CN114944514A - 铅酸蓄电池管理方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池管理技术领域，为一种铅酸蓄电池管理***，用于对铅酸蓄电池进行检测与管理。所述铅酸蓄电池管理***包括单体电池采集器、电池组采集器和智能网关模块；所述单体电池采集器用于采集单体电池的电压、温度和内阻并实现均衡控制；所述电池组采集器用于采集电池组的组电压、充放电电流、环境温度、纹波电压和绝缘电阻；所述智能网关模块用于分析处理、显示和管理采集数据，并上传至云端服务器进行数据展示与保存。本发明设计的蓄电池管理***可以实时监测蓄电池的工作状态，有效地管理和维护蓄电池，延长使用寿命，并根据设定阈值，对异常情况做出相应告警，成本较低，结构简单，运行稳定。

Description

铅酸蓄电池管理方法与装置

技术领域

本发明涉及一种电池管理技术，具体是涉及一种铅酸蓄电池管理***和方法。

背景技术

不间断电源UPS是20世纪60年代慢慢发展起来的新型电力电子设备。因其能确保不中断提供电源和保证较好的供电质量(电压、波形、频率)，所以UPS的应用领域广泛，发展速度迅猛。在通讯枢纽、国防指挥中心、卫星地面站、金融部门、高层建筑、医院手术室等场景中，UPS都扮演着极其重要的角色。蓄电池作为不间断电源UPS的重要组成部分，在现代经济发展中发挥了极其重要的作用，具有较高的研究价值。铅酸蓄电池是目前广泛使用的一种大容量电池品种，在通讯、储能、交通、国防等领域得到了广泛应用。我国蓄电池行业正处于转型的新阶段，企业自主创新能力与创新成果明显提升。铅酸蓄电池技术也日渐成熟，成本低，安全性高，稳定性好。

随着蓄电池的使用与老化，其各项指标性能会出现不同程度的衰退，包括电池容量衰减和电压不均衡等，对蓄电池的使用寿命大打折扣。因此需要一种电池管理***，来实时监测电池的工作状态，以保护蓄电池不过充不过放，有效延长蓄电池使用寿命；此外，电池内阻的变化反映了电池的健康状况，内阻增大表明电池劣化，通过对电池内阻的检测，可以判断电池组中电池的劣化程度，对内阻异常情况做提前预警，确保电池组安全可靠运行。

在现有产品中，仍有很多不足之处，如对蓄电池的运行情况、性能状态不明；缺乏有效的***数据管理，管理维护理念落后；现场维护工作须专业人员逐一操作，效率较低，存在安全隐患。

铅酸蓄电池管理***实现对单体电池电压、温度和内阻的采集，对电池组电压、充放电电流、纹波电压和绝缘电阻等的采集，对异常信息进行告警以及对单体电池进行均衡处理等功能，是诸多铅酸蓄电池应用中必不可少的一部分。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明解决的技术问题是提供一种铅酸蓄电池管理***，可实时监测蓄电池的工作状态，对运行中出现的异常现象及时告警，有效地保证了蓄电池的使用寿命。

一种铅酸蓄电池管理***，所述铅酸蓄电池管理***用于对铅酸蓄电池进行实时监测与管理，所述铅酸蓄电池管理***包括单体电池采集器、电池组采集器以及智能网关模块；单体电池采集器通过四线制方式与蓄电池设备相连并由蓄电池供电，，用于采集单体电池数据；电池组采集器与电池组两端相连，用于采集电池组数据；智能网关模块通过串行总线与单体电池采集模块和电池组采集模块相连，用于收集单体电池和电池组的实时数据以作分析处理和管理；智能网关模块通过RS485总线与上位机软件通讯，用于数据查看和***配置；智能网关模块通过以太网接口与云端服务器进行通讯，用于数据存储与管理。

进一步地，所述单体电池采集器软件程序开始后初始化硬件电路并加载配置参数；随后判断是否有操作指令，若有查询温度、查询电压、查询内阻的Modbus指令或有地址设置、测量校准、数据查询的AT指令，则在没有内阻测量要求的情况下返回对应指令，若有内阻测量请求，则操作相应开关单独开启内阻测量通道，ADC定时采样后计算内阻值；若没有操作指令，则ADC定时采样，计算温度值和电压值。

进一步地，所述电池组采集器软件程序开始后初始化硬件电路并加载配置参数；随后判断是否有操作指令，若有查询组电压、查询充放电电流、查询温度、查询纹波电压、查询绝缘电阻或测量校准、数据查询的AT指令，则进行对应指令返回；若没有相关操作指令，则ADC定时采样，测量计算组电压值、组充放电电流值、温度值、纹波电压值和绝缘电阻值。

进一步地，所述智能网关模块程序开始后，首先获取当前有效电池组中的有效单体电池；随后对当前电池组查询指令作置1标记操作，同时每隔50ms依次发送电池组查询指令；接着电池组采集器模块接收到查询指令后返回指令，同时标志位清0；智能网关模块通过串口中断接收返回指令并判断发送标志位，若为1则重新发送相应查询指令，若为0则进行该组内有效单体电池的查询流程，且须遍历查询每个有效单体电池，具体查询流程与电池组的查询流程类似，这里不再赘述；最后，对指令返回异常情况做一定时间内的重复检查，确保整体采集流程的准确性和稳定性。这样，针对一个有效电池组的发送查询逻辑完成。

上述是针对一个有效电池组的情况，若是接入了多个有效电池组，智能网关模块并没有按顺序逐个去查询，而是采取近似并行查询的方式，且同种类型的指令发送间隔为5ms。例如，现在***有3个有效电池组，那么1号有效电池组的第一个电池组查询指令与2号有效电池组的第一个电池组查询指令相差5ms，2号有效电池组的第一个电池组查询指令与3号有效电池组的第一个电池组查询指令相差5ms；经过50ms后，第二个电池组查询指令也以5ms的间隔依次发送至3个有效电池组；经过50ms后，第三个电池组查询指令也以5ms的间隔依次发送至3个有效电池组；同理，3个有效电池组内的有效单体电池也是以如上所述的逻辑被查询。这里，采用50ms作为串行指令的发送间隙，保证正常设备通讯成功，串行指令间不冲突；采用500ms作为异常返回指令的重复检查时间，确保尽可能收到正确的返回指令；采用5ms作为并行指令的发送间隙，缩短查询所需的时间长度的同时，也缓解了单片机的运行负荷。

进一步地，所述单体电池采集器采集单体电池的电压、温度和内阻数据。

进一步地，所述电池组采集器采集电池组的组电压、充放电电流、环境温度、纹波电压、绝缘电阻等数据。

进一步地，所述智能网关模块实现对采集数据的分析处理和管理，可通过LCD显示屏和上位机软件进行实时数据查看和简单的***配置，可通过以太网接口向云端服务器上报***数据以实现对数据的存储与管理。

进一步地，所述铅酸蓄电池管理***通过NTC温度传感器进行温度采集，并采用分段线性拟合的方法用进行数据处理，有效提高精度。

进一步地，所述铅酸蓄电池管理***通过电流互感器采集充放电电流。

进一步地，所述铅酸蓄电池管理***通过交变小电流放电检测的方法测量单体电池内阻。

本发明还具有纹波电压检测功能，信号通过隔直、放大和峰值检波电路处理后，将纹波信号处理成代表其幅度直流信号，再经模数转换和数据处理后获取到纹波电压。

本发明还具有绝缘电阻检测功能，通过参考电阻测量法判断绝缘性能。

本发明还具有均衡功能，通过被动均衡的方式对高于预设电压阈值的单体电池进行额外放电处理。

本发明具有以下优点和效果：

1、本发明通过采集单体电池和电池组的实时数据，通过智能网关模块的分析处理，可以实时监测蓄电池***的工作状态，并对运行过程中出现的异常现象进行告警处理，可以有效地维护蓄电池，延缓蓄电池的使用寿命，保证铅酸蓄电池***安全、可靠、稳定地运行。

2、本发明具有友好的人机交互途径：可通过智能网关模块上的LCD显示屏进行实时数据查看和简单的***配置；可通过上位机软件进行数据查看和***配置；可通过云端服务器进行数据展示和存储管理。

3、本发明***融合采集和控制功能与一体，成本较低，结构简单，稳定可靠，可广泛应用于地铁、储能等相关领域。

附图说明

图1为本发明***结构框图；图2为单体电池采集器结构框图；图3为电池组采集器结构框图；图4为智能网关模块结构框图；图5为单体电池采集器软件流程图；图6为电池组采集器软件流程图；图7为智能网关模块发送查询逻辑流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明铅酸蓄电池管理***包括单体电池采集器、电池组采集器以及智能网关模块；单体电池采集器通过四线制方式与蓄电池设备相连并由蓄电池供电，用于采集单体电池数据；电池组采集器与电池组两端相连，用于采集电池组数据；智能网关模块通过串行总线与单体电池采集模块和电池组采集模块相连，用于收集单体电池和电池组的实时数据以作分析处理和管理；智能网关模块通过RS485总线与上位机软件通讯，用于数据查看和***配置；智能网关模块通过以太网接口与云端服务器进行通讯，用于数据存储与管理。如图2所示，本发明***的单体电池采集器包括微控制器、内阻采集电路、电压采集电路、温度采集电路、电源接口以及通讯级联接口。电压采集电路、温度采集电路和内阻采集电路实现实时采集单体电池电压、温度和内阻数据的功能，通讯级联接口通过串行总线与智能网关模块进行通讯。如图3所示，本发明***的电池组采集器包括微控制器、电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、绝缘检测电路、纹波采集电路、电源接口以及通讯级联接口。电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、绝缘检测电路和纹波采集电路实现实时采集电池组的组电压、充放电电流、环境温度、绝缘电阻以及纹波电压数据的功能，通讯级联接口通过串行总线与智能网关模块进行通讯。如图4所示，本发明***的智能网关模块包括微控制器、COM1口、COM2口、COM3口、COM4口、LAN口、RS485口、LCD显示屏电路、按键电路、LED电路以及电源接口。COM1口、COM2口、COM3口和COM4口实现收集和查询单体电池采集器、电池组采集器采集的实时数据的功能；以太网接口与云端服务器进行通讯，用于数据存储与管理；RS485口与上位机软件通讯，用于数据查看和***配置；LCD显示屏电路用于显示和查看实时数据和报警信息，并支持简单的***配置功能；按键电路作为LCD显示屏电路的输入单元，可实现返回、上一步、下一步和确认的菜单按键功能；LED电路主要指示***通信状态、网络连接状态、电源状态和报警状态。如图5所示为单体电池采集器的软件流程图。开始后初始化硬件电路并加载配置参数；随后判断是否有操作指令，若有查询温度、查询电压、查询内阻的Modbus指令或有地址设置、测量校准、数据查询的AT指令，则在没有内阻测量要求的情况下返回对应指令，若有内阻测量请求，则操作相应开关单独开启内阻测量通道，ADC定时采样后计算内阻值；若没有操作指令，则ADC定时采样，计算温度值和电压值。如图6所示为电池组采集器的软件流程图。开始后初始化硬件电路并加载配置参数；随后判断是否有操作指令，若有查询组电压、查询充放电电流、查询温度、查询纹波电压、查询绝缘电阻或测量校准、数据查询的AT指令，则进行对应指令返回；若没有相关操作指令，则ADC定时采样，测量计算组电压值、组充放电电流值、温度值、纹波电压值和绝缘电阻值。

如图7所示为智能网关模块发送查询逻辑流程图，先讨论针对一个有效电池组的情况。开始后，首先获取当前有效电池组中的有效单体电池；随后对当前电池组查询指令作置1标记操作，同时每隔50ms依次发送电池组查询指令；接着电池组采集器模块接收到查询指令后返回指令，同时标志位清0；智能网关模块通过串口中断接收返回指令并判断发送标志位，若为1则重新发送相应查询指令，若为0则进行该组内有效单体电池的查询流程，且须遍历查询每个有效单体电池，具体查询流程与电池组的查询流程类似，这里不再赘述；最后，对指令返回异常情况做一定时间内的重复检查，确保整体采集流程的准确性和稳定性。这样，针对一个有效电池组的发送查询逻辑完成。针对多个有效电池组的情况，智能网关模块并没有按顺序逐个去查询，而是采取近似并行查询的方式，且同种类型的指令发送间隔为5ms。例如，现在***有3个有效电池组，那么1号有效电池组的第一个电池组查询指令与2号有效电池组的第一个电池组查询指令相差5ms，2号有效电池组的第一个电池组查询指令与3号有效电池组的第一个电池组查询指令相差5ms；经过50ms后，第二个电池组查询指令也以5ms的间隔依次发送至3个有效电池组；经过50ms后，第三个电池组查询指令也以5ms的间隔依次发送至3个有效电池组；同理，3个有效电池组内的有效单体电池也是以如上所述的逻辑被查询。这里，采用50ms作为串行指令的发送间隙，保证正常设备通讯成功，串行指令间不冲突；采用500ms作为异常返回指令的重复检查时间，确保尽可能收到正确的返回指令；采用5ms作为并行指令的发送间隙，缩短查询所需的时间长度的同时，也缓解了单片机的运行负荷。

进一步地，单体电池采集器采用差分放大和四线制的方式进行电压、内阻等参数的采集，减小信号共模干扰和连接线线阻带来的影响。

电压采集：本发明采集单体电池和电池组的电压值。经过信号调理电路后输入至单片机的模数转换器(ADC)，由单片机计算电压值；由于存在单体电池之间连接线的线阻和接触电阻，电池组总电压不能单纯地计算各个单体电池电压的累计值，而是要测量电池组两端的电压，否则会带来较大的累计误差。

电流采集：采集电流可以有效判断蓄电池当前的充放电状态以及充放电电流的大小。根据蓄电池的实时充放电状态及时调整阈值来保护蓄电池。通过电流互感器和相关硬件电路将电流信号转换为电压信号,将电压信号输入至单片机ADC模块，单片机计算可得电流值。

温度采集：通过NTC温度传感器采集温度数据，经过单片机中的ADC模块模数转化后用分段线性拟合的数学方法计算可得当前温度值。

内阻采集：内阻采集采用交变小电流放电检测的方法。单片机输出一定频率的脉冲交流信号控制MOS管的通断产生交变电流，该交变电流流经蓄电池时会产生微弱的交变电压，通过对交变电流与交变电压的测量，可计算出交流内阻＝交变电压/交变电流。

本发明还具有均衡功能，通过被动均衡的方式对高于预设电压阈值的单体电池进行额外放电处理。

本发明还具有纹波电压检测功能，信号通过隔直、放大和峰值检波电路处理后，将纹波信号处理成代表其幅度直流信号，再经模数转换和数据处理后获取到纹波电压。

本发明还具有绝缘电阻检测功能，采用参考电阻测量法，通过开关进行参考电阻的切换，进而求得正绝缘电阻和负绝缘电阻，其中的较小值即为绝缘电阻，以此值来判断蓄电池***的绝缘性能，检查是否有漏液情况的发生。

本发明可对运行中出现的异常现象进行告警处理，以保证蓄电池***安全、可靠、稳定地运行。异常现象包括：单体电压高、单体电压低、单体内阻高、单体内阻低、电池温度高、电池温度低、单体内阻不均、浮充电压高、浮充电压低、电池开路、电池接地告警、组压高、组压低、充电电流大、放电电流大、浮充组压高、浮充组压低、纹波过大、绝缘电阻过低和通信故障等。

本发明以按键模块为输入，通过LCD显示屏菜单进行实时数据查看和简单的***配置；通过上位机软件进行数据查看和***配置；可通过云端服务器进行数据展示和存储管理。

本发明通过采集单体电池和电池组的实时数据，通过智能网关模块的分析处理，可以实时监测蓄电池***的工作状态，并对运行过程中出现的异常现象进行告警处理，可以有效地维护蓄电池，延缓蓄电池的使用寿命，保证铅酸蓄电池***安全、可靠、稳定地运行；具有友好的人机交互途径：可通过智能网关模块上的LCD显示屏进行实时数据查看和简单的***配置；可通过上位机软件进行数据查看和***配置；可通过云端服务器进行数据展示和存储管理；***融合采集和控制功能与一体，成本较低，结构简单，稳定可靠，可广泛应用于地铁、储能等相关领域。

以上所述具体实施方式用来解释说明本发明，在本发明的原理前提下，可以进一步做出一些改进和替换，这些改进和替换也视为对发明的保护。

Claims (10)

1.一种铅酸蓄电池管理***，其特征在于，具有单体电池采集器、电池组采集器以及智能网关模块，其中所述单体电池采集器与蓄电池相连接，电池组采集器连接在电池组两端，电池组由n个蓄电池串联而成；所述智能网关模块将采集到的数据进行分析处理和管理，并在LCD显示屏上实时显示数据和做简单配置；所述智能网关模块可将数据上传至云端服务器做数据展示与管理。

2.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，单体电池采集器模块连接在蓄电池两端，实时采集单体电池的电压、温度和内阻信息；电池组采集器与电池组两端连接，实时采集电池组的组电压、充放电电流、环境温度、纹波电压和绝缘电阻信息；单体电池采集器模块与电池组采集器模块通过串行总线与智能网关模块连接通讯；智能网关通过串口并行查询采集器模块采集到的实时数据信息，并通过单片机做分析处理，对异常信号做告警处理；智能网关模块上的LCD显示屏与上位机软件构成人机界面，可实时查看采集数据和进行***配置；云平台服务器与智能网关模块通过以太网进行通讯，其构成的后台管理模块对采集数据进行存储和管理。

3.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，单体电池采集器软件程序开始后初始化硬件电路并加载配置参数；随后判断是否有操作指令，若有查询温度、查询电压、查询内阻的Modbus指令或有地址设置、测量校准、数据查询的AT指令，则在没有内阻测量要求的情况下返回对应指令，若有内阻测量请求，则操作相应开关单独开启内阻测量通道，ADC定时采样后计算内阻值；若没有操作指令，则ADC定时采样，计算温度值和电压值。

4.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，电池组采集器软件程序开始后初始化硬件电路并加载配置参数；随后判断是否有操作指令，若有查询组电压、查询充放电电流、查询温度、查询纹波电压、查询绝缘电阻或测量校准、数据查询的AT指令，则进行对应指令返回；若没有相关操作指令，则ADC定时采样，测量计算组电压值、组充放电电流值、温度值、纹波电压值和绝缘电阻值。

5.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，智能网关模块程序开始后，首先获取当前有效电池组中的有效单体电池；随后对当前电池组查询指令作置1标记操作，同时每隔50ms依次发送电池组查询指令；接着电池组采集器模块接收到查询指令后返回指令，同时标志位清0；智能网关模块通过串口中断接收返回指令并判断发送标志位，若为1则重新发送相应查询指令，若为0则进行该组内有效单体电池的查询流程，且须遍历查询每个有效单体电池；最后，对指令返回异常情况做一定时间内的重复检查，确保整体采集流程的准确性和稳定性；这样，针对一个有效电池组的发送查询逻辑完成。

6.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，所述智能网关模块采用并行查询的方式进行数据查询，极大地提高了***运行速度和效率。

7.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，采用分段线性拟合的方案做温度采集，温度传感器选用NTC(Negative Temperature Coefficient)热敏电阻，温度传感器接入采集器与电池设备连接。

8.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，单体电池采集器具有内阻采集功能，采用交变小电流放电的方案进行内阻检测。

9.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，具有均衡处理功能，采用被动均衡的方式对高于预设阈值的单体蓄电池进行额外放电，直至与预设值一致。

10.根据权利要求1中所述的铅酸蓄电池管理***，其特征在于，所述铅酸蓄电池通过电流互感器采集充放电电流；

所述电池组采集器具有纹波电压检测功能和绝缘电阻检测功能；

所述铅酸蓄电池管理***可对异常信号进行报警处理；

所述智能网关模块通过LCD显示屏实现人机交互功能；

所述智能网关模块通过485总线与上位机软件进行数据通讯，通过以太网接口与云端服务器进行数据通讯；

所述异常信号包括：测量告警信号和故障告警信号。

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