CN215297603U - 一种铅酸蓄电池状态监控系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种铅酸蓄电池状态监控系统，包括：若干个电池参数采集模块和监控主板；若干个电池参数采集模块均与监控主板连接；每个电池参数采集模块安装在若干只单体电池上，用于在线实时采集每只电池的运行参数，并通过CAN总线的方式向监控主板发送采集到的数据；所述监控主板用于通过CAN总线的方式接收若干个电池参数采集模块上传的数据，并根据接收到的数据及历史数据通过嵌入的安时积分法或扩展的卡尔曼滤波算法实时估计电池的SOC和SOH信息，并在本地进行显示。
Description
技术领域
本实用新型属于电池管理系统技术领域，具体涉及一种铅酸蓄电池状态监控系统。
背景技术
不间断电源系统(UPS)是某些机构供配电系统中较为重要的环节，当电力中断或者UPS的电力变换部件故障时，电池须立即提供短时供电。因此电池作为UPS的重要组成部分，其安全可靠运行至关重要。
UPS系统的电池主要存在以下几个问题：数量巨大，每进行一次电池的健康状态测试都需要极高的成本；安全隐患多，随着使用时间的增长，电池会出现漏液、爬酸、极板盐化等故障，从而导致安全隐患和电池供电能力的下降，因此需要定期找出劣化的电池并进行更换；易老化，电池作为后备电力保障一般处于浮充状态，长时间闲置易造成电池活性下降。同时整组电池内一旦出现个别电池老化，势必也会加剧本组内其他电池的老化，从而造成恶性循环，因此需要定期找出老化的电池并进行更换。
基于以上所提到的UPS系统电池所存在的诸多问题，因此需要一种铅酸蓄电池状态监测系统，在线实时采集每只电池的运行参数，并能够根据当次数据以及历史数据实时估计电池的SOC和SOH，从而可以准确估计电池状态，及时发现故障电池，消除隐患。
实用新型内容
针对上面背景技术中所提到的UPS系统电池数量巨大，测试成本高，安全隐患多，易老化的诸多问题，本实用新型的目的在于研制一种铅酸蓄电池状态监测系统，包括电池参数采集模块和整组电池监控主板。其目的在于在线实时采集每只电池的运行参数，并能够根据当次数据以及历史数据实时估计电池的SOC和SOH，从而可以准确估计电池状态，及时发现故障电池，消除隐患。
为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：
一种铅酸蓄电池状态监控系统，包括：若干个电池参数采集模块和监控主板；
若干个电池参数采集模块均与监控主板连接；
每个电池参数采集模块安装在若干只单体电池上，用于在线实时采集每只电池的运行参数，并通过CAN总线的方式向监控主板发送采集到的数据；
所述监控主板用于通过CAN总线的方式接收若干个电池参数采集模块上传的数据，并根据接收到的数据及历史数据通过嵌入的安时积分法或扩展的卡尔曼滤波算法实时估计电池的SOC和SOH信息，并在本地进行显示。
在上述方案的基础上，每个电池参数采集模块均包括：电源模块、CAN通讯模块、处理器模块、开关阵列互斥驱动电路以及信息采集模块；
所述电源模块与处理器模块连接，用于给处理器模块提供电源；
所述CAN通讯模块与处理器模块连接，用于实现电池参数采集模块与监控主板之间的通讯；
所述信息采集模块包括电压采集电路和温度采集电路；
所述电压采集电路包括：开关阵列、ADC转换器和SPI隔离器；若干只电池与开关阵列并联后与ADC转换器连接，ADC转换器与SPI隔离器的一端连接，SPI隔离器的另一端与处理器模块连接，所述开关阵列互斥驱动电路的一端与处理器模块连接，开关阵列互斥驱动电路的另一端与开关阵列连接；
所述开关阵列用于接入若干只电池，所述ADC转换器用于完成模数转换并将数字信息传送给处理器模块，所述SPI隔离器用于起电器隔离，所述处理器模块用于将采集到的数字信息转换为电池电压信息，所述开关阵列互斥驱动电路用于驱动开关阵列；
所述温度采集电路包括：若干个温度传感器、模拟开关、参考电阻R和滤波电路；所述若干个温度传感器对应设置在若干只电池上，所述若干个温度传感器均与模拟开关的一端连接，模拟开关的另一端与滤波电路的一端连接，滤波电路的另一端与处理器模块连接，模拟开关的上端与参考电阻R的一端连接，参考电阻R的另一端与电源模块连接，模拟开关的下端接地；
所述模拟开关用于接入若干个温度传感器，并与参考电压R构成分压回路，分压点的电压经滤波电路滤波后由处理器模块上的ADC输入端口完成模数转换，所述处理器模块用于将采集得到的数字信息转换成分压点电压值并计算出相应的温度值。
在上述方案的基础上，所述温度传感器为NTC温度传感器。
在上述方案的基础上，所述处理器模块采用ARM处理器。
在上述方案的基础上，所述监控主板包括：电源模块、ARM处理器、整组电池充放电电流检测模块、状态告警模块、数据存储与导出模块以及本地信息显示模块；所述ARM处理器中嵌有SOC估计模块、SOH预测模块和放电剩余可用时间预测模块；
所述整组电池充放电电流检测模块与ARM处理器连接，所述状态告警模块与ARM处理器连接，所述数据存储与导出模块与ARM处理器连接，所述本地信息显示模块与ARM处理器连接；
所述电源模块用于为各个模块提供所需电压；
所述整组电池充放电电流检测模块用于通过霍尔电流传感器测量整组电池的电流，并将测得的电流发送到ARM处理器；
所述ARM处理器中的SOC估计模块用于根据采集到的电池参数估计电池的剩余可用容量，并通过本地信息显示模块进行显示，当电池的剩余可用容量低于20％时通过状态告警模块进行报警；
所述ARM处理器中的SOH估计模块用于通过电池历史运行数据采用机器学习算法预测电池的剩余使用寿命，并通过本地信息显示模块进行显示，当电池的剩余使用寿命低于80％时，通过状态告警模块进行报警；
所述ARM处理器中的放电剩余可用时间预测模块用于预估当电池处于放电状态时的电池剩余可用时间，并通过本地信息显示模块进行显示；
所述数据存储与导出模块用于存储和获取电池的历史状态信息。
在上述方案的基础上，所述本地信息显示模块为10寸触摸显示屏。
在上述方案的基础上，所述数据存储与导出模块包括U盘或者SD卡。
在上述方案的基础上，所述状态告警模块包括：蜂鸣器、报警使能开关和状态指示灯，报警使能开关用于打开或关闭状态告警模块。
在上述方案的基础上，所述监控主板上设有无线通讯模块和有线通讯模块，监控主板用于通过无线通讯或有线通讯的方式实现数据的存储与导出。
本实用新型技术方案带来的有益效果：
基于本实用新型所设计的铅酸蓄电池监控系统，可以实现对几百只乃至上千只的串联电池系统的实时在线监测，监控数据实时传入到监控主板经过算法计算处理后实现电池单体及电池系统的SOC及SOH估计，且SOC、SOH估计误差在5％以内。该系统的投运能够在相当程度上降低系统的维护成本，及时发现并定位故障电池，为系统安全运行提供保障。
附图说明
本实用新型有如下附图：
图1为监控系统总体框图。
图2为电池参数采集模块设计框图。
图3为电压采集电路图。
图4为温度采集电路图。
图5为监控主板功能设计框图。
图6为EKF估计电池SOC原理框图。
具体实施方式
以下结合附图1-6对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型所述的铅酸蓄电池状态监控系统，主要包括若干个电池参数采集模块和监控主板两大部分。每个电池参数采集模块安装在若干只单体电池上，在线实时采集每只电池的运行参数，尤其是电池放电时的运行参数，并通过CAN总线的方式向监控主板发送所采集到的单体电压以及温度的信息。监控主板同样通过CAN总线的方式接收若干个电池参数采集模块上传的数据，并根据接收到的数据以及历史数据通过嵌入的安时积分法或扩展的卡尔曼滤波算法实时估计电池的SOC和SOH等相关的电池状态信息，并通过触摸显示屏在本地进行显示。
每个电池参数采集模块的硬件设计如图2所示，包括电源模块、CAN通讯模块、处理器模块、开关阵列互斥驱动电路以及信息采集模块；
所述电源模块与处理器模块连接，用于给处理器模块提供电源；
所述CAN通讯模块与处理器模块连接，用于实现电池参数采集模块与监控主板之间的通讯；
所述信息采集模块包括电压采集电路和温度采集电路，分别如图3-4所示；
所述电压采集电路包括：开关阵列、ADC转换器和SPI隔离器；若干只电池与开关阵列并联后与ADC转换器连接，ADC转换器与SPI隔离器的一端连接，SPI隔离器的另一端与处理器模块连接，所述开关阵列互斥驱动电路的一端与处理器模块连接，开关阵列互斥驱动电路的另一端与开关阵列连接；
所述开关阵列用于接入若干只电池，所述ADC转换器用于完成模数转换并将数字信息传送给处理器模块，所述SPI隔离器用于起电器隔离，所述处理器模块用于将采集到的数字信息转换为电池电压信息，所述开关阵列互斥驱动电路用于驱动开关阵列；
所述温度采集电路包括：若干个温度传感器、模拟开关、参考电阻R和滤波电路；所述若干个温度传感器对应设置在若干只电池上，所述若干个温度传感器均与模拟开关的一端连接，模拟开关的另一端与滤波电路的一端连接，滤波电路的另一端与处理器模块连接，模拟开关的上端与参考电阻R的一端连接，参考电阻R的另一端与电源模块连接，模拟开关的下端接地；
所述模拟开关用于接入若干个温度传感器，并与参考电压R构成分压回路，分压点的电压经滤波电路滤波后由处理器模块上的ADC输入端口完成模数转换，所述处理器模块用于将采集得到的数字信息转换成分压点电压值U并计算出相应的温度值。
通过电压U、分压回路供电电压VCC、参考电阻R，就可以计算得到当前温度传感器的电阻值Rt。然后根据选择的温度传感器的R-T(电阻-温度)对照表，便得到当前传感器对应的温度值。
电池监控主板采用常规的嵌入式系统平台解决方案，包括电源模块、整组电池充放电电流检测模块、SOC估计模块、SOH预测模块、放电剩余可用时间预测模块、状态告警模块、数据存储与导出模块以及本地信息显示模块。监控主板通过CAN总线的方式接收电池参数采集模块上传的数据，在主板上根据当次数据以及历史数据通过嵌入的算法实时估计电池的SOC和SOH等相关的电池状态信息，并通过触摸显示屏在本地显示。当电池的SOH低于80％时，可通过告警模块触发声光报警，且报警功能可在本地选择呈现或屏蔽。在电池监控主板上可通过无线通讯、有线通讯、USB或SD卡等方式将实时数据和历史数据上传及下载，实现数据的存储与导出。
电池监控主板采用常规的嵌入式系统平台解决方案，主板结构框图如图5所示，包括：电源模块、ARM处理器、整组电池充放电电流检测模块、状态告警模块、数据存储与导出模块以及本地信息显示模块；所述ARM处理器中嵌有SOC估计模块、SOH预测模块和放电剩余可用时间预测模块；
所述整组电池充放电电流检测模块与ARM处理器连接，所述状态告警模块与ARM处理器连接，所述数据存储与导出模块与ARM处理器连接，所述本地信息显示模块与ARM处理器连接；
所述电源模块用于为各个模块提供所需电压；
所述整组电池充放电电流检测模块用于通过霍尔电流传感器测量整组电池的电流，并将测得的电流发送到ARM处理器；
所述ARM处理器中的SOC估计模块用于根据采集到的电池参数估计电池的剩余可用容量，并通过本地信息显示模块进行显示，当电池的剩余可用容量低于20％时通过状态告警模块进行报警；
所述ARM处理器中的SOH估计模块用于通过电池历史运行数据采用机器学习算法预测电池的剩余使用寿命，并通过本地信息显示模块进行显示，当电池的剩余使用寿命低于80％时，通过状态告警模块进行报警；
所述ARM处理器中的放电剩余可用时间预测模块用于预估当电池处于放电状态时的电池剩余可用时间，并通过本地信息显示模块进行显示；
所述数据存储与导出模块用于存储和获取电池的历史状态信息。
所述本地信息显示模块为10寸触摸显示屏。
所述状态告警模块包括：蜂鸣器、报警使能开关和状态指示灯，报警使能开关用于打开或关闭状态告警模块。
所述监控主板上设有无线通讯模块和有线通讯模块，监控主板用于通过无线通讯或有线通讯的方式实现数据的存储与导出。
SOC的估计方法主要包括铅酸蓄电池在浮充和动态放电工况两种状态下的估算算法。在浮充状态下，电池电流变化率小，极化电压小，采用安时积分和OCV修正相结合的方法来快速准确的估计电池当前状态的SOC；在动态放电工况下，极化电压增大，采用扩展卡尔曼滤波算法可以有效减小累计误差，准确估计电池SOC。应用扩展卡尔曼滤波算法进行电池的SOC估算，其原理框图如图6所示。从本质上来讲是采用安时积分法计算SOC，同时用电池端电压实际测量值和模型预测值之间的误差来修正安时积分法的计算结果。当该误差较大时会产生一个较大的修正项，加速对SOC估计值的修正。此方法克服了安时积分法要求准确的初值以及容易产生累积误差的弊端，在初始误差较大时能快速收敛，即使在电流剧烈变化的动态工况下也能取得良好的估计结果。
在电池SOC参数准确获取的情况下，利用SOC变化率和电池充放电量间的关系可以很容易对电池的当前最大可用容量进行估计。根据当前最大可用容量值的SOH定义可知，只需用电池当前可用最大容量比上电池出厂的额定容量，便能实现电池当前SOH的估计。针对电池的SOH设置一个阈值，一旦电池的SOH低于80％时，便可通过状态告警模块触发声光报警，且报警功能可在本地选择呈现或屏蔽。
在电池监控主板上配置了USB3.0接口以及SD卡槽，通过直接插入U盘或者SD卡等方式将实时数据和历史数据上传及下载，实现数据的存储与导出。同时在主板上配置了网卡接口和5G模块，通过连接网线或者插入SIM卡的方式便可以有线或无线的方式实现与上位机的通讯。
本实用新型的技术关键点和欲保护点是：
电池参数采集模块和整组电池监控主板功能设计。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，包括：若干个电池参数采集模块和监控主板；
若干个电池参数采集模块均与监控主板连接；
每个电池参数采集模块安装在若干只单体电池上，用于在线实时采集每只电池的运行参数，并通过CAN总线的方式向监控主板发送采集到的数据；
所述监控主板用于通过CAN总线的方式接收若干个电池参数采集模块上传的数据，并根据接收到的数据及历史数据通过嵌入的安时积分法或扩展的卡尔曼滤波算法实时估计电池的SOC和SOH信息，并在本地进行显示。
2.如权利要求1所述的铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，每个电池参数采集模块均包括：电源模块、CAN通讯模块、处理器模块、开关阵列互斥驱动电路以及信息采集模块；
所述电源模块与处理器模块连接，用于给处理器模块提供电源；
所述CAN通讯模块与处理器模块连接，用于实现电池参数采集模块与监控主板之间的通讯；
所述信息采集模块包括电压采集电路和温度采集电路；
所述电压采集电路包括：开关阵列、ADC转换器和SPI隔离器；若干只电池与开关阵列并联后与ADC转换器连接，ADC转换器与SPI隔离器的一端连接，SPI隔离器的另一端与处理器模块连接，所述开关阵列互斥驱动电路的一端与处理器模块连接，开关阵列互斥驱动电路的另一端与开关阵列连接；
所述开关阵列用于接入若干只电池，所述ADC转换器用于完成模数转换并将数字信息传送给处理器模块，所述SPI隔离器用于起电器隔离，所述处理器模块用于将采集到的数字信息转换为电池电压信息，所述开关阵列互斥驱动电路用于驱动开关阵列；
所述温度采集电路包括：若干个温度传感器、模拟开关、参考电阻R和滤波电路；所述若干个温度传感器对应设置在若干只电池上，所述若干个温度传感器均与模拟开关的一端连接，模拟开关的另一端与滤波电路的一端连接，滤波电路的另一端与处理器模块连接，模拟开关的上端与参考电阻R的一端连接，参考电阻R的另一端与电源模块连接，模拟开关的下端接地；
所述模拟开关用于接入若干个温度传感器，并与参考电压R构成分压回路，分压点的电压经滤波电路滤波后由处理器模块上的ADC输入端口完成模数转换，所述处理器模块用于将采集得到的数字信息转换成分压点电压值并计算出相应的温度值。
3.如权利要求2所述的铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，所述温度传感器为NTC温度传感器。
4.如权利要求2所述的铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，所述处理器模块采用ARM处理器。
5.如权利要求1所述的铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，所述监控主板包括：电源模块、ARM处理器、整组电池充放电电流检测模块、状态告警模块、数据存储与导出模块以及本地信息显示模块；所述ARM处理器中嵌有SOC估计模块、SOH预测模块和放电剩余可用时间预测模块；
所述整组电池充放电电流检测模块与ARM处理器连接，所述状态告警模块与ARM处理器连接，所述数据存储与导出模块与ARM处理器连接，所述本地信息显示模块与ARM处理器连接；
所述电源模块用于为各个模块提供所需电压；
所述整组电池充放电电流检测模块用于通过霍尔电流传感器测量整组电池的电流，并将测得的电流发送到ARM处理器；
所述ARM处理器中的SOC估计模块用于根据采集到的电池参数估计电池的剩余可用容量，并通过本地信息显示模块进行显示，当电池的剩余可用容量低于20％时通过状态告警模块进行报警；
所述ARM处理器中的SOH估计模块用于通过电池历史运行数据采用机器学习算法预测电池的剩余使用寿命，并通过本地信息显示模块进行显示，当电池的剩余使用寿命低于80％时，通过状态告警模块进行报警；
所述ARM处理器中的放电剩余可用时间预测模块用于预估当电池处于放电状态时的电池剩余可用时间，并通过本地信息显示模块进行显示；
所述数据存储与导出模块用于存储和获取电池的历史状态信息。
6.如权利要求5所述的铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，所述本地信息显示模块为10寸触摸显示屏。
7.如权利要求5所述的铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，所述数据存储与导出模块包括U盘或者SD卡。
8.如权利要求5所述的铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，所述状态告警模块包括：蜂鸣器、报警使能开关和状态指示灯，报警使能开关用于打开或关闭状态告警模块。
9.如权利要求5所述的铅酸蓄电池状态监控系统，其特征在于，所述监控主板上设有无线通讯模块和有线通讯模块，监控主板用于通过无线通讯或有线通讯的方式实现数据的存储与导出。
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