一種蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)直流電源系統(tǒng)的研究

黃祖成， 馬 力， 周賢培

(1.廣州供電局有限公司蘿崗供電局，廣東廣州510000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東深圳518057)

一種蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)直流電源系統(tǒng)的研究

黃祖成1， 馬 力1， 周賢培2

(1.廣州供電局有限公司蘿崗供電局，廣東廣州510000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東深圳518057)

針對(duì)目前直流電源中因蓄電池串聯(lián)使用，電池內(nèi)阻檢測(cè)難度大，無法準(zhǔn)確判斷蓄電池性能，設(shè)計(jì)了一種基于蓄電池間接并聯(lián)使用的直流電源系統(tǒng)，系統(tǒng)通過由模塊發(fā)出高頻檢測(cè)信號(hào)注入蓄電池中，由監(jiān)控對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)每只蓄電池的內(nèi)阻在線精確檢測(cè)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)不僅可以對(duì)蓄電池進(jìn)行安全的在線檢測(cè)和故障診斷，而且應(yīng)用簡(jiǎn)單、適用范圍廣、成本較低、測(cè)量精度高。

在線檢測(cè)；蓄電池內(nèi)阻；高頻整流；激勵(lì)電流

直流系統(tǒng)作為發(fā)電廠、變電站的能源中心，為控制回路、信號(hào)回路、事故照明回路、繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置以及逆變電源等提供可靠的直流電源，對(duì)保證變電站所有一次、二次設(shè)備的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1-2]。

蓄電池是直流系統(tǒng)的重要組成部分，決定了系統(tǒng)的后備時(shí)間。而蓄電池的內(nèi)阻大小決定了其性能的好壞，內(nèi)阻越大，蓄電池自身消耗的能量越多，蓄電池的使用效率越低。如果蓄電池內(nèi)阻過大，在其充電時(shí)發(fā)熱將十分嚴(yán)重，產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散發(fā)時(shí)，會(huì)進(jìn)一步引發(fā)電池的熱失控，電池內(nèi)部會(huì)隨之產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)[3-4]。當(dāng)蓄電池內(nèi)的壓強(qiáng)超過一定值時(shí)，將引起電池的爆炸及火災(zāi)，后果將非常嚴(yán)重。而傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)往往只能對(duì)電池進(jìn)行接線端電壓與溫度的在線測(cè)量，無法對(duì)電池的內(nèi)阻進(jìn)行在線測(cè)量，當(dāng)要對(duì)電池內(nèi)阻測(cè)量時(shí)，只能將電池組斷電脫離系統(tǒng)后再進(jìn)行測(cè)量，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間[5-7]。本文設(shè)計(jì)了一種基于蓄電池間接并聯(lián)使用的直流電源系統(tǒng)，系統(tǒng)通過由模塊發(fā)出高頻檢測(cè)信號(hào)注入蓄電池中，由監(jiān)控對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)每只蓄電池的內(nèi)阻在線精確檢測(cè)。

1 傳統(tǒng)直流電源蓄電池狀況

傳統(tǒng)直流系統(tǒng)由交流電源、蓄電池組、充電機(jī)組、蓄電池巡檢儀、調(diào)壓硅鏈等部分構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成原理圖如圖1。

圖1 傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)中多個(gè)蓄電池串聯(lián)后并聯(lián)于系統(tǒng)的母線上，作為直流系統(tǒng)的后備電源。由蓄電池巡檢儀對(duì)蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，充電機(jī)組對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電管理。目前蓄電池巡檢儀僅能采集蓄電池的端電壓，但是蓄電池端電壓并不能很好地體現(xiàn)出蓄電池的實(shí)際性能。在許多情況下，蓄電池端電壓雖然在正常范圍內(nèi)，但是其實(shí)際可放容量卻已經(jīng)低于80%額定容量，難以提供足夠的后備時(shí)間。這時(shí)，如果站內(nèi)交流電源失電，將面臨全站保護(hù)失效開關(guān)無法動(dòng)作而造成全站失電的重大事故。蓄電池的串聯(lián)使用，蓄電池組性能最低的電池決定整組蓄電池的性能。如某一只蓄電池?fù)p壞，則整個(gè)蓄電池組將無法輸出，直流電源系統(tǒng)處于無后備電源的危險(xiǎn)中。

直流電源的用戶一直非常渴望一種更直接檢測(cè)蓄電池性能的方法，最好是在不影響直流供電的情況下對(duì)蓄電池的性能進(jìn)行檢查，以便及時(shí)更換損壞蓄電池。避免因?yàn)樾铍姵負(fù)p壞帶來的安全隱患，提高變電站供電的可靠性。

蓄電池的內(nèi)阻值是蓄電池性能好壞的重要體現(xiàn)，當(dāng)蓄電池內(nèi)阻大于一定的數(shù)值或兩次測(cè)量值突變超過50%，即可判定該蓄電池已經(jīng)損壞，需要及時(shí)更換。目前因蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)技術(shù)的限制，直流系統(tǒng)中蓄電池的檢測(cè)必須先用一組蓄電池替換原蓄電池組，再用專業(yè)設(shè)備對(duì)蓄電池逐只進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試。

2 蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)直流系統(tǒng)

3 電源模塊的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊的硬件設(shè)計(jì)

電源模塊是電池并聯(lián)供電的直流系統(tǒng)的核心組成部分，單個(gè)電源模塊主要由AC/DC充電模塊、DC/DC升壓模塊、蓄電池DC/DC充放電模塊、蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)模塊和通信部分組成。該模塊內(nèi)部AC/DC單元采用高頻整流方式，模塊整流效率更高，高達(dá)94%，其原理框圖如圖3所示。

電源模塊內(nèi)的蓄電池監(jiān)測(cè)電路原理如圖4所示。在系統(tǒng)需要進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測(cè)量時(shí)，該系統(tǒng)中的一個(gè)智能模塊啟動(dòng)恒流發(fā)生器給蓄電池一個(gè)穩(wěn)定的正弦信號(hào)，蓄電池兩端上的電壓響應(yīng)信號(hào)通過交流差分電路與產(chǎn)生恒定交流源的正弦信號(hào)經(jīng)過模擬乘法器相乘，再將模擬乘法器的輸出電壓信號(hào)通過濾波電路使交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，直流信號(hào)經(jīng)直流放大器后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的值送入單片機(jī)進(jìn)行處理，得到電池的內(nèi)阻值，并對(duì)本次內(nèi)阻數(shù)據(jù)與內(nèi)阻歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析和判斷，將內(nèi)阻數(shù)據(jù)及判斷結(jié)果上傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)蓄電池內(nèi)阻測(cè)試完成后，監(jiān)控單元控制系統(tǒng)中另一個(gè)智能單元對(duì)蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，直到整個(gè)系統(tǒng)中所有蓄電池都完成內(nèi)阻測(cè)試，電池內(nèi)阻測(cè)試過程結(jié)束。

圖3 電源模塊原理框圖

圖4 電源模塊蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)原理圖

3.2 蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)方法

智能模塊在對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在電池兩個(gè)端子施加一頻率為(1.0±0.1)kHz的恒定交流激勵(lì)電流信號(hào)，另兩個(gè)端子用于測(cè)量。響應(yīng)電壓信號(hào)是指蓄電池注入恒定交流激勵(lì)電流信號(hào)后，在其兩端測(cè)出的交流電壓信號(hào)，正弦信號(hào)是經(jīng)D/A產(chǎn)生的作為恒流發(fā)生器的輸入信號(hào)。設(shè)正弦信號(hào)為：

蓄電池兩端的響應(yīng)電壓信號(hào)為：

式中：θ為注入蓄電池的交流電流和其兩端響應(yīng)電壓信號(hào)的相位差。

通過模擬乘法器后有：

進(jìn)行低通濾波后濾掉交流成分得：

由交流法測(cè)內(nèi)阻原理得：

比較式(4)～式(5)可得：

4 結(jié)論

蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)直流電源利用蓄電池間接串聯(lián)使用特性，由電源模塊與蓄電池一對(duì)一的使用并測(cè)量其阻值。直流電源系統(tǒng)定時(shí)對(duì)每一只蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試，在對(duì)蓄電池內(nèi)阻測(cè)量過程中，對(duì)直流供電無任何影響。其所測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)監(jiān)控器中，并可上傳至后臺(tái)，維護(hù)人員可通過后臺(tái)遠(yuǎn)程了解系統(tǒng)蓄電池性能狀態(tài)，大大提高直流電源可靠性，減少了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的工作量，推進(jìn)電網(wǎng)智能化、現(xiàn)代化的建設(shè)。

[1]王洪，林雄武，張廣輝，等.直流并聯(lián)技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)急電源中的研究[J].電源技術(shù)，2013(3)：492-494，508.

[2]余靚.淺談35kV-110kV變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013(3)：137.

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[7]宮佑軍.閥控式鉛酸蓄電池工作點(diǎn)的正確設(shè)置[J].通信電源技術(shù)，2002(2)：37-41.

A kind of battery internal resistance online detection of DC power supply system

Because the use of batteries in series， the battery internal resistance is difficult to detect， and battery performance can’t accurately be determined，a DC power system based on indirect parallel battery was presented. The system was detected by a high-frequency signal emitted by the module injected batteries and calculated by the monitoring data to achieve accurate on-line detection resistance of each battery.Practice proves that the system not only can conduct secure online detection and fault diagnosis，but also has simple application，wide application，low cost and high accuracy.

on-line detection;battery internal resistance;high frequency rectification;exciting current

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0844-02

2015-09-05

黃祖成(1973—)，男，廣東省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)運(yùn)行管理。