[发明专利]一种基于反射超声的铅蓄电池容量在线测量的装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于反射超声的铅蓄电池容量在线测量的装置及方法，一种方法是超声回波信号的特征量提取计算方法，利用回波信号与电池容量之间的联系，给出单点容量计算公式。另一种方法是综合容量计算方法，因为回波信号大小与测量点位置关系密切，在单点容量计算结果的基础上，不同位置乘以不同的系数，进一步提升电池容量的准确性。并提供了一种基于反射超声的铅蓄电池容量在线测量的装置，通过定量控制耦合剂用量和超声换能器压力值，采用单个超声换能器实现信号的发射和接收，具有结构简单、空间紧凑、经济实用等特点，具有抗电磁干扰能力强和测量准确度高等优点，实现了铅蓄电池容量方便、快速、准确地测量。

技术领域

本发明属于铅蓄电池状态测量领域，具体而言，涉及一种基于反射超声的铅蓄电池容量在线测量的装置及方法。

背景技术

铅酸蓄电池作为变电站直流电源系统的核心设备，在交流系统发生故障时，为继电保护装置、自动装置和事故照明装置等重要负载供电，其性能质量关乎整个变电站的安全稳定运行。目前，变电站直流电源系统主要使用阀控式铅酸蓄电池，根据电网公司统计数据显示，铅酸蓄电池使用占比达到99.8%，铅酸蓄电池容量的准确预测是保障电网安全可靠运行的重要举措。

目前，蓄电池容量的测量方法主要有核对性放电法、开路电压法、安时积分法、内阻测量法、卡尔曼滤波法和神经网络法等方法。这几种方法存在以下问题：其都是基于蓄电池特性的测量方法，需将蓄电池看作由电气参数构成的非线性网络，通过测量开路电压、电流以及内阻等参数的变化来表征蓄电池的容量。必需离线测量，测量耗时长，测量步骤繁琐并且较为危险。

蓄电池充放电循环的本质是内部发生复杂的电化学反应。例如，放电时，正极的二氧化铅与稀硫酸电解液反应，生成硫酸铅。在此过程中，正负极材料的晶体结构，杨氏模量、密度和应力等物理参数也在不断发生变化。超声信号对介质的微观结构及物理参数的变化十分敏感，表现为超声传播速度和信号能量会发生变化。根据上述内容，本发明提供了一种基于反射超声的铅蓄电池容量在线测量的装置及方法，其目的在于实现蓄电池容量的在线和精确测量，对于保障蓄电池稳定可靠的运行和电网安全具有重要的科学和工程意义。

经过检索，中国专利公开号为CN 105301507 B公开了一种铅酸蓄电池容量的快速检测方法与装置。检测装置包括数据处理端和检测终端；数据处理端用于宽频信号的产生、信号特征提取、检测参数的设置与控制、检测结果的存储、数据通信以及人机交互；检测终端负责宽频磁信号的发射、多模信号的接收和数据通信。该发明的检测方法利用通电线圈在蓄电池上施加交变磁场，应用磁敏传感器、超声波传感器和红外传感器对感应磁场和涡电流形成的电磁超声、红外信号进行接收，利用信号处理方法对多模接收信号的时频特性进行分析和识别，进而对电解液中带电粒子属性、电解液浓度进行判断，结合实验统计结果对蓄电池容量进行反演而实现快速检测。但是在电网的变电站等铅蓄电池使用场所存在大量的电磁波信号，包括但不限于工频电磁场、电晕放电、局部放电、刀闸/断路器操作等产生的各种频带的电磁波信号，该发明检测信号为宽频信号，容易受到电磁波信号的干扰，影响测量的准确性和可靠性。

经过检索，中国专利公开号CN 110137581 B和CN 110118938 B分别公开了一种锂离子电池超声脉冲监测装置和基于超声波频谱分析锂电池内部状态的方法及装置，属于锂电池状态监测领域，测量方法为超声波透射法，由于铅蓄电池的体积一般较大，超声波穿透能力有限，不宜采用超声波透射法测量。并且锂电池的储能原理、工作状态、内部电芯和电介质材料状态等与铅蓄电池具有本质的不同，导致以上发明不能直接适用于铅蓄电池的容量测量。

并且以上专利都没有提及耦合剂的用量和超声换能器施加在蓄电池表面的压力值，但其实采用超声法测量蓄电池容量时，耦合剂的用量多少和超声换能器施加在蓄电池表面的压力值大小，对超声回波/透射波具有显著的影响，进而严重影响容量测量的准确性和可靠性。

发明内容