CN211878140U - 一种基于状态自评价的蓄电池维护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，包括依次连接的实时在线监测模块，具有蓄电池失效专家分析功能的主机和自动充放电模块，实时在线监测模块包括电压监测终端、电流监测终端、温度监测终端和内阻监测终端，自动充放电模块包括控制单元、电压采集单元、电动操作机构和充放电单元，控制单元分别连接电动操作机构和电压采集单元，电动操作机构连接充放电单元，控制单元连接主机，电压采集单元连接充放电单元。与现有技术相比，本实用新型降低了工作人员的劳动强度，提高了工作效率和工作安全性，且便于运检人员有效、快速了解蓄电池整体运行状况。

Description

一种基于状态自评价的蓄电池维护装置

技术领域

本实用新型涉及蓄电池维护领域，尤其是涉及一种基于状态自评价的蓄电池维护装置。

背景技术

无论在电力直流系统、还是UPS系统中，蓄电池作为备用电源在系统中起着极其重要的作用。平时蓄电池处于浮充电备用状态，由交流市电经整流设备变换成直流向负荷供电，而在交流电失电或其它事故状态下，蓄电池是负荷的唯一能源供给者，一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及重大运行事故。

目前多采用阀控式铅酸蓄电池，俗称“免维护”蓄电池，它的应用大大减少了开口式铅酸蓄电池繁琐复杂的维护工作，然而，其“免维护”的优点，正是运行管理的缺点和难点。除了正常的使用寿命周期外，由于电池本身的质量如材料、结构、工艺的缺陷及使用不当等问题导致一些蓄电池早期失效的现象时有发生。所谓“免维护”仅仅指无需加水、加酸、换液等维护，而日常维护仍是必不可少的，开口式铅酸蓄电池运行检测维护方法已不再适用于阀控式铅酸蓄电池，这就对蓄电池测试设备提出了新的要求。

目前国内外蓄电池的检测维护主要以定期人工测量蓄电池浮充电压及核对性放电、测试内阻，通过现场看、听、摸或通过万用表逐个测量电压的手段来对蓄电池状况进行感观判断，蓄电池浮充电压与蓄电池容量并无对应关系，核对性放电费工、费时、周期太长，无法实时反映蓄电池平时运行状态及其性能变化趋势，无法保证及时发现隐患、消除缺陷，无法保证蓄电池组运行在良好状态。蓄电池内阻测试只有在蓄电池容量跌落到80％以下的时候才能够较为准确的反映蓄电池性能变化趋势。因此，目前主流的蓄电池巡检、内阻测试都不能很好的实时反映蓄电池的性能变化趋势、剩余容量，很多时候，都是在交流失电，蓄电池供电的时候才发现蓄电池组内个别电池已经失效，整组蓄电池无电压输出。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高蓄电池的检测维护效率的基于状态自评价的蓄电池维护装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，包括依次连接的实时在线监测模块，具有蓄电池失效专家分析功能的主机和自动充放电模块，所述实时在线监测模块包括电压监测终端、电流监测终端、温度监测终端和内阻监测终端，所述电压监测终端、电流监测终端、温度监测终端和内阻监测终端均连接所述主机，所述自动充放电模块包括控制单元、电压采集单元、电动操作机构和充放电单元，所述控制单元分别连接所述电动操作机构和电压采集单元，所述电动操作机构连接所述充放电单元，所述控制单元连接所述主机，所述电压采集单元连接所述充放电单元。

进一步地，所述内阻监测终端为四线制内阻测试终端，该四线制内阻测试终端连接所述蓄电池组。

进一步地，所述蓄电池组包括依次连接的第一蓄电池、被测蓄电池和第二蓄电池，所述第一蓄电池的负极连接所述被测蓄电池的正极，所述第二蓄电池的正极连接所述被测蓄电池的负极；

所述四线制内阻测试终端包括电压采样设备和恒流放电负载，所述被测蓄电池的正极和负极两端，分别通过两个电压采样线，连接所述电压采样设备；所述第一蓄电池的负极和第二蓄电池的正极，分别通过两根放电线，连接所述恒流放电负载。

进一步地，所述充放电单元包括蓄电池组、续流二极管、隔离开关、蓄电池熔丝、充电设备、直流负载、放电开关和放电电阻，所述蓄电池组的分别并联有第一线路和第二线路，所述第一线路包括依次连接的放电开关和放电电阻，所述第二线路包括依次连接的续流二极管、蓄电池熔丝和充电设备，所述充电设备的两端并联所述直流负载，所述续流二极管两端并联有隔离开关，所述放电开关和隔离开关均受所述电动操作机构控制。

进一步地，所述蓄电池组的正极连接所述续流二极管的阳极。

进一步地，第二线路中，所述充电设备的两端均连接有所述蓄电池熔丝。

进一步地，所述隔离开关和所述放电开关均为继电器，所述电动操作机构为导线，所述控制单元通过导线连接所述隔离开关和所述放电开关。

进一步地，所述控制单元为微处理器。

进一步地，所述电压采集单元为电压表。

进一步地，所述蓄电池维护装置还包括电池均衡模块，该电池均衡模块分别连接所述自动充放电模块和所述主机。

进一步地，所述电池均衡模块包括依次连接的电池信息采集单元和均衡策略运算单元和均衡实现单元，所述均衡策略运算单元连接所述自动充放电模块，所述电池信息采集单元包括AD转换器，该AD转换器的精度为±0.05％，温漂为±2PPM，所述AD转换器连接所述均衡策略运算单元。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型提供的蓄电池维护装置，通过实时在线监测模块实时采集蓄电池的状态信息，通过蓄电池失效专家分析模块进行状态自评价，并控制自动充放电模块自动进行充放电切换，省略了以往试验时烦琐的接线工作(约1～2个工时) 及放电过程中人员无谓的时间浪费，降低了工作人员的劳动强度，大大的提高了工作效率和工作安全性，且便于运检人员有效、快速了解蓄电池整体运行状况。

(2)本实用新型采用四线制内阻测试法监测蓄电池组中蓄电池的内阻，避免了放电过程中因电流较大产生的线压降影响到内阻测试的精度，且测试过程可以在线、自动进行，无需脱离系统，测试周期自由可设。

(3)本实用新型自动充放电模块通过电动操作机构控制开关的分合，自动充放电模块的充放电单元中，在蓄电池回路内串入续流二极管和隔离开关，达到自动放电时隔离开关断开，对蓄电池进行放电，同时保证在交流失电或充电设备停止工作时蓄电池能够通过续流二极管对负载进行供电，实现对蓄电池的自动充放电，提高了工作效率。

(4)本实用新型充放电单元中，在充电设备的两端分别连接一个蓄电池熔丝，提高充放电单元回路的安全性。

(5)本实用新型蓄电池失效专家分析模块采用了模糊数学和人工神经网络的诊断原理，以一种非线性处理方式，通过拓扑结构对各种数据进行关联，并得出判断结论，具有自适应功能，可以通过学习算法不断地调整，从而不断提高判断的精度。

(6)本实用新型设置了电池均衡模块，通过采集电池信息，根据均衡规则输出均衡状态，对相应的电池实施均衡，能有效地延长电池组寿命。

附图说明

图1为本实用新型蓄电池维护装置的结构示意图；

图2为本实用新型内阻监测终端的结构示意图；

图3为本实用新型自动充放电模块中充放电单元的结构示意图；

图4为本实用新型人工神经网络模型的结构示意图；

图5为本实用新型电池均衡模块的连接状态示意图；

图中，1、蓄电池失效专家分析模块，11、现场主机，12、无线模块，13、移动终端，2、实时在线监测模块，21、电压监测终端，22、内阻监测终端，221、电压采样设备，222、恒流放电负载，23、温度监测终端，3、自动充放电模块，31、续流二极管，32、隔离开关，33、蓄电池熔丝，34、充电设备，35、直流负载，36、放电开关，37、放电电阻，4、电池均衡模块，5、蓄电池组，51、蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于状态自评价的蓄电池维护装置1，包括：

实时在线监测模块2，用于对蓄电池进行状态数据的实时采集、监测和存储；

蓄电池失效专家分析模块1，用于根据状态数据，判断蓄电池的性能变化趋势，判断蓄电池是否满足放电条件，生成维护建议；

自动充放电模块3，用于根据蓄电池失效专家分析模块1的判断结果，自动对蓄电池进行充电和放电的切换；

电池均衡模块4，用于根据预设的均衡规则，基于电池信息，输出充电电流调节信息。

下面对各模块进行具体描述。

1、实时在线监测模块2

状态数据包括蓄电池的电压、电流、温度和内阻。实时在线监测模块2包括电压监测终端21、电流监测终端、温度监测终端23和内阻监测终端22，电压监测终端21、电流监测终端、温度监测终端23和内阻监测终端22均连接蓄电池失效专家分析模块1。其中，内阻监测终端22为四线制内阻测试终端，采用四线制内阻测试法定期监测蓄电池组5中蓄电池的内阻，内阻数据由蓄电池维护装置1自动存储并能自动执行数据的纵向对比及横向对比。

本实施例中电压监测终端21、电流监测终端、温度监测终端23和内阻监测终端22均通过无线模块12连接蓄电池失效专家分析模块1，无线模块12包括但不限于WiFi模块、Zigbee模块和4G通讯模块。

如图2所示，四线制内阻测试法具体为，蓄电池组5包括依次连接的第一蓄电池、被测蓄电池和第二蓄电池，第一蓄电池的负极通过导线连接被测蓄电池的正极，第二蓄电池的正极通过导线连接被测蓄电池的负极，被测蓄电池的正极和负极两端，分别通过两个电压采样线，连接有电压采样设备221；第一蓄电池的负极和第二蓄电池的正极，分别通过两根放电线，连接有恒流放电负载222。

四线制内阻测试法采用两根电压采样线与两根放电线分开的方式，从而避免了放电过程中因电流较大产生的线压降影响到内阻测试的精度。测试过程在线、自动进行，无需脱离系统，测试周期自由可设。

可进一步地在蓄电池维护装置1中增加软硬件的滤波措施，滤除充电机纹波对内阻测试的影响，保证了蓄电池在线内阻测试的准确性、一致性和重复性。

蓄电池维护装置1通过实时在线监测模块2实时对蓄电池电压、电流、温度、内阻等各项数据的采集、显示、超标报警、存贮及后台通讯，实现系统自动监测每节电池电压，电池组端电压、充放电电流、温度等各项参数，实时显示数据并存储。

实时在线监测模块2主要实现对蓄电池组5数据的采集，整理，分析，采用总线式的分层分布式结构，这种结构有良好的抗干扰性、可扩展性和整体性能。总线式的分层分布式结构由多个在线监测终端构成，在线监测终端主要实现被监测设备信息参数的采集、信号调理、模数转换和数据的预处理功能。

2、自动充放电模块3

自动充放电模块3包括控制单元、电压采集单元、电动操作机构和充放电单元，控制单元分别连接电动操作机构和电压采集单元，电动操作机构连接充放电单元。

如图3所示，充放电单元包括蓄电池组5、续流二极管31、隔离开关32、蓄电池熔丝33、充电设备34、直流负载35、放电开关36和放电电阻37，蓄电池组5的分别并联有第一线路和第二线路，第一线路包括依次连接的放电开关36和放电电阻37，第二线路包括依次连接的续流二极管31、蓄电池熔丝33和充电设备 34，充电设备34的两端并联直流负载35，续流二极管31两端并联有隔离开关32，放电开关36和隔离开关32均受电动操作机构控制。

本实施例在第二线路中，充电设备34的两端均连接有一个蓄电池熔丝33。

本实施例中，蓄电池组5的正极连接续流二极管31的阳极。

本实施例中隔离开关32和放电开关36均为继电器，电动操作机构为导线，控制单元通过导线连接隔离开关32和放电开关36；控制单元为微处理器；电压采集单元为电压表，用以检测放电电压。

微处理器通过无线模块12连接蓄电池失效专家分析模块1，无线模块12包括但不限于WiFi模块、Zigbee模块和4G通讯模块。

下面对自动充放电模块3的工作过程和原理进行具体描述：

图3中在蓄电池回路中串入续流二极管和隔离开关，达到自动放电时隔离开关断开，对蓄电池进行放电，同时保证在交流失电或充电装置停止工作时蓄电池能够通过续流二极管对负载进行供电。

自动充放电模块3通过控制单元对蓄电池组5的监测数据进行分析，提前判断蓄电池组5是否具备启动放电功能的条件，满足条件后通过电动操作机构控制现场蓄电池组5，实现自动充放电。减少现场接线工作，节省人力物力，大大提高作业安全。

自动充放电模块3在进行自动放电时，自动将直流系统由运行状态切换到放电工作状态，采用恒流放电，放电电流0.1C₁₀，放电过程记录放电电压、电流、放电容量等信息。放电时应具有保护功能，至少包括放电终止判据保护、通信中断保护、放电装置故障保护、开关位置锁定保护等。放电终止判据包括放电时间到、放电容量到、单体电压、整组电压等，确保蓄电池不会由于过放损坏。放电结束后，系统应将直流系统切换到充电工作状态，采用恒流限压或恒压方式充电，充电过程记录充电电压、充电电流、充电容量等信息。充电过程应提供保护措施，包括充电参数保护、温度保护、通信中断保护等。

3、蓄电池失效专家分析模块1

蓄电池失效专家分析模块1包括数据转换单元、浮充模型、均充模型、内阻模型、容量模型和人工神经网络模型，数据转换单元分别连接浮充模型、均充模型、内阻模型和容量模型，人工神经网络模型分别连接浮充模型、均充模型、内阻模型和容量模型，用于根据蓄电池的浮充、均充、内阻特性判断蓄电池的性能变化趋势，并给出蓄电池容量的预估值。

如图4所示，为人工神经网络模型的结构示意图，图中x为输入层，y为输出层。

蓄电池失效专家分析模块1集成在现场主机11的系统软件中，通过监控该电池相对于自身的电池电压离散度的变化、该电池相对于整组电池的电池电压离散的变化以及该电池相对于自身的内阻值的变化等，来综合判断电池的性能变化趋势，估算电池的容量，提出专业的维护建议。

现场主机11还设有无线模块12，无线模块12包括但不限于WiFi模块、Zigbee 模块和4G通讯模块。

现场主机11还通过无线模块12连接有移动终端13，用于向移动终端13传输蓄电池的状态信息和维护建议。

蓄电池失效专家分析模块1通过配套数据采集软件对存入数据库的各类数据提供详尽的分类处理、监测管理等功能，实现分析数据的处理、显示和发布，等待信息处理单元查询，或供其它系统调用，并提供故障报警和友好的人机交互管理界面。工程维护人员和专业技术人员通过现场主机11即可查看蓄电池组5的实时运行状态和历史运行数据，实现数据资源共享，满足实际使用过程中分级管理的需要。

4、电池均衡模块4

单体电池由于生产工艺等原因导致各电池容量与性能的差异，在对电池组进行充放电的过程中，必然会扩大这种差异，充电时，容量小性能差的电池会出现过充现象；放电时，容量小性能差的电池又会有过放现象；电池组容量利用率会越来越低，长此以往，这种恶性循环过程将加速电池的损坏，而采用均衡电路能有效延长电池组寿命。

自动充放电模块3根据电池均衡模块4进行充电和放电的切换。

如图5所示，电池均衡模块4包括依次连接的电池信息采集单元、均衡策略运算单元和均衡实现单元，均衡实现单元连接自动充放电模块3，电池信息采集单元用于采集蓄电池的电池信息，该电池信息包括电压、荷电状态、温度、电池厂家和循环次数信息，均衡策略运算单元用于根据预设的均衡规则，基于电池信息，生成状态输出量，并通过均衡实现单元对蓄电池进行调节。

本实施例中，电池信息采集单元通过无线模块12连接蓄电池失效专家分析模块1。

电池均衡模块4主要包括三个处理步骤：电池信息采集→均衡规则运算→均衡实现。

1)电池信息采集

快速精准地电池信息采集是进行有效均衡的基础；电池信息采集单元采用了高速、高精度、高有效位的24位AD转换器，及高精度(±0.05％)低温漂(±2PPM) 的精密基准，确保在任何容许的工作环境下实现电池信息测量的高度一致性和精准性。

2)均衡规则运算

均衡规则是挑出哪些电池需要被均衡，怎么样均衡，优越的均衡规则的运算是有效均衡的保证。均衡策略运算单元中综合了电池组状态、电池电压、电池SOC、温度、电池厂家、循环次数等相关因素，使得运算结果更加符合实际需求，并能实现放电、充电及动态均衡。

3)均衡实现

均衡实现单元根据均衡规则输出的均衡状态对相应的电池实施均衡。均衡实现单元实现采用高效的无损充电方式，并且其充电电流可根据均衡规则的要求进行调节，最大电流2A，并可实现点对点均衡，本实施例中，均衡实现单元为自动充放电模块3。

通过电池均衡模块4对任一单体电池充放电进行控制，实现在线对单体电池浮充电压进行调整、补充电或放电，以达到对蓄电池的在线维护和活化功能，提高蓄电池运行寿命，减少蓄电池报废量，节约成本，减少污染物的排放量，实现节能减排增效目标。

通过本实施例提供的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置1，可以随时登录现场的主机查阅电池的电压、电流、均差、内阻、温度、核对性充、放电的数据等，必要时运检人员还可以通过现场主机11接口获取蓄电池组5的各项数据，将数据集中的进行分析，有效、快速了解蓄电池整体运行状况；实现对直流系统运行状况的分析预警功能。并可建立自我学习型蓄电池在线监测系统，建立蓄电池健康状态评估模型。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，包括依次连接的实时在线监测模块(2)，具有蓄电池失效专家分析功能的主机和自动充放电模块(3)，所述实时在线监测模块(2)包括电压监测终端(21)、电流监测终端、温度监测终端(23)和内阻监测终端(22)，所述电压监测终端(21)、电流监测终端、温度监测终端(23)和内阻监测终端(22)均连接所述主机，所述自动充放电模块(3)包括控制单元、电压采集单元、电动操作机构和充放电单元，所述控制单元分别连接所述电动操作机构和电压采集单元，所述电动操作机构连接所述充放电单元，所述控制单元连接所述主机，所述电压采集单元连接所述充放电单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，所述内阻监测终端(22)为四线制内阻测试终端，该四线制内阻测试终端连接蓄电池组(5)。

3.根据权利要求2所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，所述蓄电池组(5)包括依次连接的第一蓄电池、被测蓄电池和第二蓄电池，所述第一蓄电池的负极连接所述被测蓄电池的正极，所述第二蓄电池的正极连接所述被测蓄电池的负极；

所述四线制内阻测试终端包括电压采样设备(221)和恒流放电负载(222)，所述被测蓄电池的正极和负极两端，分别通过两个电压采样线，连接所述电压采样设备(221)；所述第一蓄电池的负极和第二蓄电池的正极，分别通过两根放电线，连接所述恒流放电负载(222)。

4.根据权利要求1所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，所述充放电单元包括蓄电池组(5)、续流二极管(31)、隔离开关(32)、蓄电池熔丝(33)、充电设备(34)、直流负载(35)、放电开关(36)和放电电阻(37)，所述蓄电池组(5)的分别并联有第一线路和第二线路，所述第一线路包括依次连接的放电开关(36)和放电电阻(37)，所述第二线路包括依次连接的续流二极管(31)、蓄电池熔丝(33)和充电设备(34)，所述充电设备(34)的两端并联所述直流负载(35)，所述续流二极管(31)两端并联有隔离开关(32)，所述放电开关(36)和隔离开关(32)均受所述电动操作机构控制。

5.根据权利要求4所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，所述蓄电池组(5)的正极连接所述续流二极管(31)的阳极。

6.根据权利要求4所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，第二线路中，所述充电设备(34)的两端均连接有所述蓄电池熔丝(33)。

7.根据权利要求4所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，所述隔离开关(32)和所述放电开关(36)均为继电器，所述电动操作机构为导线，所述控制单元通过导线连接所述隔离开关(32)和所述放电开关(36)。

8.根据权利要求1所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，所述电压采集单元为电压表。

9.根据权利要求1所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，所述蓄电池维护装置还包括电池均衡模块(4)，该电池均衡模块(4)分别连接所述自动充放电模块(3)和所述主机。

10.根据权利要求9所述的一种基于状态自评价的蓄电池维护装置，其特征在于，所述电池均衡模块(4)包括依次连接的电池信息采集单元和均衡策略运算单元和均衡实现单元，所述均衡策略运算单元连接所述自动充放电模块(3)，所述电池信息采集单元包括AD转换器，该AD转换器的精度为±0.05％，温漂为±2PPM，所述AD转换器连接所述均衡策略运算单元。

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