CN109696635B - 一种基于车联网应用的电池充电状态判断方法及管理系统 - Google Patents

Abstract

一种基于车联网应用的电池充电状态判断方法及管理系统，通过铅酸蓄电池充电状态判断方法，可以及时的监控铅酸动力电池的充电状态，包括对电池电量、充电时长、充放电次数等重要指标进行监测，可对电池充放电进行有效管理，以延长电池使用寿命；而研发的基于车联网的电动叉车铅酸蓄电电池管理系统技术解决方案用于监控铅酸动力电池的工作状态，当电池出现缺水、欠压、过流等异常状况时，可以及时将电池状态上传车联网管理平台进行实时监控，通过车联网管理平台通知相关管理人员对电池进行检查、维护，从而及时排除故障，保证电池正常工作，延长电池使用寿命。

Description

一种基于车联网应用的电池充电状态判断方法及管理系统

技术领域

本发明涉及一种充电状态判断方法及电池管理系统，具体涉及一种基于车联网应用的电池充电状态判断方法及管理系统。

背景技术

车载蓄电池在充电时，一般会在电量图标中显示当前电量和充电状态指示符(例如类似闪电的符号)，所述充电状态指示符用于指示所述车载蓄电池当前正处于充电状态。在整个充电过程中，所述充电状态指示符的显示方式都是固定的，因此，用户无法根据所述充电状态指示符判断出充电电池的当前状态。而电池寿命与充电次数有关，所以合理的充电应该是电池电量报警时充电，以尽量减少充电次数，延长电池寿命，但存在驾驶员利用工作间隙，随时充电，造成电池充电次数大大增加，影响电池寿命，为此需要寻找一种方法，对蓄电池的充电状态进行监测。

而电动叉车铅酸蓄电池成本占整车成本在30％左右，是电动叉车关键部件。当前蓄电池电压、电流、电量通过叉车电控可以检测，并在叉车仪表上进行显示，但在不能进行远程监控情况下，如果监测数据出现异常，如在电量不足的情况下，驾驶员仍可能继续使用叉车，从而严重影响电池寿命。当前这种检查作为一种日常维护保养工作，由驾驶员或设备管理员负责，一般冬季是半个月检查一次，而夏季是每周一次。由于管理和责任心问题，常常未及时检查或检查疏漏，未及时发现问题，造成电池损坏，特别在车辆用于租赁时，承租方更易追求工作量，疏于设备管理及维护保养，严重影响蓄电池寿命。故对这些参数进行远程监控就显得非常有必要。为此，需要研发一套电池管理系统，用于监控铅酸动力电池的工作状态，当电池出现缺水、欠压、过流等异常状况时，可以及时将电池状态上传车联网管理平台，通过车联网管理平台通知相关管理人员对电池进行检查、维护，从而及时排除故障，保证电池正常工作，延长电池使用寿命。此外，车联网管理平台还可以接收电池监控系统上传的数据，以监测电池电量、充电时长、充放电次数等重要指标，对电池充放电进行有效管理，减少不必要充电，以延长电池使用寿命，同时提醒驾驶员或设备管理员及时维护蓄电池，提高电池寿命。

发明内容

为克服上述不足，本发明目的在于提供一种基于车联网应用的电池充电状态判断方法及电池管理系统的技术解决方案，以保持对蓄电池的状态进行远程监控，从而提醒驾驶员或设备管理员及时维护蓄电池，减少不必要充电，提高电池寿命。

本发明的方案如下：一种基于车联网应用的电池充电状态判断方法,其特征在于,所述方法包括:

步骤一、监控终端直接检测蓄电池电压信号，按照100毫秒的采样频率进行电池总电压采样，此采样数据记为“100毫秒总电压”；

步骤二、按照步骤一所述，每间隔2秒会产生20个“100毫秒总电压”，将这 20个总电压数据去极值、求平均后的值记为“2秒总电压平均值”。

步骤三、按照步骤二所述，每1分钟则会产生30个“2秒总电压平均值”，将这 30个“2秒总电压平均值”去极值、求平均后的值记为“1分钟总电压平均值”；将这30个“2秒总电压平均值”中的最大值记为“1分钟总电压最大值”，最小值记为“1分钟总电压最小值”，将“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”进行比较；

1)如果“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”之差大于1.5V，则记此“1分钟电池状态”为“非静置”，表示此1分钟电池处于放电或者充电状态，且不可能处于静置状态；

2)如果“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”之差小于等于1.5V，则此“1分钟电池状态”为“待定”，表示此1分钟内电池的具体状态需要进一步判断，则执行步骤四；

步骤四、按照步骤三所述计数方法，则每间隔10分钟就会产生10组1分钟数据，每组1分钟数据均包括“1分钟总电压平均值”、“1分钟总电压最大值”、“1分钟总电压最小值”，此时，对10个“1分钟总电压平均值”再次去极值、求平均后，得到“10分钟总电压平均值”；对10个“1分钟总电压最大值”去极值、求平均后，得到“10分钟总电压最大值”；对10个“1分钟总电压最小值”去极值、求平均后，得到“10分钟总电压最小值”；

步骤五、在步骤四的基础上，用“10分钟总电压平均值”除以单体个数得到“10 分钟单体电压平均值”，当得到的“10分钟单体电压平均值”大于2.25V时，则此 10分钟的电池状态判定为充电状态，当得到的“10分钟单体电压平均值”小于等于 2.25V时,执行步骤六；

步骤六、当10分钟内有任意一个“1分钟电池状态”是“非静置”，则判定此 10分钟的电池状态为放电状态，否则，执行步骤七；

步骤七、如果“10分钟总电压最大值”与“10分钟总电压最小值”之差小于0.2V，则判定此10分钟内的电池状态为“静置状态”，否则，执行步骤八；

步骤八、如果第10分钟的“1分钟总电压平均值”减去第1分钟的“1分钟总电压平均值”的值大于0.2V，则判定此10分钟内的电池状态为充电状态，否则，此10 分钟内的电池状态维持上一个10分钟的电池状态不变。

优选的，一种基于车联网应用的电池管理系统包括电解液液位传感器(1)、电流传感器(2)、监控终端(3)和车联网管理平台(4)，所述电解液液位传感器(1)、电流传感器(2)分别采集铅酸蓄电池电解液液位信号(11)、铅酸蓄电池放电电流信号(12)，并分别输入至监控终端(3)，所述监控终端(3)直接检测铅酸蓄电池电压信号(13)。

优选的，所述监控终端(3)包括信号处理单元(32)，所述信号处理单元(32) 接收铅酸蓄电池电解液液位信号(11)、铅酸蓄电池放电电流信号(12)和铅酸蓄电池电压信号(13)。

优选的，所述监控终端(3)还包括微处理器单元(31)，所述微处理器单元(31) 将铅酸蓄电池电解液液位信号(11)、铅酸蓄电池放电电流信号(12)和铅酸蓄电池电压信号(13)转换为铅酸蓄电池电解液液位数字信号(21)、铅酸蓄电池放电电流数字信号(22)和铅酸蓄电池电压数字信号(23)。

优选的，所述监控终端(3)还包括远程通讯单元(33)，所述远程通讯单元(33) 将铅酸蓄电池电解液液位数字信号(21)、铅酸蓄电池放电电流数字信号(22)和铅酸蓄电池电压数字信号(23)分别发送至车联网管理平台(4)。

优选的，所述监控终端(3)定时向车联网管理平台(4)发送电池状态信息、总电压信息、电池电量信息、总电流信息和液位状态信息，车联网管理平台(4)接收监控终端上报的数据，经解析后写入数据库，管理人员登录车联网信息管理平台(4)，通过电池工作曲线图、充电图主动查看电池的运行情况。

优选的，所述电池状态信息根据权利要求1所述方法由微处理器单元(31)进行数据处理。

优选的，所述电池电量信息根据电池状态，采用基于电压采样的电池电量计算方法，具体包括：

1)当电池状态为充电状态时，所述电池电量的计算公式如下：

其中：充电状态空电单体电压取值为2.2V,充电状态满电单体电压取值为2.35V。

2)当电池状态为放电状态时，所述电池电量的计算公式如下：

其中：放电状态空电单体电压为1.73V，放电状态满电单体电压为2.04V。

3)当电池状态为静置时，电量保持不变。

优选的，所述总电流信息由监控终端采样电流传感器输出的信号，并换算为电流值，具体换算方法：每100毫秒采样一次电流传感器输出的电压值，每1秒钟可得到 10个电压值，对其去极值、求平均后，得到这一秒的电流传感器输出电压值，然后根据以下公式计算实际电流值：

优选的，所述电流传感器的输出信号范围是0至+5V，对应采样电流范围是-300A至+300A，其中0至+2.5V对应-300A至0A，+2.5V至+5.0V对应0A至+300A。

本发明的有益效果：通过发明提供的铅酸蓄电池充电状态判断方法，可以及时的监控铅酸动力电池的充电状态，包括对电池电量、充电时长、充放电次数等重要指标进行监测，可对电池充放电进行有效管理，以延长电池使用寿命；而研发的基于车联网的电动叉车铅酸蓄电电池管理系统技术解决方案用于监控铅酸动力电池的工作状态，当电池出现缺水、欠压、过流等异常状况时，可以及时将电池状态上传车联网管理平台进行实时监控，通过车联网管理平台通知相关管理人员对电池进行检查、维护，从而及时排除故障，保证电池正常工作，延长电池使用寿命。

附图说明

图1为本发明的充电方法状态判断流程图。

图2为本发明的电池充电图。

图3为本发明的电动叉车铅酸蓄电池远程监控系统组成图。

图中：1、电解液液位传感器；2、电流传感器；3、监控终端；4、车联网管理平台；11、铅酸蓄电池电解液液位信号；12、铅酸蓄电池放电电流信号；13、铅酸蓄电池电压信号；21、铅酸蓄电池电解液液位数字信号；22、铅酸蓄电池放电电流数字信号；23、铅酸蓄电池电压数字信号；31、微处理器单元；32、信号处理单元；33、远程通讯单元

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

为克服电动叉车铅酸蓄电池使用管理问题，造成影响电池寿命问题，本发明提供一种电动叉车铅酸蓄电池远程监控系统，具体如图3 所示：该系统由电解液液位传感器1、电流传感器2和监控终端3组成，其中监控终端3由微处理器单元31、信号处理单元32和远程通讯单元33组成。该系统能实时监测蓄电池电解液液位、电压、电流、电量，并将这些数据通过上传远程管理平台，管理平台监测这些数据，并通知驾驶员或设备管理员及时维护蓄电池，从而避免电池损坏或降低寿命。

工作时，电解液液位传感器1、电流传感器2分别采集铅酸蓄电池电解液液位信号11 和铅酸蓄电池放电电流信号12，而铅酸蓄电池的电压信号13由监控终端3进行直接检测。在检测时，铅酸蓄电池电解液液位信号11、铅酸蓄电池放电电流信号12和铅酸蓄电池的电压信号13的信号均输入至监控终端3，由信号处理单元32进行接收，并通过微处理器单元31转换为数字信号，该数字信号分别通过远程通讯单元33发送至远程管理平台4，需要检测蓄电池工作状态的人员可通过浏览器登录车联网管理平台4对蓄电池工作状态进行实时监控。

铅酸蓄电池的电池状态一般分为“充电状态”、“放电状态”和“静置状态”三种。最简单、也最常见的电池状态判断方法是通过电流传感器获取电流的流向，来对电池的状态进行直接判断：当电流从电池往外部流出时，则电池处于放电状态；当电流从外部流入电池时，则电池处于充电状态；当电流为0时，则电池处于静置状态。但此种判定方法完全依赖于电流传感器，考虑到实际应用中对电流传感器安装的限制和成本的约束，我们提供了一种基于电压采样的电池状态判断方法，如图1至图3所示，该判断方法不受电流传感器的限制，应用更广泛，具体方法包含如下步骤：

步骤一、监控终端直接检测蓄电池电压信号，按照100毫秒的采样频率进行电池总电压采样，此采样数据记为“100毫秒总电压”；

步骤二、按照步骤一所述，每间隔2秒会产生20个“100毫秒总电压”，将这 20个总电压数据去极值、求平均后的值记为“2秒总电压平均值”。

步骤三、按照步骤二所述，每1分钟则会产生30个“2秒总电压平均值”，将这 30个“2秒总电压平均值”去极值、求平均后的值记为“1分钟总电压平均值”；将这30个“2秒总电压”中的最大值记为“1分钟总电压最大值”，最小值记为“1分钟总电压最小值”，将“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”进行比较；

1)如果“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”之差大于1.5V，则记此“1分钟电池状态”为“非静置”，表示此1分钟电池处于放电或者充电状态，且不可能处于静置状态；

2)如果“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”之差小于等于1.5V，则此“1分钟电池状态”为“待定”，表示此1分钟内电池的具体状态需要进一步判断，则执行步骤四；

步骤四、按照步骤三所述计数方法，则每间隔10分钟就会产生10组1分钟数据，每组1分钟数据均包括“1分钟总电压平均值”、“1分钟总电压最大值”、“1分钟总电压最小值”，此时，对10个“1分钟总电压平均值”再次去极值、求平均后，得到“10分钟总电压平均值”；对10个“1分钟总电压最大值”去极值、求平均后，取最大值得到“10分钟总电压最大值”；对10个“1分钟总电压最小值”去极值、求平均后，取最小值得到“10分钟总电压最小值”；

步骤五、在步骤四的基础上，用“10分钟总电压平均值”除以单体个数得到“10 分钟单体电压平均值”，当得到的“10分钟单体电压平均值”大于2.25V时，则此 10分钟的电池状态可判定为充电状态，当得到的“10分钟单体电压平均值”小于等于2.25V时,执行步骤六；

步骤六、当10分钟内有任意一个“1分钟电池状态”是“非静置”，则判定此 10分钟的电池状态为放电状态，否则，执行步骤七；

步骤七、如果“10分钟总电压最大值”与“10分钟总电压最小值”之差小于0.2V，则判定此10分钟内的电池状态为“静置状态”，否则，执行步骤八；

步骤八、如果第10分钟的“1分钟总电压平均值”减去第1分钟的“1分钟总电压平均值”的值大于0.2V，则判定此10分钟内的电池状态为充电状态，否则，此10 分钟内的电池状态维持上一个10分钟的电池状态不变。

利用基于电压采样的电池状态判断方法，可以根据判断获得的电池状态，结合电池总电压，进行电量计算，具体为：

1)当电池状态为静置时，电量保持不变；

2)当电池状态为充电时，电量按照如下公式计算：

其中：充电状态空电单体电压为2.2V，充电状态满电单体电压为2.35V。

3)当电池状态为放电时，电量按照如下公式计算：

其中：放电状态空电单体电压为1.73V，放电状态满电单体电压为2.04V。

对于电流的计算，监控终端采样电流传感器输出的信号，并换算为电流值，本项目使用的电流传感器的输出信号范围是0～+5V，对应采样电流范围是-300A～+300A，其中0～+2.5V对应-300A～0A，+2.5V～+5.0V对应0A～+300A。由于电池在使用过程中，电流的变化比较快，因此采样电流时不再使用过多的滤波算法，每1秒计算一次，以便能及时反映电流的变化情况。具体方法为：每100毫秒采样一次电流传感器输出的电压值，每1秒钟可得到10个电压值，对其去极值、求平均得到这一秒的电流传感器输出电压值，然后根据以下公式计算实际电流值：

对于液位的监控，由于铅酸电池组在工作时，物理排布居中的电池单体工作环境最严酷，也最容易发生缺水，因此在安装液位传感器时，尽量挑选排布居中的电池单体。当所监控的单体电解液液位正常时，传感器的铅丝浸没在电解液中，由于铅丝导电，监控终端可测得所监控单体对电池组负极的电压，具体的电压门槛值需要根据安装液位传感器的单体所在的位置来确定。当单体电解液不足时，液位传感器的铅丝与电解液不接触，此时，铅丝不带电，监控终端可得知此时电池缺水。

由于电动叉车在使用过程中可能存在颠簸，使得电解液出现较大波动，导致电解液正常时铅丝与电解液脱离、或者电解液不足时铅丝与电解液接触的异常情况出现，因此，对电解液状态的判断要加延时滤波，当铅丝持续接触电解液达到1分钟时，认为电解液正常；当铅丝持续脱离电解液达到1分钟时，认为电解液不足。

对于平台监控的，监控终端定时向远程监控平台发送电池状态、总电压、总电流、液位状态、以及定位等信息，车联网信息管理平台接收监控终端上报的数据，解析后写入数据库。当平台收到当前电池发生缺水时，向管理人员发送短信，以提醒管理人员及时给电池补水。管理人员也可登录远程监控平台，通过电池工作曲线图、充电图等主动查看电池的运行情况。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于车联网应用的电池充电状态判断方法,其特征在于,所述方法包括:

步骤一、监控终端直接检测蓄电池电压信号，按照100毫秒的采样频率进行电池总电压采样，此采样数据记为“100毫秒总电压”；

步骤二、按照步骤一所述，每间隔2秒会产生20个“100毫秒总电压”，将这20个总电压数据去极值、求平均后的值记为“2秒总电压平均值”；

步骤三、按照步骤二所述，每1分钟则会产生30个“2秒总电压平均值”，将这30个“2秒总电压平均值”去极值、求平均后的值记为“1分钟总电压平均值”；将这30个“2秒总电压平均值”中的最大值记为“1分钟总电压最大值”，最小值记为“1分钟总电压最小值”，将“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”进行比较；

(1)如果“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”之差大于1.5V，则记此“1分钟电池状态”为“非静置”，表示此1分钟电池处于放电或者充电状态，且不可能处于静置状态；

(2)如果“1分钟总电压最大值”与“1分钟总电压最小值”之差小于等于1.5V，则此“1分钟电池状态”为“待定”，表示此1分钟内电池的具体状态需要进一步判断，则执行步骤四；

步骤四、按照步骤三所述计数方法，则每间隔10分钟就会产生10组1分钟数据，每组1分钟数据均包括“1分钟总电压平均值”、“1分钟总电压最大值”、“1分钟总电压最小值”，此时，对10个“1分钟总电压平均值”再次去极值、求平均后，得到“10分钟总电压平均值”；对10个“1分钟总电压最大值”去极值、求平均后，得到“10分钟总电压最大值”；对10个“1分钟总电压最小值”去极值、求平均后，得到“10分钟总电压最小值”；

步骤五、在步骤四的基础上，用“10分钟总电压平均值”除以单体个数得到“10分钟单体电压平均值”，当得到的“10分钟单体电压平均值”大于2.25V时，则此10分钟的电池状态判定为充电状态，当得到的“10分钟单体电压平均值”小于等于2.25V时,执行步骤六；

步骤六、当10分钟内有任意一个“1分钟电池状态”是“非静置”，则判定此10分钟的电池状态为放电状态，否则，执行步骤七；

步骤七、如果“10分钟总电压最大值”与“10分钟总电压最小值”之差小于0.2V，则判定此10分钟内的电池状态为“静置状态”，否则，执行步骤八；

步骤八、如果第10分钟的“1分钟总电压平均值”减去第1分钟的“1分钟总电压平均值”的值大于0.2V，则判定此10分钟内的电池状态为充电状态，否则，此10分钟内的电池状态维持上一个10分钟的电池状态不变。

2.应用权利要求1所述判断方法的一种基于车联网应用的电池管理系统，其特征在于：所述电池管理系统包括电解液液位传感器(1)、电流传感器(2)、监控终端(3)和车联网管理平台(4)，所述电解液液位传感器(1)、电流传感器(2)分别采集铅酸蓄电池电解液液位信号(11)、铅酸蓄电池放电电流信号(12)，并分别输入至监控终端(3)，所述监控终端(3)直接检测铅酸蓄电池电压信号(13)，所述监控终端执行权利要求1所述的各个步骤。

3.根据权利要求2所述的一种基于车联网应用的电动叉车车载铅酸蓄电池管理系统，其特征在于：所述监控终端(3)包括信号处理单元(32)，所述信号处理单元(32)接收铅酸蓄电池电解液液位信号(11)、铅酸蓄电池放电电流信号(12)和铅酸蓄电池电压信号(13)。

4.根据权利要求3所述的一种基于车联网应用的电池管理系统，其特征在于：所述监控终端(3)还包括微处理器单元(31)，所述微处理器单元(31)将铅酸蓄电池电解液液位信号(11)、铅酸蓄电池放电电流信号(12)和铅酸蓄电池电压信号(13)转换为铅酸蓄电池电解液液位数字信号(21)、铅酸蓄电池放电电流数字信号(22)和铅酸蓄电池电压数字信号(23)。

5.根据权利要求4所述的一种基于车联网应用的电池管理系统，其特征在于：所述监控终端(3)还包括远程通讯单元(33)，所述远程通讯单元(33)将铅酸蓄电池电解液液位数字信号(21)、铅酸蓄电池放电电流数字信号(22)和铅酸蓄电池电压数字信号(23)分别发送至车联网管理平台(4)。

6.根据权利要求5所述的一种基于车联网应用的电池管理系统，其特征在于：所述监控终端(3)定时向车联网管理平台(4)发送电池状态信息、总电压信息、总电流信息和液位状态信息，车联网管理平台(4)接收监控终端上报的数据，经解析后写入数据库，管理人员登录车联网管理平台(4)，通过电池工作曲线图、充电图主动查看电池的运行情况。

7.根据权利要求6所述的一种基于车联网应用的电池管理系统，其特征在于：所述电池状态信息根据权利要求1所述方法由微处理器单元(31)进行数据处理。

8.根据权利要求6所述的一种基于车联网应用的电池管理系统，其特征在于：电池电量信息根据电池状态，采用基于电压采样的电池电量计算方法，具体包括：

(1)当电池状态为充电状态时，所述电池电量的计算公式如下：

其中：充电状态空电单体电压取值为2.2V,充电状态满电单体电压取值为2.35V；

(2)当电池状态为放电状态时，所述电池电量的计算公式如下：

其中：放电状态空电单体电压为1.73V，放电状态满电单体电压为2.04V；

(3)当电池状态为静置时，电量保持不变。

9.根据权利要求6所述的一种基于车联网应用的电池管理系统，其特征在于：所述总电流信息由监控终端采样电流传感器输出的信号，并换算为电流值，具体换算方法：每100毫秒采样一次电流传感器输出的电压值，每1秒钟可得到10个电压值，对其去极值、求平均后，得到这一秒的电流传感器输出电压值，然后根据以下公式计算实际电流值：

10.根据权利要求9所述的一种基于车联网应用的电池管理系统，其特征在于：所述电流传感器的输出信号范围是0至+5V，对应采样电流范围是-300A至+300A，其中0至+2.5V对应-300A至0A，+2.5V至+5.0V对应0A至+300A。

Images