Ups電池在線監測方法及其裝置的制作方法

專利名稱：Ups電池在線監測方法及其裝置的制作方法
發明所屬領域本發明涉及對UPS電池組的電池單體及整體進行在線監測，從而發現容量不足的電池或有故障的電池技術，是UPS電池在線監測方法及其裝置。
傳統的蓄電池檢測是對每一蓄電池測量充放電曲線、電解液比重、溫度后判定電池容量，這種方法耗能大，測量時間長。現今這類國內外具有多種電池檢測儀器，如國外的產品有日本HIOKI的“3551型電池測試儀”、美國MICROCELLTRON公司的“CTM-300蓄電池電導儀”等產品，它們僅僅是通過檢測電池的內阻或電導來判定電池的優劣，同時它們對電池的檢測是通過人工測量，不具備實時性和在線性。現國內已開發出在線式電池檢測系統，如北京齊納公司、上海宇宏公司的產品。他們往往是通過電壓檢測法來完成電池的檢測，而單獨的電壓檢測法根本無法解決故障電池作為電容特性的累計電荷等一系列問題。中國專利9623325.3公開了一種采用蓄電池交流電導值來判斷電池性能的儀器，它利用交流恒流檢測信號源模塊，控制正向反向晶閘管的導通與關斷，對蓄電池實施正反向檢測電流，測量充放電電導值，再根據電導值判斷電池的狀態，這種方法在測量時會對UPS的工作狀態造成影響，不能實現不間斷在線檢測。
本發明提供如下方法，步驟為1)在UPS電池組每個單體電池兩端并聯放電電阻R；2)在線檢測計算單體電池的放電電流Ii，Ii＝I3-I1，I1為UPS電池組浮充電流，I3為放電回路電流；3)在線檢測單體電池放電狀態下的端電壓值Ui；4)改變單體電池兩端并聯放電電阻R的值，檢測單體電池放電狀態下的端電壓值Ui/、放電電流Ii/，計算放電電池的內阻ri，ri＝(Ui/-Ui)/(Ii-Ii/)；5)將單體電池電壓值Ui、單體電池的放電電流Ii、內阻ri與電池標準值比較，檢測出UPS每個單體電池性能。
本發明還提供如下方法電壓值Ui低于標準值、單體電池的放電電流Ii低于標準值、內阻ri高于標準值時確定電池不合格。
對UPS單體電池檢測采用計算機實時控制、計算和比較。
對單體電池檢測采用計算機實時控制、計算和比較。
通過單體電池電壓值Ui同時計算出電池的保有容量。
本發明UPS電池在線監測裝置技術方案如下UPS電池在線監測裝置由電流表、電壓表、繼電器、電阻構成，在UPS電池組串連安裝電流表A1，在單節電池兩端分別通過一個開關J與電壓表V并聯，電壓表V一端通過繼電器觸點CJ01、電流表A2與電阻R1和繼電器觸點CJ02連接，繼電器觸點CJ02的另一端與電阻R2連接，電阻R1、電阻R2與電壓表V另一端連接，在電壓表V通過繼電器J01和J02組成的倒極器與每節電池上的開關連接。
本發明UPS電池在線監測裝置還可以使用如下技術方案在電路中安裝可編程序控制器，可編程序控制器輸入端連接電流表和電壓表采集信號，在可編程序控制器輸出端可連接繼電器，控制單節電池兩端分別通過一個開關J、繼電器觸CJ01、CJ02和繼電器J01和J02的閉合。
在電路中安裝可編程序控制器時電流表和電壓表由霍爾元件替代。
本發明在對UPS電池進行循環監測時，不影響UPS的正常工作，并且當UPS的交流電源停電時，UPS電池組立刻投入運行(保留了UPS無轉換時間的特性)。解決了以往在檢測UPS電池好壞時，須打開UPS電池開關，甚至拆下電池進行測量，使UPS在交流電停電時失去了電池組后備電源。
本發明實行在線實時監測方式，總是能及時準確的發現容量不足的電池，確保了UPS能夠提供足夠的后備時間。
本發明可以及時發現容量不足或損壞的個別電池，發出報警信號，確保及時更換和維護UPS電池。
發明實施例蓄電池的優劣是通過電壓、電流、內阻、電導等電學信號表現出來，本發明是解決了電壓檢測法所解決不了的累計電荷、多源系統無法計算等問題，對蓄電池的檢測應通過對電壓、電流、內阻、電導等電信號的采集，對其內在規律進行分析，從而判斷蓄電池的優劣。
本發明電池組在浮充狀態下，利用恒定負載對每節電池進行輪流短時放電，采集電流、電壓值并使用可編程序控制計算放電電流、電池內阻、電池單體在線端電壓、電池保有容量、電池活性度，判斷電池優劣。
本發明方法步驟為1)在UPS電池組每個單體電池兩端并聯放電電阻R；2)在線檢測計算單體電池的放電電流Ii，Ii＝I3-I1，I1為UPS電池組浮充電流，I3為放電回路電流；3)在線檢測單體電池放電狀態下的端電壓值Ui；4)改變單體電池兩端并聯放電電阻R的值，檢測單體電池放電狀態下的端電壓值Ui/、放電電流Ii/，計算放電電池的內阻ri，ri＝(Ui/-Ui)/(Ii-Ii/)；5)將單體電池電壓值Ui、單體電池的放電電流Ii、內阻ri與電池標準值比較，檢測出UPS每個單體電池性能。
本發明還提供的方法如下電壓值Ui低于標準值、單體電池的放電電流Ii低于標準值、內阻ri高于標準值時確定電池不合格。
對UPS單體電池檢測采用計算機實時控制、計算和比較。
對單體電池檢測采用計算機實時控制、計算和比較。
通過單體電池電壓值Ui同時可計算出電池的保有容量。本發明是根據電池組的等效電路(

圖1)，建立電池單節放電的等效電路，理論上認為電池組的浮充電源是一個理想的恒壓源，電池單體本身從理論上認為是具有一定內阻的電壓源。圖中Uf浮充源電壓(UPS整流器對電池組的浮充電壓)；Ut其他多節電池的電動勢的總和；Rt其他多節電池內阻的總和；Ui放電電池的電動勢；ri放電電池的電阻；R放電負載的電阻。
本發明研究對象是UPS的n節電池構成的電池組，所以其他多節電池在這里指的是n-1節。
本發明就是計算出單體電池的Ii、Ui、ri對其進行定性、定量的綜合分析，同時可計算出電池的保有容量。
電池單體放電電流值的計算從圖1中可以看出放電負載上的電流由三部分構成①放電電池對放電負載形成的放電電流；②其他多節電池對放電負載形成的放電電流；③UPS浮充源對放電負載形成的放電電流。本發明分析中提到的放電電流必須是放電電池對放電負載形成的放電電流，另外兩個電流的影響必須消除。
本發明消除另外兩個電流的理論原理是，把圖1中UPS浮充源Uf、其他多節電池Ut、Rt用戴維南定理進行等效處理，處理后用Us和Rs來表示，見圖2。在電路中放置兩個電流測量元件(q)，直接測出I1、I3的數值。根據基爾霍夫電流定律可知Ii＝I3-I1，這樣計算出Ii值。Ii值就是電池單體的放電電流值。單節電池放電不會造成對其他多節電池過充的解釋如下。圖2利用戴維南定理可得出，圖中UsUPS浮充源和其他多節電池的電動勢的總和；Rs其他多節電池內阻的總和；Ui正在被檢測的電池(假設是第i節電池)的電動勢；Ri正在被檢測的電池的內阻；R作為放電負載的電阻。在實例中分發明以32節的電池組為例進行推導。
Us＝Uf-U1-U2-…-U32(不包括Ui)；Rs＝r1+r2+…+r32(不包括Ri)；放電電池可以是32節電池中的任意一節，如果是第一節、第二節、第32節上面公式只須修改下標的數字。利用迭加定理列出圖2的網孔方程(Rs+R)×I1+R×Ii＝Us ①(ri+R)×Ii+R×I1＝Ui②把Rs＝31r ri＝r Us＝Ui＝u代入上面兩式可得(31r+R)×Ii+R×I2＝u ③(r+R)×Ii+R×I1＝u④通過求解上面的方程組可得I1＝(r×u)/(31r2+32r×R)Ii＝(31r×u)/(31r2+32r×R)計算Ii與I1的比值Ii/I1＝31
以上說明在圖2的放電方式下，放電負載上的電流主要來自第i節放電電池(Ii值)。設計電路時，使Ii大約等于6A，這樣I1＝0.19A，不會出現其它電池的過充問題。
在線監測中單節電池內阻的計算由圖3而得，通過把圖2中的放電負載R切換成R1，就得到了圖3通過把圖2中的放電負載R切換成R2，就得到了圖4由圖3可得出Ii放電回路方程U2＝Ii×r+UCD① Ii、UCD為已知數由圖4可得出I2′放電回路方程U2＝Ii′×r+UCD′ ② Ii′、UCD′為已知數方程①減去方程②并計算可得r＝(UCD′-UCD)/(Ii-Ii′)電池單體放電狀態下的端電壓值可直接用電壓元件檢測出。
電池的保有容量計算和判定，是根據使用電池的的具體型號，將原廠提供的有關性能參數數據，通過使用和對電池的實測量值，將表示有關電池各種狀態下的內阻、電流、電壓等參數綜合排列，就可以通過人工比對進行綜合判斷，得出被測電池優劣的結論。也可使用機算計并將以上數據通過和校正曲線編為程序，輸入可編程序控制器中，作出人機界面，隨時調出各種數據監視或由機算計自動對比同時發出各種報警信號。
在比較時，電壓的測量是利用通過電池單體的電壓檢測爾元件測量出來的，Ui與低電壓標準值U進行比較，當Ui＞U電池較好，當Ui＜U電池較差，同時Ui與高電壓標準值Ug進行比較，當Ui＞Ug電池較差，當Ui＜Ug電池較好，標準值Ui、Ug的確定是根據電池的規格型號、電池的產品標準、電池應用的現場要求等各方面條件設定，如日本YUASA NP65-12的電池U可定為10.8V，Ug定為15V。
電流的測量是利用通過在電路中放置兩個電流測量元件，直接測出I1、I3的數值。根據基爾霍夫電流定律可知I2＝I3-I1，這樣計算出I2值。I2值就是電池單體的放電電流值。I2值與標準值I值進行比較當I2＞I值電池合格，當I2＜I值表明電池有故障。I值的確定是根據電池放電電壓和放電電阻來決定的。
內阻值與標準值rb進行比較，當r＞rb，電池特性較差，當r＜rb，電池特性較好。Rb值是根據電池的規格型號、電池的產品標準、電池應用的現場要求等各方面條件所確定，對于日本YUASA NP65-12的電池rb可定為150mΩ。
電池保有容量的計算可參照“VRLA(閥控式鉛酸蓄電池)狀況的評估”(Intelec會議論文)提出的方法。即放電狀態下，電池端電壓UZ與保有容量CB的關系，即對電池施加一個電流進行放電，記錄其特定時間的電壓值，兩者之間有很好的對應關系，測出電壓值就知道了現有容量值。這種檢測的實質是測定電池的極化電阻的增大值，因此不會發生將失效電池檢測為良好的誤判斷，檢測可靠性很高。對于日本YUASA NP65-12電池的電池端電壓UZ與保有容量CB的關系，通過實驗可確定對應曲線，不同的電池型號曲線不同。在重要場所UPS電池的保有容量小于50％，電池的特性較差。
當電壓、電流、內阻、保有容量三個以上參數判定電池特性較差時，可判斷此電池不合格。以電池內阻的測量為例，用2.07Ω和0.97Ω兩組負載對日本YUASA NP65-12電池進行放電測試內阻，首先用2.07Ω電阻對UPS在線運行的單節電池進行放電180秒，在150秒讀電池的各參量數據，180秒后用0.97Ω電阻對UPS在線運行的單節電池進行放電60秒，在40秒時讀電池的各參量數據.數據如下表，根據計算公式r＝(UCD’一UCD)/(I2-I2’)可計算出內阻r＝57mΩ，判定此電池內阻較好。
本發明UPS電池在線監測裝置由電流表、電壓表、繼電器、電阻構成，在UPS電池組串連安裝電流表A1，在單節電池兩端分別通過一個開關J與電壓表V并聯，電壓表V一端通過繼電器觸點CJ01、電流表A2與電阻R1和繼電器觸點CJ02連接，繼電器觸點CJ02的另一端與電阻R2連接，電阻R1、電阻R2與電壓表V另一端連接，在電壓表V通過繼電器J01和J02組成的倒極器與每節電池上的開關連接。
在電路中安裝可編程序控制器，可編程序控制器輸入端連接電流表和電壓表采集信號，在可編程序控制器輸出端可連接繼電器，控制單節電池兩端分別通過一個開關J、繼電器觸CJ01、CJ02和繼電器J01和J02的閉合。
在電路中安裝可編程序控制器時電流表和電壓表由霍爾元件替代。
本發明實施例給出32節電池的UPS，E1-32表示32節電池，J1-33為33個電池選擇繼電器觸點(開關)，J01、02為倒極繼電器觸點，CJ01、02為放電電阻選擇繼電器，R1、R2為放電電阻，V、A為電壓、電流檢測表。當使用機算計控制時，可編程序控制器(PLC)程序發出指令開始檢測，合上第一節電池的繼電器觸點J1、J2，合上放電負載的直流接觸器CJ01，對第一節電池進行檢測，延時150秒后，PLC采集兩個電流表和一個電壓V的輸出信號數值；然后打開第二個直流接觸器CJ02，改變放電負載，延時40秒后PLC再次采集數據，第一節電池檢測完畢，PLC計算各種參數值，存入內存中，并打開第一節電池的繼電器觸點J1和直流接觸器T01。按照同樣步驟可以檢測第二節電池，但在轉換電池時J2、J3將極性倒置，需要使用J01和J02將極性顛倒。當發現容量不足或有故障電池時，可編程序控制器(PLC)給出報警信號，32節電池檢測完畢后，等候第二個檢測周期到來。可以使報警信號能夠自保持，等候電氣巡檢人員到來復位，巡檢人員可以調出各種數據發現問題所在。同時，每隔4小時對電池單體浮充電壓進行檢測。
本發明可以設置電池自動巡檢周期并通過觸摸屏式人機界面完成，可以任意時間間隔(1天到30天任意設定)巡檢一遍，也可以采用人工監視計算。
在使用可編程序控制器(PLC)時各種電量信號包括電流、電壓、內阻信號是通過霍爾元件將一次電量轉換為4-20MA的標準信號，這些信號送入可編程序控制器的模擬量輸入模塊，可編程序控制器將這些模擬量轉換為16進制的數字量，通過自主開發的程序對這些數字量進行編輯和處理，信號采集和各種工作狀態的轉換是可編程序控制器通過各種輸出模塊及接口，控制電氣主回路中的各執行元件，從而達到電池浮充狀態及放電狀態的信號采集。人機之間的交流是通過可編程序控制器將處理完的各數字量及各種運行狀態送入觸摸屏，而觸摸屏將操作人員的各種指令進行轉換后送入可編程序控制器進行處理。本發明可以使用可編程序控制器(PLC)為OMRON公司的CQM1H-CPU21，AD041四通道模擬量輸入模塊，OC222繼電器輸出單元；電壓霍爾元件為LEM公司的LV25-P和BLZ電量變送器；電流霍爾元件為LEM公司的BLF20-S7。
權利要求
1.一種UPS電池在線監測方法，其特征在于采用步驟為1)在UPS電池組每個單體電池兩端并聯放電電阻R；2)在線檢測計算單體電池的放電電流Ii，Ii＝I3-I1，I1為UPS電池組浮充電流，I3為放電回路電流；3)在線檢測單體電池放電狀態下的端電壓值Ui；4)改變單體電池兩端并聯放電電阻R的值，檢測單體電池放電狀態下的端電壓值Ui/、放電電流Ii/，計算放電電池的內阻ri，ri＝(Ui/-Ui)/(Ii-Ii/)；5)將單體電池電壓值Ui、單體電池的放電電流Ii、內阻ri與電池標準值比較，檢測出UPS每個單體電池性能。
2.根據權利要求1所述的UPS電池在線監測方法，其特征在于在電壓值Ui低于標準值、單體電池的放電電流Ii低于標準值、內阻ri高于標準值時確定電池不合格。
3.根據權利要求1或2所述的UPS電池在線監測方法，其特征在于可以對UPS單體電池檢測采用計算機實時控制、計算和比較。
4.根據權利要求1或2所述的UPS電池在線監測方法，其特征在于通過單體電池電壓值Ui同時計算出電池的保有容量。
5.UPS電池在線監測裝置，其特征在于由電流表、電壓表、繼電器、電阻構成，在UPS電池組串連安裝電流表A1，在單節電池兩端分別通過一個開關J與電壓表V并聯，電壓表V一端通過繼電器觸點CJ01、電流表A2與電阻R1和繼電器觸點CJ02連接，繼電器觸點CJ02的另一端與電阻R2連接，電阻R1、電阻R2與電壓表V另一端連接，在電壓表V通過繼電器J01和J02組成的倒極器與每節電池上的開關連接。
6.根據權利要求5所述的UPS電池在線監測裝置，其特征在于在電路中安裝可編程序控制器，可編程序控制器輸入端連接電流表和電壓表采集信號，在可編程序控制器輸出端可連接繼電器，控制單節電池兩端分別通過一個開關J、繼電器觸CJ01、CJ02和繼電器J01和J02的閉合。
7.根據權利要求5或6所述的UPS電池在線監測裝置，其特征在于在電路中安裝可編程序控制器時電流表和電壓表由霍爾元件替代。
全文摘要
UPS電池在線監測方法及其裝置，方法為在單體電池兩端并聯放電電阻；測單體電池的放電電流；檢測單體電池端電壓；改變單體電池放電電阻，檢測端電壓值；將單體電池電壓值Ui、單體電池的放電電流Ii、內阻ri與電池標準值比較評價單體電池性能。在線監測裝置為在電池組串連安裝電流表Q1，在單節電池兩端分別通過一個開關J與電壓表V并聯，電壓表V一端通過繼電器觸點CJ01、電流表Q2與電阻R1和繼電器觸點CJ02連接，繼電器觸點CJ02的另一端與電阻R2連接，電阻R1、電阻R2與電壓表V另一端連接。本發明實行在線實時監測方式，能及時準確發現容量不足的電池，確保UPS提供足夠的后備時間，在循環監測時，不影響UPS的正常工作。
文檔編號G01R31/36GK1451972SQ0211740
公開日2003年10月29日 申請日期2002年4月19日 優先權日2002年4月19日
發明者肖建, 高廣信, 馬曉東, 馮延發, 孫麗華, 趙來強 申請人:中國石油天然氣股份有限公司