一种蓄电池内阻在线检测直流电源系统的研究

黄祖成， 马 力， 周贤培

(1.广州供电局有限公司萝岗供电局，广东广州510000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，广东深圳518057)

一种蓄电池内阻在线检测直流电源系统的研究

黄祖成1， 马 力1， 周贤培2

(1.广州供电局有限公司萝岗供电局，广东广州510000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，广东深圳518057)

针对目前直流电源中因蓄电池串联使用，电池内阻检测难度大，无法准确判断蓄电池性能，设计了一种基于蓄电池间接并联使用的直流电源系统，系统通过由模块发出高频检测信号注入蓄电池中，由监控对数据进行计算，实现系统对每只蓄电池的内阻在线精确检测。实践证明，该系统不仅可以对蓄电池进行安全的在线检测和故障诊断，而且应用简单、适用范围广、成本较低、测量精度高。

在线检测；蓄电池内阻；高频整流；激励电流

直流系统作为发电厂、变电站的能源中心，为控制回路、信号回路、事故照明回路、继电保护装置、自动装置以及逆变电源等提供可靠的直流电源，对保证变电站所有一次、二次设备的安全运行起着至关重要的作用[1-2]。

蓄电池是直流系统的重要组成部分，决定了系统的后备时间。而蓄电池的内阻大小决定了其性能的好坏，内阻越大，蓄电池自身消耗的能量越多，蓄电池的使用效率越低。如果蓄电池内阻过大，在其充电时发热将十分严重，产生的热量无法及时散发时，会进一步引发电池的热失控，电池内部会随之产生巨大的压强[3-4]。当蓄电池内的压强超过一定值时，将引起电池的爆炸及火灾，后果将非常严重。而传统的直流系统往往只能对电池进行接线端电压与温度的在线测量，无法对电池的内阻进行在线测量，当要对电池内阻测量时，只能将电池组断电脱离系统后再进行测量，需要耗费大量的人力、物力和时间[5-7]。本文设计了一种基于蓄电池间接并联使用的直流电源系统，系统通过由模块发出高频检测信号注入蓄电池中，由监控对数据进行计算，实现系统对每只蓄电池的内阻在线精确检测。

1 传统直流电源蓄电池状况

传统直流系统由交流电源、蓄电池组、充电机组、蓄电池巡检仪、调压硅链等部分构成，系统构成原理图如图1。

图1 传统的直流系统原理图

系统中多个蓄电池串联后并联于系统的母线上，作为直流系统的后备电源。由蓄电池巡检仪对蓄电池进行实时检测，充电机组对蓄电池组进行充电管理。目前蓄电池巡检仪仅能采集蓄电池的端电压，但是蓄电池端电压并不能很好地体现出蓄电池的实际性能。在许多情况下，蓄电池端电压虽然在正常范围内，但是其实际可放容量却已经低于80%额定容量，难以提供足够的后备时间。这时，如果站内交流电源失电，将面临全站保护失效开关无法动作而造成全站失电的重大事故。蓄电池的串联使用，蓄电池组性能最低的电池决定整组蓄电池的性能。如某一只蓄电池损坏，则整个蓄电池组将无法输出，直流电源系统处于无后备电源的危险中。

直流电源的用户一直非常渴望一种更直接检测蓄电池性能的方法，最好是在不影响直流供电的情况下对蓄电池的性能进行检查，以便及时更换损坏蓄电池。避免因为蓄电池损坏带来的安全隐患，提高变电站供电的可靠性。

蓄电池的内阻值是蓄电池性能好坏的重要体现，当蓄电池内阻大于一定的数值或两次测量值突变超过50%，即可判定该蓄电池已经损坏，需要及时更换。目前因蓄电池内阻检测技术的限制，直流系统中蓄电池的检测必须先用一组蓄电池替换原蓄电池组，再用专业设备对蓄电池逐只进行内阻测试。

2 蓄电池内阻在线检测直流系统

3 电源模块的软硬件设计

3.1 电源模块的硬件设计

电源模块是电池并联供电的直流系统的核心组成部分，单个电源模块主要由AC/DC充电模块、DC/DC升压模块、蓄电池DC/DC充放电模块、蓄电池内阻检测模块和通信部分组成。该模块内部AC/DC单元采用高频整流方式，模块整流效率更高，高达94%，其原理框图如图3所示。

电源模块内的蓄电池监测电路原理如图4所示。在系统需要进行蓄电池内阻测量时，该系统中的一个智能模块启动恒流发生器给蓄电池一个稳定的正弦信号，蓄电池两端上的电压响应信号通过交流差分电路与产生恒定交流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过滤波电路使交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器后进行模数转换，将转换后的值送入单片机进行处理，得到电池的内阻值，并对本次内阻数据与内阻历史数据进行对比分析和判断，将内阻数据及判断结果上传到后台监控系统。当系统中一个蓄电池内阻测试完成后，监控单元控制系统中另一个智能单元对蓄电池内阻进行测量，直到整个系统中所有蓄电池都完成内阻测试，电池内阻测试过程结束。

图3 电源模块原理框图

图4 电源模块蓄电池内阻检测原理图

3.2 蓄电池内阻检测方法

智能模块在对电池内阻进行测量时，在电池两个端子施加一频率为(1.0±0.1)kHz的恒定交流激励电流信号，另两个端子用于测量。响应电压信号是指蓄电池注入恒定交流激励电流信号后，在其两端测出的交流电压信号，正弦信号是经D/A产生的作为恒流发生器的输入信号。设正弦信号为：

蓄电池两端的响应电压信号为：

式中：θ为注入蓄电池的交流电流和其两端响应电压信号的相位差。

通过模拟乘法器后有：

进行低通滤波后滤掉交流成分得：

由交流法测内阻原理得：

比较式(4)～式(5)可得：

4 结论

蓄电池内阻在线检测直流电源利用蓄电池间接串联使用特性，由电源模块与蓄电池一对一的使用并测量其阻值。直流电源系统定时对每一只蓄电池进行内阻测试，在对蓄电池内阻测量过程中，对直流供电无任何影响。其所测得的数据存储于系统监控器中，并可上传至后台，维护人员可通过后台远程了解系统蓄电池性能状态，大大提高直流电源可靠性，减少了现场维护人员的工作量，推进电网智能化、现代化的建设。

[1]王洪，林雄武，张广辉，等.直流并联技术在电力系统应急电源中的研究[J].电源技术，2013(3)：492-494，508.

[2]余靓.浅谈35kV-110kV变电站直流系统运行和维护[J].电源技术应用，2013(3)：137.

[3]王杰.基于间接并联智能电池组件的一体化电源应用研究[J].湖北电力，2011(S1)：98-100.

[4]王连辉.蓄电池使用寿命的提高及直流系统的运行维护技术[J].电气技术，2008(4)：62-65.

[5]王秀霞.固定型阀控式铅酸蓄电池组充放电试验与运行分析[J].东北电力技术，2009(1)：31-33.

[6]崔琼，舒杰，吴志锋，等.应用牛顿插值法估算铅酸蓄电池SOC [J].电力电子技术，2013(7)：46-48.

[7]宫佑军.阀控式铅酸蓄电池工作点的正确设置[J].通信电源技术，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

黄祖成(1973—)，男，广东省人，高级工程师，主要研究方向为配网运行管理。