一種蓄電池內阻在線檢測直流電源系統的研究

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)

一種蓄電池內阻在線檢測直流電源系統的研究

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)

針對目前直流電源中因蓄電池串聯使用，電池內阻檢測難度大，無法準確判斷蓄電池性能，設計了一種基于蓄電池間接并聯使用的直流電源系統，系統通過由模塊發出高頻檢測信號注入蓄電池中，由監控對數據進行計算，實現系統對每只蓄電池的內阻在線精確檢測。實踐證明，該系統不僅可以對蓄電池進行安全的在線檢測和故障診斷，而且應用簡單、適用范圍廣、成本較低、測量精度高。

在線檢測；蓄電池內阻；高頻整流；激勵電流

直流系統作為發電廠、變電站的能源中心，為控制回路、信號回路、事故照明回路、繼電保護裝置、自動裝置以及逆變電源等提供可靠的直流電源，對保證變電站所有一次、二次設備的安全運行起著至關重要的作用[1-2]。

蓄電池是直流系統的重要組成部分，決定了系統的后備時間。而蓄電池的內阻大小決定了其性能的好壞，內阻越大，蓄電池自身消耗的能量越多，蓄電池的使用效率越低。如果蓄電池內阻過大，在其充電時發熱將十分嚴重，產生的熱量無法及時散發時，會進一步引發電池的熱失控，電池內部會隨之產生巨大的壓強[3-4]。當蓄電池內的壓強超過一定值時，將引起電池的爆炸及火災，后果將非常嚴重。而傳統的直流系統往往只能對電池進行接線端電壓與溫度的在線測量，無法對電池的內阻進行在線測量，當要對電池內阻測量時，只能將電池組斷電脫離系統后再進行測量，需要耗費大量的人力、物力和時間[5-7]。本文設計了一種基于蓄電池間接并聯使用的直流電源系統，系統通過由模塊發出高頻檢測信號注入蓄電池中，由監控對數據進行計算，實現系統對每只蓄電池的內阻在線精確檢測。

1 傳統直流電源蓄電池狀況

傳統直流系統由交流電源、蓄電池組、充電機組、蓄電池巡檢儀、調壓硅鏈等部分構成，系統構成原理圖如圖1。

圖1 傳統的直流系統原理圖

系統中多個蓄電池串聯后并聯于系統的母線上，作為直流系統的后備電源。由蓄電池巡檢儀對蓄電池進行實時檢測，充電機組對蓄電池組進行充電管理。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出蓄電池的實際性能。在許多情況下，蓄電池端電壓雖然在正常范圍內，但是其實際可放容量卻已經低于80%額定容量，難以提供足夠的后備時間。這時，如果站內交流電源失電，將面臨全站保護失效開關無法動作而造成全站失電的重大事故。蓄電池的串聯使用，蓄電池組性能最低的電池決定整組蓄電池的性能。如某一只蓄電池損壞，則整個蓄電池組將無法輸出，直流電源系統處于無后備電源的危險中。

直流電源的用戶一直非常渴望一種更直接檢測蓄電池性能的方法，最好是在不影響直流供電的情況下對蓄電池的性能進行檢查，以便及時更換損壞蓄電池。避免因為蓄電池損壞帶來的安全隱患，提高變電站供電的可靠性。

蓄電池的內阻值是蓄電池性能好壞的重要體現，當蓄電池內阻大于一定的數值或兩次測量值突變超過50%，即可判定該蓄電池已經損壞，需要及時更換。目前因蓄電池內阻檢測技術的限制，直流系統中蓄電池的檢測必須先用一組蓄電池替換原蓄電池組，再用專業設備對蓄電池逐只進行內阻測試。

2 蓄電池內阻在線檢測直流系統

3 電源模塊的軟硬件設計

3.1 電源模塊的硬件設計

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

電源模塊內的蓄電池監測電路原理如圖4所示。在系統需要進行蓄電池內阻測量時，該系統中的一個智能模塊啟動恒流發生器給蓄電池一個穩定的正弦信號，蓄電池兩端上的電壓響應信號通過交流差分電路與產生恒定交流源的正弦信號經過模擬乘法器相乘，再將模擬乘法器的輸出電壓信號通過濾波電路使交流信號轉變為直流信號，直流信號經直流放大器后進行模數轉換，將轉換后的值送入單片機進行處理，得到電池的內阻值，并對本次內阻數據與內阻歷史數據進行對比分析和判斷，將內阻數據及判斷結果上傳到后臺監控系統。當系統中一個蓄電池內阻測試完成后，監控單元控制系統中另一個智能單元對蓄電池內阻進行測量，直到整個系統中所有蓄電池都完成內阻測試，電池內阻測試過程結束。

圖3 電源模塊原理框圖

圖4 電源模塊蓄電池內阻檢測原理圖

3.2 蓄電池內阻檢測方法

智能模塊在對電池內阻進行測量時，在電池兩個端子施加一頻率為(1.0±0.1)kHz的恒定交流激勵電流信號，另兩個端子用于測量。響應電壓信號是指蓄電池注入恒定交流激勵電流信號后，在其兩端測出的交流電壓信號，正弦信號是經D/A產生的作為恒流發生器的輸入信號。設正弦信號為：

蓄電池兩端的響應電壓信號為：

式中：θ為注入蓄電池的交流電流和其兩端響應電壓信號的相位差。

通過模擬乘法器后有：

進行低通濾波后濾掉交流成分得：

由交流法測內阻原理得：

比較式(4)～式(5)可得：

4 結論

蓄電池內阻在線檢測直流電源利用蓄電池間接串聯使用特性，由電源模塊與蓄電池一對一的使用并測量其阻值。直流電源系統定時對每一只蓄電池進行內阻測試，在對蓄電池內阻測量過程中，對直流供電無任何影響。其所測得的數據存儲于系統監控器中，并可上傳至后臺，維護人員可通過后臺遠程了解系統蓄電池性能狀態，大大提高直流電源可靠性，減少了現場維護人員的工作量，推進電網智能化、現代化的建設。

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

[2]余靚.淺談35kV-110kV變電站直流系統運行和維護[J].電源技術應用，2013(3)：137.

[3]王杰.基于間接并聯智能電池組件的一體化電源應用研究[J].湖北電力，2011(S1)：98-100.

[4]王連輝.蓄電池使用壽命的提高及直流系統的運行維護技術[J].電氣技術，2008(4)：62-65.

[5]王秀霞.固定型閥控式鉛酸蓄電池組充放電試驗與運行分析[J].東北電力技術，2009(1)：31-33.

[6]崔瓊，舒杰，吳志鋒，等.應用牛頓插值法估算鉛酸蓄電池SOC [J].電力電子技術，2013(7)：46-48.

[7]宮佑軍.閥控式鉛酸蓄電池工作點的正確設置[J].通信電源技術，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，高級工程師，主要研究方向為配網運行管理。