一种智能UPS电池管理及健康状态监测系统的制作方法

本实用新型属于电池管理技术领域，尤其涉及一种智能UPS电池管理及健康状态监测系统。

背景技术：

随着信息化社会的深入和发展，UPS(不间断电源)广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节，包括邮政、电信、移动、金融证券、医院、电力、军队、石化、工矿企业及各大院校等多个领域，其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的，

正常情况下工作的UPS，其电池寿命大约在5年左右，但实际情况是目前国内有相当部分的UPS蓄电池再投入使用后不到1年就开始出现问题，除了某些品牌电池产品存在先天的缺陷外，最重要的原因是缺乏必须的维护管理，不清楚UPS蓄电池的健康状态所导致的。因此，设计一个专门针对UPS的智能电池管理及健康状态监测系统，管理维护以及监测电池的健康状态，保障UPS系统时刻处于稳定、安全、可靠的工作状态，具有重要的工程价值和科学意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种智能UPS电池管理及健康状态监测系统，为UPS电池组提供一个智能、安全可靠的管理及健康状态监测系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种智能UPS电池管理及健康状态监测系统，包括UPS电池组、电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块、内阻测量模块、控制器、数据显示模块、温度控制模块和上位机管理平台；

电压测量模块用以实现对UPS电池组及其各单体电池的电压的测量；电压测量模块的输入端分别连接至UPS电池组的输出端和UPS电池组的各单体电池的输出端，电压测量模块的输出端连接至控制器的信号输入端；

电流测量模块用以对UPS电池组回路的电流信号进行采集；电流测量模块的输入端连接到UPS电池组的输出端，电流测量模块的输出端连接到控制器的信号输入端；

温度测量模块用以实现UPS电池组的各单体电池的温度测量；温度测量模块的温度传感器分别安装于UPS电池组的各单体电池的表面，温度测量模块的输出端连接至控制器的信号输入端；

内阻测量模块用以实现UPS电池组的各单体电池的内阻在线测量；内阻测量模块的输入端分别连接到UPS电池组的各单体电池的输出端，内阻测量模块的输出端连接至控制器的信号输入端；

数据显示模块连接于控制器的显示输出端，用以实时显示UPS电池组总电压电流、UPS电池组的各单体电池的电压以及UPS电池组的各单体电池的内阻状态；

温度控制模块连接于控制器的温度控制输出端，用以实现对UPS电池组温度的控制；

控制器与上位机管理平台进行通讯连接，控制器具有故障报警模块，上位机管理平台具有用以实现报表打印功能和实时显示功能的人机交互界面，上位管理平台还具有另一故障报警模块。

所述电压测量模块包括依次连接的电阻分压模块、第一隔离放大器、第一滤波电路和第一A/D转换电路。

所述电流测量模块包括依次连接的电流传感器、第二隔离放大器、第二滤波电路和第二A/D转换电路。

所述内阻测量模块包括交流恒流电源、采样电阻、放大及滤波电路、锁相放大电路、低通滤波电路、放大电路和第三A/D转换电路；

所述交流恒流电源的输出端分别连接至所述采样电阻和所述UPS电池组，所述交流恒流电源用以为所述UPS电池组施加一个固定频率和固定电流的信号，此信号分为两路，一路通过所述采样电阻给所述锁相放大电路提供参考信号，另一路给所述UPS电池组注入交流信号，并从所述UPS电池组的两端取出信号传输到所述锁相放大电路的输入端；

所述放大及滤波电路的输入端连接于所述UPS电池组的输出端，所述放大及滤波电路的输出端依次连接所述锁相放大电路、所述低通滤波电路、所述放大电路和所述第三A/D转换电路。

所述控制器采用ARM/DSP高性能处理器设计最小系统。

所述温度控制模块包括依次连接的光耦隔离电路、MOS管开关电路和散热风扇。

所述上位机管理平台采用RS232或RS485通讯方式与所述控制器进行通讯。

采用上述方案后，本实用新型的一种智能UPS电池管理及健康状态监测系统，对UPS电池组进行全面有效的管理及健康状态检测，不仅包括对电池组总电压、各单体电池电压、电流、各单体电池温度及内阻的测量，还具备现场显示、上位机双重状态显示，上位机管理、双重报警等功能，有效地解决了目前UPS电池维护困难、无法实时监测、不能准确判断其状态性能的难题，为UPS电池组提供一个智能、安全可靠的管理及健康状态检测系统，保障UPS系统时刻处于稳定、安全、可靠的工作状态，具有极大的推广价值和意义。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图；

图2是本实用新型的电压测量模块的原理框图；

图3是本实用新型的电流测量模块的原理框图；

图4是本实用新型的内阻测量模块的原理框图；

图5是本实用新型的温度控制模块原理框图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一种智能UPS电池管理及健康状态监测系统的具体实施方式作详细描述。

如图1所示，一种智能UPS电池管理及健康状态监测系统，包括UPS电池组100、电压测量模块200、电流测量模块300、温度测量模块400、内阻测量模块500、控制器600、数据显示模块700、温度控制模块800和上位机管理平台900。

UPS电池组100分别连接到电压测量模块200、电流测量模块300、温度测量模块400、内阻测量模块500的输入端，通过此四个模块可以得到UPS电池组100基本的状态信息。电池组是UPS的能量的来源，目前一般采用密封式阀控铅酸蓄电池，电池组的直流电通过UPS逆变成交流电供给交流用电设备使用。

电压测量模块200用以实现对UPS电池组100及其各单体电池的电压的测量；电压测量模块200的输入端分别连接至UPS电池组100的输出端和UPS电池组100的各单体电池的输出端，电压测量模块200的输出端连接至控制器600的信号输入端。

如图2所示，电压测量模块200包括依次连接的电阻分压模块21、第一隔离放大器22、第一滤波电路23和第一A/D转换电路24。电压测量模块200采用电阻分压模块21以高精度电阻分压的方式对UPS电池组100的总电压及UPS电池组100的各单体电池的电压进行采集，并依次经过第一隔离放大器22、第一滤波电路23和第一A/D转换电路24进行调理后把电压信号输入到控制器600的信号输入端。

电阻分压模块21采用高精度电阻R1和电阻R2、R3构成分压电路，电阻精度达到0.05％，可根据实际需要调整相应的电阻值，实现对UPS电池组100及其各电池单体电压的采集。

第一隔离放大器22采用TI公司的隔离差动放大芯片AMC1301，最大增益误差为±0.3％，并且具有超低非线性度(0.03％)和温漂(1ppm/℃)，可靠地实现采集信号放大的作用。

第一滤波电路23采用RC低通滤波设计，通过选取合适的电阻和电容值，对采集到的信号进行滤波处理，达到消除干扰信号的目的。

第一A/D转换电路采用TI公司12位转换位数的模拟数字转换芯片ADS1018，包含4个通道、高达3300次采样/秒(SPS)的数据转换速率，并且具有低功耗、宽温度范围等优点，确保了模拟信号转换成数字信号的准确度和实时性。

电流测量模块300用以对UPS电池组100回路的电流信号进行采集；电流测量模块300的输入端连接到UPS电池组100的输出端，电流测量模块300的输出端连接到控制器600的信号输入端。

如图3所示，电流测量模块300包括依次连接的电流传感器31、第二隔离放大器32、第二滤波电路33和第二A/D转换电路34。

电流传感器31采用高精度霍尔电流传感器，通过电流传感器31采集UPS电池组100中的电流信号对应的电压信号，并将该信号依次通过第二隔离放大器32、第二滤波电路33和第二A/D转换电路34调理后输入到控制器600的信号输入端。

电流传感器31采用LEM公司的超高精度IN 2000-S传感器，系统对电流采样的精度要求很高，此款电流传感器精度可大道±0.005％，并且具有卓越的线性度，全温度范围内达3ppm，电流测量范围-2000A至+2000A，保证了在各种工况环境下电流采样的高精度。

第二隔离放大器32采用TI公司的隔离差动放大器AMC1304芯片，该芯片增益误差±0.2％，5V时最大非线性误差为0.075％，低偏移误差最大值1.3μV/℃，具有超低非线性、低噪声、误差小等优点。

第二滤波电路33采用RC低通滤波设计，通过选取合适的电阻和电容值，对采集到的信号进行滤波处理，达到消除干扰信号的目的。

第二A/D转换电路采用具有16位分辨率的高精度ADC的TI ADS1115，能够以高达每秒860个采样数据(SPS)的速率执行转换操作，该PGA可提供从电源电压到低至±256mV的输入范围，因而使得能够以高分辨率来测量大信号和小信号，并且具有4个通道，保障了电流采样信号的高精度性要求。

温度测量模块400用以实现UPS电池组100的各单体电池的温度测量；温度测量模块400包括相连接的温度传感器和调理电路，温度传感器安装于UPS电池组100的各单体电池的表面，温度传感器的输出端连接到调理电路的输入端，调理电路的输出端连接至控制器600的信号输入端。

温度测量模块400的温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，测量范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。

内阻测量模块500用以实现UPS电池组100的各单体电池的内阻在线测量；内阻测量模块500的输入端分别连接到UPS电池组100的各单体电池的输出端，内阻测量模块500的输出端连接至控制器600的信号输入端。电池健康状态与内阻变化有一定的对应关系，电池在正常运行时，健康状态好的电池内阻会保持相对稳定，而当电池老化寿命即将终结前的一段时间，内阻会呈现快速上升的趋势，此时可判断出电池健康状态差，需要及时更换。

如图4所示，内阻测量模块500包括交流恒流电源51、采样电阻52、放大及滤波电路53、锁相放大电路54、低通滤波电路55、放大电路56和第三A/D转换电路57。

交流恒流电源51的输出端分别连接至采样电阻52和UPS电池组100，交流恒流电源51用以为UPS电池组100施加一个固定频率和固定电流的信号，此信号分为两路，一路通过采样电阻52给锁相放大电路54提供参考信号，另一路给UPS电池组100注入交流信号，并从UPS电池组100的两端取出信号传输到锁相放大电路54的输入端，降低了导线阻抗对电池内阻测量的影响；

放大及滤波电路53的输入端连接于UPS电池组100的输出端，放大及滤波电路53的输出端依次连接锁相放大电路54、低通滤波电路55、放大电路56和第三A/D转换电路57。

采样电阻52采用高精度低温漂电阻，精度达到0.05％，保证了采样信号的准确度；

放大及滤波电路53采用高性能隔离放大器及低通滤波电路，使得取出的UPS电池组100的信号经过放大、滤波处理后，输入到锁相放大电路54。

锁相放大电路54是用来完成被测信号和参考信号相乘的功能，采用线性好、动态范围大、电路简单的开关式乘法器。

低通滤波电路55采用RC低通滤波设计，通过选取合适的电阻和电容值，对采集到的信号进行滤波处理，达到消除干扰信号的目的。

放大电路56采用TI公司的低噪声、低静态电路、高精度运算放大器OPA4376设计，拥有出色的直流精度和交流性能，低偏移(最大值为25μV)、低噪声950μA的静态电流(最大值)和5.5MHz带宽，保证了经过放大电路后信号的实时性和准确性。

第三A/D转换电路57与第二A/D转换电路34相同，采用TI公司的16ADC芯片ADS1115设计，保障了采样信号的高精度性、高实时性的要求。

控制器600采用ARM/DSP高性能处理器设计最小系统，对前述各测量模块传输的数据进行处理分析，具体地，可根据电池组剩余电量与电池组及各单体电池端电压的关系，判断出电池组的剩余电量；利用电池组健康状态与电池组及各单体电池内阻的关系，判断出电池组的健康状态，并实现关键数据实时显示、温度控制和故障报警等功能。本实用新型中，控制器600采用公知的控制器，其对前述各测量模块传输的数据进行处理分析也是采用公知的技术。

控制器600的故障报警功能是所设计的UPS电池组故障第一重报警功能，当控制器600通过处理分析各测量数据得到电池组出现故障这一结论时，控制器600的故障报警模块(GSM模块)将报警信息通过短信/电话方式进行报警，使工作人员可以及时的得到故障信息并进行维修。

数据显示模块700连接于控制器600的显示输出端。数据显示模块700用以实时显示UPS电池组100总电压电流、UPS电池组100的各单体电池的电压以及UPS电池组100的各单体电池的内阻状态；工作人员可在现场实时看到UPS电池组100的工作状态信息。作为一个较佳的选择，所选显示屏为群创7寸高清LCD显示屏，宽高比为16:19，可更直观的进行现场电池组状态观测。

如图5所示，温度控制模块800包括依次连接的光耦隔离电路81、MOS管开关电路82和散热风扇83，UPS电池组100位于散热风扇83的出风范围内。光耦隔离电路81的输入端连接控制器600的温度控制输出端。温度控制模块800可实现对UPS电池组100温度的控制，当UPS电池组100温度过高时，控制器600输出控制信号给光耦隔离电路81，开启MOS管开关电路82，最终控制散热风扇83启动对UPS电池组100进行散热处理，保障UPS电池组100工作在合适的温度下。

光耦隔离电路81采用东芝加强绝缘类轻薄通用晶体管耦合器TLP185设计，具有工作温度范围宽，隔离效果好等优点，有效的隔离了控制信号弱电端和风扇端的电源，使整个电路更加安全可靠。

MOS管开关电路82采用美国IR公司高性能HEXFET功率MOSFET IRFR120N设计，具有开关速度快、功耗低、驱动电路简单等优点，保证了控制散热风扇及时可靠的开通与关断。

散热风扇83采用24V、2.3A直流散热风扇，具有功率大、散热效果好，易于控制等优点，当UPS电池组100温度过高时，控制器600发出控制信号使散热风扇83开始工作，并可根据温度的高低调节散热风扇83的转速，以达到及时散热且不浪费能源的目的。

上位机管理平台900连接到控制器600的通讯端，采用RS232或RS485通讯方式与控制器600进行通讯，通过分析处理控制器600传输的数据，上位机管理平台900具有用以实现报表打印功能和实时显示功能的人机交互界面，上位管理平台900还具有另一故障报警模块。

所述实时显示功能是实时显示UPS电池组100的各种参数信息，包括电池组总电压显示、各单体电池电压显示、各单体电池温度显示、各单体电池内阻显示以及故障信息等，可以选择以数字或者曲线的方式显示以上各信息；

所述报表打印功能是指工作人员随时能用报表的形式随时导出UPS电池组100的各种参数信息，可以更加清楚直观地了解电池组的工作状态；

上位机管理平台900通过分析处理数据后得出UPS出现故障的警报，通过所述另一故障报警模块用邮件的方式通知工作人员故障信息，与控制器600的故障报警联合双重报警，使工作人员更加及时有效地对电池组进行故障处理。

以上所述实施例对本实用新型的实施方式做了进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，而且性质或用途相同，这些都属于实用新型专利的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。