一种蓄电池单体在线监测系统的制作方法

1.本申请涉及电池监测技术领域，具体而言，涉及一种蓄电池单体在线监测系统。


背景技术：

2.随着蓄电池的广泛应用，特别是备用电源中的应用，采用铅酸蓄电池作为备用电源场所的一般都是非常重要的部分。蓄电池组作为后备电源平时处于充电状态，与充电装置的输出并联，一旦市电中断，蓄电池立即开始进行放电，代替市电为设备供电，以实现设备工作续航。如果单个蓄电池容量下降到一定程度，蓄电池组就起不到备用电源的作用，一旦主电源发生故障，就有可能造成系统停机，导致巨大的损失。在蓄电池运行过程中检测蓄电池的状态是用户最关心的问题，也是后备电源发生使用蓄电池的最大难题之一，蓄电池的运行要求比较严格，蓄电池在偏离了正确的使用条件下运行会影响蓄电池的使用寿命，甚至造成严重的后果，因此，铅酸蓄电池的运行参数监测非常重要。传统的蓄电池在线监测，使用电池组集中管理的方式，设备虽然提高了数据采集的速度和精度，减少了工作量，但连线较多，操作复杂，有一定的安全隐患，且无法排除一线制采集时电池间连接导线产生的“过桥电压”对测量数据的影响。


技术实现要素：

3.本申请的主要目的在于提供一种蓄电池单体在线监测系统，以解决现有技术的蓄电池监测电路连线较多，操作复杂，有一定的安全隐患，且无法排除一线制采集时电池间连接导线产生的“过桥电压”对测量数据的影响的问题。
4.为了实现上述目的，本申请提供了一种蓄电池单体在线监测系统，包括：
5.蓄电池组信息显示模块、多个单体蓄电池采集模块和多个蓄电池组管理模块，所述多个单体蓄电池采集模块之间依次通讯连接，且所述多个单体蓄电池采集模块的首尾两个单体蓄电池采集模块通讯接入蓄电池组管理模块，所述多个蓄电池组管理模块和蓄电池组信息显示模块通讯连接，其中：
6.所述单体蓄电池采集模块，用于采集单个蓄电池的至少电压、内阻和温度的单电池监测数据，并将所述单电池监测数据发送给蓄电池组管理模块；
7.所述蓄电池组管理模块，用于采集至少电池组充放电电流、电池组组端电压、电池组母线电压、电池组环境温度的电池组监测数据以及所述单电池监测数据，并将电池组监测数据以及所述单电池监测数据发送给蓄电池组信息显示模块；
8.蓄电池组信息显示模块，用于显示所述电池组监测数据以及所述单电池监测数据。
9.优选的，所述多个单体蓄电池采集模块之间，单体蓄电池采集模块与蓄电池组管理模块之间，以及蓄电池组管理模块和蓄电池组信息显示模块之间均通过rs485通讯连接。
10.优选的，所述单体蓄电池采集模块包括电压采集单元、温度采集单元、内阻采集单元、模块地址设置单元、模块通讯单元以及第一微控制器单元，所述电压采集单元、温度采
集单元、内阻采集单元、模块地址设置单元、模块通讯单元均与第一微控制器单元相连接，其中：
11.所述电压采集单元采用基于运算放大器的电压放大电路采集电池电压，所述电压放大电路通过adc芯片连接第一微控制器单元；
12.所述温度采集单元采用ntc温度传感器；
13.所述内阻采集单元为恒流电路；
14.所述模块地址设置单元为拨码开关；
15.所述模块通讯单元为一路rs485通讯芯片两个并联出口；
16.所述第一微控制器单元为单片机处理器。
17.优选的，所述电压采集单元、内阻采集单元采用四线制方式。
18.优选的，所述蓄电池组管理模块包括第二微控制器单元和与第二微控制器单元电连接的无源干接点单元、地址设置单元、rs485通讯单元、环境温度采集单元、电池组充放电电流采集单元、组端电压采集单元、电池组脱离母线检测单元，其中：
19.所述第二微控制器单元为单片机处理器；
20.所述地址设置单元为四位拨码开关；
21.所述无源干接点单元包括多组继电器控制电路，所述继电器控制电路包括依次连接的光电耦合器、驱动三极管和继电器；
22.所述rs485通讯单元有三个，分为两个单体采集模块通讯单元和一个显示屏主机通讯单元；
23.所述环境温度采集单元为ntc温度传感器；
24.所述电池组充放电电流采集单元为包括依次连接的霍尔电流传感器、电感器滤波电路、差分放大电路、电压跟随电路；
25.所述组端电压采集单元和电池组脱离母线检测单元采用高耐压光耦隔离电路实时采集电池组端电压以及电池组母线电压。
26.优选的，所述无源干接点单元包括四路无源干接点电路，分别为电压、温度、内阻、其他告警无源干接点电路。
27.优选的，所述高耐压光耦隔离电路输出端后依次连接有滤波电路、差分放大电路、跟随电路、adc电路、数字隔离芯片，所述第二微控制器单元选通高耐压光耦隔离电路的隔离光耦间隔采集母线电压与电池组电压，经过滤波电路、差分放大电路、跟随电路、adc电路、数字隔离芯片信号处理后，第二微控制器单元通过比较母线电压与电池组电压，判断电池组母线是否脱离。
28.优选的，所述内阻采集单元为闭环反馈式恒流电路，通过在蓄电池放电时采集电池电压下降到最低点电压vmin，以及放电结束后蓄电池电压恢复的拐点电压v，得到蓄电池电压变化值δu＝v
‑
vmin，然后计算出内阻值r＝δu/i。
29.优选的，所述单体蓄电池采集模块采用采集线与电池并接。
30.优选的，所述蓄电池组信息显示模块内设置所述电池组监测数据、单电池监测数据的超限阈值，当所述电池组监测数据、单电池监测数据超过阈值，蓄电池组信息显示模块告警，同时蓄电池组信息显示模块保存告警信息。
31.本申请的有益效果：
32.1、单体蓄电池采集模块与单体蓄电池采集模块之间的通讯连接、数据传送以手拉手的方式，将整组所有单模块串联，整组首尾两个单模块通讯接入电池组管理模块，形成环路通讯方式，这样可以有效避免某各模块故障或通讯线断开，不影响整组数据传输显示，使得对蓄电池的在线监测可靠、稳定。
33.2、本申请的蓄电池单体采集模块采用四线制内阻测试方式，排除了一线制采集时电池间连接导线产生的“过桥电压”对测量数据的影响，具有安装方便，接线简单，数据采集精度高，采集数据速度快，性能稳定的优点。
34.3、本申请的蓄电池单体采集模块使用采集线与电池并接，避免线长引起的测量误差；同时，采集模块与蓄电池之间通过导线并联安装，不对主回路产生影响，接口具有保护，确保设备不影响电池安装简单、维护方便；单个模块损坏或更换不影响整组使用。
35.4、本申请具有单体蓄电池电压、温度、内阻，蓄电池组端电压，充放电电流，环境温度，电池组母线脱离等监测功能，参数异常时告警，数据采集快速准确，功能多样，保障了蓄电池可靠稳定运行。
附图说明
36.构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
37.图1是根据本申请实施例提供的蓄电池单体在线监测系统原理框图；
38.图2是根据本申请实施例提供的第一微控制器单元电路原理图；
39.图3是根据本申请实施例提供的内阻采集单元电路原理图；
40.图4是根据本申请实施例提供的电压采集单元电路原理图；
41.图5是根据本申请实施例提供的模块地址设置单元电路原理图；
42.图6是根据本申请实施例提供的模块通讯单元电路原理图；
43.图7是根据本申请实施例提供的蓄电池组管理模块原理框图；
44.图8是根据本申请实施例提供的电池组充放电电流采集单元电路原理图；
45.图9是根据本申请实施例提供的无源干接点单元电路原理图；
46.图10是根据本申请实施例提供的第二微控制器单元电路原理图；
47.图11是根据本申请实施例提供组端电压采集单元和电池组脱离母线检测单元的高耐压光耦隔离电路电路原理图；
48.图12是根据本申请实施例提供的组端电压采集单元和电池组脱离母线检测单元的滤波电路、差分放大电路、跟随电路电路原理图；
49.图13是根据本申请实施例提供的组端电压采集单元和电池组脱离母线检测单元的adc电路电路原理图；
50.图14是根据本申请实施例提供的组端电压采集单元和电池组脱离母线检测单元的数字隔离芯片电路原理图；
51.图15是根据本申请实施例提供的单体蓄电池监测系统结构示意图。
具体实施方式
52.为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
53.需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
54.在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
55.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
56.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
57.需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
58.如图1所示，本申请提供了一种蓄电池单体在线监测系统，包括：
59.蓄电池组信息显示模块、多个单体蓄电池采集模块和多个蓄电池组管理模块，多个单体蓄电池采集模块之间依次通讯连接，且多个单体蓄电池采集模块的首尾两个单体蓄电池采集模块通讯接入蓄电池组管理模块，多个蓄电池组管理模块和蓄电池组信息显示模块通讯连接，其中：
60.单体蓄电池采集模块，用于采集单个蓄电池的至少电压、内阻和温度的单电池监测数据，并将单电池监测数据发送给蓄电池组管理模块；
61.蓄电池组管理模块，用于采集至少电池组充放电电流、电池组组端电压、电池组母线电压、电池组环境温度的电池组监测数据以及单电池监测数据，并将电池组监测数据以及单电池监测数据发送给蓄电池组信息显示模块；
62.蓄电池组信息显示模块，用于显示所有电池组监测数据信息。
63.在本实施例中，每台蓄电池组信息显示模块可显示4组电池组数据，每组电池组对应一个蓄电池组管理模块，一个蓄电池组管理模块最多可监测256节电池数据，即可接入256个单体蓄电池采集模块。如图15所示，为本申请的单体蓄电池监测系统结构示意图，其中：1.蓄电池组信息显示模块；2.电池组管理模块3.单体电池采集模块；4霍尔电流传感器；5蓄电池；6电脑或后台软件。
64.在本实施例中，多个单体蓄电池采集模块之间，单体蓄电池采集模块与蓄电池组
管理模块之间，以及蓄电池组管理模块和蓄电池组信息显示模块之间均通过rs485通讯连接。
65.在本实施例中，单体蓄电池采集模块包括电压采集单元、温度采集单元、内阻采集单元、模块地址设置单元、模块通讯单元以及第一微控制器单元，电压采集单元、温度采集单元、内阻采集单元、模块地址设置单元、模块通讯单元均与第一微控制器单元相连接，其中：
66.电压采集单元采用基于运算放大器的电压放大电路采集电池电压，电压放大电路通过adc芯片连接第一微控制器单元；如图2所示，本实施例中，电压采集单元选用18位adc芯片ads1110，通过iic与主芯片mcu数据通讯，将采集的电压值由主芯片数据处理传送；且电压采集选用四线制方式，电压采集线基本无电流流过，使采集的电压值更精准，电压采集电路如图4所示；
67.温度采集单元采用ntc温度传感器，内部设计高精度基准电压，通过电压分压方式实时采集ntc传感器的电压值，根据程序算法计算出ntc电阻值，根据ntc的r
‑
t表为依据，使用查表法，计算出精准的温度值；ntc传感器紧贴在采集线负极ot端子，由于ot端子接在电池负极，电池内部温度和机主温度非常接近，采集到的温度值真实反应电池内部温度变化。
68.内阻采集单元为内阻采集单元为闭环反馈式恒流电路，通过在蓄电池放电时采集电池电压下降到最低点电压vmin，以及放电结束后蓄电池电压恢复的拐点电压v，得到蓄电池电压变化值δu＝v
‑
vmin，然后计算出内阻值r＝δu/i。本实施例内阻采集单元的恒流电路如图3所示，q3为防反接器件，防止供电电压线正负极接反，导致模块损坏。内阻测试于场效应管的恒流源电路，电流经过采样电阻r14转换为采样电压。采样电压经运放u5b反向放大后作为反馈电压vf送入运放u5a的反相端，与基准电压vref进行比较，对栅极电压进行调整，从而对输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态平衡中，以达到稳定输出电流的目的。如果输出电流增大，则采样电阻上的采样电压随之增大，反馈电压vf也增大，运放u5a反相端电压增大，而运放u5a同相端的基准电压vref不变，因此运放u5a的输出电压降低，场效应管q1栅极电压下降从而使输出电流下降，因此，恒流电路前后形成负反馈，使输出电流保持稳定。本实施例中，设计的恒流电流为4a左右，通过在蓄电池放电时采集电池电压下降到最低点电压vmin，以及放电结束后蓄电池电压恢复的拐点电压v，得到蓄电池电压变化值δu＝v
‑
vmin，然后计算出内阻值r＝δu/i。且内阻测试采用四线制方法，设计方案中采用了软硬滤波的措施，可有效滤除充电机对内阻测试的影响，保证蓄电池内阻测试的准确性、一致性和重复性。
69.模块地址设置单元为拨码开关，每个单体采集模块有一个地址设置拨码开关，采用二进制方式设置模块的通讯地址，其电路如图5所示，此拨码开关一共有8位；
70.模块通讯单元为一路rs485通讯芯片两个并联出口，使得单体蓄电池采集模块的模块与模块之间通讯、数据传送，以手拉手的方式，将整组所有单模块串联；整组首尾两个单模块通讯接入电池组管理模块，形成环路通讯方式，这样可以有效避免某个模块故障或通讯线断开，不影响整组数据传输显示，模块通讯单元其电路如图6所示。
71.第一微控制器单元为单片机处理器，如图2所示，本实施例的单片机型号为stm32f103c8t6，图2中sp706r为看门狗芯片，防止程序跑飞。
72.如图7所示，蓄电池组管理模块包括第二微控制器单元(mcu)和与第二微控制器单
元电连接的无源干接点单元(4路do)、地址设置单元(拨码)、rs485通讯单元、环境温度采集单元、电池组充放电电流采集单元、组端电压采集单元、电池组脱离母线检测单元，其中：
73.第二微控制器单元为单片机处理器，如图10所示，采用单片机stm32f103rct6；
74.地址设置单元为四位拨码开关，以二进制的技术方式设置管理模块的通讯地址；
75.无源干接点单元包括多组继电器控制电路，继电器控制电路包括依次连接的光电耦合器、驱动三极管和继电器，本实施例中，其电路如图9所示；无源干接点单元，无源干接点主要功能是设备产生告警信息时，继电器吸合，发送一个信号给后台，使工作人员快速知道电池组状态，及时处理问题。结合图9、10可知，当单片机的td
‑
do1、td
‑
do2、td
‑
do3或td
‑
do4引脚输出低电平控制信号，光电耦合器u14、u15、u26或u27工作，工作的光电耦合器输出端接通输出低电平，与光电耦合器输出端连接的pnp三极管导通，pnp三极管发射极的24电压输出到继电器，继电器吸合，发送一个信号给后台。如图9所示，本实施例的无源干接点单元包括四路无源干接点电路，分别为电压、温度、内阻、其他告警无源干接点电路。
76.rs485通讯单元有三个，分为两个单体采集模块通讯单元和一个显示屏主机通讯单元；此单元分为与单体采集模块通讯口和与显示屏主机通讯口，单模块通讯口设计两个，使整组模块通讯形成环路，数据发送更快更可靠；显示屏通讯接口为显示屏通讯，将管理模块采集的数据与单模块的数据传送给主机显示，以及接收主机的控制命令。
77.环境温度采集单元为ntc温度传感器；内部设计高精度基准电压，通过电压分压方式实时采集ntc传感器的电压值，根据程序算法计算出ntc电阻值，根据ntc的r
‑
t表为依据，使用查表法，计算出精准的温度值，且环境温度设计采集两路，检测出更准确的环境温度；
78.电池组充放电电流采集单元为包括依次连接的霍尔电流传感器、电感器滤波电路、差分放大电路、电压跟随电路；其电路如图8所示，霍尔电流传感器电压信号h
‑
vout经过电容滤波，经过差分放大、电压跟随电路，将电压信号采集到单片机内处理，精准的采集到电池组充放电电流值。
79.组端电压采集单元和电池组脱离母线检测单元采用高耐压光耦隔离电路实时采集电池组端电压以及电池组母线电压，采用高耐压光耦隔离方式实时采集电池组端电压以及电池组母线电压，保证电池组的干扰不进入模块内部。高耐压光耦隔离电路输出端后依次连接有滤波电路、差分放大电路、跟随电路、adc电路、数字隔离芯片，第二微控制器单元选通高耐压光耦隔离电路的隔离光耦间隔采集母线电压与电池组电压，经过滤波电路、差分放大电路、跟随电路、adc电路、数字隔离芯片信号处理后，第二微控制器单元通过比较母线电压与电池组电压，判断电池组母线是否脱离。
80.如图11所示，通过mcu的v
‑
chose1、v
‑
chose2、v
‑
chose3、v
‑
chose4控制切换光耦开通通道，m+、m
‑
或z+、z
‑
同时导通进入图12所示的滤波电路、差分放大电路、跟随电路，然后进入图13所示的24位高精度adc芯片ads1232ipw，adc芯片ads1232ipw与mcu通过图14所示的spi数字隔离芯片iso7241c进行通讯，分别采集电池组电压z+、z
‑
，以及母线电压m+、m
‑
；mcu将电池组电压z+、z
‑
与母线电压m+、m
‑
进行对比计算，得出压差值；理论母线电压与电池组电压压差非常小，可以看作相等。考虑线压降以及阻抗的因素，设置压差阀值为2v；如果采集的母线电压与电池组电压压差值大于2v，判断电池组母线脱离，产生告警。
81.本实施例中，蓄电池组信息显示模块最多可显示4组电池数据信息，即蓄电池组管理模块与蓄电池组信息显示模块通过rs485通讯，由显示模块显示电池组管理模块和整组
单体采集模块数据。系统具有信号和声光告警功能，系统可设置超限阀值，监测到阀值超限时，显示主机可发出声音告警，蓄电池组管理模块可输出告警信号发送给客户，方便管理人员及时对系统进行检查，保证电池组的安全稳定，同时显示模块可保存告警的记录，最多保存5000条，可记录具体告警时间以及告警恢复时间，方便管理人员进行查看处理。
82.在一具体应用中，本申请的单体蓄电池采集模块使用30cm采集线与电池并接，避免线长引起的测量误差。单体蓄电池采集模块安装时，采集线的红线接在电池的正极柱位置，采集线的黑线接在电池的负极，另一端的3.81mm间距6p端子接入单体采集模块采集口，调整模块的地址拨码开关，拨到相对应的电池编号地址；模块的另一端为通讯口，通讯口采用rs485方式，3.81mm间距的4p端子为并联rs485口，3.81mm间距2p端子为rs485的dc5v供电口，通讯口采用隔离通讯方式，每个电池的工作不影响其他采集模块的工作。第一个单体蓄电池采集模块的rs485口与蓄电池组管理模块的rs485
‑
2口连接，且通讯口的dc5v电源由蓄电池组管理模块提供，接到第一个采集模块的dc5v电源口，第一个单体蓄电池采集模块的并联rs485口与第二个采集模块的rs485连接，通讯电源并联到第二个采集模块的通讯供电口；依次按照以上“手拉手方式”链接；最后一个单体蓄电池采集模块的rs485接到蓄电池组管理模块的rs485
‑
3口。同时，单体蓄电池采集模块设计有运行故障指示灯，正常运行绿色灯1s间隔闪烁一次；模块故障时红色故障灯1s闪烁一次，用于告警显示。
83.在一具体应用中，蓄电池组管理模块具有组端电压采集、母线电压脱离监测、电池组充放电电流采集、2路环境温度采集、告警干接点输出、rs485通讯等功能。模块采用金属外壳，黑色两边带有安装挂耳。模块组端电压采集和母线电压采集，采用光耦隔离方法，将电池组电压通过光耦进入adc采集电路，24位adc高精度采集电压值，光耦隔离防止电池组信号干扰设备，内部设置脱离母线电压阀值，超过阀值系统判定母线脱离。霍尔电流传感器电压信号经过电感器滤波，经过差分放大、电压跟随电路，将电压信号采集到单片机内处理，精准的采集到电池组充放电电流值。环境温度采集电路采用高精度基准电压，电路分压方式，采集ntc两端电压，将采集电压值采集到单片机，单片机通过查表法，精准计算尺环境温度值。告警干接点设计四路无源干接点，分别为电压、温度、内阻、其他告警，不同告警信息不同的干接点输出告警信号，可快速发现问题定位问题。rs485通讯口设计3路，其中两路用于与单模块通讯，形成环路通讯方式，第3路为与显示屏或后台显示通讯，将但模块的数据与自身采集到的数据传给显示屏或后台显示软件。
84.以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。