CN107782974A - 一种蓄电池内阻在线检测方法及装置 - Google Patents

一种蓄电池内阻在线检测方法及装置 Download PDF

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王学云
李海涛
陈明
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提供一种蓄电池内阻在线检测的方法及装置，该方法是在对蓄电池进行浮充充电过程上，通过对在浮冲电压一的情况下对蓄电池进行两次较大电流放电后记录停止放电时刻的电流I1和I2以及电压U1和U2；然后利用公式R=（U2‑U1）/（I1‑I2）计算蓄电池内阻，该装置包括充电电路。放电电路以及检测的电流和电压的电路和处理电路。通过本发明的方法，可实时在线检测蓄电池的内阻，相比交流注入法和一次放电直流法，二次放电直流法不受电源***纹波电流的干扰，测量更准确，更加适合在线下的内阻测量。蓄电池内阻的准确检测为其正常工作提供了可靠保障，对提高直流***的安全运行有着十分重要的意义。

Description

一种蓄电池内阻在线检测方法及装置
技术领域
本发明涉及检测蓄电池内阻的领域，特别涉及一种铅酸蓄电池内阻的在线检测方法及装置。
背景技术
铅酸蓄电池作为电源***停电时的备用电源，广泛应用于通信、电力、轨道交通、金融等行业。如果电池失效或备电时间不足，就有可能造成重大事故，所以必须对蓄电池的运行参数进行全面的在线监测，内阻就是监测蓄电池状态的重要指标之一。蓄电池的容量不足，提前失效，性能恶化都能从内阻的变化体现出来。比如铅酸蓄电池在长期浮充状态下会不可避免的产生硫化现象，导致放电时间缩短，其直观的表现就是内阻增大，因此可通过内阻检测对电池的硫化进行提前预判，从而采取相应的预防措施。现在测量蓄电池内阻的方法有：
（1）密度法
密度法主要是通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口型铅酸电池的内阻测量，不适合阀控密封型铅酸蓄电池的内阻测量，该方法适用范围很窄，而且误差很大。
（2）开路电压法
开路电压法是通过测量蓄电池端电压来估算蓄电池的内阻，对于新电池比较适用，对旧电池误差很大，甚至得出错误结论。因为后备电源的蓄电池日常都是处在浮充状态下，即使蓄电池性能已经变得很差，电压仍可能表现的很正常。
（3）交流注入法
交流注入法是通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号Is，然后测量出蓄电池两端的电压响应信号V0以及两者的相位差θ，由阻抗公式：
Z=V0/Is及R=Zcosθ
计算得出蓄电池的内阻R。交流注入法的电流频率一般选择在100Hz到1KHz之间。根据电池内阻的阻抗频谱特性，在该频率范围内可以相对稳定获得电池组内部的高频电阻，市面上有一些便携式内阻测试仪采用的是这种方法。
由于密度法和开路电压法自身的局限性，很少有应用在蓄电池内阻的在线测量中，当前蓄电池内阻在线监测设备使用的都是交流注入法或直流放电法。相比较而言，交流注入法不需要对蓄电池进行放电，只需要利用一个交流注入信号发生器来给电池施加几百毫安左右的交流电流，所以一般采用交流注入法测试内阻的仪器设备可以设计的比较小巧。但是在检测精度方面，不如直流法，因为注入的交流信号只有几百毫安，在线测试时很难抵抗来自***纹波电流的干扰，从而造成测量误差。在一个UPS***中，逆变器在逆变过程中会产生2次、4次与6次纹波电流，这种纹波电流会倒灌到蓄电池上，表1专门列出了纹波对用交流法测量内阻的影响：测量12V电池时，50Hz频率/1A的纹波电流，其多次谐波对监测设备测量精度的影响为1.3%+4.1%+0.7%=6.1%。而在好多大型UPS***中，其纹波远远大于1A，因此，采用交流法测量内阻往往无法在大型UPS***与高频UPS中应用。
表1
（4）
（5）直流放电法
直流放电法是通过对电池进行短时间大电流放电，测量电池上的电压降，再通过欧姆定律R=（U1-U2）/I计算出电池内阻，U1，U2分别是放电前后电池的端电压，I是放电电流，直流放电时间很短，一般几秒或几十秒钟。蓄电池的内阻通常在毫欧级甚至微欧级，由于直流法放电电流可以设计的较大，电压降随之也大，所以能够准确的测量内阻，同时直流放电法克服了交流注入法纹波干扰的问题。但是上面的欧姆定律公式必须在静态或脱机的状态下，才能实现内阻的测量，无法真正实现蓄电池的在线测量。因为后备电源***中的蓄电池都处于浮充状态下，计算公式由此演变成R=（U浮-U2）/I，而U浮反映的不是电池本身的电压，所以直接采用这种方法进行在线内阻测量，误差也较大。
发明内容
本发明的目的是针对目前蓄电池内阻的上述检测方法的不足，提供一种蓄电池内阻在线检测的方法及装置，实现后备电源蓄电池特别是铅酸蓄电池内阻的在线检测。该方法对上面的直流放电法进行了重新修正，使其适合在线测量，误差更小。通过这套方法，可以方便快捷、实时地检测蓄电池的内阻，从而进一步判断蓄电池的当前状态，为铅酸蓄电池的维护工作提供依据。
本发明为实现其目的所采用的技术方案是：一种蓄电池内阻在线检测方法，包括以下步骤：
步骤1、浮充状态下对蓄电池放电第一设定时间，记录放电截止时刻的电压U1和电流I1；
步骤2、保持蓄电池浮充第二设定时间；
步骤3、浮充状态下对蓄电池放电第三设定时间，记录放电截止时刻的电压U2和电流I2；
步骤4、利用公式R=（U2-U1）/（I1-I2），计算出蓄电池的内阻R。
通过本发明的方法，可实时在线检测蓄电池的内阻，相比交流注入法和一次放电直流法，二次放电直流法不受电源***纹波电流的干扰，测量更准确，更加适合在线下的内阻测量。蓄电池内阻的准确检测为其正常工作提供了可靠保障，对提高直流***的安全运行有着十分重要的意义。
进一步的，上述的蓄电池内阻在线检测方法中：步骤1和步骤3中，对蓄电池的放电电流远大于浮充充电电流。
进一步的，上述的蓄电池内阻在线检测方法中：步骤1中，对蓄电池的放电电流为15~30A，步骤3中，对蓄电池的放电电流为5~10A。
进一步的，上述的蓄电池内阻在线检测方法中：所述的第一设定时间为5~10s，第三设定时间为15~30s。
进一步的，上述的蓄电池内阻在线检测方法中：第二设定时间为第一次放电结束后，浮充电压恢复到第一次放电前的水平所需要的时间。
进一步的，上述的蓄电池内阻在线检测方法中：第二设定时间在3~5min之间。
进一步的，上述的蓄电池内阻在线检测方法中：所述的蓄电池为铅酸蓄电池。
进一步的，上述的蓄电池内阻在线检测方法中：在在线检测过程中实现对蓄电池的放电电压和放电电流全程监测。
本发明还提供了一种蓄电池内阻在线检测装置，包括：
充电装置，所述的充电装置配置为对被测蓄电池进行浮充充电；
放电电路，所述的放电电路配置为两端与被测蓄电池连接或者断开状态，放电电流远大于浮充充电电流；
开关电路，所述的开关电路配置实现所述的放电电路与被测蓄电池连接或者断开；
电流检测电路，所述的电流检测电路配置为检测被测蓄电池充放电电流；
电压检测电路，所述的电压检测电路配置为检测被测蓄电池两端电压；
处理电路，所述的处理电路配置为在开关电路实现所述的放电电路与被测蓄电池第一次连接后断开时第第二次连接后断开时的，采集电流检测电路检测到的电流I1和电流I2，和电压检测电路检测到的电压U1和电压U2；并计算蓄电池的内阻R=（U2-U1）/（I1-I2）。
利用本发明的蓄电池内阻在线检测装置可以非常精确地在线测量蓄电池的内阻。
进一步的，上述的蓄电池内阻在线检测装置中：所述的开关电路中，还配置有定时电路，所述的定时电路配置为所述的放电电路与被测蓄电池连接5~10s后断开，断开3-5min后再连接，15~30s后再断开。
下面结合具体实施例对本发明作较为详细的描述。
附图说明
图1是本发明实施例1流程图。
图2是本发明实施例1结构图。
具体实施方式
实施例1，本实施例是一种对UPS中的铅酸蓄电池进行在线测量内阻的方法，如图1所示为本方法的流程图。图2是实现本方法的在线测量蓄电池内阻的装置原理框图。实践上，后备电源中的铅酸蓄电池是一直处于UPS充电电路利用市电对其进行浮充充电的状态，而蓄电池的相关指标可通过电池管理***在线监测，本实施例中，对电池管理***进行充分利用就可以利用本方法实时在线对铅酸蓄电池进行内阻检测，如图2所示，检测装置具中包括：
充电装置，充电装置配置为对被测蓄电池进行浮充充电；可以直接利用UPS中的充电电路。
放电电路，放电电路配置为两端与被测蓄电池连接或者断开状态，放电电流远大于浮充充电电流；这个可以利用电池管理***中的电阻作为放电电路。实践中，浮充充电电流一般小于1A，而放电电路的电流在好几安培甚至几十安培，比浮充充电电流大一个量级，这时远大于可以理解为十倍以上，也就是我们平常认为的大一个数量级，就是远大于。
开关电路，开关电路配置实现所述的放电电路与被测蓄电池连接或者断开；利用设置在电池管理***电路板上的开关电路。
电流检测电路，电流检测电路配置为检测被测蓄电池充放电电流；电压检测电路，电压检测电路配置为检测被测蓄电池两端电压；这两个在电池管理***中分别加以利用，实现对蓄电池的电流和电压进行实时测量的电路。
处理电路，处理电路配置为在开关电路实现所述的放电电路与被测蓄电池第一次连接后断开时第第二次连接后断开时的，采集电流检测电路检测到的电流I1和电流I2，和电压检测电路检测到的电压U1和电压U2；并计算蓄电池的内阻R=（U2-U1）/（I1-I2）。处理电路本身利用电池管理***可以实现。
测量过程如下：
1）浮充状态下的蓄电池第一次以15~30A电流放电5~10s，记录放电截止电压U1和电流I1；放电电流要求远大于浮充充电电流，本实施例中采用25A左右的放电电流即可，记录停止放电时序的电压，本实施例的放电电流达到了浮充充电电流的30到50倍了，因此，这里与流出蓄电池的电流相比，流入蓄电池的电流就可以忽略不计了。
2）间隔3~5min；间隔时间是以第一次放电后，蓄电池的浮充电压恢复到放电前的浮充电压即可，一般是3~5min，本实施例中，停4分钟就可以了。
3）蓄电池第二次以5~10A电流放电15~30s，记录放电截止电压U2和电流I2；与第一次放电一样，放电电流和时间也可以根据实践调整，实践中，本实施例放电电流采用8A，放电时间20s即可，8A的放电电流也在浮充充电电流的十倍以上，与放电电流相比，浮充充电电流也可以忽略不计，记录停止放电时刻的电压。
4）利用R=（U2-U1）/（I1-I2），即可算出蓄电池的内阻。
内阻作为蓄电池最重要的参数之一，与容量有着密切的关系。它不仅反映蓄电池当前的荷电状态，而且还反映蓄电池的劣化情况，其变化程度直接影响蓄电池的寿命。因此，通过内阻来评价蓄电池的性能，实现对蓄电池的维护，是行业内公认的有效方法之一。下表是部分规格铅酸蓄电池出厂时的内阻标称值，可以看出，容量越大，蓄电池的内阻反而越小如表2所示。利用本实施例的方法，测量可以得到基本相同的结果，说明本方法的精度还是很高的。上面实施例采用的方法是测量铅酸蓄电池，在实践中非铅酸蓄电池测量内阻时也可以使用这样的方法和装置，并且也有不错的效果，精度也很高。
表2（考虑了一下，2V电池还是不要列出了）
为了排除在线浮充电压的干扰，我们采用二次放电的方式，第一次大电流I1放电，放电时间t1秒，放电截止电压U1，第二次小电流I2放电，放电时间t2秒，放电截止电压U2。两次放电之间间隔一段时间，使第二次放电前的浮充电压与第一次放电前的浮充电压一致。考虑到内阻检测是集成于在线监测设备中，电池的端电压，电流，时间都能很轻易的采集到。由此，可以得到：
U浮= U1 + I1 R= U2 + I2 R
那么，内阻R=（U2-U1）/（I1-I2）。

Claims (10)

1.一种蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、浮充状态下对蓄电池放电第一设定时间，记录放电截止时刻的电压U1和电流I1；
步骤2、保持蓄电池浮充第二设定时间；
步骤3、浮充状态下对蓄电池放电第三设定时间，记录放电截止时刻的电压U2和电流I2；
步骤4、利用公式R=（U2-U1）/（I1-I2），计算出蓄电池的内阻R。
2.根据权利要求1所述的蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于：步骤1和步骤3中，对蓄电池的放电电流远大于浮充充电电流。
3.根据权利要求2所述的蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于：步骤1中，对蓄电池的放电电流为15~30A，步骤3中，对蓄电池的放电电流为5~10A。
4.根据权利要求3所述的蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于：所述的第一设定时间为5~10s，第三设定时间为15~30s。
5.根据权利要求4所述的蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于：第二设定时间为第一次放电结束后，浮充电压恢复到第一次放电前的水平所需要的时间。
6.根据权利要求5所述的蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于：第二设定时间在3~5min之间。
7.根据权利要求1至6中任一所述的蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于：所述的蓄电池为铅酸蓄电池。
8.根据权利要求7所述的蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于：在在线检测过程中实现对蓄电池的放电电压和放电电流全程监测。
9.一种蓄电池内阻在线检测装置，其特征在于：包括：
充电装置，所述的充电装置配置为对被测蓄电池进行浮充充电；
放电电路，所述的放电电路配置为两端与被测蓄电池连接或者断开状态，放电电流远大于浮充充电电流；
开关电路，所述的开关电路配置实现所述的放电电路与被测蓄电池连接或者断开；
电流检测电路，所述的电流检测电路配置为检测被测蓄电池充放电电流；
电压检测电路，所述的电压检测电路配置为检测被测蓄电池两端电压；
处理电路，所述的处理电路配置为在开关电路实现所述的放电电路与被测蓄电池第一次连接后断开时第二次连接后断开时的，采集电流检测电路检测到的电流I1和电流I2，和电压检测电路检测到的电压U1和电压U2；并计算蓄电池的内阻R=（U2-U1）/（I1-I2）。
10.根据权利要求9所述的蓄电池内阻在线检测装置，其特征在于：所述的开关电路中，还配置有定时电路，所述的定时电路配置为所述的放电电路与被测蓄电池连接5~10s后断开，断开3-5min后再连接，15~30s后再断开。
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