CN220691067U - 一种vtr蓄电池在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种VTR蓄电池在线监测系统，包括VTR主机、一个以上的蓄电池、若干测量双耳垫片、通讯线缆和测量线缆，其中，各个蓄电池安装独立的VTR‑Sout模块，各个蓄电池正极端子和负极端子上分别装有测量双耳垫片，测量双耳垫片通过测量线缆连接所在蓄电池上的VTR模块，各个VTR‑Scout模块均通讯连接VTR主机，VTR‑Scout模块集成蓄电池的电压、温度和内阻测量功能于一体。本实用新型能够使用极少的部件来实现所需要的蓄电池在线监控功能，集成度高，可以实现在线工作和在线非工作状态的自由切换，最大限度的减低功耗，延长使用寿命。

Description

一种VTR蓄电池在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及阀控式免维护铅酸蓄电池的安全应用技术领域，具体涉及一种VTR蓄电池在线监测系统和监测方法，VTR指包括电压Voltage、温度Temperature和电阻Resistance三种测试功能。

背景技术

目前铅酸蓄电池在工业、通讯、电力、重工、光伏等各种行业均有大量应用，因其电化学特性，无法直观了解其实际状态，因此铅酸蓄电池的管理变成一个复杂的难题。现有的蓄电池监测技术组成部件分散，功能实现复杂，实际运行控制复杂，运行控制不能实现全自动自主运行，未能实现在线工作状态和在线非工作状态的自由切换，且存在不必要的重复测量，不能节约资源，材料消耗大，功耗大，不符合环境治理的新要求。

实用新型内容

技术目的：针对上述技术问题，本实用新型提出了一种VTR蓄电池在线监测系统和监测方法，其能够使用极少的部件来实现所需要的蓄电池在线监控功能，集成度高，可以实现在线工作和在线非工作状态的自由切换，最大限度的减低功耗，延长使用寿命。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种VTR蓄电池在线监测系统，其特征在于：包括VTR主机、一个以上的蓄电池、若干测量双耳垫片、通讯线缆和测量线缆，其中，各个蓄电池安装独立的VTR-Sout模块，各个蓄电池正极端子和负极端子上分别装有测量双耳垫片，测量双耳垫片通过测量线缆连接所在蓄电池上的VTR模块，各个VTR-Scout模块均通讯连接VTR主机，VTR-Scout模块集成蓄电池的电压、温度和内阻测量功能于一体。

优选地，所述VTR-Scout模块包括MCU、分压电路、温度传感器、恒流脉冲电路和隔离电路，MCU包括AD0端口、AD1端口、IO0端口、IO1端口、IO2端口和IO3端口，其中，

所述分压电路用于检测蓄电池的正极端子和负极端子之间的电压，MCU的AD1端口用于接收分压电路的输出信号；

所述温度传感器采用单总线数字化温度传感器，通过贴合导热双面胶安装在蓄电池的表面，用于检测蓄电池的温度，MCU的IO1端口用于接收温度传感器的输出信号；

所述恒流脉冲电路与MCU的IO0端口连接，用于在MCU的驱动下，向蓄电池释放预设大小的电流脉冲；

所述隔离电路用于实现MCU与VTR主机的异步串口通讯，隔离电路设有与VTR主机连接的第一输入端和第一输出端，以及与MCU的IO3端口连接的第二输出端、与IO2端口连接的第二输入端。

优选地，所述测量线缆的一端通过设置插簧连接测量垫片、另一端通过2*2的5569连接头插到VTR模块上。

一种VTR蓄电池在线监测方法，其特征在于，包括步骤：

VTR主机按预设的工作任务，给各个VTR-Scout模块发出对应的工作命令；

VTR-Scout模块被所述工作命令唤醒，通过设计的电路及计算方式开始工作，检测得到所述蓄电池的电压、电流和内阻的测量数据，并按照VTR主机的要求将测量数据上传给VTR主机；

VTR主机判断VTR-Scout模块上传的测量数据是否正常并作出对应的反应，显示或存储所述VTR-Scout模块上传的测量数据。

优选地，VTR-Scout模块以如下步骤进行蓄电池的电压检测：

VTR主机按照系统设定的要求向系统内所有的VTR-Scout模块发出唤醒指令，然后发出电压测量指令；

系统内的VTR-Scout模块按照电压测量指令进行电压测量；

预设时间后VTR主机向系统内所有的VTR-Scout模块发出上传电压测量数据指令；

系统内的VTR-Scout模块按照电压测量数据指令，将测量的电压数据上传至VTR主机；

VTR主机显示并存储测量的电压数据；

VTR主机依据设定的告警限值范围，判断各VTR-Scout模块上传的数据是否超限，并决定是否发出告警提示。

优选地，VTR-Scout模块以如下步骤进行蓄电池的温度检测：

VTR主机按照系统设定的要求向系统内所有的VTR-Scout模块发出唤醒指令，然后发出温度测量指令；

系统内的VTR-Scout模块按照温度测量指令进行温度测量；

预设时间后VTR主机向系统内所有的VTR-Scout模块发出上传温度测量数据指令；

系统内的VTR-Scout模块按照上传温度测量数据指令将测量的温度数据上传至VTR主机；

VTR主机显示并存储测量的温度数据；

VTR主机依据设定的告警限值范围判断各VTR-Scout模块上传的数据是否超限，并决定是否发出告警提示。

优选地，所述VTR-Scout模块按以下步骤检测蓄电池的内阻Rx：

(1)、MCU驱动恒流脉冲电路，产生预设aA的电流脉冲，并施加到所述蓄电池的正极端子和负极端子之间；

(2)、MCU测量步骤(1)电流脉冲在蓄电池上产生的脉动电压幅度值Vdx；

(3)、MCU计算内阻的一次测量值，即Rdc_n＝Vdx/aA；

(4)、重复步骤(1)到(3)，累积测量N次，N不小于200，计算一次测量值的累加结果，即RdcN；

(5)、MCU计算得到蓄电池的内阻：Rx＝Kr×(RdcN/N)，Kr表示电阻修正系数，通过IO2端口将计算得到的内阻Rx上传给VTR主机。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型系统连接方便，由于减少了不必要的部件，使安装极其方便，大大提高现场工作效率；监测方法测量效率高，电压温度测量时间在5毫秒内完成，内阻测量在5秒内完成；测量精度高，工作的电压、温度对测量精度的影响极小，利于对蓄电池优劣的判断。

2、本实用新型系统部件少，除了测量线缆和垫片外，部件就是VTR主机和VTR模块；材料消耗少；由于系统高度集成，取消了与主设备重复的监测，减少大量不必要的材料消耗；系统功耗低、长寿命可反复利用，大大减少环境污染和能耗；选用工业级及以上等级的元器件，模块的使用寿命大大延长，可以多次重复利用。

3、本实用新型系统使用方便管理简单，不增加任何辅助设备，在主机上即可完成整个系统的设置工作。

附图说明

图1为本实用新型提出的VTR-Scout模块的电路原理图；

图2为PCB板上关于电源部分的设计示意图；

图3为本实用新型提出VTR蓄电池在线监测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细的说明。

本实用新型提出一种VTR蓄电池在线监测系统，利用独特的设计，在极短时间内完成铅酸蓄电池的电压、温度、内阻的测量，使用户直接了解铅酸蓄电池的当前状态，方便用户对蓄电池系统进行管理。本实用新型设计能够在5秒内完成单只铅酸蓄电池阻抗的测量，并高度集成直流电压和温度的测量技术，使用全新的电路设计和计算方式提高测量的精度和速度，本实用新型设计可以使系统中的模块在在线工作状态和非工作状态之间自由切换，保证测量系统高效率、低功耗的长期运行。

实施例一

本实用新型提出一种VTR蓄电池在线监测系统，包括：VTR主机、VTR模块、通讯线缆、测量线缆、测量垫片。

其中，测量垫片加在铅酸蓄电池正负端子连接线鼻子的上端，测量线缆分别连接在两个测量垫片上，测量线缆通过2×2的5569连接头插到VTR模块上，通讯线缆将所有的VTR-Scout模块连接起来，两头的通讯线缆插到主机的通讯口上即完成系统的连接，给主机插上电源，系统即可按设定运行。

其中，每个待测的蓄电池的正负极端子上均安装有一个双耳垫片，将测量线缆的插簧端依照正负极的要求插在测量垫片的双耳上，测量线缆的另一端5596插头插在VTR-Scout模块的电源输入端，将VTR-Scout模块粘贴在蓄电池的侧面外壳上，将通讯线缆的RJ水晶头插入VTR-Scout模块下端的通讯接口RJ座上，通讯线缆的另一头插在系统主机的通讯接口RJ座上，形成通讯闭环即可。

图1所示为本实用新型设计的VTR-Scout模块的电路原理图，VTR-Scout模块包括MCU、分压电路、温度传感器、恒流脉冲电路和隔离电路，MCU包括AD0端口、AD1端口、IO0端口、IO1端口、IO2端口和IO3端口。

测量双耳垫片的作用是方便将测量线缆连接到蓄电池的端子上，测量线缆采用的了正负极各双路线缆设计，一路用来取电，一路用来测量，因为测量的内阻值是很小的毫欧级别的，这样的双路线缆设计能够避免测量时受到的干扰；通讯线缆的作用是将系统里所有的VTR-Scout模块的通讯串联起来，采样总线拓扑的方式，建立一个闭环通讯网络；通讯在模块的内部是并联的，因此无论哪一个模块损坏或通讯丢失，不会影响其他模块的通讯；通讯线缆为四芯网线，采用异步串口通讯连接到VTR主机的RJ通讯口。图2为PCB板上关于电源部分的设计示意图。

VTR主机作为上位机，具备如下功能设计：

VTR主机为系统运行的主控设备并具有历史数据存储功能，是集成了VTR通讯数据传输功能的工业液晶电阻触屏一体机；

VTR主机显示最近一次蓄电池监测模块监测到的电压值、温度值、内阻值；同时可以显示最长十年的历史测量数据曲线图；

VTR主机还显示系统时间、数据的测量时间；

VTR主机具有网络设置，告警限值设置，测量间隔设置，模块编号设置，蓄电池分组设置，内阻参考值设置，远程访问密码设置等。

VTR主机能够提供RS485通讯串口，网口，打印，干接点，声光告警等功能。

其工作原理为：

VTR主机按预设的工作任务，给铅酸蓄电池正负极两端接上的VTR-Scout模块发出对应的工作命令；

VTR-Scout模块被命令唤醒，通过设计的电路及计算方式开始按命令工作，并按照主机的要求将数据上传给主机显示或存储；

主机判断数据是否正常并作出相应的反应；

VTR-Scout模块完成任务15秒后未接到新的工作命令便进入休眠状态。

具体地：

对系统内的蓄电池进行电压测量，主机发出测量电压指令，系统内的VTR-Scout模块依次进行电压测量，主机再次发出上传电压测量数据要求，系统内的VTR-Scout模块依次上传测量的电压数据。每个电池的电压测量时间是5毫秒，测量不会对蓄电池产生潜在的损坏，因此，电压测量间隔时间允许设置到最短。

对系统内的蓄电池进行温度测量，主机发出测量温度指令，系统内的VTR-Scout模块依次进行温度测量，主机再次发出上传温度测量数据要求，系统内的VTR-Scout模块依次上传测量的温度数据。每个电池的温度测量时间是5毫秒，测量不会对蓄电池产生潜在的损坏，因此，温度测量间隔时间允许设置到最短。

对系统内的蓄电池进行内阻测量，主机发出测量内阻指令，系统内的VTR-Scout模块依次进行内阻测量，主机再次发出上传内阻测量数据要求，系统内的VTR-Scout模块依次上传测量的内阻数据。每个电池的内阻测量时间是5秒，间隔太短的测量可能会对蓄电池产生不良的影响，因此，内阻测量间隔时间最短为12分钟，为保护蓄电池，在主机系统内部做有最短时间限定设置。

本实用新型在主机上有报警限值范围设定，根据不同规格型号的蓄电池及不同使用环境，可以做不同需求的设定，系统本身不对蓄电池的好坏做出判定，只根据设定的报警限值做告警提示。

VTR-Scout模块是监测系统的主测量单元，负责蓄电池的电压、温度、内阻的测量，并将测量值上传给VTR主机，VTR主机在现场显示出各数据并构建出历史曲线图，以及后台存储备份和向客户提供数据外传应用的接口。VTR-Scout模块使用混合电路设计技术，对蓄电池电压、温度、内阻这三个参数进行测量，彼此独立，互不干扰，又能规则的按照VTR主机的命令依次进行。

1、电源测量

VTR-Scout模块对蓄电池电压测量的设计，使用分压修正的方式来直接测量，测量速度为毫秒级，设计使用R1、R2来进行分压，然后送到MCU的12位AD进行测量，根据AD计算值再进行修正，得到实际电压。设计避免了VTR模块工作取电的影响，提高了测量精度。

电压计算公式：Vx＝Kv×[(AD值/4096)×Vref×(R1+R2)/R2]

式中：Vx表示计算出的实际电压，Kv表示电压修正系数，AD值表示单片机AD出来的值，Vref表示AD的参考值，R1表示上分压电阻，R2表示下分压电阻。

2、温度测量

VTR-Scout模块对蓄电池温度测量的设计，是使用宽电压的智能温度传感器直接测量蓄电池的壳体温度。采用的是一线总线的单总线数字化温度传感器，属于新一代适配微处理器的改进型可编程智能温度传感器，能够直接读出被测温度，不使用任何外围辅助元件，在安装结构上使用贴合导热双面胶接触测量，尽可能的避免了干扰和减小了误差，测量速度为毫秒级，当测量-10℃～+85℃之间时，测量误差确保控制在0.5℃以内。

3、内阻测量

VTR-Scout模块对蓄电池的内阻测量的设计，对经典电学R＝U/I的电路做了全新的设计，利用设计线路在毫秒级的时间内进行脉冲式的直流放电测量，电路设计利用双路测量线缆设计，将工作取电及测量放电线路分开，并强化了抗干扰性能。采用异步串口通讯连接到VTR主机的上。

蓄电池内阻Rx的测量步骤及计算方式：

(1)、驱动20ms宽度的6A恒流20ms放电脉冲；

(2)、测量步骤(1)电流脉冲在电池内阻上产生的脉动电压幅度值Vdx；

(3)、计算Rdc_n＝Vdx/6A；

(4)、重复步骤(1)到(3)，累积200次，累加得到Rdc200；

(5)、计算得出内阻值Rx＝Kr×(Rdc200/200)，Kr表示电阻修正系数。

如图3所示，本实用新型由于使用了双耳垫片和区分电路设计，模块的工作用电和测量线路分开，避免了工作取电线路对测量线路的干扰影响。能够提高测量的精度。设计使用高精度低温漂元器件，进一步提高了测量的精度。设计使用高精度数字化温度传感器测量温度，避免了不必要的复杂线路设计带来的精度影响。

例如图3中，用户需要对UPS系统的18节12V蓄电池组进行在线监测管理，那么在每个蓄电池上安装VTR-Scout12模块，将测量线缆插入双耳垫片加在接线端子的上端压紧，使用四芯通讯线将18个模块连接起来(不区分进出口)，将头尾通讯线缆的水晶头插入主机上的RJ口，给主机通上电源，即可按照设定自动运行测量每一节蓄电池的电压、温度和内阻，当出现测量数据异常时告警，并可以通过网口、COM口或干接点向外界输出各类信息，方便用户连接到管理后台，实现远程监视。

本实用新型中MCU是指单片机，模块上的主芯片，即主控单元，在收到上位机(即VTR主机)的指令后，由模块上的这个MCU来执行指令，进而向下游各功能电路发出指令或信号，测电压和测温度，在收到下游反馈的数据后计算结果并暂存(保留最近的一次测量数据)，等待上位机的读取指令后上传给上位机。测电阻是在收到上位机指令后，开始测量并保存等待上位机读取，具体包括以下步骤：

S1、使用两头压制有RJ9水晶头的四芯通讯线缆，分别插在相邻的两个VTR-Scout模块下端的RJ座上，使系统里的VTR-Scout模块在通讯端全部串联起来，首尾两个VTR-Scout模块的一个水晶头插入VTR主机后端的RJ通讯口，形成通讯闭环，将VTR-Scout模块放置在蓄电池的上端。

S2、在每节蓄电池正负极的连接端子上端加装双耳垫片，测量线缆的插簧一端插在双耳垫片上，另一端通过2×2的5569插件连接到VTR-Scout模块上的电源插座上。

S3、将VTR-Scout模块背面的导热双面胶的离纸剥离，将VTR-Scout模块粘贴在蓄电池的侧面中部位置。

S4、给VTR主机供电，电源为AC220V或DC24V，主控系统软件为自启动，开机运行选择管理进行系统设定。

S5、系统的设定依据各种规格的蓄电池、运行环境控温、告警限值范围、测量间隔要求和蓄电池的组别来按需设定。

S6、蓄电池的电压检测：

VTR主机按照系统设定的要求向系统内所有的VTR-Scout模块发出唤醒指令，然后发出电压测量指令，系统内的VTR-Scout模块按照指令进行电压测量，两秒后VTR主机发出上传电压测量数据指令，系统内的VTR-Scout模块按照指令将测量的电压数据上传至VTR主机，VTR主机显示并存储这些数据；

由VTR主机依据设定的告警限值范围判断各VTR-Scout模块上传的数据是否超限，并决定是否发出告警提示；

完成系统内全部蓄电池的电压测量后，15秒内如果VTR主机不再发出其他测量要求，VTR-Scout模块将自动进入休眠模式，将功耗降低到最小；进入休眠模式运行后，在下一次要求测量时，VTR主机将重新发送唤醒指令。

S7、蓄电池的温度检测：VTR主机按照系统设定的要求向系统内所有的VTR-Scout模块发出唤醒指令，然后发出温度测量指令，系统内的VTR-Scout模块按照指令进行温度测量，两秒后VTR主机发出上传温度测量数据指令，系统内的VTR-Scout模块按照指令将测量的温度数据上传至VTR主机，VTR主机显示并存储这些数据；

由VTR主机依据设定的告警限值范围判断各VTR-Scout模块上传的数据是否超限，并决定是否发出告警提示；

完成系统内全部蓄电池的温度测量后，15秒内如果VTR主机不再发出其他测量要求，VTR-Scout模块将自动进入休眠模式，将功耗降低到最小；进入休眠模式运行后，在下一次要求测量时，VTR主机将重新发送唤醒指令。

S8、蓄电池的内阻检测：VTR主机按照系统设定的要求向系统内所有的VTR-Scout模块发出唤醒指令，然后发出内阻测量指令，系统内的VTR-Scout模块按照指令进行内阻测量，十秒后VTR主机发出上传内阻测量数据指令，系统内的VTR-Scout模块按照指令将测量的内阻数据上传至VTR主机，VTR主机显示并存储这些数据；

由VTR主机依据设定的告警限值范围判断各VTR-Scout模块上传的数据是否超限，并决定是否发出告警提示；

完成系统内全部蓄电池的内阻测量后，15秒内如果VTR主机不再发出其他测量要求，VTR-Scout模块将自动进入休眠模式，将功耗降低到最小。进入休眠模式运行后，在下一次要求测量时，VTR主机将重新发送唤醒指令。

VTR-Scout模块唤醒工作状态和自动进入休眠状态的自动转换是VTR-Scout模块的设计特色之一，通过设置该功能能够把测量模块的功耗降到很低，大约能够降低到唤醒状态下25％的功耗。

S9、VTR主机上的数据和告警可使用COM口和干接点输出到后台，VTR主机具有网络设置可与外界联通，网络连接可以使用LAN口和无线WIFI连接，实现物联网联通。

综上，本实用新型设计中内阻的测量，使用混合电路设计技术，对经典电学R＝U/I的电路做了全新的设计，加入独有的抗干扰电路设计，使其在工业生产现场各种复杂的电磁环境下都能够稳定可靠的运行。电压、温度的测量使用高敏感元器件结合全新电路设计，使用全新电路设计，使测量速度达到毫秒级，精度达到毫伏级，完全满足正常管理需要。

本实用新型的蓄电池在线监测系统功能上满足铅酸蓄电池基本管理参数----电压、温度、内阻的高精度测量；功能上设计了休眠功能，使系统自动完成在线工作和非工作状态(休眠状态)的转变，无需人工干预，降低了模块功耗，延长了使用寿命，也保护了蓄电池；系统组成上框架简洁，测量模块与主机之间使用0V电压的通讯线直接连接，无需繁琐的中间通讯转接，安全可靠，安装简便；管理上满足功能应用需要又操作方便、简单易懂。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (2)

1.一种VTR蓄电池在线监测系统，其特征在于：包括VTR主机、一个以上的蓄电池、若干测量双耳垫片、通讯线缆和测量线缆，其中，各个蓄电池安装独立的VTR-Scout模块，各个蓄电池正极端子和负极端子上分别装有测量双耳垫片，测量双耳垫片通过测量线缆连接所在蓄电池上的VTR-Scout模块，各个VTR-Scout模块均通讯连接VTR主机，VTR-Scout模块集成蓄电池的电压、温度和内阻测量功能于一体；

所述VTR-Scout模块包括MCU、分压电路、温度传感器、恒流脉冲电路和隔离电路，MCU包括AD0端口、AD1端口、IO0端口、IO1端口、IO2端口和IO3端口，其中，所述分压电路用于检测蓄电池的正极端子和负极端子之间的电压，MCU的AD1端口用于接收分压电路的输出信号；

所述温度传感器采用单总线数字化温度传感器，通过贴合导热双面胶安装在蓄电池的表面，用于检测蓄电池的温度，MCU的IO1端口用于接收温度传感器的输出信号；

所述恒流脉冲电路与MCU的IO0端口连接，用于在MCU的驱动下，向蓄电池释放预设大小的电流脉冲；

所述隔离电路用于实现MCU与VTR主机的异步串口通讯，隔离电路设有与VTR主机连接的第一输入端和第一输出端，以及与MCU的IO3端口连接的第二输出端、与IO2端口连接的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的一种VTR蓄电池在线监测系统，其特征在于：所述测量线缆的一端通过设置插簧连接测量垫片、另一端通过2*2的5569连接头插到VTR-Scout模块上。