CN109031143A - 一种野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，包括：S1、在一定时间间隔内对电池的充放电极值、剩余容量、一致性进行顺序巡检；首先进行充放电极值进行判断，判断充放电电压是否超过极值；S2、对电池的剩余容量进行计算，如果剩余的电池容量低于设定值，则进行报警，如果没有超过设定值，则进行下一步检测；S3、对电压值进行组合检测，通过对一致性检查，判断是否符合设定标准，如果不符合，则进行报警；如果符合，则表示目前电池状态正常。本发明所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法通过多重方法实现了对电池状态的综合判断，检测结果更加准确，减少了单一方法判断的偶然性。

Description

一种野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法

技术领域

本发明属于气象站电池技术领域，尤其是涉及一种野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法。

背景技术

目前可利用区域自动气象站蓄电池工作电压对蓄电池容量进行反演，但在实际应用中蓄电池电量与工作环境、蓄电池使用周期等具有一定关系，仅采用蓄电池容量方式对自动气象站供电异常进行识别必然存在一定误差和误判情况。

由于同一类区域自动气象站从整站结构、设备配置到出厂工艺等均高度近似，因此我们认为同一类型自动气象站在相似的环境条件和正常工作条件下，其充放电状态应该类似或相同，因此可以利用统一类型自动气象站之间的比较关系对蓄电池充放电异常情况进行判断或识别。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，以通过综合判断方法对野外自动气象站的电池状态进行判断。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，包括：

S1、在一定时间间隔内对电池的充放电极值、剩余容量、一致性进行顺序巡检；首先进行充放电极值进行判断，判断充放电电压是否超过极值，如果超过极值则进行报警，如果没有超过极值则进行下一步检测；

S2、对电池的剩余容量进行计算，如果剩余的电池容量低于设定值，则进行报警，如果没有超过设定值，则进行下一步检测；

S3、对电压值进行组合检测，通过对一致性检查，判断是否符合设定标准，如果不符合，则进行报警；如果符合，则表示目前电池状态正常。

进一步的，所述步骤S1中对电池充放电极值的判断，包括充电极值的判断和放电极值的判断；

每种电池在充电过程中都有充电极值，当充电过程中充电电压超过充电极值则会严重影响电池的性能和使用寿命，当充电过程中充电电压超过充电极值，则说明电池状态异常，进行报警。

进一步的，根据电池的单体放电原理，当电池的单体电压低于一定阈值，也就是低于放电极值，则会严重影响电池的性能和使用寿命，当电池处于放电过程时，放电电压低于放电极值，则说明电池状态异常，进行报警。

进一步的，所述步骤S2中，采用归一化理论对蓄电池的剩余容量进行计算。

进一步的，采用归一化理论对电池剩余容量计算具体方法如下：

其中T_u为归一化时间，T为放电过程中的时间变量，T_end为终止放电时间，V_u(T_u)为归一化电压，V(T)为蓄电池放电过程的电压变量，V_p为蓄电池初始电压，V_end为蓄电池放电停止电压；

这里的归一化时间为蓄电池已放电使用时间，因此蓄电池剩余容量(％)可以通过下式表示：

SOC＝1-T_u

当电池剩余容量低于40％时，说明电池状态异常，进行报警。

进一步的，所述步骤S3中，所述一致性检查包括时间一致性检查；

所述时间一致性检查是通过蓄电池工作电压外推检验方法对蓄电池异常进行判别。

进一步的，所述时间一致性检查的具体方法如下：

利用已有两次观测，按照线性外推原理对第三次观测值进行计算，计算公式为：

V₃＝2V₂-V₁

通过比较观测值与计算值的差异，判断野外自动气象站蓄电池工作是否异常；判断下式

ΔV＝|V₃-V_实际|

在充放电转换时段，△V>0.5V，其余时段△V>0.1V时，判断表明蓄电池异常，否则正常。

进一步的，所述一致性检查还包括空间一致性检查；

所述空间一致性检查利用反距离权重方法对某一站点蓄电池工作电压进行插值计算，将插值结果和实际观测值进行交叉检验，当交叉检验结果不符合阈值则认为站点工作电压异常。

进一步的，所述空间一致性检查的具体方法如下：

选取与待插值站点位置最近的站点，待插值站点与插值站点距离不应少于3个站点，利用3个站点已知的蓄电池工作电压值进行插值运算，具体计算方法为：

其中，Dci为被插值点C与插值站点i的直线距离，R为插值站点的实际电压侦测值，n为插值点个数，利用下式计算插值结果与实际观测结果计算绝对差，即

ΔV＝|V_插值-V_实际|。

相对于现有技术，本发明所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法具有以下优势：

本发明所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法通过多重方法实现了对电池状态的综合判断，检测结果更加准确，减少了单一方法判断的偶然性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法流程图；

图2为本发明实施例所述的6v10ah蓄电池放电特性曲线；

图3为本发明实施例所述的蓄电池容量随归一化电压变化；

图4为本发明实施例所述的6v10ah蓄电池1A恒流放电曲线图；

图5为本发明实施例所述的CAWS600-HY361型自动气象站蓄电池电压逐月日平均变化。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，包括：

S1、在一定时间间隔内对电池的充放电极值、剩余容量、一致性进行顺序巡检；首先进行充放电极值进行判断，判断充放电电压是否超过极值，如果超过极值则进行报警，如果没有超过极值则进行下一步检测；

S2、对电池的剩余容量进行计算，如果剩余的电池容量低于设定值，则进行报警，如果没有超过设定值，则进行下一步检测；

S3、对电压值进行组合检测，通过对一致性检查，判断是否符合设定标准，如果不符合，则进行报警；如果符合，则表示目前电池状态正常。

所述步骤S1中对电池充放电极值的判断，包括充电极值的判断和放电极值的判断；

每种电池在充电过程中都有充电极值，当充电过程中充电电压超过充电极值则会严重影响电池的性能和使用寿命，当充电过程中充电电压超过充电极值，则说明电池状态异常，进行报警。

根据电池的单体放电原理，当电池的单体电压低于一定阈值，也就是低于放电极值，则会严重影响电池的性能和使用寿命，当电池处于放电过程时，放电电压低于放电极值，则说明电池状态异常，进行报警。

根据铅酸蓄电池电池单体放电原理，当电池单体低于1.75V时，即6V电池低于5.25V，12V电池低于10.5V时，电池将不可逆受损，电池性能将受到严重影响，因此将该值作为极值判断阈值，当蓄电池电压低于该值时，认为电池状态异常。

对于蓄电池充电过程，通过上述对太阳能充电控制器的研究，对于12v铅酸蓄电池充电，PU8.8B型太阳能充电控制器采用14.7V作为快充电压，但通过实际资料统计由于自动气象站采集器主板采样精度影响，实际采样值有可能超过该值，但不会过大，因此在此选用15.0V作为CAWS600-HY361太阳能板充电的极限电压值；DY07B的充电压限为8.2V，同样考虑到采样精度影响，这里采用8.5V作为CAWS600-RT型自动气象站的充电极限电压值。当采集到的工作电压高于该值，则认为电池充电状态异常。

所述步骤S2中，采用归一化理论对蓄电池的剩余容量进行计算，具体方法如下：

其中T_u为归一化时间，T为放电过程中的时间变量，T_end为终止放电时间，V_u(T_u)为归一化电压，V(T)为蓄电池放电过程的电压变量，V_p为蓄电池初始电压，V_end为蓄电池放电停止电压；

这里的归一化时间为蓄电池已放电使用时间，因此蓄电池剩余容量(％)可以通过下式表示：

SOC＝1-T_u

当电池剩余容量低于40％时，说明电池状态异常，进行报警。

一般情况下，电池生产厂家都会对生产的电池进行较为严格的测试，并对蓄电池的各种放电、充电特性进行总结，制作成相应的电池手册。在国内外关于蓄电池的容量研究中，有不少成果或计算方法直接应用蓄电池手册中的相关参数信息，其可用性及可信性已被广泛认可。

如图2所示，6v10ah铅酸蓄电池在标准环境(25℃)条件下的放电曲线。图中各条曲线对应在不同恒定电流条件下的电池端电压随时间的变化。从图中可以看出，当放电电流越小时，其放电时间越长，且放电电流在放电时间下的积分与电池额定容量(10AH)约接近。

通过图2不难看出，不同放电电流条件下，蓄电池的初始电压、结束电压和放电时长均存在差别，当我们较难获取蓄电池放电功率或放电功率过小不易估计时，放电时长的计算存在困难，因此我们采取归一化理论对蓄电池工作电压和放电时间进行归一化处理，计算方法参见下式：

其中T_u为归一化时间，T为放电过程中的时间变量，T_end为终止放电时间，V_u(T_u)为归一化电压，V(T)为蓄电池放电过程的电压变量，V_p为蓄电池初始电压，V_end为蓄电池放电停止电压。

这里的归一化时间为蓄电池已放电使用时间，因此蓄电池剩余容量(％)可以通过下式表示，

SOC＝1-T_u (2)

绘制了蓄电池剩余容量与归一化电压的关系图(图3)，其中图3中，左侧图为不同放电倍率下的变化情况，右侧图为低于2.5A放电条件下的曲线拟合，从图中可以看出归一化电压曲线较蓄电池放电特性曲线已经收敛，但是对于小电流放电条件下(<2.5A)其曲线更为集中。通过该项目分析，该区域自动气象站功耗较低，不会超过1A放电，因此该研究中的归一化曲线拟合主要考虑2.5A以下的放电情况。

我们对2.5A、1.6A、1.0A和0.5A放电曲线进行了曲线拟合，得到了关于归一化电压计算蓄电池剩余容量的拟合公式(式3)，这里SOC为蓄电池剩余容量(以百分比进行表示)，V_U为归一化后的蓄电池工作电压，拟合曲线R²>0.99。

SOC＝-0.00756+0.21558V_U+0.4939V_U ²+0.28251V_U ³ (3)

在实际应用中，我们可以利用蓄电池的工作电压对蓄电池剩余容量进行估计。

为了测试该方法对蓄电池容量估计的准确性，我们利用6V10AH在实验室条件下进行了0.5A放电倍率的放电测试(如图4)，从图中可以看出放电持续了17.24小时，按理论计算蓄电池的释放容量为8.62ah,该蓄电池理论容量为10ah，放电86％。通过计算蓄电池放电之初工作电压为6.16V，计算容量为106％，与蓄电池理论100％误差在6％，至5.4V时，蓄电池容量为18％，误差在4％。可以看出实际工作中容量估计方法的误差低于10％，计算容量可信。

同理，利用上述方法我们对12V38ah和12v65ah两种铅酸蓄电池进行了归一化电压关于剩余容量的曲线拟合，并得到拟合方程(式4、5)。拟合结果表明，拟合曲线R²均大于0.99。

SOC＝-0.0083+0.2229V_U+0.3897V_U ²+0.3812V_U ³ (4)

SOC＝-0.01117+0.26669V_U+0.22422V_U ²+0.5053V_U ³ (5)

通过理论研究和实际经验，铅酸蓄电池容量不仅与放电倍率有关，与环境温度、电池生产工艺等条件亦存在关系，因此蓄电池工作电压归一化计算电池容量方法仅能作为电池容量的参考，仍需要借助其他辅助手段对选电池异常情况进行综合判定。

所述步骤S3中，所述一致性检查包括时间一致性检查；

所述时间一致性检查是通过蓄电池工作电压外推检验方法对蓄电池异常进行判别。

所述时间一致性检查的具体方法如下：

利用已有两次观测，按照线性外推原理对第三次观测值进行计算，计算公式为：

V₃＝2V₂-V₁

通过比较观测值与计算值的差异，判断野外自动气象站蓄电池工作是否异常；判断下式

ΔV＝|V₃-V_实际|

在充放电转换时段，ΔV＞0.5V，其余时段ΔV＞0.1V时，判断表明蓄电池异常，否则正常。

如图5所示，给出了CAWS600-HY361逐月年均日变化曲线，从曲线图中我们可以发现蓄电池工作电压具有明显的日变化规律。白天由于蓄电池处于充电状态，由太阳能板对设备进行供电，因此电压值随日照强度的增加而增大；夜间蓄电池独立工作，一方面蓄电池工作电压值较低，另一方面随着供电时常的增加，工作电压值开始减小；在日出前后和日落前后，工作电压会出现大范围的增加或降低，主要原因由于日照强度的变化导致太阳能板工作条件的切换，电压变化出现大范围波动。同样12v电池在实际观测中亦有类似规律。

野外自动气象站为野外独立运行，依靠太阳能板、蓄电池、充电控制器实现对整站的充放电控制。一般规律为白天太阳能板对蓄电池进行充电；夜间蓄电池放电对系统进行供电。但通过蓄电池工作电压日变化可以发现，在日出前后和日落前后，工作电压会出现大范围的增加或降低，主要原因由于日照强度的变化导致太阳能板工作条件的切换，电压变化出现大范围波动。鉴于规律的可预见性，本项目依托蓄电池工作电压外推检验方法对蓄电池异常进行判别，具体方法为：利用已有两次观测，按照线性外推原理对第三次观测值进行计算，计算公式为：

V₃＝2V₂-V₁

通过比较观测值与计算值的差异，判断野外自动气象站蓄电池工作是否异常。即判断下式

ΔV＝|V₃-V_实际|

在4:00-10:00和15:00-20:00时段内(充放电转换时段)，△V>0.5V，其余时段△V>0.1V时，判断表明蓄电池异常，否则正常。

所述一致性检查还包括空间一致性检查；

所述空间一致性检查利用反距离权重方法对某一站点蓄电池工作电压进行插值计算，将插值结果和实际观测值进行交叉检验，当交叉检验结果不符合阈值则认为站点工作电压异常。

所述空间一致性检查的具体方法如下：

选取与待插值站点位置最近的站点，待插值站点与插值站点距离不应少于3个站点，利用3个站点已知的蓄电池工作电压值进行插值运算，具体计算方法为：

其中，Dci为被插值点C与插值站点i的直线距离，R为插值站点的实际电压侦测值，n为插值点个数，利用下式计算插值结果与实际观测结果计算绝对差，即

ΔV＝|V_插值-V_实际|。

由于同类观测站点设备性能相同，往往由于观测站点建设位置的不同，因遮挡条件、环境因素差异导致站点蓄电池耗电情况出现差异，因此我们提出利用空间一致性分析对各站蓄电池工作电压情况进行检测，以期根据站点间的相互比较对异常站点进行识别。

而上述识别的出发点即空间插值思想，空间插值是一种通过已知空间数据推求未知空间数据的方法，空间位置越靠近的点，具有相似特征的可能性越大，而距离越远的点，相似特征的可能性越小。因此，从空间插值的原理分析，与某一区域自动气象站空间位置靠近的站点通过插值结果应该与该站观测结果近似。

本项目研究中采用国内外较为成熟的反距离加权法(IDW)方法对自动气象站逐10分钟观测结果进行空间插值交叉检验。某一站的十分钟电压侦测值Uc插值可用下式计算：

其中，Dci为被插值点C与插值站点i的直线距离，R为插值站点的实际电压侦测值，n为插值点个数。

在常规气象要素插值过程中，往往需要考虑插值点的方位构成以使插值点在空间分布上尽可能均匀，不会忽略掉空间的气象条件影响。而在本项目研究中，对蓄电池充放电影响较为重要的环境因素为日照或环境遮挡因素，空间方向上的差异不足以对插值结果产生较大影响，因此本研究暂不考虑空间方向的站点差异。

由于蓄电池电压观测不同于气象要素易受环境多要素影响，因此在实际计算中选取的插值范围为15KM，保证每点均有3点以上的插值点。通过对12v38ah蓄电池电压数据的统计，我们发现插值结果与实际观测结果存在明显的线性规律，且当插值点数大于3时，R²均能高于0.88。通过计算插值结果与实际观测结果绝对差在不同范围内对应的概率密度，84％样本差异集中在0.2V以下，按照概率密度分布，我们对不同的交叉检验结果进行划分，当检验结果小于0.3V(90％)，认为通过检验，若在(0.3V,0.8V]内则进行重点监控，提示进行其他方式验证；若大于0.8V则认为蓄电池状态异常，必须进行处理。

同理，我们对6v10ah蓄电池和12v65ah蓄电池进行了统计，其异常判别阈值筛选如下：

表4不同站点蓄电池条件下的空间一致性判别阈值

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在于，包括：

S1、在一定时间间隔内对电池的充放电极值、剩余容量、一致性进行顺序巡检；首先进行充放电极值进行判断，判断充放电电压是否超过极值，如果超过极值则进行报警，如果没有超过极值则进行下一步检测；

S2、对电池的剩余容量进行计算，如果剩余的电池容量低于设定值，则进行报警，如果没有超过设定值，则进行下一步检测；

S3、对电压值进行组合检测，通过对一致性检查，判断是否符合设定标准，如果不符合，则进行报警；如果符合，则表示目前电池状态正常。

2.根据权利要求1所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在于：所述步骤S1中对电池充放电极值的判断，包括充电极值的判断和放电极值的判断；

每种电池在充电过程中都有充电极值，当充电过程中充电电压超过充电极值则会严重影响电池的性能和使用寿命，当充电过程中充电电压超过充电极值，则说明电池状态异常，进行报警。

3.根据权利要求2所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在于：根据电池的单体放电原理，当电池的单体电压低于一定阈值，也就是低于放电极值，则会严重影响电池的性能和使用寿命，当电池处于放电过程时，放电电压低于放电极值，则说明电池状态异常，进行报警。

4.根据权利要求1所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用归一化理论对蓄电池的剩余容量进行计算。

5.根据权利要求4所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在于，采用归一化理论对电池剩余容量计算具体方法如下：

其中T_u为归一化时间，T为放电过程中的时间变量，T_end为终止放电时间，V_u(T_u)为归一化电压，V(T)为蓄电池放电过程的电压变量，V_p为蓄电池初始电压，V_end为蓄电池放电停止电压；

这里的归一化时间为蓄电池已放电使用时间，因此蓄电池剩余容量(％)可以通过下式表示：

SOC＝1-T_u

当电池剩余容量低于40％时，说明电池状态异常，进行报警。

6.根据权利要求1所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述一致性检查包括时间一致性检查；

所述时间一致性检查是通过蓄电池工作电压外推检验方法对蓄电池异常进行判别。

7.根据权利要求6所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在：所述时间一致性检查的具体方法如下：

利用已有两次观测，按照线性外推原理对第三次观测值进行计算，计算公式为：

V₃＝2V₂-V₁

通过比较观测值与计算值的差异，判断野外自动气象站蓄电池工作是否异常；判断下式

ΔV＝|V₃-V_实际|

在充放电转换时段，△V>0.5V，其余时段△V>0.1V时，判断表明蓄电池异常，否则正常。

8.根据权利要求6所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在于：所述一致性检查还包括空间一致性检查；

所述空间一致性检查利用反距离权重方法对某一站点蓄电池工作电压进行插值计算，将插值结果和实际观测值进行交叉检验，当交叉检验结果不符合阈值则认为站点工作电压异常。

9.根据权利要求8所述的野外自动气象站蓄电池异常状态综合判断方法，其特征在于，所述空间一致性检查的具体方法如下：

选取与待插值站点位置最近的站点，待插值站点与插值站点距离不应少于3个站点，利用3个站点已知的蓄电池工作电压值进行插值运算，具体计算方法为：

其中，Dci为被插值点C与插值站点i的直线距离，R为插值站点的实际电压侦测值，n为插值点个数，利用下式计算插值结果与实际观测结果计算绝对差，即

ΔV＝|V_插值-V_实际|。