CN114614120B - 一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统 - Google Patents

一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，包括：中央处理器；采集电路模块，具体包括电压采集电路、电流采集电路、极柱温度采集电路、水位监控电路和内阻监测模块；高频交流电压发生模块，利用蓄电池组自身产生的高频电压信号并作用在自身，将蓄电池极板内部硫化物结晶通过高频电压冲击、溶解；网络通讯网关，将蓄电池组模拟量信息数字化后同步传输到云平台，实现远程监测。本系统能够在电池使用过程中实时检测电池的电压、电流、温度、内阻及水容量状态，进行全天候监测，并可以使用被检测的电池产生高频电压信号冲击极板内硫化物结晶，不依赖外部设备，可远程监测实时数据，无需人员到特定现场进行作业，大幅提高除硫效率。

Description

一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统
技术领域
本发明涉及铅酸蓄电池除硫技术领域，具体涉及一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统。
背景技术
铅酸蓄电池目前已被广泛应用于电力系统。由于蓄电池平时都是并联在整流设备上并处于浮充状态中，时间一长，蓄电池就会出现活化物资脱落、电解液干涸、极板变形、极板腐蚀及硫化等异常情况，从而导致蓄电池容量降低甚至失效，一旦市电中断，极有可能酿成电力供电中断等重大事故。
通常造成蓄电池劣化的一个主要原因就是由于蓄电池组中各单节电池均匀性的差异，导致充电时各单体电池不均匀(放电后的电池如不能及时充饱就会产生“硫化”)，蓄电池组中未充满的一节或某几节单体电池因充不饱而“硫化”，“硫化”的蓄电池内阻增大，这便使其与组内的其它各节电池的差异更大，进而导致电池内“硫化”加重，形成恶性循环，使电池在充放电使用过程中容量累积性下降，这是铅酸蓄电池劣化速度加快的主要原因。
现有技术中，一般需要把蓄电池组从应用场景中取出，进行多次的重复放电、充电，并施加额外的高频脉冲电压进行除硫，最终实现电池的维护目的，维持额定电压，延长电池使用寿命。但是上述方法主要存在如下缺陷：(1)需要把电池剥离应用场景，单独进行，无法实时在线监控电池组的工作状态，在部分偏远或高海拔山地中，这样大大增加操作成本；(2)需要依赖外部的除硫维护设备，也需要依赖人工现场操作，当维护现场无法提供供维护设备工作的电力时，大大增加维护难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，能够在电池使用过程中实时检测电池的电压、电流、温度、内阻及水容量状态，进行全天候监测，并可以使用被检测的电池产生高频电压信号冲击极板内硫化物结晶，不依赖外部设备，可远程监测实时数据，无需人员到特定现场进行作业，大幅提高除硫效率。
为实现上述技术方案，本发明提供了一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，包括：
中央处理器，用于实现控制命令，决定系统的工作状态，分别为“采集状态”或者“自我除硫状态”，并把采集到的物理状态组织成数据包发送到云平台；
采集电路模块，具体包括电压采集电路、电流采集电路、极柱温度采集电路、水位监控电路和内阻监测模块，分别用于采集蓄电池极柱正负极之间的电压、电流、表面温度，以及蓄电池内水位高低和电阻大小，并将上述信息输入至中央处理器；
高频交流电压发生模块，利用蓄电池组自身产生的高频电压信号并作用在自身，将蓄电池极板内部硫化物结晶通过高频电压冲击、溶解，中央处理器根据采集电路模块采集的信号产生方波信号，频率可调，调节范围50-500HZ，方波信号输入到双D触发器时钟信号输入端获得两组互为反相的二分频方波输出，该方波输入到与门电路，在与门电路中分别跟四组方波信号做逻辑与运算，通过进行逻辑与运算得到后的输出信号控制光耦开关，导通时，MOS管导通，输出放大电流，作用在蓄电池进行自除硫工作；光耦开关截止时，MOS管不工作，则没有放大电流输出，自除硫工作停止，中央处理器会通过采集电路模块采集的数据进行分析后不断更新方波信号产生算法，确保高频交流电压发生模块可以产生最优的合适频率进行电压冲击；
网络通讯网关，将蓄电池组模拟量信息数字化后同步传输到云平台，实现远程监测。
优选的，所述高频交流电压发生模块将蓄电池组分成了4个部分，每部分的电压均为12V，分别为组1、组2、组3和组4，其中组1经过电路产生高频电压，作用到组3，组2经过电路产生高频电压，作用到组4，组3经过电路产生高频电压，作用到组1，组4经过电路产生高频电压，作用到组2，当组1产生高频电压时，组3只能接收，不产生高频电压，组2产生高频电压时，组4只能接受高频电压冲击，组3产生高频电压时，组1只能接收，不产生高频电压，组4产生高频电压时，组2只能接受高频电压冲击。
优选的，所述电压采集电路用于采集蓄电池极柱正负极之间的电压，通过将电压采集输入端连接蓄电池极柱，电压采集输出端连到中央处理器对应的IO口，光耦开关控制采集的通断，其控制信号由中央处理器提供，当输出允许采集信号时，光耦开关导通，通过电阻的串并联设置使得电压采集输出端获得电压分压，经电压采集输出端接入中央处理器，由中央处理器捕获并模数转换。
优选的，所述电流采集电路用于采集电池组对外放电或电池组接受充电时流过电路回路的电流，正值表示放电，负值表示充电，具体是通过霍尔传感器的四个引脚接入插座con4-2x2-3.0，霍尔传感器转换得到的电压值经过转换电路从PA2_ADC_A输出，进入中央处理器被捕获和模数转换。
优选的，所述极柱温度采集电路用于采集极柱表面的温度，当极柱上存在有电流通过时，由于电流热效应会温度上升，此温度可以反应当前电池使用状态，通过四组温度传感器与蓄电池极柱连接，并接入中央处理器进行模数转换，当温度变化时，阻值发生变化，利用基准电压2.5V和运算放大器组成的电路获得输出，根据输出值求得由于阻值变化导致的温度变化，从而获得温度的测量值。
优选的，所述水位监控电路的水位输入信号端深入蓄电池内部与电池水接触，当水位正常时，此输入点电压触发光耦开关导通，输出端获得低电平信号，当水位下降则导致输出端信号为高电平信号，输出信号接入中央处理器的IO口被捕获。
优选的，所述内阻监测模块通过测试设备让电池在短时间内强制通过一个大的恒定直流电流，测量此时蓄电池的两端的电压，并输入至中央处理器。
优选的，本系统还包括预警模块，当采集电路模块采集到的电压、电流、温度、水位或者电阻超出设定的标准值范围后，预警模块发出蜂鸣警报，同时把预警状态通过网络通讯网关传输到云平台。
本发明提供的一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统的有益效果在于：
1)本系统同时具备实时采集蓄电池组的电压、电流、水位、内阻及温度功能，并通过接入互联网能够在电池使用过程中实时检测电池的电压、电流、温度、内阻及水容量状态，并且全天候监测，并且可使用被检测的蓄电池组适时产生高频电压信号冲击极板内的硫化物结晶，实现自我除硫，不依赖外部设备，不依赖人员到特定现场进行作业。相比传统方法，大幅提升了除硫效率，实时性强，实现全天候，持续除硫，缩短人工成本，方便高效；
2)本系统创新的使用蓄电池自身电力，通过将电池组分组后控制高频电压的频率和作用时间产生合适频率的电压冲击并作用到同组蓄电池组中，将蓄电池极板内部硫化物结晶通过高频电压冲击、溶解，可以实现持续除硫修复功能，并且中央处理器会通过采集电路模块采集的数据进行分析后不断更新方波信号产生算法，确保高频交流电压发生模块可以产生最优的合适频率进行电压冲击，以达到最佳的除硫效果；
3)本系统使用了物联网技术，实时把蓄电池组模拟量信息数字化后同步传输到云平台，并可以结合大数据分析、机器学习、AI技术，不断更新蓄电池维护的智能性、有效性、可靠性。
附图说明
图1为本发明的功能模块结构示意图。
图2为本发明中高频交流电压发生模块的电路图。
图3为本发明中的电压采集电路。
图4为本发明中的电流采集电路。
图5为本发明中的极柱温度采集电路。
图6为本发明中的水位监控电路。
图7为本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
实施例：一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统。
参考图1至图7所示，一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，包括：
一、通用32位中央处理器，用于实现控制命令，决定系统的工作状态，分别为“采集状态”或者“自我除硫状态”，可以实现工作状态的智能切换，并把采集到的物理状态组织成数据包发送到云平台，平台采集的数据，属于充电状态时，记录充电时间Tc，属于放电状态时记录放电时间Td，自动除硫时，记录各组除硫时间t1、t2、t3、t4。
二、采集电路模块，实现蓄电主要物理特性的采集和数字化，包括不限于以下几点：
电压采集电路，参照图3所示，所述电压采集电路用于采集蓄电池极柱正负极之间的电压(负极即图3中的0V)，电压采集电路如下：输入端连接蓄电池极柱，输出端连到中央处理器(MCU)对应的IO口，光耦开关控制采集的通断。其控制信号(图3中：采集命令使能信号)由MCU提供。当输出允许采集信号时，光耦开关导通，通过电阻R1、R2、R3、R4的串并连关系使得输出端获得1/20的电压分压(即：输入端电压/20)，经输出端接入MCU，由MCU捕获并模数转换，通过本电压采集电路可以实时精准的采集蓄电池极柱正负极之间的电压，实时检测蓄电池的电压变化，为后续的智能控制提供电压参数的参考；
电流采集电路，参照图4所示，所述电流采集电路用于采集电池组对外放电或电池组接受充电时流过电路回路的电流，正值表示放电，负值表示充电，电流采集电路图4所示：霍尔传感器的4个引脚接入插座(con4-2x2-3.0)，霍尔传感器转换得到的电压值经过左侧的转换电路从PA2_ADC_A输出，进入MCU被捕获和模数转换，通过本电流采集电路可以实时精准的采集电池组对外放电或电池组接受充电时流过电路回路的电流，实时检测蓄电池的电流变化，为后续的智能控制提供电流参数的参考；
极柱温度采集电路，参照图5所示，所述极柱温度采集电路用于采集极柱表面的温度，当存在有电流通过时，由于电流热效应会温度上升，此温度可以反应当前电池使用状态。极柱温度采集电路如图5所示：W_TEMP1、W_TEMP2、W_TEMP3、W_TEMP4是温度输入端，该端口连接的是温度传感器，PC0_TEMP1、PC1_TEMP2、PC2_TEMP3、PC3_TEMP4是4组温度信号输出端，接入MCU并由其进行模数转换，主要原理是，当温度变化时，阻值发生变化，利用基准电压2.5V(图5中“LDO_2V5”)和运算放大器组成的电路获得输出，根据输出值求得由于阻值变化导致的温度变化，从而获得温度的测量值；通过本极柱温度采集电路可以实时精准的采集电池组极柱表面的温度，实时检测蓄电池的使用状态，为后续的智能控制提供温度参数的参考；
水位监控电路，参照图6所示，所述水位监控电路用于蓄电池组内部的水位监控，当水位过低，电池的使用寿命及性能极大降低，因此要求维持一定水位高度。水位监控电路如图6所示：水位输入信号端深入蓄电池内部与电池水接触，当水位正常时，此输入点电压触发光耦开关导通，输出端获得低电平信号，水位下降则导致输出端信号为高电平信号。输出信号接入MCU的IO口被捕获；通过本水位监控电路可以实时精准的监控蓄电池组内部的水位，避免水位过低，延长蓄电池组的使用寿命；
内阻监测模块，根据物理公式R＝U/I，测试设备让电池在短时间内(一般为2～3秒)强制通过一个很大的恒定直流电流(目前一般使用40A～80A的大电流)，测量此时电池两端的电压，并按公式计算出当前的电池内阻。因为本技术经过物联网接入了云平台，蓄电池在日常使用状态下不断积累了这样的大电流放电数据，经过综合统计分析，测量精度误差可以控制在0.1％以内。
本系统通过设置电压采集电路、电流采集电路、极柱温度采集电路、水位监控电路和内阻监测模块，可以同时具备实时采集蓄电池组的电压、电流、水位、内阻及温度功能，并通过接入互联网能够在电池使用过程中实时检测电池的电压、电流、温度、内阻及水容量状态，进行全天候监测。
三、高频交流电压发生模块，由于蓄电池极板内部硫化物结晶可被高频电压冲击，溶解，硫化物结晶越少，电池性能越好。高频交流电压发生模块的关键在于如何产生合适频率的电压冲击。本技术创新的使用蓄电池自身电力，应用电路技术中的相关原理产生高频电压信号，作用到同组蓄电池组中，实现持续除硫修复功能。
参照图1和图2所示，本实施例以一组有24节铅酸蓄电池单体串联组成的电池组为例，该蓄电池组单节2V，总电压48V，每6节为12V，接线1连接蓄电池组的负极，接线2连接蓄电池组的12V极柱，接线3连接24V极柱，接线4连接36V极柱，接线5连接48V极柱。水位监控线需要伸入蓄电池内部与水接触。电池总电压VT(即48V)，各分组电压V1、V2、V3、V4，工作电流Ic(充电状态)、Id(放电状态)。其工作电路图如图2所示：
由MCU产生方波信号(PB4_SD_PWM1和PB5_SD_PWM1)，频率可调，调节范围50-500，方波信号输入到双D触发器时钟信号输入端(CLK1，CLK2)，可获得两组互为反相的二分频方波输出(U19_Q1和U19_Q1非，U19_Q2和U19_Q2非)，此方波输入到与门电路；在与门电路中，分别跟4组方波信号(PB6_M_PWM1、PB7_M_PWM2、PB8_M_PWM3、PB9_M_PWM4)做逻辑与运算。该信号与上述波形进行逻辑与运算得到输出fix1、fix2、fix3、fix4信号。该信号控制光耦开关，导通时，MOS管导通，输出放大电流，作用在蓄电池第一分组；光耦开关截止时，MOS管不工作，则没有放大电流输出，自除硫工作停止。由于互为反相，所以fix1和fix2互斥，即第一分组执行自除硫时，第二分组不执行，反之亦然。这样的工作模式随方波信号交替进行。
高频交流电压发生模块接好线后，蓄电池组实际上分成了4个部分，每部分电压12V，为描述方便，记为组1、组2、组3、组4。自动除硫功能原理是，组1经过电路产生高频电压，作用到组3，组2经过电路产生高频电压，作用到组4，组3经过电路产生高频电压，作用到组1，组4经过电路产生高频电压，作用到组2；但组1产生高频电压时，组3只能接收，不产生高频电压。组2产生高频电压时，组4只能接受高频电压冲击。反之亦然。产生的频率范围由算法决定，但有上限限制，为500Hz；随着新电池的使用折旧，每节电池满充时达不到出厂时的额定电压，此时根据衰减数值决定频率，如额定电压为2V，如果充电只达到1.8V或更小，电池无法继续使用衰减程度为100％。某一次满充后，第一组合计电压为11.9V，衰减率为0.1/0.2＝0.5。则输出频率为50+450*0.5＝275Hz。每组接受高频电压的持续时间亦由算法决定，单次上限值为10分钟,下限10秒；随着折旧，每分组电池的衰减不同步，根据每组的衰减率占比分配接受的自除硫时间，如，4组衰减率分别为0.1，0.2，0.3，0.4，则分别分配1/10*除硫时间，2/10*除硫时间，3/10*除硫时间，4/10*除硫时间。产生频率范围的算法和每组接受高频电压的持续时间的算法在云平台会通过采集电路模块采集的数据进行分析后不断更新，确保高频交流电压发生模块可以产生最优的合适频率进行电压冲击，以达到最佳的除硫效果。
四、网络通讯网关，将蓄电池组模拟量信息数字化后同步传输到云平台，实现远程监测。
五、预警模块，当采集电路模块采集到的电压、电流、温度、水位或者电阻超出设定的标准值范围后，预警模块发出蜂鸣警报，同时把预警状态通过网络通讯网关传输到云平台。
本系统同时具备实时采集蓄电池组的电压、电流、水位、内阻及温度功能，并通过接入互联网能够在电池使用过程中实时检测电池的电压、电流、温度、内阻及水容量状态，并且全天候监测，当采集到的电压、电流、温度、水位或者电阻超出设定的标准值范围后，预警模块发出蜂鸣警报，同时把预警状态通过网络通讯网关传输到云平台，并且可使用被检测的蓄电池组适时产生高频电压信号冲击极板内的硫化物结晶，实现自我除硫，不依赖外部设备，不依赖人员到特定现场进行作业。相比传统方法，大幅提升了除硫效率，实时性强，实现全天候，持续除硫，缩短人工成本，方便高效。
本系统创新的使用蓄电池自身电力，通过将电池组分组后控制高频电压的频率和作用时间产生合适频率的电压冲击并作用到同组蓄电池组中，将蓄电池极板内部硫化物结晶通过高频电压冲击、溶解，可以实现持续除硫修复功能，并且中央处理器会通过采集电路模块采集的数据进行分析后不断更新方波信号产生算法，确保高频交流电压发生模块可以产生最优的合适频率进行电压冲击，可以达到最佳的除硫效果。
本系统使用了物联网技术，实时把蓄电池组模拟量信息数字化后同步传输到云平台，并可以结合大数据分析、机器学习、AI技术，不断更新蓄电池维护的智能性、有效性、可靠性。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，其特征在于包括：
中央处理器，用于实现控制命令，决定系统的工作状态，分别为“采集状态”或者“自我除硫状态”，并把采集到的物理状态组织成数据包发送到云平台；
采集电路模块，具体包括电压采集电路、电流采集电路、极柱温度采集电路、水位监控电路和内阻监测模块，分别用于采集蓄电池极柱正负极之间的电压、电流、表面温度，以及蓄电池内水位高低和电阻大小，并将上述信息输入至中央处理器；
高频交流电压发生模块，利用蓄电池组自身产生的高频电压信号并作用在自身，将蓄电池极板内部硫化物结晶通过高频电压冲击、溶解，中央处理器根据采集电路模块采集的信号产生方波信号，频率可调，调节范围50-500HZ，方波信号输入到双D触发器时钟信号输入端获得两组互为反相的二分频方波输出，该方波输入到与门电路，在与门电路中分别跟四组方波信号做逻辑与运算，通过进行逻辑与运算得到后的输出信号控制光耦开关，导通时，MOS管导通，输出放大电流，作用在蓄电池进行自除硫工作；光耦开关截止时，MOS管不工作，则没有放大电流输出，自除硫工作停止，中央处理器会通过采集电路模块采集的数据进行分析后不断更新方波信号产生算法，确保高频交流电压发生模块可以产生最优的合适频率进行电压冲击；
网络通讯网关，将蓄电池组模拟量信息数字化后同步传输到云平台，实现远程监测。
2.如权利要求1所述的铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，其特征在于：所述高频交流电压发生模块将蓄电池组分成了4个部分，每部分的电压均为12V，分别为组1、组2、组3和组4，其中组1经过电路产生高频电压，作用到组3，组2经过电路产生高频电压，作用到组4，组3经过电路产生高频电压，作用到组1，组4经过电路产生高频电压，作用到组2，当组1产生高频电压时，组3只能接收，不产生高频电压，组2产生高频电压时，组4只能接受高频电压冲击，组3产生高频电压时，组1只能接收，不产生高频电压，组4产生高频电压时，组2只能接受高频电压冲击。
3.如权利要求1或2所述的铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，其特征在于：所述电压采集电路用于采集蓄电池极柱正负极之间的电压，通过将电压采集输入端连接蓄电池极柱，电压采集输出端连到中央处理器对应的IO口，光耦开关控制采集的通断，其控制信号由中央处理器提供，当输出允许采集信号时，光耦开关导通，通过电阻的串并联设置使得电压采集输出端获得电压分压，经电压采集输出端接入中央处理器，由中央处理器捕获并模数转换。
4.如权利要求3所述的铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，其特征在于：所述电流采集电路用于采集电池组对外放电或电池组接受充电时流过电路回路的电流，正值表示放电，负值表示充电，具体是通过霍尔传感器的四个引脚接入插座con4-2x2-3.0，霍尔传感器转换得到的电压值经过转换电路从PA2_ADC_A输出，进入中央处理器被捕获和模数转换。
5.如权利要求4所述的铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，其特征在于：所述极柱温度采集电路用于采集极柱表面的温度，当极柱上存在有电流通过时，由于电流热效应会温度上升，此温度可以反应当前电池使用状态，通过四组温度传感器与蓄电池极柱连接，并接入中央处理器进行模数转换，当温度变化时，阻值发生变化，利用基准电压2.5V和运算放大器组成的电路获得输出，根据输出值求得由于阻值变化导致的温度变化，从而获得温度的测量值。
6.如权利要求1所述的铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，其特征在于：所述水位监控电路的水位输入信号端深入蓄电池内部与电池水接触，当水位正常时，此输入点电压触发光耦开关导通，输出端获得低电平信号，当水位下降则导致输出端信号为高电平信号，输出信号接入中央处理器的IO口被捕获。
7.如权利要求1所述的铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，其特征在于：所述内阻监测模块通过测试设备让电池在短时间内强制通过一个大的恒定直流电流，测量此时蓄电池的两端的电压，并输入至中央处理器。
8.如权利要求1所述的铅酸蓄电池的远程监控与自我除硫系统，其特征在于：还包括预警模块，当采集电路模块采集到的电压、电流、温度、水位或者电阻超出设定的标准值范围后，预警模块发出蜂鸣警报，同时把预警状态通过网络通讯网关传输到云平台。
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