CN105092977A - 蓄电池内阻测量方法和电路、健康状态检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池内阻测量方法，包括如下步骤：使蓄电池通过一个设计产生与蓄电池容量匹配的放电电流的放电回路，进行一个大电流毫秒脉冲放电，检测该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，根据欧姆定律计算蓄电池的内阻。本发明方法可以在线、准确地测量蓄电池的内阻。

Description

蓄电池内阻测量方法和电路、健康状态检测方法和系统

技术领域

本发明涉及蓄电池检测技术领域。

背景技术

除发电设备外，蓄电池是目前最主要的电源形式，对于蓄电池的应用，可以分为三个环节：蓄电池充电环节，蓄电池健康状态检测环节，蓄电池供电环节。对于充电环节和供电环节，已经有十分成熟的技术和装备。但是，对于蓄电池健康诊断环节，缺乏可靠、经济、在线的动态检测手段。

蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，它广泛地应用于发电厂、变电站、通信系统、电动汽车、航空航天等部门。蓄电池分为酸性蓄电池(即铅酸蓄电池)和碱性蓄电池两大类。由于铅酸蓄电池的单节电压(通常为2V)比碱性蓄电池的单节电压(一般介于1.1V～1.65V之间)高，因此通常采用铅酸蓄电池构成后备电源系统。

铅酸蓄电池以其成熟的技术、较低的成本、大电流放电、可靠的性能等优点被广泛的应用在诸多领域，如无线通讯移动基站、计算机网络中心、UPS、汽车、通讯、电力、医疗、舰船等。铅酸蓄电池是目前工业电池当中产量最大的电池。

发明人经过研究和考察，发现铅酸蓄电池作为直流后备电源或动力电源存在如下问题：

1、蓄电池长期处于浮充状态，只在电力系统断电时才投入，由于铅酸蓄电池长时间不放电，电极周边被氢气泡“围困”，导致“钝化”，不能保障能量的有效补充和工作放电时内阻大不能可靠供电，在关键时刻可能导致操作电源失效或蓄电池输出的维持时间大大小于设计时间；

2、对蓄电池的“健康”状态缺乏在线、经济的监测手段，目前的方式为：人工逐个测量蓄电池的端电压，检查蓄电池的健康状态，该方法既不可靠、也不及时，而且工作量巨大,特别是对有电压但内阻异常的蓄电池不能输出设计电流的状态无法及时发现,因此，对蓄电池需要频繁地周期性维护，盲目性较大，出现异常时，也是一种“应急维护模式”；

3、由于目前串联多个蓄电池的浮充是现在动力电源或后备电源的主要工作方式，其最大缺点是不能照顾不同蓄电池之间的特性差异，在同一串联浮充中，由于每个蓄电池内阻的不同，内阻较大者在同样的浮充电流下不能够充分的“还原反应”，而导致个别品质较差的电池内阻增加较快，易于失效，降低了整个系统的可靠性；

4、大量电池以串联连接方式工作，每一个蓄电池输出端子的状态以及每一个串联蓄电池连接器的优劣直接影响直流操作电源的可靠性和供电特性；

5、需要100％冗余蓄电池组作为异常应急的后备，需要蓄电池的数量翻倍，投资增加，但同期出厂的蓄电池组的寿命不会提高，翻倍的投资并没有显著提高系统整体可靠性，维护工作量也翻倍；

6、浮充模式的开关电源设备，自身功率消耗大，需要风扇冷却，不够环保，而且开关电源设备与蓄电池组共处一室，当空调系统或通风系统失效后，蓄电池充放电所产生的可燃气体就有较大的火灾隐患；

7、缺乏先进的蓄电池智能管理技术和通用装备，直流后备电源每个蓄电池的状态，不能够通过网络组成物联网，完成全面覆盖的测控、异常预测，在监控中心不能实现远程海量直流后备电源的在线状态诊断和实现“管理型维护”。

发明内容

本发明的第一个发明目的是提供一种基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池内阻测量方法，该方法可以在线、准确地测量蓄电池的内阻。

本发明的第一个发明目的通过如下技术方案实现：一种基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池内阻测量方法,其特征在于，包括如下步骤：

使蓄电池通过一个设计产生与蓄电池容量匹配的放电电流的放电回路，进行一个大电流毫秒脉冲放电，检测该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，根据欧姆定律计算蓄电池的内阻。

本发明采用直流放电法测量蓄电池内阻，且放电电流足够大，测量结果准确稳定，又由于本发明内阻测量方法放电时间非常短，通常在1ms内，本发明方法可在线进行，且对蓄电池无损害，对蓄电池电量损耗低。

作为本发明蓄电池内阻测量方法的一种改进，在检测所述蓄电池的端电压和放电电流的变化过程的同时，检测所述放电回路的线路电阻。蓄电池的内阻是毫欧姆级别，因此，精确动态测量放电回路的线路电阻，对减少蓄电池内阻的测量误差十分重要。

本发明第二个发明目的是提供一种用于实施所述蓄电池内阻测量方法的电路。

本发明第二个发明目的通过如下技术方案实现：一种用于实施所述蓄电池内阻测量方法的电路,其特征在于，包括电压检测电路、电流检测电路、内阻检测电路和微处理机；

所述内阻检测电路包括由大功率电阻、电力电子器件和导线构成的放电回路，还包括有由光耦构成的驱动电路，所述微处理机通过所述驱动电路与所述电力电子器件相连，通过控制所述光耦控制所述电力电子器件导通或阻断，从而控制所述蓄电池是否通过所述放电回路放电，所述微处理机和所述电压检测电路构成用于采集所述蓄电池端电压的电压高速采样电路，所述微处理机和所述电流检测电路构成用于采集所述蓄电池放电电流的电流高速采样电路。

本发明的第三个发明目的是提供一种基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池健康状态检测方法。

本发明的第三个发明目的通过如下技术方案实现：一种基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池健康状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)周期性地使蓄电池通过一个设计产生与蓄电池容量匹配的放电电流的放电回路，进行一个大电流毫秒脉冲放电，检测该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，并同步检测如下参数：放电回路的线路电阻、蓄电池的表面温度和绝缘电阻；

2)根据欧姆定律计算蓄电池的内阻；

3)根据不同健康状态的蓄电池内阻取值区间的差别，综合检测的其它参数，评估蓄电池的健康状态。

本发明方法可在线评估蓄电池的健康状态，将目前普遍的应急抢修模式转化为预测维护，提高直流后备电源的可靠性。本发明通过周期性大电流毫秒脉冲放电，解决了目前蓄电池充电环节中，长期只充电不放电，蓄电池内部电极与电解质接触不良产生“钝化”现象的问题，提升了蓄电池的运行可靠性和安全性。

步骤1)在蓄电池处于静态时即非工作状态时进行。本发明的蓄电池健康状态检测方法是一个瞬时的过程，可以在任意时间对蓄电池的健康状态进行评估，但在实际应用中，由于蓄电池工作时间是有限的，所以不需要频繁的检测，主要是对每一次工作后的蓄电池的健康状态进行评估，以便给维护人员足够的信息以确保后备电源系统的可靠性。

作为对发明的一种改进，步骤1)中所述周期性的使蓄电池通过一个设计产生与蓄电池容量匹配的放电电流的放电回路，进行一个大电流毫秒脉冲放电的操作，在检测到蓄电池的端电压大于或等于设定的健康状态检测开启电压后进行，防止出现对处于放电末期的电池进行继续放电的操作，进一步保护蓄电池的健康。

所述健康状态检测开启电压根据蓄电池到达放电末期并静置一段时间后电压的回升值设定。

步骤3)中所述不同健康状态的蓄电池内阻取值区间的差别，根据不同健康状态的蓄电池内阻相对于该蓄电池新投入时内阻取值区间历史值的增量设定。

为了更全面的监测蓄电池的健康状态，步骤1)中同步检测的参数还包括蓄电池所处环境的环境参数，所述环境参数包括环境温度、湿度、气压等数据。

本发明的第四个发明目的是提供一种用于实施所述蓄电池健康状态检测方法的蓄电池健康状态检测系统。

本发明的第四个发明目的通过如下技术方案实现：一种基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池健康状态检测系统，其特征在于，包括用于与蓄电池一一对应相连、对蓄电池进行并联充放电管理和健康状态检测的蓄电池管理模块，还包括通讯管理模块和后台监控中心，所述蓄电池管理模块通过所述通讯管理模块与所述后台监控中心通讯。

所述蓄电池管理模块包括电压检测电路、电流检测电路、电池温度检测电路、内阻检测电路、绝缘电阻检测电路、充放电管理电路和微处理机，各所述电路分别与所述微处理机相连；

充放电管理：

所述微处理机分别通过所述电压检测电路、电流检测电路实时检测所述蓄电池的端电压和充放电电流，并通过所述充放电管理电路管理每个蓄电池的充放电过程；

健康状态检测：

所述微处理机通过周期性地激活所述内阻检测电路，使蓄电池通过所述内阻检测电路的放电回路进行一个大电流毫秒脉冲放电，并分别通过所述电压检测电路、所述电流检测电路，采样该放电过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，同时，还分别通过所述电池温度检测电路、绝缘电阻检测电路及所述内阻检测电路的线路电阻检测电路同步检测蓄电池的表面温度、绝缘电阻和所述放电回路的线路电阻。

所述蓄电池健康状态检测系统还包括与所述电池管理模块或所述通讯管理模块相连的环境参数检测电路，还可以包括红外人体检测电路、电池状态显示电路、GPS定位模块、摄像机、门禁模块等，所述环境参数检测电路包括用于检测蓄电池所在位置的温度、湿度、气压的检测电路。

所述绝缘电阻检测电路包括三个参考电阻和一个电压比较器，三个参考电阻与绝缘电阻形成电桥，电桥的一对角与蓄电池的两极分别对应相连，另一对角分别通过一个电阻后接入电压比较器的同向输入端和反向输入端，电压比较器的输出端与微处理机相连，微处理机根据电压比较器输出的电平信号的高低判断绝缘电阻是否达到要求。

所述蓄电池管理模块的微处理机通过RS485总线与所述通讯管理模块相连，所述微处理机侧和所述RS485总线侧分别使用独立的电源，所述微处理机通过光耦与所述RS485总线相连，以便实现完全隔离，减少充放电大电流产生的电磁干扰对蓄电池管理模块通信的干扰。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：1)本发明蓄电池内阻测量方法可在线进行，且内阻测量结果准确，损耗低，对蓄电池无损害；

2)本发明健康状态检测方法可在线进行，而且可以有效地防止蓄电池“钝化”现象的产生；

3)本发明蓄电池健康状态检测系统能通过程序控制，在线自动对所述蓄电池进行健康状态检测，而且检测参数全面，解决了现有技术中检测不及时，工作量大，检测结果不可靠，维护周期频繁、盲目性大的问题，有利于使蓄电池的维护从“应急维护模式”转化为预测维护，无需再配备100％冗余蓄电池组作为异常应急的后备，有利于节省成本；

4)本发明蓄电池管理模块与蓄电池一一对应相连，实时检测每个蓄电池的端电压和充放电电流，对每个蓄电池进行并联充放电管理，杜绝了串联充电方式中，因蓄电池内阻不同，有的蓄电池过度充电，有的蓄电池却未能得到充分的原反应，导致个别品质较差的蓄电池内阻增加较快，易于失效，降低直流系统可靠性问题的发生，本发明对每个蓄电池进行并联充放电管理，使每个蓄电池都得到充分的还原反应，有利于提高直流后备电源系统的可靠性，延长其使用寿命；

5)本发明通过周期性地健康状态检测，检测蓄电池放电回路的线路电阻、绝缘电阻等，有利于及时察觉每个蓄电池输出端子的异常状态；本发明通过通讯管理模块将所有蓄电池的状态信息汇集于监控中心，通过网络组成海量蓄电池的同步动态健康诊断系统，为构建行业区域覆盖乃至全国覆盖的海量蓄电池组健康状态诊断系统奠定技术基础。

附图说明

图1为采用直流放电法测量蓄电池内阻时，放电电流对内阻测量结果稳定性的影响曲线；

图2为表1对应的平均值、均方差与电流的关系曲线；

图3为内阻检测电路的电路原理图；

图4为电压检测电路的电路原理图；

图5为电流检测电路的电路原理图；

图6为内阻检测的控制流程图；

图7为与表2对应的蓄电池放电曲线；

图8为根据内阻数据评估额定输出电压为12V的铅酸蓄电池的健康状态的流程图；

图9为本发明蓄电池健康状态检测系统的结构框图；

图10为本发明蓄电池健康状态检测系统的原理框图；

图11为本发明蓄电池管理模块的电路连接图；

图12为本发明蓄电池健康状态检测系统基站监测内容的示意图；

图13为由本发明蓄电池健康状态检测系统构建的基站监控网的示意图；

图14为绝缘电阻检测原理图；

图15为绝缘电阻检测的电路原理图；

图16为电池温度检测电路的电路原理图；

图17为电池状态显示电路的电路原理图；

图18为485通信电路的电路原理图。

具体实施方式

蓄电池的放电是一个化学氧化反应，充电是一个化学还原反应，从电气原理讲，内阻不仅决定着电池的供电能力和容量，而且是表征蓄电池健康状态最重要的参数。现有技术中，内阻的测量根据等效电阻的机理，通常通过以下两种方法进行测量：1)直流放电法；2)交流信号注入法。因为蓄电池有电容效应，用交流信号注入法测量内阻受频率、电介质等因数的影响，测量效果不理想且也不稳定。直流放电法可以有效地避开电池电容的影响，测量结果准确。直流放电法就是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出电池的内阻。

现有技术中，直流放电法的放电时间一般持续数秒，由于是大电流放电，对蓄电池损害较大，而且只能在蓄电池处于静态或脱机状态下进行。

本发明同样采用直流放电法测量蓄电池的内阻，具体步骤如下：使蓄电池通过一个设计产生与蓄电池容量匹配的放电电流的放电回路，进行一个大电流毫秒脉冲放电，检测该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，并同步测量所述放电回路的线路电阻，根据欧姆定律，计算蓄电池的内阻。蓄电池的内阻是毫欧姆级别的，且受温度、气压等因素的影响，因此，精确动态测量放电回路的线路电阻，对减少蓄电池内阻测量的误差十分重要。

相比于现有技术，本发明内阻测量方法具有如下特点：放电时间短，毫秒脉冲放电，放电时间一般在1mS内，通常为300～700us。由于放电非常短，本发明方法可在线进行，且对蓄电池没有伤害，还具有对蓄电池电量损耗低的优点。

采用直流放电法测量蓄电池内阻时，放电电流的选择对蓄电池内阻检测结果影响很大。选择不同的检测电流，分别检测蓄电池的内阻，获得的实验结果如图1所示，检测电流越大，内阻检测结果越稳定，在检测电流较小时，检测结果波动非常大，根本不能用于内阻检测。计算各组实验数据的内阻平均值及其均方差，见下表，并绘制平均值、均方差与电流的关系图，如图2，可见，虽然不同放电电流检测出的内阻平均值区别不大，但是均方差却相差很大，随着放电电流的增大，内阻的检测结果的稳定性和精确度都越好。综合考虑节能等方面的因素，根据研究，安时容量大于30AH的蓄电池的放电电流应该大于50A，且容量越大放电电流也应该越大，对于容量较小的蓄电池，一般要求放电电流不小于30A。

表1

检测电流/A	4.8	9.5	14.2	20.1	25.4	30.4	35.4	40.3
									平均内阻/mΩ	27.9	28.5	27.6	27.6	28.5	27.5	28.5	28.6
均方差	5.2398	2.3598	0.7865	1.1468	1.1176	1.4795	0.3953	1.7293
									检测电流/A	45.4	50.4	54.5	60.2	67.0	88.1	93.2
平均内阻/mΩ	28.9	28.9	27.2	28.0	26.5	26.7	25.9
									均方差	0.9556	0.3975	0.3851	0.2856	0.2621	0.2064	0.2164

本发明还提供一种用于实施上述内阻测量方法的内阻测量电路，它包括电压检测电路、电流检测电路、内阻检测电路和微处理机，各电路均与微处理机相连，微处理机和电压检测电路构成用于检测蓄电池端电压的电压高速采样电路，微处理机和电流检测电路构成用于检测蓄电池放电电流的电流高速采样电路。

如图3所示，内阻检测电路包括由大功率电阻RL1、电力电子器件即大功率MOS管Q2和导线构成的放电回路，还包括有由光耦OP0构成的驱动电路，光耦OP0实现隔离，光耦OP0的正向输入端通过电阻Rx1与5V的驱动电源相连，反向输入端连接三极管Qx1的集电极，并通过三极管Qx1的发射极接地，三极管Qx1的基极通过限流电阻Rx2与微处理机相连，光耦OP0的输出端3通过0R电阻Rx0与大功率电阻RL1相连，大功率电阻RL1的另一端与大功率MOS管Q2的漏极相连，大功率MOS管Q2的源极通过电阻Rx3与光耦OP0的输出端4相连，大功率MOS管Q2的栅极也与光耦OP0的输出端4相连，蓄电池的正、负极分别与放电回路的大功率电阻侧和大功率MOS管侧相连。

在需要进行内阻测量时，嵌入式微处理机发送控制信号S1，使光耦OP0导通，从而控制大功率MOS管Q2导通，蓄电池通过由大功率电阻RL1、大功率MOS管Q2和导线构成的放电回路进行一个大电流毫秒脉冲放电，通过由微处理机和电压检测电路构成的电压高速采样电路、由微处理机和电流检测电路构成的电流高速采样电路检测该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，并由微处理机根据欧姆定律计算蓄电池的内阻。具体为，在需要进行内阻测量时，先测出此时蓄电池的端电压，然后使蓄电池通过放电回路放电，待电压及电流稳定后测出此时的端电压，并检测当前的放电电流，根据公式，计算蓄电池内阻。本发明的内阻检测电路还可进一步包括用于检测放电回路的线路电阻的线路电阻检测电路，对该电路现有技术中已有介绍。

电压检测电路如图4所示，蓄电池两端通过串联的精密电阻Rs1.1和Rs1.2分压后输入单片机MC9S12XS128的AD输入端，通过AD转换检测出蓄电池的端电压。

为了测量充放电电流，电流检测电路采用霍尔电流传感器ACS758LCB-100B，检测范围:-100A到+100A；灵敏度：20mV/A；响应时间：4uS；工作温度：-40℃-150℃。电流检测电路如图5所示，电流为0A的时候，芯片输出管脚输出电压IOUT1为2.5V，正向电流流过的时候，输出电压升高，反向电流流过的时候，输出电压降低，即输出电压与被测电流成线性关系。

作为上述内阻测量方法的一种应用，本发明还提供一种蓄电池健康状态检测方法。

蓄电池在老化的过程中，电解液的干涸、极板的硫酸化以及活性物质的脱落都会使蓄电池的内阻变大，如蓄电池的内阻值增加25％时(相对于新的满容量蓄电池的内阻值)，至少其容量的80％不能够得到转换。蓄电池在放电末期时，蓄电池的内阻会比充满电的时候大2～3倍。因此通过测量蓄电池的内阻能够评估蓄电池的老化程度和放电程度，从而预估蓄电池的使用寿命，防止蓄电池过度放电。

本发明通过控制对蓄电池进行周期性的内阻检测来评估蓄电池的健康状况，具体控制过程如图6所示：判断是否进行内阻检测，若是则使蓄电池通过一个设计产生与蓄电池容量匹配的放电电流的放电回路，进行一个大电流毫秒脉冲放电，检测该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，根据欧姆定律，计算蓄电池内阻，判断是否采集结束，若否，则延时若干秒后再次进行内阻检测，若是则根据不同健康状态的蓄电池内阻取值区间的差别，评估蓄电池的健康状态。当然，蓄电池的健康状态不仅仅由内阻决定，蓄电池端电压、绝缘电阻、表面温度等，都反应着蓄电池的健康状况，同时由于蓄电池内阻是毫欧级别的，放电回路的线路电阻的测量对减少蓄电池内阻测量误差非常重要，另外，蓄电池所在位置的环境因素，环境温度、湿度、大气压力等数据对评估蓄电池健康状况也具有很重要的参考意义，所以本发明的蓄电池健康状态检测方法，在测量蓄电池电阻的过程中，对上述参数进行了同步检测，以便更准确、全面的评估蓄电池的健康状态。

本发明周期性健康检测方法可以在任意时间在线进行，但在实际应用中，由于考虑到蓄电池工作时间是有限的，所以不需要频繁的检测，主要是对每一次工作后的蓄电池的健康状态进行评估，以便给维护人员足够的信息以确保后备电源系统的可靠性，所以，所述周期性健康检测一般在蓄电池处于静态时进行。

本发明不但解决了长期以来困惑直流操作电源领域对蓄电池进行在线动态诊断难题，而且由于采取周期性放电进行健康检测的方式，解决了目前蓄电池由于长期只充电不放电，蓄电池内部电极与电解质接触不良产生“钝化”现象的问题。

蓄电池过度放电会损害蓄电池，大大缩短蓄电池的使用寿命，所以需要对蓄电池的放电深度进行控制，防止蓄电池过放。对于额定输出电压为12V的铅酸蓄电池，一般要求其端电压不低于10.8V，但经过实验我们发现，将端电压已经低于10.8V的蓄电池放置一段时间后，蓄电池的端电压会慢慢回升，如图7和下表2所示，将端电压低于10.8V的蓄电池静置12小时后，端电压回升到了11.5V以上，但此时如果继续放电，蓄电池很容易出现过度放电的情况。

表2蓄电池放电数据(电流6A)

针对上述情况，本发明设定在检测到蓄电池的端电压大于或等于设定的健康状态检测开启电压后，才进行健康状态检测，而所述健康状态检测开启电压根据蓄电池到达放电末期并静置一段时间后电压的回升值设定，如针对额定输出电压为12V的铅酸蓄电池，本发明设定为11.5V。

如图8所示，检测蓄电池端电压大于11.5V时蓄电池的内阻，根据不同健康状态的蓄电池内阻取值区间的差别，评估蓄电池的健康状态。该取值区间根据该蓄电池新投入时内阻取值区间的历史值而设定，即根据内阻数据相对于历史值的增量评估蓄电池的健康状态。所述内阻取值区间的历史值是指分别由该蓄电池新投入时充满电状态下和放电末期时对应的电阻值界定的区间范围。

如图8所示，内阻在0～60mΩ时，健康状态GOOD；内阻在60～80mΩ时，健康状态OK；内阻在80～100mΩ时，健康状态warn；；内阻在>100mΩ时，健康状态replace。

蓄电池的应用具有三个环节，蓄电池充电环节、蓄电池供电环节和蓄电池健康状态检测环节，对于蓄电池的充电和供电环节，已有相当成熟的技术，通过本发明方法，可以实现对蓄电池健康状态的在线检测，在对蓄电池的充放电过程进行科学管理的同时，对蓄电池的健康状态进行在线诊断，预测蓄电池的使用寿命，保障直流供电系统的可靠性和维护的预见性，将目前普遍的应急抢修模式转化为预测维护，能极大程度地减少电力、通讯等行业所需备用电池的数量，减轻蓄电池生产、废弃环节的环境污染和运行过程的维护强度。

本发明还提供了一种蓄电池健康状态检测系统，如图9、10、11、12、13所示，包括蓄电池管理模块、通讯管理模块和后台监控中心，蓄电池管理模块与蓄电池一一对应，并通过RS485总线与通讯管理模块相连，每个通讯管理模块均嵌入了互联网接口RJ45和wifi，能够通过无线路由器或网络交换机与现地或远程的后台监控中心通讯，从而构成海量蓄电池组的物联网管理系统。

蓄电池管理模块对蓄电池进行并联充放电管理和健康状态检测的。蓄电池管理模块包括电压检测电路、电流检测电路、电池温度检测电路、内阻检测电路、绝缘电阻检测电路、充放电管理电路和微处理机即CPU，各所述电路分别与所述微处理机相连。

充放电管理过程如下：

微处理机分别通过电压检测电路、电流检测电路实时检测蓄电池的端电压和充放电电流，并通过充放电管理电路管理每个蓄电池的充放电过程。充电管理主要是指根据蓄电池的端电压或充电时间或充电电流或容量，选择蓄电池的充电模式或断开充电电路。当前常用的充电模式有恒流充电(又称主充)、恒压充电(又称均充)、浮充充电三种。由于充电过程伴随着热效应，自动切换充电模式的标准中应该参考蓄电池温度。为防止意外过充电，还应根据蓄电池充足电后端电压将呈现下降趋势的特点，停止对蓄电池充电。放电管理主要是控制蓄电池的放电深度。

健康状态检测过程如下：

微处理机周期性的激活内阻检测电路，通过内阻检测电路的放电回路进行一个大电流毫秒脉冲放电，由微处理机和电压检测电路构成的电压高速采样电路、由微处理机和电流检测电路构成的电流高速采样电路分别采样该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，同时微处理机还分别通过电池温度检测电路、绝缘电阻检测电路及内阻检测电路的线路电阻检测电路同步检测蓄电池的表面温度、绝缘电阻和放电回路的线路电阻，根据欧姆定律计算蓄电池的内阻，根据不同健康状态的蓄电池内阻取值区间的差别，综合检测的其它参数评估蓄电池的健康状态。

通讯管理模块主要由通讯模块CPU构成，通讯模块CPU通过RS485总线与蓄电池管理模块的CPU相连，且通过串口转以太网转换器与监控中心相连。

对于蓄电池的电压检测电路、电流检测电路、内阻检测电路的具体结构，请参见上文中介绍。

本发明蓄电池健康状态检测系统对蓄电池采用并行充电级联输出电压的管理方式，提出改进的电桥方法对蓄电池正、负极的对地绝缘电阻进行检测，本发明对蓄电池组中的每个蓄电池的绝缘电阻进行独立的检测，不受共地检测的约束，能对蓄电池组中的每个蓄电池进行可靠地绝缘监测。本发明的绝缘电阻检测电路如图14、15所示，包括三个参考电阻和一个电压比较器，参考电阻根据对绝缘电阻阻值的要求设定，本实施例子中选择30M的电阻作为参考电阻。三个参考电阻与绝缘电阻形成电桥，电桥的一对角与蓄电池的两极分别对应相连，另一对角分别通过一个电阻后接入电压比较器的同向输入端和反向输入端，电压比较器的输出端与微处理机相连，微处理机根据电压比较器输出的电平信号的高低判断绝缘电阻是否达到要求。

本发明的电池温度检测电路如图16所示，本专利采用数字温度传感器DS18B20检测电池的表面温度，测量温度范围为：-55℃-125℃，分辨率：0.1℃，分辨率：可以从9位到12位选择。

本发明的蓄电池健康检测系统还包括环境参数检测电路，环境参数检测电路与通讯管理模块相连。环境参数检测电路包括用于检测蓄电池所在位置的气压、温度、湿度的检测电路，本发明采用ST-AS3PTH07传感器模块采集大气压力、温度、湿度信息，该模块具有定期基准点校准和主动检测的特点，而且智能化好、可靠性高、高效、寿命长的优点。通信方式为RS485通信协议(数字化处理)，与所有支持RS485通信的设备兼容接口。

本发明的蓄电池健康检测系统还包括红外人体检测电路，红外人体检测电路与通讯管理模块相连，检测有无人员靠近，以便可以实现有人时自动启动排气系统，排除易燃有毒气体，保障人身安全。本发明采用HC-SR502人体感应模块，其具有年灵敏度高、可靠性高、超低功耗等特点，当有人进入其感应范围则输入高电平；人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

本发明还包括电池状态显示电路，电池状态显示线路与蓄电池管理模块的微处理器相连。本专利除采用数字通讯实现物联网管理外，智能蓄电池管理模块设计8个双色LED用来显示4个蓄电池的状态(可以为任意多个)，一个红绿双色LED显示蓄电池的电量情况：红色为充电中，绿色为电量已满；一个红黄双手LED显示蓄电池的健康状态：红色为出现问题；黄色为警告；不亮为正常。＃

LED的驱动电路如图17所示。采用8位边沿触发移位寄存器74HC164，串行输入数据，然后并行输出。74HC164是高速硅门CMOS器件，与低功耗肖基特型TTL(LSTLL)器件的引脚兼容，输入嵌位电流为-20mA～20mA，输出嵌位电流为-20mA～20mA，连续输出电流为-25mA～25mA。

为了减少充放电大电流产生的电磁干扰对蓄电池管理模块通信的干扰，提高通信的可靠性，如图18所示，微处理机侧和RS485通信侧分别使用不同的电源，并利用高速光耦6N137隔离信号，实现了485通信的完全隔离。

串口转以太网转换器是用来将TCP网络数据包或UDP数据包与TTL串口数据实现透明传输的设备，功耗低，搭载ARM处理器，速度快，稳定性高。本发明采用的串口转以太网转换器信号为USR-TCP232-E，USR-TCP232-E是一款多功能以太网串口数据转换模块,它内部集成了TCP/IP协议栈,用户利用它可以轻松完成嵌入式设备的网络功能,节省人力物力和开发时间,使产品更快的投入市场,增强竞争力。模块集成10/100M自适应以太网接口,串口通信最高波特率高达230.4Kbps，具有TCPServer,TCPClient,UDP,HttpdClient,TCPAuto,WEBtoSerial等工作模式，通过网页或软件轻松配置。通过RJ45接口的以太网转化通讯模块，为构建行业区域覆盖乃至全国覆盖的海量蓄电池组健康状态诊断系统奠定技术基础。

本发明还包括GPS定位模块，GPS定位模块采用U-BLOX模组，定位精度小于10m，自带可充电后备电池，以支持温启动或热启动，后备电池在主电源切断后，可以维持半小时左右的GPS接收数据保存。模块通过串口与外部系统连接，串口波特率可以为4800、9600(默认)、39400、57600等，能够兼容5V/3.3V单片机系统，使用十分方便。根据需要，该GPS模块可以直接用北斗董伟模块置换，实现无法进行地面通讯的双向通讯直流操作电源管理系统。

本发明的蓄电池健康状态检测系统监测的技术指标如下：

表3蓄电池监测技术指标

项目	监测范围	精度
			蓄电池电压：(V)	0～60	0.01
充、放电电流：(A)	-100～200	0.1
			内阻：(mΩ)	0～6500	0.1
表面温度：(℃)	-55-125	0.01
			绝缘电阻：(MΩ)	30	/
剩余电量：(％)	0～100	0.1
			电池状态：	好、良、差(更换)	/

表4环境监测技术指标

项目	监测范围	精度
			温度：(℃)	-30～80	0.1
湿度：(％)	0～100	0.1
			气压：(mPa)	500～1500	1
GPS定位：(m)	/	<10
			门禁：	是否锁好	/
红外感应：	是否有人	/

对于剩余电量评估，本发明采取的方式如下：＃

经实验，我们发现蓄电池的端电压与剩余电量SoC存在很明显的相关性，而且这种关系受环境温度和蓄电池的老化因素影响较小，但在放电后期，端电压并不能准确反映蓄电池的剩余电量SoC，这样会对蓄电池的保护策略的选取有很大的干扰。在蓄电池的剩余电量SoC在50％或40％以上时，其内阻基本没有变化，当SoC低于40％的时候，蓄电池的内阻会快速增大。鉴于上述特点，本发明在蓄电池放电前期，用蓄电池端电压评估蓄电池的剩余电量SoC，而在蓄电池放电后期，即蓄电池端电压或SoC低于某个值时，则用内阻估计剩余电量SoC。

对于放电深度控制，本发明采取的方式如下：＃

在前文中，我们提到对于额定输出电压为12V的铅酸蓄电池，将端电压已经低于10.8V的蓄电池放置一段时间后，蓄电池的端电压会慢慢回升，但此时如果继续放电，蓄电池很容易出现过度放电的情况。为更好的监测蓄电池的放电过程，防止蓄电池过放，本发明采用检测蓄电池的端电压和内阻来防止蓄电池过放，对于额定输出电压为12V的铅酸蓄电池，具体为：当端电压小于10.8V或者内阻大于60.0mΩ或者内阻相对于其充满电时的内阻增大150％以上时，判断蓄电池到达放电末期，需切断蓄电池供电回路，停止放电，保护蓄电池的健康。

本发明不仅解决了长期以来困惑直流操作电源领域的在线动态诊断难题，保障了蓄电池的就绪状态杜绝“钝化”，对蓄电池SoC，Soh的智能化、网络化管理，为构建行业直流操作电源的物联网管理奠定了基础。

Claims (10)

1.一种基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池内阻测量方法,其特征在于，包括如下步骤：

使蓄电池通过一个设计产生与蓄电池容量匹配的放电电流的放电回路，进行一个大电流毫秒脉冲放电，检测该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，根据欧姆定律计算蓄电池的内阻。

2.根据权利要求1所述的基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池内阻测量方法,其特征在于，在检测所述蓄电池的端电压和放电电流的变化过程的同时，检测所述放电回路的线路电阻。

3.一种用于实施权利要求1所述蓄电池内阻测量方法的电路,其特征在于，包括电压检测电路、电流检测电路、内阻检测电路和微处理机；

所述内阻检测电路包括由大功率电阻、电力电子器件和导线构成的放电回路，还包括有由光耦构成的驱动电路，所述微处理机通过所述驱动电路与所述电力电子器件相连，通过控制所述光耦控制所述电力电子器件导通或阻断，从而控制所述蓄电池是否通过所述放电回路放电，所述微处理机和所述电压检测电路构成用于采集所述蓄电池端电压的电压高速采样电路，所述微处理机和所述电流检测电路构成用于采集所述蓄电池放电电流的电流高速采样电路。

4.一种基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池健康状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)周期性地使蓄电池通过一个设计产生与蓄电池容量匹配的放电电流的放电回路，进行一个大电流毫秒脉冲放电，检测该过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，并同步检测如下参数：放电回路的线路电阻、蓄电池的表面温度和绝缘电阻；

2)根据欧姆定律计算蓄电池的内阻；

3)根据不同健康状态的蓄电池内阻取值区间的差别，综合检测的其它参数，评估蓄电池的健康状态。

5.根据权利要求4所述的基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池健康状态检测方法，其特征在于，步骤1)在蓄电池处于静态时即非工作状态时，且在检测到蓄电池的端电压大于或等于设定的健康状态检测开启电压后进行，所述健康状态检测开启电压根据蓄电池到达放电末期并静置一段时间后电压的回升值设定。

6.根据权利要求5所述的基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池健康状态检测方法，其特征在于，步骤3)中所述不同健康状态的蓄电池内阻取值区间的差别，根据不同健康状态的蓄电池内阻相对于该蓄电池新投入时内阻取值区间历史值的增量设定。

7.根据权利要求4～6任一项权利要求所述的基于大电流毫秒脉冲放电的蓄电池健康状态检测方法，其特征在于，步骤1)中同步检测的参数还包括蓄电池所处环境的环境参数，所述环境参数包括蓄电池所处位置的环境温度、湿度、气压。

8.一种用于实施权利要求4或5或6中所述蓄电池健康状态检测方法的蓄电池健康状态检测系统，其特征在于，包括用于与蓄电池一一对应相连、对蓄电池进行并联充放电管理和健康状态检测的蓄电池管理模块，还包括通讯管理模块和后台监控中心，所述蓄电池管理模块通过所述通讯管理模块与所述后台监控中心通讯。

9.根据权利要求8所述的蓄电池健康状态检测系统，其特征在于，所述蓄电池管理模块包括电压检测电路、电流检测电路、电池温度检测电路、内阻检测电路、绝缘电阻检测电路、充放电管理电路和微处理机，各所述电路分别与所述微处理机相连；

充放电管理：

所述微处理机分别通过所述电压检测电路、电流检测电路实时检测所述蓄电池的端电压和充放电电流，并通过所述充放电管理电路管理每个蓄电池的充放电过程；

健康状态检测：

所述微处理机通过周期性地激活所述内阻检测电路，使蓄电池通过所述内阻检测电路的放电回路进行一个大电流毫秒脉冲放电，并分别通过所述电压检测电路、所述电流检测电路，采样该放电过程中蓄电池的端电压和放电电流的变化过程，同时，还分别通过所述电池温度检测电路、绝缘电阻检测电路及所述内阻检测电路的线路电阻检测电路同步检测蓄电池的表面温度、绝缘电阻和所述放电回路的线路电阻。

10.根据权利要求9所述的蓄电池健康状态检测系统，其特征在于，所述蓄电池健康状态检测系统还包括与所述电池管理模块或所述通讯管理模块相连的环境参数检测电路，还包括红外人体检测电路、电池状态显示电路、GPS定位模块、摄像机、门禁模块，所述环境参数检测电路包括用于检测蓄电池所在位置的温度、湿度、气压的检测电路；

所述绝缘电阻检测电路包括三个参考电阻和一个电压比较器，三个参考电阻与绝缘电阻形成电桥，电桥的一对角与蓄电池的两极分别对应相连，另一对角分别通过一个电阻后接入电压比较器的同向输入端和反向输入端，电压比较器的输出端与微处理机相连，微处理机根据电压比较器输出的电平信号的高低判断绝缘电阻是否达到要求；

所述蓄电池管理模块的微处理机通过RS485总线与所述通讯管理模块相连，所述微处理机侧和所述RS485总线侧分别使用独立的电源，所述微处理机通过光耦与所述RS485总线相连。