改进的交流测量法在蓄电池状态检测中的应用_鲁贻龙

GUANGDONGELECTRICPOWERVol󰀁23No󰀁1󰀁

Jan󰀁2010󰀁

改进的交流测量法在蓄电池状态检测中的应用

鲁贻龙

(三峡大学电气信息学院,湖北宜昌443002)

摘要:对传统的几种蓄电池单体电池内阻测量方法如密度法、开路电压法和直流放电法的原理和特点进行了分析,指出了这些方法存在的缺陷。提出采用改进的交流测量法对蓄电池内阻进行检测,对交流测量法所获得的数据采用差分面积法进行处理。经实践检验,该方法能够很好地检测蓄电池的状态。关键词:蓄电池内阻;交流测量法;差分面积法;过零比较法中图分类号:TM912󰀁󰀁󰀁󰀁

文献标志码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1007-290X(2010)01-0049-03

ImprovedACMeasuringMethodUsedinDetectionofBatteryCondition

LUY-ilong

(Col󰀁ofElectricalEngineeringandInformation,ThreeGorgesUniv󰀁,Yichang,Hubei443002,China)

Abstract:Theprinciplesandfeaturesofseveraltraditionalmeasurementmethodssuchasdensity,opencircuitvoltageandDCdischargeforinternalresistanceofsinglecellbatteryareanalyzedwiththeirdisadvantagespointedout󰀁TheuseofimprovedACmeasuringmethodissuggestedforthedetectionofbatteryinternalresistance,inwhichthedataacquiredbyACmeasuringmethodareprocessedbydifferentia-lareamethod󰀁Itisverifiedinpracticethatthemethodisefficientindetectingtheconditionofbattery󰀁

Keywords:batteryinternalresistance;ACmeasuringmethod;differentia-lareamethod;zerocrossingcomparativemethod

󰀁󰀁目前,变电站用蓄电池大都采用󰀁免维护󰀁电池󰀁󰀁󰀁阀控密封铅酸蓄电池(valveregulatedleadacidbattery,VRLA),其实󰀁免维护󰀁只是无需加

水、加酸、换液等维护,而对电池状态的检测也仅仅是测量蓄电池组的浮充电压、电流等,无法准确测量出蓄电池的真实容量和预测蓄电池的可使用时间,这就使得阀控密封铅酸蓄电池组的运行存在很多安全隐患,严重影响到直流系统的安全运行。本文提出了一种改进的交流测量法,用于蓄电池内阻的检测。

󰀁

文献[2]给出了蓄电池的内部等效电路模型,如图1所示。

Rt󰀁极柱电阻;Rst󰀁汇流电阻;Rp󰀁极板电阻;Rse󰀁隔膜电阻;

Re󰀁电解质电阻;Ri󰀁内部连接电阻

图1󰀁蓄电池内阻等效电路

1󰀁蓄电池内阻检测原理

目前对于蓄电池的检测,主要采用以内阻来衡量容量的方法,从而避免了传统的放电测试。文献[1]通过大量的试验给出了内阻和容量的相关系数,在直流测试情况下,其相关系数达0󰀁92。

收稿日期:2009-07-25电流在蓄电池内部的传导包括金属路径和电化学路径。金属路径包括极柱(terminals)、汇流排

(strap)、板栅以及板栅与涂膏间(intercellweldedconnection)的电阻;电化学路径包括极板(plates)、电解质(electrolyte)和隔膜(separator)的电阻。其中,Rt、Rst、Rp、Rse、Re、Ri按12%、25%、40%、1%、15%、7%的比例构成蓄电池内阻;并联的极板与它们之间的介电物质构成50广东电力第23卷󰀁

电容C0。由于目前使用蓄电池设备的频率较低,因此电感L可忽略不计[2]。

根据电流传导路径的不同,将蓄电池内阻分为金属电阻Rm和电化学电阻Rc两大部分,则图1可简化为图2。Rm因金属的腐蚀、蠕变和硫化等因素而缓慢变

图2󰀁蓄电池简化等效电路󰀁

图3󰀁交流法测量原理

󰀁

机状态下测量,可以实现完全的在线监测管理,避免了对设备运行安全性的影响,同时由于施加的信号频率很低,施加的交流电流也很小,故不会对电源系统的性能造成不利影响。2󰀁2󰀁交流信号数据处理

本文在交流测量法的基础上加以改进,即对蓄电池注入1个音频交流信号,测出蓄电池两端的交流电压U0。由于蓄电池内阻的存在,使得蓄电池的输出交流电压波形与其输入波形之间产生相位差,且该相位差随蓄电池内阻的增大而减小,而蓄电池内阻随容量减小而增大,所以蓄电池输入、输出信号的相位差会随容量的减小而减小。通过测量不同容量的蓄电池的输入、输出电压波形相位差就可计算出蓄电池的内阻。

计算两波形相位差的传统方法是过零比较法,基本原理如图4所示。

化,在一个较短的时间内,可认为是常量;Rc则随着容量的状态发生变化,但是这部分变化又被并联的电容容抗变化所掩盖。

目前常见的内阻测量方法主要有密度法、开路电压法和直流放电法。

密度法主要通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻,常用于开口式铅酸电池的内阻测量,该方法不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量。

开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估算蓄电池的内阻,精度很差,甚至会得出错误的结论,因为即使1个容量已变得很小的蓄电池,在浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。

直流放电法就是通过对电池进行瞬间大电流(一般为几十到上百安培)放电,测量电池的瞬间电压,通过欧姆定律计算出电池内阻。但是直流放电法的测量必须在静态或脱机状态下才能实现,即无法真正实现在线测量,这样就不可避免地给设备运行带来安全隐患。若处于静态下测量,瞬间大电流会对直流系统产生不利影响;若处于脱机状态下测量时间较长,造成蓄电池的脱机时间较长,则安全隐患更大。

图4󰀁过零比较法原理

󰀁

2个采样信号经滤波器滤掉各种干扰信号并进行线性放大之后变成波形正规、幅值适当的正弦波信号a、b,经过零比较器后变成方波信号c、d,信号d经反相器变成信号e,最后将信号c、e送入与门,输出信号f。

所有元件都存在容差,由容差引起的输入、输出信号的相位差会比较大,而蓄电池在容量很大时,输入、输出信号的相位差是很小的,因此容差所引起的相位差有可能将蓄电池内阻所引起的相位差覆盖。

本文提出求两波形相位差的新方法󰀁󰀁󰀁差分面积法,即先求出两波形的相位差所对应的面积,然后对面积求积分就可计算出两波形的相位差,如图5所示。2󰀁交流测量法原理

2󰀁1󰀁基本原理

交流测量法是指通过测量注入蓄电池的交流反馈电压来测量其内阻,测量原理如图3所示,其中Rs为电流采样电阻,C为隔直电容。对电池注入1个低频交流电流信号,测出蓄电池两端的低频交流电压U0、流过的低频交流电流Is以及两者之间的相位差󰀁,根据公式Z=U0/Is、R=Zcos󰀁来计算电池的内阻R。

交流测量法由于无需放电,不用处于静态或脱󰀁第1期鲁贻龙:改进的交流测量法在蓄电池状态检测中的应用51

即

󰀁=arccos(2T-A)/T󰀁

(7)

式(7)是在1个信号周期内求积分所得到的相

位差。在实际中需要连续采样,即在N个周期内求积分,所得结果就是相位差的累计值,所以相对于过零比较法,相位检测结果数据放大,同时结果中不含有噪声部分,噪声引起的误差也不再出现。

虽然相位检测结果数据的放大使得元件容差引

图5󰀁面积法求相位差

󰀁

起的相位差相对减小,测量结果对电路元器件的容差敏感性大大降低,但是该方法并没有消除元件容差引起的测量结果误差,所以无法判断相位差的改变是由于元件容差还是蓄电池内阻导致的。检测电路中还有很多电子元件,这些元件的影响都会在测量结果上直接反映出来,因此无法分辨相位差的改变是蓄电池内阻的变化引起的,还是元件容差引起的,所以每套检测系统都必然有1个检测结果的零点漂移,而这个零点漂移远远大于蓄电池内阻,当然更远远大于我们需要检测的内阻的变化量。

在线监测系统完成的主要任务是监测使用过程中的蓄电池劣化程度,只要监测系统能有效反应蓄电池的容量,并以检测到的温度和单体电压作为修

设信号波形周期为T,角频率󰀁=2󰀁/T,输入蓄电池组的信号为y1,输出信号为y2,时间为t,输入、输出信号的相位差为󰀁,输入、输出分别含有的噪声信号为n1(t)、n2(t),且有:

y1=cos(󰀁t)+n1(t);y2=cos(󰀁t+󰀁)+n2(t)󰀁

输入、输出信号差的绝对值平方的积分为

(1)(2)(3)

󰀁

0

T0

2

T0

1

T

|y1-y2|2d(󰀁t),

将式(1)、式(2)代入式(3)得

󰀁

󰀁|cos(󰀁t)+n(t)-cos(󰀁t+

|y1-y2|d(󰀁t)=式(4)等号右边展开为

󰀁)-n2(t)|2d(󰀁t)󰀁

(4)

正参数,有效地给出当前每个单体电池的容量百分比即可。

单片机测量结果A是对相位差面积的近似值,但是基于统计查表的方法,只需要1个对应值,不需要精确解算出相位差。设容量C与内阻R、内阻R与相位差󰀁的函数关系分别为

C=f(R)和

R=g(󰀁),

则容量C与相位差󰀁的函数关系可设为:C=h(󰀁)󰀁(󰀁)为单值连续单调递增函数。

所以测量值A与蓄电池容量的映射关系是A

值越大,容量越大。

基于这个思想,本文采用的方法是先将电池充满,测出这时的相位差数据结果,得到数据a0,然后放电电池容量的3%,再测量得到数据a1,依次得到a0、a1、a2、a3󰀁󰀁。计算a0-a1得到数据b1,a0-a2得到b2,依次得到b1、b2、b3󰀁󰀁。因此b1、b2、b3󰀁󰀁这组数据是蓄电池运

(下转第73页)(8)(9)(10)

󰀁[(cos(󰀁t)+2cos(󰀁t)n

2

02

T

1

(t)-

2cos(󰀁t)cos(󰀁t+󰀁)-2cos(󰀁t)n2(t)+n1(t)2-2cos(󰀁t+󰀁)n1(t)-2n1(t)n2(t)+cos(󰀁t+󰀁)-2cos(󰀁t+󰀁)n2(t)+n2(t)]d(󰀁t)󰀁

因为输入、输出信号与噪声信号之间无相关性,两者积分为零,而噪声信号与任意不相关确定信号乘积的积分为零,故积分化简得

2

式中f(R)、g(󰀁)均为单值连续单调递减函数;h

(5)

󰀁|y

0

T

1

-y2|d(󰀁t)=2T-Tcos󰀁󰀁

2

在用单片机进行测量时,首先将输入、输出信号输入单片机的2个高速、高精度差分通道,通道的输出结果即为两信号的相位差。对2个通道的差

分结果的平方累计求和所得的结果即为单片机的测量值A。同时,该测量值可以近似为两信号差绝对值平方的积分,该积分即为相位差所对应的面积,所以

2T-Tcos󰀁=A,

(6)

󰀁第1期李红宇:瑞明电厂引风机变频控制的设计与实现73

点应用的一种高新技术。从实效来看,高压变频调速不仅解决了大功率水泵、风机的软启动和调速问题,而且节能显著。随着一次能源消耗危机的出现和国家相关节能的出台,高压变频调速必将被越来越多的电厂应用。

参考文献:

[1]广州智光电机有限公司󰀁瑞明电厂引风机变频改造技术方案

[Z]󰀁广州:广州智光电机有限公司,2006󰀁

GuangzhouZhiguangMotorCo󰀁,Ltd󰀁TechnicalProjectofFrequencyControlTransformationforInducedDraftFanin

图5󰀁引风机变频器控制操作图󰀁

RuimingPowerPlant[Z]󰀁Guangzhou:GuangzhouZhiguangMotorCo󰀁,Ltd󰀁,2006󰀁

[2]罗万金󰀁电厂热工过程自动调节[M]󰀁北京:中国电力出版

社,1991󰀁

LUOWan-jin󰀁AutomaticThermalProcessControlinPowerPlant[M]󰀁Beijing:ChinaElectricPowerPress,1991󰀁[3]曾毅󰀁变频调速控制系统的设计与维护[M]󰀁山东:山东科技

出版社,2002󰀁

ZENGYi󰀁DesignandMaintenanceofFrequencyControlSystem[M]󰀁Press,2002󰀁

Shandong:

ShandongScientific&Technical

节稳定,在运行中能较好地进行工频、变频转换;

改造前、后引风机电动机电流在机组负荷为100MW时分别是55A和19A,改造后电流下降了65%,节能效果明显。但同时出现以下问题:由电气送入BMS的引风机的跳闸信号曾产生误动作,造成锅炉主燃料跳闸。为了降低此信号的误动率,在电气方面增加了2个引风机的跳闸信号,然后对这3个跳闸信号进行了3选2处理,处理过的信号作为引风机的真正跳闸信号,提供给BMS使用。

5󰀁结束语

作者简介:李红宇(1970-),女,河南禹县人。热工自动化工程

高压变频调速是近几年在我国电力行业开始试(上接第51页)

行过程中相对于100%电池容量依次下降3%的相位差变化的数据,有效消除了元件容差引起的零点漂移。元件容差引起的相位差在每一次的测量中相同,因此2次测量结果相减可以消除元件容差引起的相位差,故相减之后元件只存在内阻引起的相位差。初次安装时得到1个容量为100%的数据,运行过程中就根据检测得到的结果和其它单体电压、电池环境温度的修正,得到当前容量。

实际监测中若得到的数据小于b1,则表示容量大于97%;若所得数据介于b1、b2之间,则说明容量大于94%而小于97%。

师,主要从事热工自动化装置调试、检修、技术管理等工作。

参考文献:

[1]SUDHANMS,NOVESKETM,HOLDENLS󰀁UseofAC

Impedance/ConductanceandDCResistanceforDeterminingtheReliabilityofVRLABatterySystem[C]//ProceedingsofInternationalTelecommunicationsEnergyConference(INT-EEC󰀁93)󰀁NewYork:IEEE,1993󰀁

[2]HERONR,MCFADDENA󰀁EvaluationofConductanceand

ImpedanceTestingonVRLABatteriesfortheStenterOpera-tingCompanies[C]//ProceedingsofInternationalTelecommu-nicationsEnergyConference(INTEEC󰀁94)󰀁NewYork:IEEE,1994󰀁

[3]李立伟,邹积岩󰀁基于交流测量法的蓄电池内阻测量装置的研

究[J]󰀁计量技术,2002(12):15-17󰀁

LIL-iwei,ZOUj-iyan󰀁AStudyofBatteryInternalImpe-danceMeasurementInstrumentBasedonACMeasuringMet-hod[J]󰀁MeasurementTechnique,2002(12):15-17󰀁

3󰀁结束语

目前已采用改进的交流测量法对变电站常用的蓄电池进行状态检测,重复性很好。采用这种方法

能有效消除元件容差引起的零点漂移,准确检测蓄电池的健康状况。作者简介:鲁贻龙(1984-),男,湖北荆门人。在读硕士研究生,从事变电站自动化方面的研究。E-mail:yilonglu@yahoo󰀁cn。