【導(dǎo)讀】在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)浮充狀態(tài)下的電池信息,不足以準(zhǔn)確反應(yīng)電池的劣化。為解決浮充狀態(tài)下數(shù)據(jù)信息不足的問題,本設(shè)計(jì)采取了監(jiān)測(cè)裝置與充電機(jī)互動(dòng)的設(shè)計(jì)方案,在互動(dòng)過程中采集放電數(shù)據(jù),采用基于軟計(jì)算的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行電池劣化(SOH)和剩余容量(SOC)的在線動(dòng)態(tài)計(jì)算。
網(wǎng)絡(luò)不僅改變了設(shè)備連接形式,而且可以通過設(shè)備信息的集中和融合提高了設(shè)備的智能化。在構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)互連環(huán)境下,本方案進(jìn)一步研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下蓄電池監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的加工處理,以實(shí)現(xiàn)蓄電池監(jiān)測(cè)軟計(jì)算模型的動(dòng)態(tài)進(jìn)化。
監(jiān)測(cè)裝置與充電機(jī)互動(dòng)設(shè)計(jì)方案
監(jiān)測(cè)裝置與充電機(jī)互動(dòng)是本方案研究的一個(gè)重要內(nèi)容,是提高劣化程度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的創(chuàng)造性工作模式,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1:互動(dòng)方案的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
互動(dòng)方案的主要原理是:電池監(jiān)測(cè)(Battery Monitoring Unit--BMU)進(jìn)行日常的巡檢,并且分析采集的數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì),在一定條件下請(qǐng)求充電機(jī)(Rectifier Unit--RU)配合進(jìn)行部分放電測(cè)試。由于RU在部分放電時(shí)設(shè)置為一個(gè)比蓄電池放電下限電壓低的某一整流輸出值,既能使電池提供用電設(shè)備的負(fù)荷功率,又避免了放電過程中由于電池問題帶來的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。
在正常浮充狀態(tài)下,BMU連續(xù)檢測(cè)電池組的電壓和內(nèi)阻,若發(fā)現(xiàn)電壓或內(nèi)阻異常,則啟動(dòng)部分放電測(cè)試過程,進(jìn)行更深一層次的測(cè)試。該測(cè)試過程也被設(shè)置為按一定周期啟動(dòng),如一個(gè)月。
在放電測(cè)試期間,將劣化程度預(yù)測(cè)模型所需的放電數(shù)據(jù),采集包括浮充電壓、初始跌落、正常放電電壓等數(shù)據(jù),通過SOH預(yù)測(cè)模型運(yùn)算,準(zhǔn)確得知SOH。
這樣,在內(nèi)阻監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過采用三類不同深度的放電測(cè)試達(dá)到長(zhǎng)期連續(xù)準(zhǔn)確檢測(cè)SOH的目的:
1)完全放電 電池在投運(yùn)之前應(yīng)進(jìn)行一次100%深度的放電,以確認(rèn)該電池組能滿足設(shè)計(jì)要求。否則,若存在產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題,會(huì)影響到后續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性,放電前應(yīng)該充滿并在浮充狀態(tài)保持一定的時(shí)間。
2)中等深度的放電 中等深度指30—50%深度的放電。檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)此深度的放電數(shù)據(jù)可以相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算各電池的SOH,同時(shí)亦避免了更加深度放電過程的突然停電,使設(shè)備承受斷電的危險(xiǎn)。
3)周期性的短時(shí)放電 根據(jù)蓄電池應(yīng)用場(chǎng)合選取適合的周期,例如3個(gè)月。一般短時(shí)放電的深度為5%左右。
互動(dòng)方案的長(zhǎng)期運(yùn)行方式如圖2所示,一般為多次短時(shí)放電測(cè)試后加入一次中等深度放電,或者在短時(shí)放電測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)電池可能嚴(yán)重劣化時(shí)進(jìn)行一次中等放電予以確認(rèn)。如果被確認(rèn)預(yù)測(cè)結(jié)果正確,則通知控制中心;若證明預(yù)測(cè)有誤,則對(duì)預(yù)測(cè)模型作自適應(yīng)調(diào)整。在最后一次中等深度放電確定電池劣化嚴(yán)重后,采取更換措施,更換之前進(jìn)行一次完全放電。
圖2:互動(dòng)方案的監(jiān)測(cè)過程
監(jiān)測(cè)裝置的模塊化設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)要求
根據(jù)閥控鉛酸電池的一般使用情況和監(jiān)測(cè)管理的目的,監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面:
1)浮充電壓測(cè)量 電池浮充電壓的相對(duì)差異很小,要求測(cè)量電路具有高準(zhǔn)確度,電池組串聯(lián)后的高電壓要求電路具有抗高共模性能。
2)電流監(jiān)測(cè) 檢測(cè)電池充電、放電電流值。
3)環(huán)境溫度 (或標(biāo)樣電池溫度)監(jiān)測(cè)。
4)內(nèi)阻測(cè)量 在線測(cè)量每個(gè)單電池的內(nèi)阻值。
5)模塊結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)要滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)合,便于現(xiàn)場(chǎng)安裝與維護(hù)。
6)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)化和信息化是電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),系統(tǒng)設(shè)計(jì)要有通訊接口和多種網(wǎng)絡(luò)方案。要適于遠(yuǎn)程管理和集中監(jiān)控。
7)可靠性 要求裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
8)電磁兼容 檢測(cè)裝置應(yīng)對(duì)用戶設(shè)備不能產(chǎn)生任何附加干擾,保證用戶設(shè)備同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共同長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。同時(shí)還要求裝置具有較強(qiáng)的抗干擾能力,在大功率電源裝置投切時(shí)保持穩(wěn)定。
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如圖3所示,為監(jiān)測(cè)裝置的硬件組成。
圖3:監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)
檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
檢測(cè)模塊主要包括5個(gè)部分:
1)電壓、電流、溫度的測(cè)量電路;
2)通道切換;
3)A/D轉(zhuǎn)換電路;
4)微處理器單元;
5)通訊接口。
檢測(cè)模塊完成數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)傳給控制模塊。高精度、高時(shí)效的數(shù)據(jù)采集模塊采用模塊化設(shè)計(jì)方案,兼顧了專用化與通用化原則,配置靈活,根據(jù)采樣點(diǎn)種類及規(guī)模的需求,各個(gè)模塊可單獨(dú)使用,亦可自由組合,能適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。
電池的串聯(lián)給采樣電路的設(shè)計(jì)帶來困難,本方案中使用耐高壓電子開關(guān)解決巡檢的困難。PhotoMOS是一種新型光耦合的耐高壓電子開關(guān),它與普通的光耦相似,但輸出端為場(chǎng)效應(yīng)管,克服了晶體管的管壓降問題,適合本方案所要求的高耐壓、高精度、高速的要求。
高共模采樣電路原理如圖4所示,在A/D和CPU之間采用光耦合方式進(jìn)行電氣隔離。
圖4:高共模采樣電路
內(nèi)阻模塊設(shè)計(jì)
內(nèi)阻模塊與系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)相適應(yīng),接受檢測(cè)模塊的調(diào)度。用于向電池組注入內(nèi)阻測(cè)量的激勵(lì)信號(hào)。
內(nèi)阻模塊的設(shè)計(jì)主要研究解決以下4方面問題:
1)受控波形和頻率受采樣模塊CPU控制,可以工作在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的任意頻率點(diǎn)和不同波形。
2)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性 要保持長(zhǎng)期工作的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性,模塊之間可以互換。
3)獨(dú)立性 激勵(lì)信號(hào)不受電池充放電回路的影響。
4)工作范圍寬 能夠在電池組的最低放電下限和最高充電上限范圍內(nèi)正常工作。
以上要求主要體現(xiàn)在硬件電路設(shè)計(jì)中。
控制模塊設(shè)計(jì)
控制模塊用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和人機(jī)界面操作,實(shí)時(shí)顯示、智能分析電池?cái)?shù)據(jù),對(duì)異常的電池運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。
監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用
在本方案的研究過程中,監(jiān)測(cè)裝置在電信48V直流系統(tǒng)、電力220V直流系統(tǒng)和石油化工400V不間斷電源系統(tǒng)3種典型的閥控鉛酸蓄電池應(yīng)用場(chǎng)合得到實(shí)際應(yīng)用,驗(yàn)證了技術(shù)方[page]
案的合理性。圖5 所示為系統(tǒng)工作流程。
圖5:蓄電池監(jiān)測(cè)裝置工作流程
網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的蓄電池監(jiān)測(cè)技術(shù)研究
網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的發(fā)展為蓄電池的智能監(jiān)測(cè)和管理提供了新的解決方案。隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的普及,使用網(wǎng)絡(luò)來管理蓄電池是可行的,因此,蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是必然的發(fā)展方向。為此我們?cè)谙到y(tǒng)中增加了以下功能:
(1)內(nèi)阻數(shù)據(jù),系統(tǒng)采集與傳送每個(gè)電池的內(nèi)阻,此數(shù)值每天更新一次;
(2)上傳數(shù)據(jù)增加了SOC和SOH數(shù)值;
(3)增加了報(bào)警項(xiàng)目;
(4)增加了控制命令,可啟動(dòng)快速容量測(cè)試和中等深度的容量測(cè)試。(為安全起見,完全放電測(cè)試需要維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)操作。);
(5)增加了放電數(shù)據(jù)包的獲取功能;
(6)設(shè)計(jì)了軟計(jì)算模型下傳功能,能夠?qū)OH模型的配置參數(shù)下傳至電池監(jiān)測(cè)裝置。
蓄電池軟計(jì)算模型的進(jìn)化
軟計(jì)算模型的缺陷分析
監(jiān)測(cè)裝置與蓄電池一同安裝在工作現(xiàn)場(chǎng),在線監(jiān)測(cè)蓄電池的工作條件,通過與充電機(jī)互動(dòng)測(cè)試,采用軟計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)SOH和SOC的在線動(dòng)態(tài)估計(jì)。軟計(jì)算方法可以任意逼近動(dòng)態(tài)非線性函數(shù),但是,軟計(jì)算模型的學(xué)習(xí)卻是一個(gè)在現(xiàn)實(shí)中很困難的問題。這是因?yàn)椋?
(1) 電池的劣化是非常復(fù)雜的化學(xué)、物理過程,失效的情形千差萬別,目前還需要進(jìn)一步研究。
(2) 不同劣化程度的電池非常難于獲得。在近幾年對(duì)幾十組電池的測(cè)試后發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)的電池或者劣化程度不夠嚴(yán)重,或者已經(jīng)完全失效,處于中間狀態(tài)的電池非常少。即學(xué)習(xí)樣本難于獲取。
對(duì)于蓄電池監(jiān)測(cè),我們?cè)噲D建立比較準(zhǔn)確的監(jiān)控模型,但由于訓(xùn)練樣本的限制,模型與實(shí)際對(duì)象存在差異,隨著樣本的增加,模型接近對(duì)象的程度也將提高?;诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù),一方面可以廣泛獲得有效的實(shí)際放電數(shù)據(jù),將典型數(shù)據(jù)加工為有效學(xué)習(xí)樣本,使模型得到更進(jìn)一步的訓(xùn)練;另一方面,通過網(wǎng)絡(luò)將升級(jí)后的模型下載到監(jiān)測(cè)裝置,提高監(jiān)測(cè)裝置的軟計(jì)算性能。
計(jì)算模型的進(jìn)化
蓄電池的使用壽命由設(shè)計(jì)、制造和使用的多因素影響,對(duì)于 SOH軟計(jì)算模型,如何進(jìn)行有效訓(xùn)練,使模型能夠反映蓄電池劣化的復(fù)雜非線性是至關(guān)重要的,在獲得更多的有效訓(xùn)練數(shù)據(jù)后,軟計(jì)算模型得以完善和驗(yàn)證,其全局準(zhǔn)確度將不斷提高,借助于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,可以將升級(jí)后的軟計(jì)算模型動(dòng)態(tài)更新,使監(jiān)測(cè)裝置具有更好的性能。
為達(dá)到計(jì)算模型動(dòng)態(tài)升級(jí)的目的,監(jiān)測(cè)裝置的軟計(jì)算模型以函數(shù)形式存儲(chǔ)在Flash電寫可擦除存儲(chǔ)器中,通訊程序接受網(wǎng)絡(luò)傳送來的軟計(jì)算模型數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)裝置識(shí)別該數(shù)據(jù)包的特征,如果與所監(jiān)測(cè)的電池類型相符,則更新模型。
本文對(duì)后備方式蓄電池浮充狀態(tài)下測(cè)量的局限性,研究了以測(cè)量裝置與智能充電機(jī)互動(dòng)為主要特點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并設(shè)計(jì)了測(cè)量分析裝置,達(dá)到連續(xù)有效地監(jiān)測(cè)電池狀態(tài),取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)使用效果。
本文研究了利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)蓄電池進(jìn)行遠(yuǎn)程和集中監(jiān)控的方案。并針對(duì)軟計(jì)算技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)——訓(xùn)練樣本不足的問題,提出了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)模型進(jìn)化的思想,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,我們相信基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的蓄電池智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必將得到廣泛應(yīng)用。