CN208125901U - 一种蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置 - Google Patents

Abstract

一种蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置。其包括蓄电池在线监测主机、第一组蓄电池参数单元、第二组蓄电池参数单元、显示屏、键盘、电源和监测站机；其中：蓄电池在线监测主机分别与第一组蓄电池参数单元、第二组蓄电池参数单元、显示屏、键盘、电源和监测站机相连接。本实用新型效果：在线、独立、实时测试并显示蓄电池的电压值、温度、电流、内阻；采用独特的小电流蓄电池内阻测量技术，避免大电流放电对电池本身造成影响，且准确直观；建立模型根据数据分析蓄电池组健康状况，预估电池的健康状态趋势，剩余荷电容量及使用寿命。

Description

一种蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置

技术领域

本实用新型属于铁路信号电源技术领域，特别是涉及一种蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置。

背景技术

近几年，随着铁路运行速度的不断提高，铁路信号设备对供电电源的质量要求也越来越严格，所以在铁路信号电源系统中开始大量使用UPS电源以保证不间断供电功能并提高供电质量。

目前，铁路信号电源系统的UPS使用的基本上是免维护铅酸电池；铅酸电池的设计寿命是8-10年，但其实际使用仅4-6年；使用寿命严重缩短的主要原因是电池在实际使用过程中，长期处于浮充电状态，缺少大电流充放电的工作状态或机会，偶尔工作也是浅放浅充的状态，因此电池极板容易出现硫酸化结晶现象，从而导致内阻变大、容量变小、寿命缩短；另外就是铁路信号设备习惯采取故障维修，蓄电池缺乏日常检测及定期充放电维护，导致电池组中单体电池之间的均衡状态被逐渐破坏，出现有些单体电池充电不足、有些单体电池过充电的问题，充电电压不均衡，长期过充、欠充等原因，通常在几年之内就会出现电池容量降低、失效等问题，从而影响铁路信号电源UPS的不间断供电功能。

另外，由于缺乏日常维护及监测手段，不能及时发现蓄电池的轻微漏液或渗液问题，以致小问题逐渐演变成大问题，出现电源设备绝缘不良、漏电、电池无法放电等严重问题，结果影响信号电源设备的正常使用与安全。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置。

为了达到上述目的，本实用新型提供的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置包括：蓄电池在线监测主机、第一组蓄电池参数单元、第二组蓄电池参数单元、显示屏、键盘、电源和监测站机；其中：蓄电池在线监测主机分别与第一组蓄电池参数单元、第二组蓄电池参数单元、显示屏、键盘、电源和监测站机相连接。

所述的第一组蓄电池参数单元和第二组蓄电池参数单元为蓄电池参数检测电路，均由N个蓄电池参数模块构成，每个蓄电池参数模块分别与一个作为监测对象的单体蓄电池的正负电极相连接；N个蓄电池参数模块通过通讯总线与蓄电池在线监测主机连接。

所述的监测站机为上位监测计算机，采用工控机，其与蓄电池在线监测主机通讯。

所述的蓄电池参数模块包括微控制单元、电压采集单元、内阻采集单元、温度采集单元、均衡活化单元、通讯单元和漏液检测单元，其中：微控制单元分别与电压采集单元、内阻采集单元、温度采集单元、均衡活化单元、通讯单元和漏液检测单元相连接，通讯单元通过通讯总线与蓄电池在线监测主机连接；内阻采集单元由电子开关及电流检测器组成。

所述的均衡活化单元包括单体电池电压采样电路、误差放大器、均衡算法计算器、逻辑控制器、过压比较器、欠压比较器、DC/DC双向变换器和过流比较器；单体电池电压采样电路与误差放大器、过压比较器和欠压比较器相连；误差放大器依次与均衡算法计算器、逻辑控制器、DC/DC双向变换器和过流比较器相连接；均衡算法计算器与微控制单元相连接；逻辑控制器同时与过压比较器、欠压比较器和过流比较器相连接。

所述的漏液检测单元由内置于蓄电池参数模块中的漏液检测采样电路及外置的检测电极和蓄电池电极构成。

本实用新型提供的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置具有如下有益效果：

1)在线、独立、实时测试并显示蓄电池的电压值、温度、电流、内阻；

2)采用独特的小电流蓄电池内阻测量技术，避免大电流放电对电池本身造成影响，且准确直观；

3)建立模型根据数据分析蓄电池组健康状况，预估电池的健康状态趋势，剩余荷电容量及使用寿命；

4)通过均衡控制电路及算法，实现电池组内所有单体蓄电池的电压、容量的自动均衡，也就是通过自动均衡这种日常保养的维护方式使单体蓄电池时刻处于均衡健康状态，同时避免过充电、欠充电问题，从而最大限度的提高蓄电池的使用寿命。

5)在线连续监测蓄电池的渗液、漏液情况，出现轻微渗漏现象时，立即报警提示用户进行维护，避免小问题变成大问题，提高预防维修程度。

附图说明

图1为本实用新型提供的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置的原理框图；

图2为蓄电池参数模块原理框图；

图3为均衡活化单元原理框图；

图4为蓄电池渗漏检测单元原理框图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置包括：蓄电池在线监测主机1、第一组蓄电池参数单元2、第二组蓄电池参数单元 3、显示屏4、键盘5、电源6和监测站机7；其中：蓄电池在线监测主机1分别与第一组蓄电池参数单元2、第二组蓄电池参数单元3、显示屏4、键盘5、电源6和监测站机7相连接。

蓄电池在线监测主机1为本装置的核心处理器，采用ARM处理器，负责集中分析处理蓄电池的各项数据，实现蓄电池均衡维护管理，并可通过现场总线将蓄电池参数上传到监测站机7。

第一组蓄电池参数单元2和第二组蓄电池参数单元3为蓄电池参数检测电路，均由N个蓄电池参数模块构成，每个蓄电池参数模块分别与一个作为监测对象的单体蓄电池的正负电极相连接，用于实时采集蓄电池的电压、内阻和温度，并执行均衡维护功能以及蓄电池渗漏监测功能；N个蓄电池参数模块通过通讯总线与蓄电池在线监测主机1连接。

显示屏4用于实时显示单体蓄电池的电压、内阻和温度在内的数据，以及蓄电池工作状态、渗漏状态；

键盘5用于切换显示两组蓄电池的数据信息；

电源6用于为本监测装置中各用电部件提供工作电能；

监测站机7为上位监测计算机，采用工控机，其与蓄电池在线监测主机1 通讯，实时获取并存储各单体蓄电池的数据，根据需要，绘制单体蓄电池的变化趋势图,利用算法,识别出早期失效蓄电池，实现预防维修。

如图2所示，所述的蓄电池参数模块包括微控制单元(MCU)8、电压采集单元9、内阻采集单元10、温度采集单元11、均衡活化单元12、通讯单元(13) 和漏液检测单元14，其中：微控制单元8分别与电压采集单元9、内阻采集单元10、温度采集单元11、均衡活化单元12、通讯单元13和漏液检测单元14 相连接，通讯单元13通过通讯总线与蓄电池在线监测主机1连接；

内阻采集单元10由电子开关及电流检测器组成,通过微控制单元8控制进行蓄电池内阻测试。单次内阻测量时间在5ms完成，脉冲电流2～5A。

如图3所示，所述的均衡活化单元12包括单体电池电压采样电路15、误差放大器16、均衡算法计算器17、逻辑控制器18、过压比较器19、欠压比较器20、DC/DC双向变换器21和过流比较器22；单体电池电压采样电路15与误差放大器16、过压比较器19和欠压比较器20相连；误差放大器16依次与均衡算法计算器17、逻辑控制器18、DC/DC双向变换器21和过流比较器22 相连接；均衡算法计算器17与微控制单元8相连接；逻辑控制器18同时与过压比较器19、欠压比较器20和过流比较器22相连接。

蓄电池壳体通常由底壳、顶盖两部分组成，一般都是采用工程塑料或玻璃钢制成，底壳的底部及侧壁为一体化结构，没有漏液的可能，漏液一般都出现在顶盖与底壳之间的接缝处以及电极与顶盖接缝处，在正常情况下，若上述部位密封良好就不会出现漏液问题。当密封不良或内部压力过大时，就可能在这些部位出现漏液或渗液现象。

渗漏到蓄电池表面的电解液会沿着壳体侧壁或表面往底部流动，如图4所示，可在蓄电池壳体上部，围绕接缝处粘贴一圈导电体，例如导电铜箔或其他导电金属体，构成一个检测电极24，在蓄电池电极，例如正电极25与该检测电极24之间就可以利用内置于蓄电池参数模块中的漏液检测采样电路检测到电阻值R,由漏液检测采样电路及外置的检测电极24和蓄电池电极构成漏液检测单元14。无泄漏或渗漏现象时，该电阻值R在几十兆欧姆以上；发生渗漏时，电解液缓慢爬行流动，逐步与检测电极24接触后，由于电解液导电性较好，该电阻值R就会发生变化，渗漏轻微时，可以检测到1兆欧左右的电阻值，渗漏严重者，可以检测到几百欧姆或更小的电阻值，据此方法可以实现在线、连续的渗漏监测。

具体实施时也可以将蓄电池放入一个金属盒体内，使蓄电池外表面与金属盒体充分接触，将金属盒体作为检测电极之一。

或在蓄电池上电极四周安装检测电极，在保证电气安全的前提下，对电极设置处的漏液进行在线连续监测。

另外，漏液检测单元14可以设置一套，进行总体渗漏检测，发现异常时，人工目视检查、确定具体的渗漏蓄电池单体。也可以在每个单体蓄电池上设置一套漏液检测单元14，以实现单体蓄电池渗漏检测与定位。

本实用新型提供的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置的工作原理如下：利用蓄电池参数模块中的电压采集单元9、内阻采集单元10和温度采集单元11分别采用各蓄电池的电压、内阻和温度数据，然后传送给微控制单元8，之后微控制单元8将上述数据经通讯单元13及通讯总线上传至蓄电池在线监测主机1，蓄电池在线监测主机1内嵌蓄电池分析模型，通过对蓄电池电压、内阻及温度的综合分析，判断出当前蓄电池的状态，当得出蓄电池处于欠充或过充状态时，根据均衡控制算法计算蓄电池组的均衡度，生成在线均衡指令，之后下发指令到第一组蓄电池参数单元2中对应的蓄电池参数模块和第二组蓄电池参数单元3中对应的蓄电池参数模块，蓄电池参数模块中的微控制单元8将上述指令数据传送给均衡活化单元12中的均衡算法计算器17。均衡活化单元 12中的单体电池采样电路15采集单体蓄电池的端电压信号，然后传送给误差放大器16进行处理，之后再将数据送入均衡算法计算器17进行综合计算，均衡算法计算器17输出控制信号到逻辑控制器18，逻辑控制器18将所有数据信号和条件进行汇总处理，按照逻辑关系输出驱动电压信号，用于驱动DC/DC变换器21工作，使DC/DC变换器21工作于充电状态或放电状态或关闭状态，让单体蓄电池之间进行能量交换，将端电压偏高的蓄电池中的电能转移到端电压偏低的蓄电池之中，目标是使得蓄电池的电压及容量接近并尽量趋于一致，由此对过充蓄电池适当调整其两端的浮充电压(轻微的放电降低浮充电压)，对欠充蓄电池及时予以在线补充电，实现在线对组内落后单体蓄电池进行均衡调节维护和活化的目的。

过压比较器19独立监测单体蓄电池的端电压，发现单体蓄电池端电压过电压时，给逻辑控制器18发出信号，以终止均衡过程中的充电功能，避免长期过充电损坏单体蓄电池，同时报警提示。

欠压比较器20独立监测单体蓄电池的端电压，发现单体蓄电池端电压欠电压时，给逻辑控制器18发出信号，以终止均衡过程中的放电功能，避免长期过放电损坏单体蓄电池，同时报警提示。

过流比较器22独立监测均衡过程中的充电或放电电流，如充电或放电电流超过预定值，则立即给逻辑控制器18发出信号，以终止均衡过程中的充电或放电过程，确保不超过预定电流值，避免电路失控对蓄电池及电路造成损伤，同时报警提示。

与此同时，利用漏液检测单元14实时检测蓄电池的渗漏情况，一旦发现蓄电池出现渗漏，由蓄电池在线监测主机1发出报警信息，以提示用户进行维护；蓄电池在线监测主机1将获得的数据上传至监测站机7,监测站机7将单节蓄电池的电压、内阻和温度分别进行存储，并根据需要绘制一段时间的变化趋势图，通过软件算法,发现蓄电池失效的早期迹象并报警提示；并通过显示屏4实时显示单体蓄电池的电压、内阻和温度在内的数据，以及蓄电池工作状态、渗漏状态。

Claims (6)

1.一种蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置，其特征在于：所述的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置包括：蓄电池在线监测主机(1)、第一组蓄电池参数单元(2)、第二组蓄电池参数单元(3)、显示屏(4)、键盘(5)、电源(6)和监测站机(7)；其中：蓄电池在线监测主机(1)分别与第一组蓄电池参数单元(2)、第二组蓄电池参数单元(3)、显示屏(4)、键盘(5)、电源(6)和监测站机(7)相连接。

2.根据权利要求1所述的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置，其特征在于：所述的第一组蓄电池参数单元(2)和第二组蓄电池参数单元(3)为蓄电池参数检测电路，均由N个蓄电池参数模块构成，每个蓄电池参数模块分别与一个作为监测对象的单体蓄电池的正负电极相连接；N个蓄电池参数模块通过通讯总线与蓄电池在线监测主机(1)连接。

3.根据权利要求1所述的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置，其特征在于：所述的监测站机(7)为上位监测计算机，采用工控机，其与蓄电池在线监测主机(1)通讯。

4.根据权利要求2所述的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置，其特征在于：所述的蓄电池参数模块包括微控制单元(8)、电压采集单元(9)、内阻采集单元(10)、温度采集单元(11)、均衡活化单元(12)、通讯单元(13)和漏液检测单元(14)，其中：微控制单元(8)分别与电压采集单元(9)、内阻采集单元(10)、温度采集单元(11)、均衡活化单元(12)、通讯单元(13)和漏液检测单元(14)相连接，通讯单元(13)通过通讯总线与蓄电池在线监测主机(1)连接；内阻采集单元(10)由电子开关及电流检测器组成。

5.根据权利要求4所述的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置，其特征在于：所述的均衡活化单元(12)包括单体电池电压采样电路(15)、误差放大器(16)、均衡算法计算器(17)、逻辑控制器(18)、过压比较器(19)、欠压比较器(20)、DC/DC双向变换器(21)和过流比较器(22)；单体电池电压采样电路(15)与误差放大器(16)、过压比较器(19)和欠压比较器(20)相连；误差放大器(16)依次与均衡算法计算器(17)、逻辑控制器(18)、DC/DC双向变换器(21)和过流比较器(22)相连接；均衡算法计算器(17)与微控制单元(8)相连接；逻辑控制器(18)同时与过压比较器(19)、欠压比较器(20)和过流比较器(22)相连接。

6.根据权利要求4所述的蓄电池健康状态变化趋势综合监测装置，其特征在于：所述的漏液检测单元(14)由内置于蓄电池参数模块中的漏液检测采样电路及外置的检测电极(24)和蓄电池电极构成。