CN107884722B - 一种在线分布式蓄电池组监测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在线分布式蓄电池组监测设备，包括一单体汇集模块、一动环监控中心、若干个单体模块和一霍尔传感器；所述霍尔传感器的输入端串接在蓄电池组的充放电回路上，输出端接在所述单体汇集模块的电流采集输入端上；若干所述单体模块的输入端对应连接于蓄电池组的被测电池单体的正负极性两端，输出端通过通信与控制总线连接在单体汇集模块的输入端上；所述单体汇集模块的电压采集输入端连接在蓄电池组的端电压检测线上，输出端连接在所述动环监控中心的输入端。本发明能在线监测其被测电池单体之电压、内阻、温度等一体的设备，以无人值守、现场组网的方式解决了铅酸蓄电池故障隐患不能及时发现、及时解决的维护问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种铅酸蓄电池组进行在线监测设备。
背景技术
后备电源包括动力后备电源和通信后备电源，目前广泛应用于各行各业之中，包括通信、电力、金融、医疗、石化、教育、交通、乃至衣食住行的各行各业。后备电源的主要用途就是防止因市电临时中断，而导致重要设备异常停机、数据丢失、动力机器设备失控等严重事故，形成巨大经济损失。因此如何维护好后备电源系统，尤其是后备铅酸蓄电池组，成为目前行业后备电源管理部门的重要工作之一。
然而后备电源所在的铅酸电池组规模庞大，数量众多，如何发现故障电池单体或潜在隐患的电池单体，却不是一件容易的事情。常规的做法是使用离线式假负载对整组蓄电池进行放电，然后找出有问题的电池。此法比较有效果，但是投入的人力物力巨大，维护成本高，不能大范围使用。另外一种做法就是使用手持内阻计人工一节单体一节单体地测量，此法也有一定效果，但同样需要大量的人力物力，维护成本偏高。而且因为是人工操作，难免有因操作不当而导致电池误判的问题，也无法实时预警存在安全隐患的蓄电池单体。基于上述总总原因，后备铅酸蓄电池故障隐患及时发现、及时解决的维护问题目前还有待解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种铅酸蓄电池组进行在线监测其被测电池单体之电压、内阻、温度等一体的设备，以无人值守、现场组网、智能实时在线测量电池单体电压、内阻、温度等数据，解决铅酸蓄电池故障隐患不能及时发现、及时解决的维护问题。
本发明是这样实现的：一种在线分布式蓄电池组监测设备，包括一单体汇集模块、一动环监控中心、若干个单体模块和一霍尔传感器；
所述霍尔传感器的输入端串接在蓄电池组的充放电回路上，输出端接在所述单体汇集模块的电流采集输入端上；若干所述单体模块的输入端对应连接于蓄电池组的被测电池单体的正负极性两端，输出端通过通信与控制总线连接在单体汇集模块的输入端上；所述单体汇集模块的电压采集输入端连接在蓄电池组的端电压检测线上，输出端连接在所述动环监控中心的输入端。
进一步的，所述单体模块包括一第一MCU微控制器单元、一第一带通滤波放大电路和一直流脉冲放电电路；
所述第一带通滤波放大电路的输入端连接在对应被测电池单体的正负极性两端，输出端连接在所述第一MCU微控制器单元的模数转换口ADC2；所述直流脉冲放电电路输入端连接在对应被测电池单体的充放电回路上，输出端则连接所述第一MCU微控制器单元的模数转换口ADC1。
进一步的，所述直流脉冲放电电路进一步包括一差分放大电路、一驱动电路、一负载电阻、一电流采样电阻和一放电开关；所述负载电阻、电流采样电阻和放电开关串接在充放电回路上，且所述差分放大电路的输入端并接在所述电流采样电阻的两端，输出端则连接所述第一MCU微控制器单元的模数转换口ADC1；所述驱动电路两端分别连接所述第一MCU微控制器单元和放电开关。
进一步的，所述直流脉冲放电电路为峰值电流小于1.5A的小电流电路。
进一步的，所述单体模块还包括一电压和温度测量电路和一温度探头；所述温度探头用于探测被测电池单体的温度；所述电压和温度测量电路的输入端连接在被测电池单体的正负极性两端，并和温度探头连接，输出端则所述第一MCU微控制器单元的模数转换口ADC3。
进一步的，所述单体模块还包括一自适应编号电路和一第一隔离通信电路，所述自适应编号电路与第一隔离通信电路均与所述第一MCU微控制器单元连接。
进一步的，所述单体模块还包括一均衡充放电电路，该均衡充放电电路为2A以内电流的充电电路，该均衡充放电电路一端连接在所述充放电回路上，另一端连接所述第一MCU微控制器单元。
进一步的，所述单体汇集模块为总调度模块，其包括一第二MCU微控制器单元以及与该第二MCU微控制器单元连接的一第二带通滤波放大电路、一电压测量电路、一电流测量电路、一第二隔离通信电路、一第三隔离通信电路和一自适应编号控制电路；
所述电压测量电路还连接在蓄电池组的端电压检测线上；所述电流测量电路还连接霍尔传感器；所述第二隔离通信电路还连接所述第一隔离通信电路；所述第三隔离通信电路连接所述动环监控中心。
本发明具有如下优点：
1、本发明对每一节铅酸蓄电池单体都安装一个单体模块，该模块具备实时测量铅酸电池单体的电压、纹波电压、内阻、温度等数据，再通过通信与控制总线将数据上传汇总到单体汇集模块，单体汇集模块再将汇总后的数据通过通信总线上传到动环监控中心，从而实现蓄电池组的在线分布式监测；
2、本发明每个单体模块都具备自适应量程功能，能自动识别不同电压等级(2V/6V/12V)的铅酸蓄电池单体，自动调整内部的各个测量电路量程，确保单体电压和内阻测量的精确度；
3、本发明同时支持两种测量蓄电池单体内阻的方式：即纹波电流法和直流脉冲法，从而能够涵盖所有现场工况下的电池单体内阻的高准确性测量；
4、每个单体模块具备对所接被测电池单体进行主动充放电均衡功能，在同一均衡标准单体电压下，通过均衡充放电电路自动对单体电压偏高的电池进行放电均衡，直到接近于均衡标准电压的±2mV以内；同理，对单体电压偏低的电池则进行充电均衡；
5、每个单体模块具备自适应编号功能，单体在现场安装好后，通过该自动编号功能，可以快速自动完成单体模块与被测电池单体的一一对应的编号关系，确保采集上传的电压、内阻、温度等数据不会出现张冠李戴的错乱问题，降低生产、安装、运维的成本；
6、每个单体模块都是完全独立并且隔离的，一个单体模块只负责测量一节电池单体的电压、纹波电压、内阻、温度等数据，一个单体模块故障，不会影响其他单体模块的正常工作和运行，模块和模块之间通过通信与控制总线连接到单体汇集模块。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明在线分布式蓄电池组监测设备的原理结构框图。
图2为本发明中单体模块的原理结构框图。
图3为本发明中单体汇集模块的原理结构框图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的在线分布式蓄电池组监测设备，包括一单体汇集模块1、一动环监控中心2、若干个单体模块3和一霍尔传感器4。
将蓄电池组的两端连接在系统开关电源上形成充放电回路，所述霍尔传感器4的输入端串接在蓄电池组的充放电回路上，输出端接在所述单体汇集模块1的电流采集输入端上；若干所述单体模块3的输入端对应连接于蓄电池组的被测电池单体的正负极性两端，输出端通过通信与控制总线连接在单体汇集模块1的输入端上；所述单体汇集模块1的电压采集输入端连接在蓄电池组的端电压检测线5上，输出端连接在所述动环监控中心2的输入端。
其中，本发明中上述各模块的特点及功能如下：
所述蓄电池组是由若干个被测电池单体串联形成，并串接在系统开关电源正负极两端，形成后备电源系统；标称单体电压可以为2V、6V或12V，标称容量可以从5AH-3000AH不等；
所述系统开关电源泛指一切UPS系统电源、高压直流系统电源或通信系统中的高频开关电源；当为UPS系统电源、高压直流系统电源时，额度工作条件下，对接在其系统开关电源两端的蓄电池组存在输出纹波电流，该纹波电流将流过其蓄电池组上的每一节电池单体，每一节被测电池单体由于其自身内阻的存在，将在其正负极两端产生一定幅度的纹波电压，此时本发明的在线分布式蓄电池组监测设备会自动使用纹波电流法来在线测量各节被测电池单体的内阻；当为通信高频开关电源时，被测电池单体上无可明显测量的纹波电压和纹波电流，此时本发明的在线分布式蓄电池组监测设备会自动使用直流脉冲法来在线测量各节被测电池单体的内阻；
所述霍尔传感器4用于提取蓄电池组的充放电电流和每一节被测电池单体的纹波电流信号并传输给所述单体汇集模块1；既可以测量直流电流信号，也可以测量交流电流信号，此处的霍尔传感器为一高精度的闭环霍尔传感器；
所述单体模块3用于对于被测电池单体的在线内阻测量，其测量具有两种方式，分别为纹波电流法和直流脉冲法；
所述动环监控中心2为用户现场固有设备或后台动力环境监控系统；
所述单体汇集模块1为本系统总调度模块，用于控制各单体模块3对各被测电池单体的内阻测量，并将汇集后的电池电压、电流、内阻、温度等数据上传到动环监控中心2。
具体结合图2所示，所述单体模块3包括一第一MCU微控制器单元31、一第一带通滤波放大电路32和一直流脉冲放电电路；所述第一带通滤波放大电路32的输入端连接在对应被测电池单体的正负极性两端，输出端连接在所述第一MCU微控制器单元31的模数转换口ADC2；所述直流脉冲放电电路输入端连接在对应被测电池单体的充放电回路上，输出端则连接所述第一MCU微控制器单元31的模数转换口ADC1。且所述直流脉冲放电电路进一步包括一差分放大电路331、一驱动电路332、一负载电阻333、一电流采样电阻334和一放电开关335；所述负载电阻333、电流采样电阻334 和放电开关335串接在充放电回路上，且所述差分放大电路331的输入端并接在所述电流采样电阻334的两端，输出端则连接所述第一MCU微控制器单元31的模数转换口ADC1；所述驱动电路332两端分别连接所述第一 MCU微控制器单元31和放电开关335。所述直流脉冲放电电路为峰值电流小于1.5A的小电流电路。
当单体模块3使用纹波法在线测量被测电池单体内阻时，带通滤波放大电路32将在被测电池单体正负极性两端提取有用纹波电压信号进行滤波放大，经过MCU微控制器单元31模数转换处理后，计算出平均纹波电压值 V，通过通信与控制总线传送到单体汇集器模块1。
当单体模块3使用直流脉冲法在线测量被测电池单体内阻时，MCU微控制器单元31控制直流脉冲放电电路开始工作，通过电池检测线对被测电池单体进行直流脉冲放电；MCU微控制器单元31通过带通滤波放大电路 32和差分放大电路331同步测量被测电池单体的脉冲电压Vp和脉冲电流 Ip，利用R＝Vp/Ip算出被测电池单体的内阻R。将结果通过通信与控制总线传送到单体汇集模块1。
所述单体模块3还包括一电压和温度测量电路34和一温度探头35；所述温度探头35用于探测被测电池单体的温度；所述电压和温度测量电路34 的输入端连接在被测电池单体的正负极性两端，并和温度探头35连接，输出端则所述第一MCU微控制器单元31的模数转换口ADC3，由第一MCU 微控制器单元31将温度测试结果通过通信与控制总线传送到单体汇集模块 1。
所述单体模块3还包括一自适应编号电路36和一第一隔离通信电路37，所述自适应编号电路37与第一隔离通信电路37均与所述第一MCU微控制器单元31连接；自适应编号电路36在单体汇集模块1的控制协调下，能完成单体模块3自适应自动顺序编号，使其编号与被测电池单体的编号一一对应，保证各个单体模块3将数据传输给单体汇集模块1的时候，单体汇集模块1能够识别数据和被测电池单体的对应关系，不会张冠李戴，造成数据错乱；该自适应自动编号电路还是通过第一隔离通信电路37进行光电隔离的，不影响各个单体模块3的在线安全稳定地工作；该功能简化了生产、现场施工安装步骤，降低了设备的综合成本。
所述单体模块3还包括一均衡充放电电路38，该均衡充放电电路38为 2A以内电流的充电电路，该均衡充放电电路38一端连接在所述充放电回路上，另一端连接所述第一MCU微控制器单元31；该均衡充放电电路38与直流脉冲放电电路配合，在单体汇集模块1的控制协调下，实现被测电池单体进行在线主动单体充放电均衡的功能。当单体汇集模块1工作参数设定为启用被测电池单体均衡功能的时候，单体汇集模块1则将标准均衡电压Vs 通过通信与控制总线传至各个单体模块3，单体模块3则对实时采集的单体电压Vd与标准均衡电压Vs进行比对：如果Vd>(Vs+2mV)，则单体模块3 启动直流脉冲放电电路对所接的被测电池单体进行放电，直至上述条件不满足。如果Vd<(Vs-2mV)，则单体模块3启动均衡充电电路38对所接的被测电池单体电测进行充电，直至上述条件不满足。各个单体模块3都以如此原理运行，达到各节被测电池单体的电压趋于一致(差距在±2mV内)。该功能通过单体汇集模块1工作参数设定决定启用或不启用，或是启用均衡功能时只启用充电功能，而不启用放电功能，以满足各种被测电池单体不同均衡方式的要求。
请结合图1和图3所示，所述单体汇集模块1为总调度模块，其包括一第二MCU微控制器单元11以及与该第二MCU微控制器单元11连接的一第二带通滤波放大电路12、一电压测量电路13、一电流测量电路14、一第二隔离通信电路15、一第三隔离通信电路16和一自适应编号控制电路17；所述电压测量电路13还连接在蓄电池组的端电压检测线5上；所述电流测量电路14还连接霍尔传感器4；所述第二隔离通信电路15还连接所述第一隔离通信电路37；所述第三隔离通信电路16连接所述动环监控中心2。
所述单体汇集模块1通过电压测量电路13测量电池组端电压、通过电流测量电路14和外置霍尔传感器4测量蓄电池组充放电直流电流，通过第二带通滤波放大电路12和外置霍尔传感器4测量蓄电池组的纹波电流；
所述单体汇集模块1通过第二隔离通信电路15和通信与控制总线与各单体模块3进行通信与控制，读取汇总各个单体模块3的所测量的被测电池单体的电压、内阻、温度等数据，进行被测电池单体内阻测量、被测电池单体电压均衡等；
所述单体汇集模块1通过自适应编号控制电路17，第二隔离通信电路15，通信与控制总线对各单体模块3进行自适应自动编号；
所述单体汇集模块1通过第三隔离通信电路16将汇集后的电池电压、电流、内阻、温度等数据上传到动环监控中心2；
所述单体汇集模块1对于控制被测电池单体的内阻测量有两种方法，分别为纹波电流法和直流脉冲法。该模块在启动内阻测试工作前，首先测量霍尔传感器4所送来的纹波电流信号的幅度，判断是否满足使用纹波法测量内阻的要求。如果满足，则该模块将通过通信与控制总线广播发送启动纹波电流法测量内阻命令，来在线测量各个被测电池单体的内阻。如不满足，则该模块将通过通信与控制总线发送脉冲放电法测内阻命令，来在线测量各个被测电池单体的内阻。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种在线分布式蓄电池组监测设备，其特征在于：包括一单体汇集模块、一动环监控中心、若干个单体模块和一霍尔传感器；
所述霍尔传感器的输入端串接在蓄电池组的充放电回路上，输出端接在所述单体汇集模块的电流采集输入端上；若干所述单体模块的输入端对应连接于蓄电池组的被测电池单体的正负极性两端，输出端通过通信与控制总线连接在单体汇集模块的输入端上；所述单体汇集模块的电压采集输入端连接在蓄电池组的端电压检测线上，输出端连接在所述动环监控中心的输入端；
所述动环监控中心为用户现场固有设备或后台动力环境监控系统；
所述霍尔传感器用于提取蓄电池组的充放电电流和每一节被测电池单体的纹波电流信号并传输给所述单体汇集模块；
所述单体模块用于对于被测电池单体的在线内阻测量，其测量具有两种方式，分别为纹波电流法和直流脉冲法；所述单体模块包括一第一MCU微控制器单元、一第一带通滤波放大电路和一直流脉冲放电电路；所述第一带通滤波放大电路的输入端连接在对应被测电池单体的正负极性两端，输出端连接在所述第一MCU微控制器单元的模数转换口ADC2；所述直流脉冲放电电路输入端连接在对应被测电池单体的充放电回路上，输出端则连接所述第一MCU微控制器单元的模数转换口ADC1；所述单体模块还包括一自适应编号电路和一第一隔离通信电路，所述自适应编号电路与第一隔离通信电路均与所述第一MCU微控制器单元连接；
所述单体汇集模块为本系统总调度模块，用于控制各单体模块对各被测电池单体的内阻测量，并将汇集后的数据上传到动环监控中心；所述单体汇集模块对于控制被测电池单体的内阻测量有两种方法，分别为纹波电流法和直流脉冲法，所述单体汇集模块在启动内阻测试工作前，首先测量霍尔传感器所送来的纹波电流信号的幅度，判断是否满足使用纹波法测量内阻的要求，如果满足，则通过通信与控制总线广播发送启动纹波电流法测量内阻命令，以在线测量各个被测电池单体的内阻；如不满足，则通过通信与控制总线发送脉冲放电法测内阻命令，以在线测量各个被测电池单体的内阻；
所述单体汇集模块包括一第二MCU微控制器单元以及与该第二MCU微控制器单元连接的一第二带通滤波放大电路、一电压测量电路、一电流测量电路、一第二隔离通信电路、一第三隔离通信电路和一自适应编号控制电路；所述电压测量电路还连接在蓄电池组的端电压检测线上；所述电流测量电路还连接霍尔传感器；所述第二隔离通信电路还连接所述第一隔离通信电路；所述第三隔离通信电路连接所述动环监控中心。
2.根据权利要求1所述的一种在线分布式蓄电池组监测设备，其特征在于：所述直流脉冲放电电路进一步包括一差分放大电路、一驱动电路、一负载电阻、一电流采样电阻和一放电开关；所述负载电阻、电流采样电阻和放电开关串接在充放电回路上，且所述差分放大电路的输入端并接在所述电流采样电阻的两端，输出端则连接所述第一MCU微控制器单元的模数转换口ADC1；所述驱动电路两端分别连接所述第一MCU微控制器单元和放电开关。
3.根据权利要求1所述的一种在线分布式蓄电池组监测设备，其特征在于：所述直流脉冲放电电路为峰值电流小于1.5A的小电流电路。
4.根据权利要求1所述的一种在线分布式蓄电池组监测设备，其特征在于：所述单体模块还包括一电压和温度测量电路和一温度探头；所述温度探头用于探测被测电池单体的温度；所述电压和温度测量电路的输入端连接在被测电池单体的正负极性两端，并和温度探头连接，输出端则所述第一MCU微控制器单元的模数转换口ADC3。
5.根据权利要求1所述的一种在线分布式蓄电池组监测设备，其特征在于：所述单体模块还包括一均衡充放电电路，该均衡充放电电路为2A以内电流的充电电路，该均衡充放电电路一端连接在所述充放电回路上，另一端连接所述第一MCU微控制器单元。
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