設(shè)計要求
  
如圖3-1所示,裝置由控制模塊、檢測模塊、內(nèi)阻模塊、相關(guān)軟件和輔助部件構(gòu)成,一個控制模塊可接入多個檢測模塊,完成對不同只數(shù)和不同電壓規(guī)格的蓄電池組的監(jiān)測管理,可同時管理多組蓄電池。

                          
                                                               圖3-1監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)
  
3.2檢測模塊設(shè)計
  
檢測模塊主要包括5個部分:
  1)電壓、電流、溫度的測量電路;
  2)通道切換;
  3)A/D轉(zhuǎn)換電路;
  4)微處理器單元;
  5)通訊接口。
  
檢測模塊完成數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)傳給控制模塊。高精度、高時效的數(shù)據(jù)采集模塊采用模塊化設(shè)計方案,兼顧了專用化與通用化原則,配置靈活,根據(jù)采樣點種類及規(guī)模的需求,各個模塊可單獨使用,亦可自由組合,能適應(yīng)不同的監(jiān)測場合。
  
電池組是由多個單電池串聯(lián)構(gòu)成的,一般的配置情況如表3-1所示。
                            
電池的串聯(lián)給采樣電路的設(shè)計帶來困難,目前的主要解決方法有以下幾種:
  
1)繼電器切換由于機械觸點的壽命和可靠性問題,不能使用在需要快速巡檢的場合。
  
2)分段采樣將電池組分段,使得每段的電壓降低,使用常規(guī)的巡檢電路。由于每段之間需要隔離,帶來成本的提高。而且,如果發(fā)生電池開路,加在某一段的電壓仍然可能很高,同時還存在現(xiàn)場接線順序出錯時可能損壞電路。
  
3)在許多的設(shè)計中都使用了電阻分壓方法,由于可以為每一通道設(shè)定標定系數(shù),在一定程度上可以修正因電阻匹配精度不夠所帶來的共模誤差。該方法的長期穩(wěn)定性受電阻的穩(wěn)定性制約,在高共模下很難達到需要的準確度。

BB公司INA117高共模運算放大器電阻的匹配達到0.005%、溫度系數(shù)為1ppm時共模抑制比為86dB,在400V共模范圍的檢測誤差達到20mV,對于2V的VRLA電池,浮充電壓的檢測準確度應(yīng)該達到10mV或更優(yōu)。顯然,在現(xiàn)實中很難用分壓方法獲得如此高的準確度。
  
4)耐高壓電子開關(guān)本課題中使用耐高壓電子開關(guān)解決巡檢的困難。PhotoMOS是一種新型光耦合的耐高壓電子開關(guān),它與普通的光耦相似,但輸出端為場效應(yīng)管,克服了晶體管的管壓降問題,適合本文所要求的高耐壓、高精度、高速的要求。
  
高共模采樣電路原理如圖3-2所示,在A/D和CPU之間采用光耦合方式進行電氣隔離。[page]

                    
                                                                     圖3-2高共模采樣電路
  
3.3內(nèi)阻模塊設(shè)計
  
內(nèi)阻模塊與系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)相適應(yīng),接受檢測模塊的調(diào)度。用于向電池組注入內(nèi)阻測量的激勵信號。
  
內(nèi)阻模塊的設(shè)計主要研究解決以下4方面問題:
  1)受控波形和頻率受采樣模塊CPU控制,可以工作在設(shè)計范圍內(nèi)的任意頻率點和不同波形。
  2)穩(wěn)定性和準確性要保持長期工作的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性,模塊之間可以互換。
  3)獨立性激勵信號不受電池充放電回路的影響。
  4)工作范圍寬能夠在電池組的最低放電下限和最高充電上限范圍內(nèi)正常工作。
  
以上要求主要體現(xiàn)在硬件電路設(shè)計中。
  
3.4控制模塊設(shè)計
  
控制模塊用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和人機界面操作,具有遠程(集中)管理RS-485(RS-232)接口、檢測模塊控制口、操作鍵盤、顯示面板、聲光報警及報警輸出接點??刂茊卧獙崟r顯示電池數(shù)據(jù),智能分析數(shù)據(jù),對異常的電池運行情況進行及時報警。通過總線結(jié)構(gòu)控制檢測模塊工作,收集檢測模塊采集的數(shù)據(jù)。本單元對發(fā)生的事件進行判斷處理并發(fā)出聲光報警,完成數(shù)據(jù)的通訊、存儲和查詢功能,這些功能供運行人員進行現(xiàn)場事件處理使用。
  
四、監(jiān)測裝置應(yīng)用
  
在本文的研究過程中,監(jiān)測裝置在電信48V直流系統(tǒng)、電力220V直流系統(tǒng)和石油化工400V不間斷電源系統(tǒng)3種典型的閥控鉛酸蓄電池應(yīng)用場合得到實際應(yīng)用,驗證了技術(shù)方案的合理性。
  
以電信局站直流系統(tǒng)為例,電池應(yīng)用有以下特點:
  1、48V系統(tǒng),每組由24只2V單體電池串聯(lián),一般2組電池。
  2、大容量電池,擺放合理,運行環(huán)境較好。
  3、難于進行周期性容量核對放電。
  4、一般有備用油機,停電后一段時間即啟動油機,電池容量下降的問題更難及時發(fā)現(xiàn)。
  5、電池數(shù)據(jù)可通過動力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)傳送至中央控制室。
  
電池監(jiān)測采用了1個控制模塊帶2個采樣模塊和2個內(nèi)阻模塊,該系統(tǒng)接入環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng),與中心控制室聯(lián)網(wǎng)。
  
根據(jù)閥控鉛酸電池的一般使用情況和監(jiān)測管理的目的,監(jiān)測裝置的設(shè)計主要考慮以下幾個方面:
  
1)浮充電壓測量電池的運行參數(shù)主要受充電機的控制,尤其是電池的浮充電壓,直接影響電池的浮充使用壽命。浮充電壓的相對差異很小,要求測量電路具有高準確度;電池組串聯(lián)后的高電壓要求電路具有抗高共模性能。
  
2)電流監(jiān)測檢測電池充電,放電,電流值。
  
3)環(huán)境溫度(或標樣電池溫度)監(jiān)測。
  
4)內(nèi)阻測量在線測量每個單電池的內(nèi)阻值。
  
5)模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)要滿足蓄電池應(yīng)用的大部分應(yīng)用場合,包括電信、電力、UPS等不同電池配置的應(yīng)用??梢愿鶕?jù)電池的不同數(shù)量、不同規(guī)格和不同的擺放形式來靈活配置,便于現(xiàn)場安裝與維護。

  
6)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)化和信息化是電子設(shè)備的發(fā)展趨勢,系統(tǒng)設(shè)計要有通訊接口和多種網(wǎng)絡(luò)方案。要適于遠程管理和集中監(jiān)控。
  
7)可靠性檢測裝置應(yīng)用于對可靠性要求很高的場合,要求裝置長期穩(wěn)定工作。
  
8)電磁兼容檢測裝置應(yīng)對用戶設(shè)備不能產(chǎn)生任何附加干擾,保證用戶設(shè)備同監(jiān)測系統(tǒng)共同長期穩(wěn)定工作。同時還要求裝置具有較強的抗干擾能力,在大功率電源裝置投切時保持穩(wěn)定。
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