蓄電池監(jiān)測(cè)裝置的研究

　　一、基于數(shù)字濾波器的內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)

　　在線(xiàn)測(cè)量每個(gè)單電池的內(nèi)阻是檢測(cè)裝置的難題之一，測(cè)量準(zhǔn)確度直接關(guān)系到分析的準(zhǔn)確度。在線(xiàn)測(cè)量需要解決充電機(jī)和用電負(fù)載干擾的問(wèn)題。對(duì)于大容量電池，電池內(nèi)阻是微歐級(jí)小信號(hào)，本文中采用了數(shù)字濾波技術(shù)提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

　　在線(xiàn)測(cè)量主要存在以下因素影響測(cè)量：

　　1) 測(cè)量線(xiàn)耦合的高頻干擾信號(hào);

　　2) 50Hz工頻干擾;

　　3) 充電機(jī)低頻紋波;

　　4) 充電或放電的電壓緩變;

　　5) 負(fù)載的不規(guī)則變動(dòng)。

　　對(duì)于高頻干擾，一方面通過(guò)硬件低通濾波削減，另一方面，在有效的A/D采樣頻率下進(jìn)行平滑濾波處理。有效信號(hào)組成如圖1-1所示。

　　本文的研究中設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的激勵(lì)裝置，向電池組饋入受控交流信號(hào)，測(cè)量電路采集被測(cè)電池的交流電壓信號(hào)。為消除上述影響因素，采用了IIR數(shù)字濾波技術(shù)。

　　采用直接方式即可實(shí)現(xiàn)差分方程運(yùn)算。圖1-2是采用橢圓濾波器設(shè)計(jì)的帶通濾波器，M=N=11，具有良好的下降斜率，在通帶和阻帶內(nèi)均為等紋波。

　　圖1-1

　　表1是量程為50mΩ的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表明該方法具有良好的線(xiàn)性和重復(fù)性。

　　表1 采用IIR濾波器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(mΩ)

　　二、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)方案是提高劣化程度預(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2-1所示。

　　互動(dòng)方案的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　浮充狀態(tài)下的測(cè)量理論和方法有其固有的局限性，放電測(cè)試能得到更為可靠的數(shù)據(jù)，但目前的放電測(cè)試或者需要人工干預(yù)，或者在不確定的停電發(fā)生后被動(dòng)進(jìn)行，前者難于經(jīng)常性的進(jìn)行，而且風(fēng)險(xiǎn)較大，后者的不確定性也帶來(lái)隱患。本文的互動(dòng)方案是針對(duì)先進(jìn)電源裝置的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方案，能有效解決前述的多方面問(wèn)題。

　　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(guò)程中由于電池問(wèn)題帶來(lái)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(guò)程，進(jìn)行更深一層次的測(cè)試。該測(cè)試過(guò)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(guò)電池的劣化程度(SOH)預(yù)測(cè)模型運(yùn)算，準(zhǔn)確得知SOH。

　　此外，互動(dòng)方案并不排斥停電后的被動(dòng)測(cè)試，被動(dòng)放電也可以觸發(fā)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，出現(xiàn)放電即觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，在放電深度達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)一次預(yù)測(cè)運(yùn)算。

　　這樣，在內(nèi)阻監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采用三類(lèi)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。否則，若存在產(chǎn)品本身的質(zhì)量問(wèn)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(mǎn)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(guò)程的突然停電，使設(shè)備承受斷電的危險(xiǎn)，一般的電池配置往往考慮了電池容量的裕量，比如一倍。因此中等深度的放電在一般情況下，包括一般性的停電故障發(fā)生情況下是安全的 。

　　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，檢測(cè)裝置啟動(dòng)FNN運(yùn)算，預(yù)測(cè)電池的SOH。因?yàn)槭穷A(yù)測(cè)，其可靠程度在目前仍處在研究中。這也包括FNN算法中所使用的輸入數(shù)據(jù)是否對(duì)所有 的電池失效情況均敏感。在FNN運(yùn)算中，還存在算法的“保守性”一面，即寧可低估SOH，也放棄高估SOH所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　因此，互動(dòng)方案在長(zhǎng)期運(yùn)行方式如圖2-2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?chē)?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，本組數(shù)據(jù)對(duì)于SOH模型的完善有重要意義。

　　圖2-2 互動(dòng)方案的監(jiān)測(cè)過(guò)程