一种电梯应急抱闸蓄电池状态监测系统及方法与流程

本发明涉及电梯维保检测设备，具体为一种电梯应急抱闸蓄电池状态监测系统及方法。

背景技术：

1、电梯应急抱闸蓄电池是电梯断电后实现手动松闸救援的核心供电部件，抱闸充电电路的输出性能与蓄电池的健康状态直接决定应急工况下抱闸系统的可靠性，因此电梯维保规程要求定期对上述部件进行检测，以保障电梯运行安全。

2、现有同类检测设备虽具备基础的电压测量功能，但其负载模拟部分多采用固定阻值的功率电阻作为负载，无法根据被测充电板与电池的规格调整负载特性，难以精准复现铅酸蓄电池在充电过程中的真实伏安特性，导致充电板带载测试结果与实际工作状态存在偏差，无法准确判定充电板的带载输出能力。同时，现有设备的检测回路与主控电路多采用共地设计，被测电梯侧的电气干扰易通过地线串入主控系统影响检测精度，且设备通常仅支持单一供电方式，难以适配电梯井道内无外接市电的维保作业场景，限制了设备的现场适用范围。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电梯应急抱闸蓄电池状态监测系统及方法，通过程控闭环电子负载精准模拟蓄电池工况提升充电测试准确性，通过电气隔离设计增强抗干扰能力与操作安全性，同时采用双路供电与多功能集成的架构适配现场维保需求，实现抱闸充电电路与后备电池性能的高效、可靠检测。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电梯应急抱闸蓄电池状态监测系统，包括双路供电单元、隔离电源单元、dac程控给定单元、闭环电子负载主回路、内阻检测模块、通断检测单元、信号采样单元、主控mcu以及显示终端；所述双路供电单元接入外部供电或外置电池组，经稳压处理后为系统各单元提供工作电源；所述隔离电源单元输入端连接双路供电单元的输出端，输出端为通断检测单元提供隔离供电，实现被测回路与主控mcu之间的电气隔离；所述dac程控给定单元与主控mcu通信连接，接收主控mcu的数字控制信号并转换为模拟设定信号，分别输出恒压设定信号与恒流设定信号至闭环电子负载主回路；所述闭环电子负载主回路基于运算放大器与功率开关管构成闭环恒压恒流电子负载，用于模拟铅酸蓄电池的工作特性，使被测抱闸充电板工作于带载充电状态；所述内阻检测模块采用开尔文四线测试架构，独立区分激励电流回路与电压采样回路，用于采集蓄电池的等效串联内阻；所述通断检测单元接入被测接线回路，用于检测接线连通状态并输出提示信号；所述信号采样单元分别采集闭环电子负载主回路的电压、电流信号以及内阻检测模块、通断检测单元的输出信号，并将采样数据传输至主控mcu；所述主控mcu分别与dac程控给定单元、信号采样单元、显示终端电性连接，用于输出控制指令、运算处理采样数据并将检测结果输出至显示终端。

3、上述系统整体采用模块化集成设计，将充电板带载测试、电池内阻检测、接线通断校验三类功能整合于同一便携式设备中，替代传统多台设备分别检测的作业模式，减少现场维保的设备携带量与接线次数。其中双路供电单元为整机提供适配现场多种工况的供电能力，隔离电源单元构建独立的被测侧电源域以实现电气安全与抗干扰，dac程控给定单元与闭环电子负载主回路共同构成可灵活配置的电池模拟核心，实现对不同规格铅酸蓄电池充电特性的精准复现，内阻检测模块基于四线法原理保障内阻测量精度，通断检测单元用于接线前的连通性校验，信号采样单元完成所有模拟量的采集与数字化转换，主控mcu作为控制核心执行逻辑运算与状态管控，显示终端实现人机交互与结果展示，各单元协同工作完成全套检测流程。

4、进一步地，所述双路供电单元包含type-c输入接口、宽压直流输入接口以及两级dcdc稳压电路，两路输入接口二选一接入电源，内部串联防反接二极管与并联浪涌钳位器件构成输入保护，后级采用降压型dcdc输出数字侧供电电压、升压型dcdc输出模拟功率侧供电电压的两级稳压拓扑，分别为主控mcu、显示终端与运放、功率回路提供匹配的工作电压。

5、两路输入接口通过内部电源或门电路实现自动切换，无需人工选择供电通路，当其中一路接入有效电源时，另一路自动处于断开状态，避免两路电源反向串接造成损坏。输入端串联的防反接二极管采用肖特基器件，在电源正负极接反时阻断电流通路，保护后级电路不受反向电压冲击；并联的浪涌钳位器件采用瞬态抑制二极管，可将输入端的瞬时高压脉冲钳位至安全电压范围，抑制现场接线过程中可能出现的静电、浪涌干扰。后级两级dcdc电路中，第一级降压型dcdc将宽范围的输入电压稳定至数字电路标准供电电压，为主控mcu、显示终端、通信接口等数字器件供电，该路输出纹波小、噪声低，保障数字电路运行稳定；第二级升压型dcdc将数字侧电压升压至模拟功率回路所需的供电电压，为运算放大器、电子负载驱动电路、检测模拟电路供电，该路具备足够的电流输出能力，满足功率回路的动态功耗需求。两级独立稳压的拓扑结构将数字电源与模拟电源分离，可有效抑制功率回路的电流波动对数字控制电路的干扰，提升系统整体的电磁兼容性能。外置电池组可通过直流输入接口接入设备，电池组内置充放电管理芯片，具备负载检测功能，当设备处于待机状态且无负载电流时，电池组自动进入低功耗休眠模式，降低自身电量消耗，延长设备待机时间。

6、进一步地，所述隔离电源单元采用磁隔离电源模块，隔离耐压不低于1500v，其输出侧供电地与主控mcu的系统地无电气连接，通断检测单元的供电回路与信号采集回路均完整运行于隔离侧电源域，通断状态信号经光电耦合器件实现跨域传输，彻底阻断被测回路与主控系统之间的电气传导路径。

7、磁隔离电源模块基于变压器磁耦合原理实现能量的隔离传输，输入侧取自双路供电单元的数字侧电源，输出侧生成独立的隔离电源与隔离地，隔离地与系统主地之间无任何导体连接，可承受上千伏的耐压等级。通断检测单元的所有有源器件均由隔离侧电源供电，其检测回路直接连接被测电梯的接线端子，被测侧的电气干扰、电压波动均被限制在隔离电源域内，无法通过地线传导至主控mcu所在的主电源域，从根源上抑制共模干扰对检测精度的影响。同时，电气隔离结构可避免被测侧的异常高压窜入主控端电路，防止操作人员接触设备外壳时发生触电风险，提升现场作业的电气安全等级。通断检测的状态信号通过光电耦合器件进行传输，光耦内部通过光信号实现电-光-电的转换，输入侧与输出侧无电气连接，在传递电平信号的同时维持两侧的隔离特性，保障隔离屏障的完整性。

8、进一步地，所述dac程控给定单元包含至少两片i2c接口的12位数模转换芯片，两片数模转换芯片分别对应恒压控制点与恒流控制点，主控mcu通过i2c总线写入不同数字量以连续调整输出模拟电压，实现电子负载工作参数的无级程控调节。

9、数模转换芯片采用i2c串行通信接口，仅需两根信号线即可完成与主控mcu的通信连接，节省主控io端口资源。12位的分辨率可将输出电压范围划分为四千余个量化等级，实现模拟输出电压的精细调节，保障电子负载参数的设置精度。两片dac芯片相互独立，其中一片专门用于输出恒压模式的设定电压，对应电子负载的电压闭环参考值；另一片专门用于输出恒流模式的设定电压，对应电子负载的电流闭环参考值。主控mcu根据用户在显示终端选定的测试参数，计算出对应的数字量数值，通过i2c总线写入dac芯片的寄存器中，dac芯片将数字量转换为对应的模拟电压输出至后续的误差放大电路。通过程控方式调整设定值，可快速切换电子负载的工作参数，适配不同电压等级、不同电流规格的抱闸充电板与蓄电池测试需求，无需手动调整电位器或更换电阻，提升参数设置的效率与准确性。dac芯片输出端配置有rc低通滤波网络，滤除数模转换过程中产生的阶梯纹波，输出平滑的直流设定电压，避免设定值波动造成电子负载输出震荡。

10、进一步地，所述闭环电子负载主回路包含n沟道功率mos管、四通道运算放大器与功率采样电阻，四通道运算放大器中的第一通道构成使能控制支路，第二通道构成电压闭环误差放大支路，第三与第四通道共同构成电流闭环误差放大支路，电压闭环支路将采样电压与恒压设定值进行误差放大后输出至功率管栅极，电流闭环支路将采样电阻的电流采样信号与恒流设定值进行误差放大后输出至功率管栅极，两个闭环支路共同限制功率管的导通状态，自动维持恒压或恒流工作模式。

11、功率mos管作为功率消耗器件，工作于线性放大区，通过改变漏源极之间的导通电阻来调节流过的电流大小，从而实现对被测充电板的负载拉载效果。四通道运算放大器为通用型四运放器件，四个独立运放单元分别承担不同的控制功能，其中第一通道构成使能控制支路，接收主控mcu输出的使能电平信号，当使能信号无效时，可强制拉低功率管栅极电压，使功率管完全关断，切断电子负载的功率输出，实现远程可控的开关功能。电压闭环支路采用负反馈放大结构，同相输入端接入dac输出的恒压设定值，反相输入端接入电子负载输入端的电压采样信号，运放将两个输入信号的差值进行放大后输出至功率管栅极；当输入电压高于设定值时，误差信号驱动功率管增大导通程度，拉低输入电压，反之则减小导通程度，最终使输入电压稳定在设定值附近，实现恒压控制模式。电流闭环支路同样采用负反馈结构，采样电阻串联在功率mos管的源极回路中，流过功率管的电流在采样电阻上产生正比于电流的电压降，该电压信号送入电流误差放大器的反相端，dac输出的恒流设定值接入同相端，运放将差值放大后控制功率管栅极；当负载电流高于设定值时，误差信号驱动功率管减小导通程度，降低回路电流，反之则增大导通程度，最终使回路电流稳定在设定值附近，实现恒流控制模式。电压闭环与电流闭环同时作用于功率管栅极，两个闭环中先达到设定值的一方获得控制权，使电子负载自动工作于恒压或恒流状态，完整模拟铅酸蓄电池在充电过程中的伏安特性，让被测充电板处于与真实电池连接时完全一致的工作状态，保障带载测试结果的真实性。功率mos管的漏极回路串联有续流二极管，用于吸收关断瞬间的感性尖峰，保护功率管不受过压冲击。

12、进一步地，所述内阻检测模块为四线交流内阻检测模块，包含低频交流激励源与高阻抗差分采样端，激励电流回路通过独立测试导线向蓄电池极柱注入恒定幅值的低频交流信号，电压采样回路通过另一组独立导线直接采集蓄电池极柱两端的交流电压分量，两条回路在物理路径上相互分离，采样端输入阻抗远大于电池内阻与接触电阻之和，以消除测试导线电阻与夹子接触电阻对测量结果的影响。

13、交流内阻检测基于蓄电池的等效串联内阻模型，向电池注入恒定幅值的低频交流电流，电池的等效内阻会在电流作用下产生对应的交流电压压降，通过测量该交流电压的幅值，结合欧姆定律即可计算出电池的内阻值。采用低频交流信号可避免电池容抗对测量结果的影响，使测量值更接近电池的直流内阻特性。开尔文四线测试架构将电流激励与电压采样分为两条独立的回路，激励电流回路承载全部测试电流，该回路上的导线电阻与夹子接触电阻会产生压降，但该压降全部作用于激励回路，不会进入电压采样端；电压采样回路仅负责采集电池极柱两端的电压信号，由于采样端输入阻抗极高，采样回路上几乎没有电流流过，因此导线上的电阻与接触电阻不会产生压降，采样得到的电压完全是电池内阻产生的压降，从而彻底剔除了测试引线电阻与接触电阻的测量误差，实现毫欧级内阻的精准测量。内阻检测模块配套专用的开尔文测试夹，测试夹上包含两对独立的触点，分别对应电流激励端与电压采样端，使用时两对触点同时接触电池的两个极柱，确保电流回路与电压回路在电池极柱处实现正确的四线连接。内阻检测模块将采集到的交流电压信号进行放大、整流、滤波处理后，转换为正比于内阻值的直流电压信号，送入信号采样单元进行模数转换，最终由主控mcu计算出具体的内阻值。

14、进一步地，所述通断检测单元包含两路独立的电压比较器、开关三极管与蜂鸣器，第一路电压比较器基于预设阈值判定回路导通状态，输出电平信号经开关三极管驱动蜂鸣器发出连通提示音，第二路电压比较器输出独立的校验电平信号，两路比较器的输出信号同时接入主控mcu的io端口，主控mcu通过比对两路信号的一致性确认通断检测结果的有效性，实现通断状态的双重校验。

15、通断检测的检测回路串联在被测接线回路中，当接线可靠连通时，回路形成闭合通路，检测回路内产生电流并在采样电阻上形成电压信号；当接线断开或虚接时，回路电流消失，采样电压降至零值。两路电压比较器分别设置有独立的阈值电压，第一路比较器的阈值设置为导通判定阈值，当采样电压高于该阈值时，比较器输出翻转，由低电平变为高电平，该高电平信号驱动开关三极管导通，使蜂鸣器得电发出连续的提示音，直观告知操作人员接线已连通。第二路比较器设置有不同的校验阈值，输出独立的判定信号，两路信号同时送入主控mcu的io引脚进行采集。主控mcu在读取通断状态时，同时检测两路比较器的输出电平，只有当两路信号同时满足导通判定条件时，才确认回路处于可靠连通状态；若两路信号不一致，则判定检测回路存在异常或接线处于虚接状态，避免单路比较器故障导致的误判，提升通断检测的可靠性。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，工作于固定频率，发声清晰稳定，适合嘈杂的维保现场环境。

16、进一步地，所述系统还设置有多重保护单元，所述多重保护单元包含电源输入端的防反接与浪涌保护器件、各检测回路的限流保险丝，以及贴合于功率mos管表面的负温度系数热敏电阻，热敏电阻的阻值变化信号接入信号采样单元，主控mcu实时采集温度数据并与预设阈值比对，超过阈值时立即输出关断信号至电子负载使能端，切断功率输出；同时主控mcu基于电压、电流采样数据实现过压与过流的软件保护。

17、多重保护单元从硬件与软件两个层面构建完整的防护体系，保障设备自身与被测设备的安全。硬件层面，电源输入端的防反接二极管与浪涌抑制器件构成第一道防护，应对接线错误与浪涌冲击；充电测试输入回路与通断检测回路分别串联有限流保险丝，当回路出现过流或短路故障时，保险丝快速熔断切断回路，避免故障扩大损坏内部电路。功率mos管是整机的主要发热器件，其表面贴合的负温度系数热敏电阻可实时感知功率管的壳体温度，温度升高时热敏电阻阻值相应降低，信号采样单元采集该阻值变化并转换为温度数值。软件层面，主控mcu内部运行有保护中断程序，以固定周期采样电压、电流、温度三类参数，分别与预设的过压阈值、过流阈值、过热阈值进行比对；当任意一项参数超过对应阈值时，保护程序立即触发，优先于正常控制逻辑向电子负载使能端输出关断信号，快速切断功率输出，防止功率管过热烧毁或被测设备过压损坏。过热保护触发后，设备自动锁定电子负载输出，待温度降至安全范围后才可手动恢复，避免反复启停造成器件损伤。

18、进一步地，所述显示终端为触控显示模块，内置抱闸充电板测试与电池性能测试两种工作模式的交互界面，可根据主控mcu的运算结果实时展示充电电压、充电电流、电池端电压、电池内阻值以及电池健康状态等级，并支持参数设置与模式切换的触控操作。

19、显示终端采用彩色液晶显示屏搭配触控输入功能，替代传统的按键与数码管显示方案，界面信息展示更丰富，操作更直观。主界面提供两种测试模式的入口选项，用户点击对应图标即可进入相应的测试流程；充电测试模式下界面实时显示当前充电电压、充电电流等运行参数，电池测试模式下显示电池电压、内阻以及健康状态评估结果。设置界面可调整屏幕亮度、系统时间等辅助参数，适配不同的现场使用环境。显示终端通过串行通信接口与主控mcu连接，主控mcu定时向显示终端发送更新的检测数据，显示终端将用户的触控操作指令回传至主控mcu，实现双向交互。电池健康状态评估基于电压与内阻两个维度进行综合判定，主控mcu内部存储有对应规格蓄电池的内阻参考阈值，结合当前开路电压值，通过分级判定逻辑输出健康、预警、失效三类状态等级，为维保人员提供直观的电池性能参考。

20、一种电梯应急抱闸蓄电池状态监测方法，基于上述系统实现，包括如下步骤：

21、s1、设备上电初始化，主控mcu依次完成dac程控给定单元、运算放大器使能、信号采样单元校准、显示终端初始化以及内阻检测模块的自检流程；

22、s2、执行接线通断检测，通断检测单元实时采集被测接线回路的导通状态，回路可靠连通时触发声光提示，虚接或断开时不触发提示；

23、s3、接收用户通过显示终端输入的模式选择指令，进入抱闸充电板测试模式或电池性能测试模式；

24、s4、若进入抱闸充电板测试模式，主控mcu根据选定参数控制dac程控给定单元输出对应的恒压、恒流设定信号，启动闭环电子负载主回路模拟铅酸蓄电池工况，使被测抱闸充电板进入带载充电状态；通过信号采样单元实时采集充电板输出的电压与电流数据，经主控mcu运算处理后输出至显示终端；检测过程中实时监测过压、过流、过热状态，触发异常条件时立即关断电子负载功率输出；

25、s5、若进入电池性能测试模式，接入待测抱闸后备蓄电池后，信号采样单元采集电池端电压，同时内阻检测模块启动四线交流内阻测量获取电池等效串联内阻；主控mcu基于电压与内阻参数综合评估电池健康状态，并将评估结果输出至显示终端。

26、上述方法通过标准化的流程控制实现两类检测功能的有序运行，初始化阶段完成所有硬件模块的状态复位与参数校准，确保检测基准准确；接线检测阶段优先确认接线可靠性，避免虚接造成的测试误差与安全隐患；模式选择阶段根据检测对象切换对应工作流程，实现一机多用；两种测试模式下均内置实时保护机制，全程保障检测过程安全可控。

27、与现有技术相比，本发明提供了一种电梯应急抱闸蓄电池状态监测系统及方法，具备以下有益效果：

28、1.采用dac程控给定单元配合闭环电子负载主回路构成可程控的恒压恒流电子负载，能够根据被测对象灵活调整电压与电流参数，精准模拟铅酸蓄电池的真实工作特性，使抱闸充电板工作于实际带载工况，有效提升充电板性能检测结果的真实性与准确性。

29、2.通过隔离电源单元为通断检测单元提供独立的隔离供电，实现被测回路与主控系统之间的电气隔离，既能够阻断被测侧电气干扰向主控系统的传导路径，提升检测稳定性与精度，也能够避免被测侧高压窜入主控端，提升操作人员的作业安全性。

30、3.配置双路供电单元，可适配多种现场供电条件，配合外置电池组能够满足无外接电源场景的长时间维保作业需求；同时系统集成充电测试、内阻检测、通断校验多重功能，无需携带多台设备即可完成全套检测项目，有效提升现场维保作业效率。