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高可靠電力保障領域的最后一道防線

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年11月09日  

1、引言


蓄電池作為直流電源系統的核心組成部分,起著儲備電能、應付電網異常和特殊工作情況、維持系統正常運轉的關鍵作用,是需要高可靠電力保障領域的最后一道防線。當前,蓄電池在線監測及狀態評估逐漸被人們所重視,在電力、通信等行業應用越來越廣泛,然而,蓄電池在線監測及狀態評估所采用關鍵技術—內阻測量技術,并不被人們所了解,還存在模糊的認識。



2、蓄電池狀態在線評估


目前對蓄電池(落后)狀態在線評估有浮充電壓監測法和蓄電池內阻監測法。


浮充電壓監測法過去曾廣泛采用,但是理論分析和大量實驗證明,浮充電壓與蓄電池的(落后)狀態及預計使用壽命無關,因此現在已不在用于對蓄電池的狀態進行評估。


理論分析和大量實驗證明,蓄電池(落后)狀態及預計使用壽命與其內阻具有密切的關系,目前國內外使用的蓄電池監測設備及蓄電池狀態分析設備都是以蓄電池內阻為主要指標,結合蓄電池內阻的變化速率及歷史數據,建立專家系統,對蓄電池(落后)狀態進行在線評估,預計其使用壽命。


電站蓄電池往往采用大容量蓄電池,其內阻極其微小,為幾十到數百微歐,甚至接頭的緊固的松緊程度都會對測量結果不影響,并且蓄電池在線工作是因為充電裝置產生一定的紋波干擾,因而傳統的電阻測量技術難以達到要求,應采用微電阻精密測量技術進行蓄電池內阻測量,以對蓄電池內阻微歐級這樣微小的變化做出的反映。


3、蓄電池的內阻模型


圖1(a)為蓄電池簡化等效電路,圖中RC1和RC2分別為正負電極的極化電阻,C1和C2是正負電極的雙電層電容,RΩ是蓄電池的歐姆電阻。圖(a)還可以進一步簡化為(b),圖中R和為蓄電池的極化電阻,C為兩電極雙電層電容等效值。蓄電池連接部分主要是歐姆電阻,而電極活性物質部分既有歐姆電阻又有極化電阻。



(1)歐姆電阻:由極板、匯流排、極柱、電解液、隔膜等的電阻組成,它們服從歐姆定律。


(2)極化電阻:包括濃差極化電阻和電化學極化電阻,它們由擴散極化電阻、電荷傳遞電阻組成,是由電極動力學過程和物質轉移引起,它們不服從歐姆定律。


濃差極化:電流通過蓄電池后,引起正負電極表面附近的電解液濃度變化,進而產生濃極化電動勢η+、η-,其大小與電流大小、溫度、電極反應速率、電遷移、擴散速度有關。


電化學極化:當電流通過蓄電池時,由于電極過程某一步的遲緩,阻礙了電極過程的進行,使電極電位離開平衡電極電位。其大小與電流大小、溫度、電極真實有效表面積等因素有關。


4、影響蓄電池內阻的因素


影響蓄電池內阻的因素主要有:


(1)蓄電池的落后程度:隨著蓄電池使用時間的增加,由于電池失水、極板及連接條的腐蝕、極板的硫酸化、極板的變形及活性物質的脫落等因素,造成蓄電池容量減小,蓄電池的內阻逐漸變大。


(2)蓄電池的荷電量:同一只蓄電池,放電程度不同,由于蓄電池電解液深度、電極表面反應物質的厚度、電極表面的孔隙率明顯不同,而使蓄電池的內阻差異很大。放電程度越深,蓄電池的內阻越大。


因而在對蓄電池落后狀態進行評估時,同一生產廠家同一型號的蓄電池應建立統一的內阻標準,應將電池充滿電后再進行內阻測量,對照標準對蓄電池落后狀態進行評估,如果未充滿電,由于無法區分是蓄電池落后狀態引起的內阻增加,還是蓄電池荷電狀態引起的內阻增加,而使評估失去意義。


(3)溫度:隨著溫度的升高,反應物質的擴散、電荷傳遞、電極動力學過程和物質轉移更容易進行,因而蓄電池內阻減小。


(4)蓄電池的型號:不同生產廠家、不同種類、不同型號的蓄電池,由于電極、電解液、隔膜的材料配方不同、電池的結構不同、裝配工藝不同而使蓄電池內阻產生差異。


(5)測量信號頻率:目前許多蓄電池內阻測量實際上測的是蓄電池的阻抗,而蓄電池并非純電阻特性,還包含電容,因而其阻抗大小和測量信號頻率有關,使蓄電池內阻測量結果不具有客觀性。


為使蓄電池內阻測量結果具有客觀性,應根據測量信號電流和電壓的相位關系,用解析的方法去除蓄電池電容對測量結果的影響,使測量結果和測量信號頻率無關,即在任何測量信號頻率下,內阻測量結果具有唯一性。


(6)測量時間和測量電流大小:在采用較大測量電流的情況下,在施加測量信號和關閉測量信號的瞬間,由于極化和建立和穩定是個變化的過程,不同的測量電流,不同的測量時間,極化是不同的,使蓄電池內阻測量結果不具有客觀性。


為使蓄電池內阻測量結果具有客觀性,應盡量用較小的信號電流進行內阻測量,根據實驗,測量電流應≤0.05C10,其中C10為10小時放電率下蓄電池的容量。使內阻測量結果與測量時間及測量電流大小無關,內阻測量結果具有唯一性。


5、交流放電法蓄電池的內阻測量技術


交流放電法蓄電池測量技術,是在交流注入法蓄電池內阻測量技術的基礎上的更進一步發展,該方法綜合了交流注入法和直流放電法的優點。其原理是CpU通過D/A控制智能負載,使蓄電池向智能負載放電,產生一個低頻(頻率小于100Hz),幅值約為0.01C10~0.05C10的正弦波交流信號(有效信號,頻率為f0,角速度ω0=2πf0):I=I0Sin(ω0t),其中C10為10小時放電率下蓄電池的容量。相應地,在電池上產生的電壓響應為:U=U0Sin(ω0t+φ),阻抗為:Z(ω)=U0/I0×ejφ。


交流放電法蓄電池內阻測量原理圖、測量信號波形圖見圖2、圖3。




(1)MOS管:MOS管的作用是由CpU通過D/A控制MOS管,使蓄電池向負載放電,產生特定頻率的、幅值穩定的正弦波激勵信號。


(2)多路開關:多路開關由CpU控制,進行信號的切換,以實現蓄電池組中每節蓄電池內阻的測量。


(3)耦合電容:耦合電容作用是隔離直流,而使交流信號順利通過。為保證測量電路的精度,耦合電容要保證嚴格的匹配性。


(4)可編程帶通濾波器:蓄電池在線工作時,充電裝置紋波電流可能相當大,一些UpS電源的紋波電流有幾安甚至幾十安,遠大于測量信號,如果不采用濾波,后級的放大器將會飽和。帶通濾波器的設計可以使頻率接近為測量信號頻率的信號可以通過,而其他頻率的信號不能通過。這樣后級的放大器可以將微弱的測量信號進行有效放大。


(5)高速同步A/D轉換器:該器件為高速同步A/D轉換器,實現電流信號和電壓信號的高速同步采樣,確保電流信號和電壓信號的嚴格的相位關系前提下,將模擬信號轉換為數字信號。


(6)DSp:雖然經過前級的濾波去除了大部分干擾信號,但仍有相當的干擾信號和有效信號一起被采樣進來,如不進行處理,將會嚴重影響測量精度。由于只有頻率為f0的信號為有效信號,利用DSp的數字運算能力,對采樣信號用FFT算法分別提取電流、電壓采樣信號中頻率為f0的信號部分進行運算。


電流、電壓采樣信號送入DSp后,DSp對信號進行如下處理:


(a)對電流和電壓采樣信號進行FFT變換,分別計算出電流信號及電壓信號的頻譜分布;


(b)分別提取頻率為f0的電流信號和電壓信號:


電流信號:I=I0Sin(ω0t+φ1)


電壓信號:U=U0Sin(ω0t+φ2)


(c)計算蓄電池的阻抗、內阻及相位差:


阻抗為:Z(ω)=U0/I0×ejφ。


相位差為:φ=φ2-φ1


蓄電池內阻R=|Z(ω)|×Cosφ


(d)將結果送入CpU,并進一步顯示、存貯,以有進行其他分析。


(7)CpU:采用philip公司ARM芯片LpC2478,對各個單元進行控制管理,以及和其他設備進行通訊。


交流放電法蓄電池內阻測量的特點:


(1)安全可靠。蓄電池工作主回路不接入任何器件,測量回路設計有10KΩ限流電阻和保險管,測量回路為高阻設計,蓄電池工作回路和測量回路安全獨立,互不影響,可以在蓄電池在線工作時更換蓄電池監測設備。


(2)放電電流小,對蓄電池無損害。放電電流為0.01C10~0.05C10,不對蓄電池產生沖擊,不會造成柵板變形及活性物質脫落,對蓄電池壽命無影響。


(3)抗干擾性強,適應于對工作中的蓄電池進行實時在線監測。采用可編程帶通濾波器進行濾波,并數字信號處理技術對信號進行處理,有效地消除了直流充電裝置紋波對測量的影響,具有很好的抗干擾性能,適應于對工作中的蓄電池進行實時在線監測。


(4)測試精度高,狀態評估和奉命預測準確。帶通濾波器+多級高精度運算放大器+數字信號處理,使蓄電池內阻測試精度遠高于傳統的直流放電法和交流注入法蓄電池內阻測量技術。準確的蓄電池(老化)狀態在線評估及壽命預測要求對蓄電池內阻微歐級這樣微小的變化做出的反映,蓄電池內阻在線測試精度要在2%以內,重復精度在1%以內,目前傳統的直流放電法和交流注入法是無法達到的。


(5)測試結果是蓄電池的真實內阻,和測量時間、信號頻率、測試電流大小無關,具有客觀性,也便于數據的橫向比較。


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