一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 104198946 A (43)申请公布日 2014.12.10 CN 104198946 A (21)申请号 201410431876.1 (22)申请日 2014.08.27 G01R 31/36(2006.01) (71)申请人 江苏科技大学 地址 212003 江苏省镇江市京口区梦溪路 2 号 (72)发明人 李泰 邹博 曾庆军 王伟然 李权明 张明 鄢俊胜 杨德亮 张福特 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼高潮 (54) 发明名称 一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测 系统及方法 (57) 摘要 本发明公开了一种风

2、电变桨系统的辅助混合 电池容量检测系统及方法， 所述系统包括可编程 逻辑控制器 PLC、 锂动力电池组电量检测模块、 超 级电容组电量检测模块、 结果显示模块和数据储 存装置。 所述方法如下 ： 可编程逻辑控制器PLC控 制着混合电池的充电状态， 控制着各个电量检测 模块的工作过程。锂动力电池组电量检测模块和 超级电容组电量检测模块检测完成后， 将检测得 到的数据输出给PLC。 PLC把各个电量检测模块传 输来的数据进行计算处理， 处理结果通过 PLC 中 的通信模块RS232C输出给显示模块。 结果显示模 块将混合电池的各种数据显示出来， 包括电池各 个模块容量及总的电池容量， 老化程度等。

3、最后， 数据储存装置把各项数据储存起来， 以便日后对 混合电池进行分析。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104198946 A CN 104198946 A 1/2 页 2 1. 一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统， 其特征在包括 ： 可编程逻辑控制 器 PLC、 锂动力电池组电量检测模块、 超级电容组电量检测模块、 结果显示模块和数据储存 装置， 其中可编程逻辑控制器 PLC 通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池

4、组的运 行状态， 可编程逻辑控制器 PLC 通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状 态， 可编程逻辑控制器 PLC 分别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态， 可编程逻辑 控制器 PLC 把锂动力电池组电量检测模块、 超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进 行计算处理后 , 通过通信模块 RS232C 输出给结果显示模块显示并存储至数据储存装置。 2. 根据权利要求 1 所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统， 其特征在 于 ： 所述锂动力电池组电量检测模块包括第一至第三开关 (K1-K3)、 第一至第二电流表 (A1-A2)、 变阻箱和第一显示模块电池， 其中锂动力电池组

5、的正极分别接第一至第三开关 (K1-K3) 的一端， 第三开关 (K3) 的另一端串接第一显示模块电池后分别接第一至第二电流 表 (A1-A2) 的一端， 第二开关 (K2) 的另一端串接变阻箱后接第一电流表 (A1) 的另一端， 锂 动力电池组的负极接第二电流表 (A2) 的另一端， 第一开关 (K1) 和第二电流表 (A2) 的另一 端接风电系统变桨系统。 3. 根据权利要求 1 所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统， 其特征在于 ： 所述超级电容组电量检测模块包括第五至第七开关 (K5-K7)、 第二显示模块电池、 电压表 (V) 和第三电流表 (A3)， 超级电容组的一端分别接

6、第五开关 (K5)、 电压表 (V) 和第七开关 (K7) 的一端， 第七开关 (K7) 的另一端串接第二显示模块电池后分别接第六开关 (K6) 和第 三电流表 (A3) 的一端， 电压表 (V) 的另一端与第六开关 (K6) 的另一端连接， 超级电容组的 另一端与第三电流表 (A3) 的另一端连接， 第五开关 (K5) 的另一端和第三电流表 (A3) 的一 端接风电系统变桨系统。 4. 一种基于权利要求 1 所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方 法， 其特征在于所述方法如下 ： 采用可编程逻辑控制器 PLC 通过锂动力电池组电量检测模 块检测锂动力电池组的运行状态， 采用可编

7、程逻辑控制器 PLC 通过超级电容组电量检测模 块检测超级电容组的运行状态， 采用可编程逻辑控制器 PLC 分别控制锂动力电池组和超级 电容组的充电状态， 采用可编程逻辑控制器 PLC 把锂动力电池组电量检测模块、 超级电容 组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后， 通过通信模块 RS232C 输出给结果显 示模块显示并存储至数据储存装置。 5. 根据权利要求 4 所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法， 其特征在于所述锂动力电池组电量检测模块的检测方法如下 ： 正常工作时， 第二、 第三开关 (K2、 K3) 断开， 第一开关 (K1) 闭合 ； 检测时第一开关 (K1

8、) 断开， 首先， 混合电池充电系统对 锂动力电池组进行充电， 第二开关 (K2) 处于闭合状态， 第三开关 (K3) 断开， 此时锂动力电 池组与变阻箱的电压相等， 采用可编程逻辑控制器 PLC 控制变阻箱， 调节阻值大小， 使第二 电流表 (A2) 的示数等于第一电流表 (A1) 示数， 变阻箱阻值大小与锂动力电池组内阻 r 相 等 ； 根据锂电池内阻与锂电池容量的关系得出锂动力电池组的电容量 Q1 ； 锂动力电池组的 内阻变化得到锂动力电池组的老化程度 S1。 6. 根据权利要求 5 所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法， 其 特征在于当锂动力电池组处于充满状态， 先闭

9、合第三开关 (K3)， 第二开关 (K2) 断开， 对第 一显示模块电池组充电。 权 利 要 求 书 CN 104198946 A 2 2/2 页 3 7. 根据权利要求 4 所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法， 其特征在于所述超级电容组电量检测模块的检测方法如下 ： 正常工作时， 第六、 第七开关 (K6、 K7) 断开， 第五开关 (K5) 闭合 ； 检测时， 第五开关 (K5) 断开， 第六开关 (K6) 闭合， 第七 开关(K7)断开， 此时， 当超级电容进行短暂的充电时， 采用可编程逻辑控制器PLC中的计时 器记录充电的时间 T， 电压表 (V) 和第三电流表 (

10、A3) 同时实时测出 U1 U ， I3 I ， 已知 q CU， q IT， 其中 ：得到 ： CU IT， C IT/U， 由此得到超 级电容的电容 C， 则超级电容组的容量 Q2 (CU2)/2, 同时超级电容组的老化程度 S2 由电 容的变化得到。 8. 根据权利要求 7 所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法， 其 特征在于若超级电容组处于充满状态， 先闭合第七开关 (K7)， 断开第六开关 (K6)， 对第二 显示模块电池组充电。 权 利 要 求 书 CN 104198946 A 3 1/4 页 4 一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法 技术领域 000

11、1 本发明涉及一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法。 背景技术 0002 随着风力发电产业技术的不断发展和成熟， 风力发电机中的变桨系统的重要性越 来越突出， 它可以通过控制技术改变叶片的桨距角， 控制风机转速， 是整个机组的第一刹车 系统。 0003 变桨系统日常工作都是从电网电源取电， 后备电池只是处于浮充状态， 只有在电 网电源丢失的情况下， 变桨系统才从后备电池中取电工作， 这就意味着如果后备电池出现 老化等故障， 那么变桨系统就无法在电网电源丢失情况下工作。近些年，“飞车” 事故时常发 生， 其原因主要是由于备用电池的老化等原因， 使风力发电机不能安全顺浆， 无法保证它的

12、 可靠停机， 所以对变桨系统后备电池性能的监测， 是风机运行和维护的一项重要内容。 0004 现在后备电池多以锂电池或超级电容为主， 锂动力电池充电时间长， 易老化 ； 超级 电容寿命短。 所以现在开始试用混合电池， 其性能优良， 可以完成极其复杂的时序与组合逻 辑电路功能。 而现有技术中， 在风机不停机的情况下直接检测混合电池容量的方法却很少。 发明内容 0005 本发明目的在于针对现有技术的缺陷提供一种风电变桨系统的辅助混合电池容 量检测系统及方法， 以方便快捷高效为主， 可以在风机正常运行时快速测出后备混合电池 的实时电容量和老化程度。 0006 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是

13、 ： 0007 一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统包括 ： 可编程逻辑控制器 PLC、 锂动力电池组电量检测模块、 超级电容组电量检测模块、 结果显示模块和数据储存装置， 其 中可编程逻辑控制器 PLC 通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池组的运行状态， 可编程逻辑控制器 PLC 通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状态， 可编程 逻辑控制器 PLC 分别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态， 可编程逻辑控制器 PLC 把锂动力电池组电量检测模块、 超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理 后， 通过通信模块 RS232C 输出给结果显示模块显示并存储至数据

14、储存装置。 0008 所述锂动力电池组电量检测模块包括第一至第三开关、 第一至第二电流表、 变阻 箱和第一显示模块电池， 其中锂动力电池组的正极分别接第一至第三开关的一端， 第三开 关的另一端串接第一显示模块电池后分别接第一至第二电流表的一端， 第二开关的另一端 串接变阻箱后接第一电流表的另一端， 锂动力电池组的负极接第二电流表的另一端， 第一 开关和第二电流表的另一端接风电系统变桨系统。 0009 所述超级电容组电量检测模块包括第五至第七开关、 第二显示模块电池、 电压表 和第三电流表， 超级电容组的一端分别接第五开关、 电压表和第七开关的一端， 第七开关的 另一端串接第二显示模块电池后分别

15、接第六开关和第三电流表的一端， 电压表的另一端与 说 明 书 CN 104198946 A 4 2/4 页 5 第六开关的另一端连接， 超级电容组的另一端与第三电流表的另一端连接， 第五开关的另 一端和第三电流表的一端接风电系统变桨系统。 0010 一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法如下 ： 采用可编程 逻辑控制器 PLC 通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池组的运行状态， 采用可编 程逻辑控制器 PLC 通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状态， 采用可编程 逻辑控制器 PLC 分别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态， 采用可编程逻辑控制器 PLC 把锂

16、动力电池组电量检测模块、 超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算 处理后输出给结果显示模块显示并存储至数据储存装置。 0011 所述锂动力电池组电量检测模块的检测方法如下 ： 正常工作时， 第二、 第三开关断 开， 第一开关闭合 ； 检测时第一开关断开， 首先， 混合电池充电系统对锂动力电池组进行充 电， 第二开关处于闭合状态， 第三开关断开， 此时锂动力电池组与变阻箱的电压相等， 采用 可编程逻辑控制器 PLC 控制变阻箱， 调节阻值大小， 使第二电流表的示数 I2 等于第一电流 表示数 I1， 则变阻箱阻值大小 R 与锂动力电池组内阻 r 相等 ； 根据锂电池内阻与锂电池容 量的关

17、系得出锂动力电池组的电容量 Q1 ； 锂动力电池组的内阻变化得到锂动力电池组的 老化程度 S1。 0012 当锂动力电池组处于充满状态， 先闭合第三开关， 第二开关断开， 对第一显示模块 电池组充电。 0013 所述超级电容组电量检测模块的检测方法如下 ： 正常工作时， 第六、 第七开关 断开， 第五开关闭合 ； 检测时， 第五开关断开， 第六开关闭合， 第七开关断开， 此时， 当超 级电容进行短暂的充电时， 采用可编程逻辑控制器 PLC 中的计时器记录充电的时间 T， 电压表和第三电流表同时实时测出 U1 U ， I3 I ， 已知 q CU， q IT， 其中 ： 得到 ： CU IT，

18、C IT/U， 由此得到超级电容的电容 C， 则超 级电容组的容量 Q2 (CU2)/2, 同时超级电容组的老化程度 S2 由电容的变化得到。 0014 若超级电容组处于充满状态， 先闭合第七开关， 断开第六开关， 对第二显示模块电 池组充电。 0015 本发明用于检测混合电池的容量和电池的老化程度， 系统组成简单， 操作方便， 可 对风电系统的后备电池进行定时监测， 提供混合电池的电池容量和健康状况， 且该系统不 需要进行人为的干预， 由程序本身自动完成， 不需要额外的测量仪器， 节约成本， 大大的提 高了风力机的利用率， 不会影响风机的发电量。该系统采用 PLC 作为控制器， 可靠性高，

19、抗 干扰能力强， 更适用于机舱内恶劣环境， 且体积小， 重量轻， 能耗小， 节省机舱空间， 系统的 设计、 建造工作量小， 便于维护和修改。 附图说明 0016 图 1 是整个混合电池容量检测系统的结构图。 0017 图 2 是整个混合电池容量检测系统检测流程图。 0018 图 3 是锂动力电池组测量模块的结构图。 0019 图 4 是超级电容组测量模块的结构图。 说 明 书 CN 104198946 A 5 3/4 页 6 具体实施方案 0020 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 0021 图 1 给出本系统的结构， 该系统由可编程逻辑控制器 PLC、 锂动力电池组电量检 测模

20、块、 超级电容组电量检测模块、 结果显示模块和数据储存装置， 其中可编程逻辑控制 器 PLC 通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池组的运行状态， 可编程逻辑控制器 PLC 通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状态， 可编程逻辑控制器 PLC 分 别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态， 可编程逻辑控制器 PLC 把锂动力电池组电 量检测模块、 超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后， 通过通信模块 RS232C 输出给结果显示模块。结果显示模块将混合电池的各项数据显示出来， 包括锂动力 电池组的容量 Q1， 内阻 r， 锂动力电池组老化程度 S1， 超级电容组的

21、容量 Q2， 超级电容组老 化程度S2， 混合电池的总容量Q， 混合电池老化程度S。 最后， 数据储存装置把各项数据储存 起来， 以便日后对混合电池进行分析。 0022 其中， 可编程逻辑控制器 PLC 为 SIMATIC S7-1200， CPU 为 1211C, 新的模块化 SIMATIC S7-1200 控制器是西门子公司新推出产品的核心， 可实现简单却高度精确的自动 化任务， 同时， SIMATIC S7-1200 控制器实现了模块化和紧凑型设计， 更加有效节省风机内 部空间， 非常适用于本系统。 0023 图 2 是整个混合电池容量检测系统检测流程图。检测开始后， 锂动力电池组电量

22、测量模块与超级电容组电量测量模块同时工作。 流程图的左半部为锂动力电池组电量检测 的流程， 流程图的右半部为超级电容组电量检测的流程， 其具体过程在图3图4的说明中具 体说明。两部分的电量测量结束后， 可编程逻辑控制器 PLC 把锂动力电池组电量检测模块、 超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后， 通过通信模块 RS232C 输出 给结果显示模块显示并存储至数据储存装置。 0024 图 3 是锂动力电池组电量检测模块的示意图， 包括第一至第三开关 K1-K3、 第一至 第二电流表 A1-A2、 变阻箱和第一显示模块电池， 其中锂动力电池组的正极分别接第一至第 三开关K1-K3的一

23、端， 第三开关K3的另一端串接第一显示模块电池后分别接第一至第二电 流表 A1-A2 的一端， 第二开关 K2 的另一端串接变阻箱后接第一电流表 A1 的另一端， 锂动力 电池组的负极接第二电流表 A2 的另一端， 第一开关 K1 和第二电流表 A2 的另一端接风电系 统变桨系统。所述电阻箱、 电流表精确度足够高， 充分保证测量精度 ； 且所述电阻箱根据电 流表示数， 由 PLC 调节阻值大小。 0025 正常工作时， 第二、 第三开关K2、 K3断开， 第一开关K1闭合 ； 检测时第一开关K1断 开， 首先， 混合电池充电系统对锂动力电池组进行充电， 第二开关 K2 处于闭合状态， 第三开

24、关 K3 断开， 此时锂动力电池组与变阻箱的电压相等， 采用可编程逻辑控制器 PLC 控制变阻 箱， 调节阻值大小， 使第二电流表 A2 的示数等于第一电流表 A1 示数， 变阻箱阻值大小与锂 动力电池组内阻 r 相等 ； 根据锂电池内阻与锂电池容量的关系得出锂动力电池组的电容量 Q1 ； 锂动力电池组的内阻变化得到锂动力电池组的老化程度 S1。 0026 当锂动力电池组处于充满状态， 先闭合第三开关 K3， 第二开关 K2 断开， 对第一显 示模块电池组充电。 0027 在自动调节变阻箱阻值大小时， 用到了可编程逻辑控制器 PLC 中的脉宽调制技 术， 在此中断中， PWM 波的频率足够高，

25、 确保旋钮开关的步值足够小， 采用 PI 调节， 保证阻值 说 明 书 CN 104198946 A 6 4/4 页 7 调节的精确度。 0028 图 4 是超级电容组电量检测模块的示意图， 包括第五至第七开关 K5-K7、 第二显示 模块电池、 电压表 V 和第三电流表 A3， 超级电容组的一端分别接第五开关 K5、 电压表 V 和第 七开关 K7 的一端， 第七开关 K7 的另一端串接第二显示模块电池后分别接第六开关 K6 和第 三电流表 A3 的一端， 电压表 V 的另一端与第六开关 K6 的另一端连接， 超级电容组的另一端 与第三电流表 A3 的另一端连接， 第五开关 K5 的另一端和

26、第三电流表 A3 的一端接风电系统 变桨系统。 0029 正常工作时， 第六、 第七开关 K6、 K7 断开， 第五开关 K5 闭合 ； 检测时， 第五开关 K5 断开， 第六开关 K6 闭合， 第七开关 K7 断开， 此时， 当超级电容进行短暂的充电时， 采用可编 程逻辑控制器 PLC 中的计时器记录充电的时间 T， 电压表 V 和第三电流表 A3 同时实时测出 U1 U ， I3 I ， 已知 q CU， q IT， 其中 ：得到 ： CU IT， C IT/U， 由此得到超级电容的电容 C， 则超级电容组的容量 Q2 (CU2)/2, 同时超级电 容组的老化程度 S2 由电容的变化得到。 0030 若超级电容组处于充满状态， 先闭合第七开关 K7， 断开第六开关 K6， 对第二显示 模块电池组充电。 说 明 书 CN 104198946 A 7 1/3 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 104198946 A 8 2/3 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 104198946 A 9 3/3 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104198946 A 10