CN112349988A - 一种车辆蓄电池在线监测装置及自适应充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆蓄电池在线监测装置及自适应充电方法，涉及车辆蓄电池管理技术领域，包括蓄电池状态检测模块，与蓄电池连接，用于采集蓄电池参数；全集成自动化控制系统，与蓄电池状态检测模块连接，用于接收所述蓄电池参数，并根据蓄电池参数判断蓄电池状态；还用于根据蓄电池状态发送自适应充电指令或放电指令；蓄电池充放电执行系统，与蓄电池和全集成自动化控制系统连接，用于接收所述自适应充电指令或所述放电指令，并根据自适应充电指令对蓄电池进行自适应充电，根据放电指令对蓄电池进行放电。本发明将蓄电池监测与维护相结合，在进行蓄电池状态监测的同时还能够对多辆车辆的蓄电池进行充放电维护，保障电池一直处于良好状态。

Description

一种车辆蓄电池在线监测装置及自适应充电方法

技术领域

本发明涉及车辆蓄电池管理技术领域，特别是涉及一种车辆蓄电池在线监测装置及自适应充电方法。

背景技术

现有的车辆蓄电池在线监测系统，主要着重于车辆蓄电池状态监测进行故障分析以及定位系统中的故障电池，然后给出维护方案，仍需要人工将故障电池取出，另外现有的车辆蓄电池在线监测系统无法将蓄电池监测与维护相结合，因此，本领域亟需一种新的车辆蓄电池在线监测系统，在进行多辆车辆的蓄电池状态监测的同时还能够对多辆车辆的蓄电池进行充放电维护，保障电池一直处于良好状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种车辆蓄电池在线监测装置及自适应充电方法，将蓄电池监测与维护相结合，在进行蓄电池状态监测的同时还能够对多辆车辆的蓄电池进行充放电维护，保障电池一直处于良好状态。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种车辆蓄电池在线监测装置，所述装置包括：

蓄电池状态检测模块，通过车辆上的充电接口与蓄电池连接，用于采集蓄电池参数；所述蓄电池参数包括蓄电池电压和蓄电池电流；

全集成自动化控制系统，与所述蓄电池状态检测模块连接，用于接收所述蓄电池状态检测模块发送的所述蓄电池参数，并根据所述蓄电池参数判断蓄电池状态，根据所述蓄电池状态生成自适应充电指令或放电指令；所述蓄电池状态包括蓄电池亏电、蓄电池电量富余和蓄电池故障；

蓄电池充放电执行系统，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述自适应充电指令或所述放电指令，并根据所述自适应充电指令对蓄电池进行自适应充电，或根据所述放电指令对蓄电池进行放电。

可选地，所述蓄电池状态检测模块包括：

电压检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于采集所述蓄电池电压，并将所述蓄电池电压发送给所述全集成自动化控制系统；

电流检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于采集所述蓄电池电流，并将所述蓄电池电流发送给所述全集成自动化控制系统；

温度检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于采集蓄电池温度，并将所述蓄电池温度发送给所述全集成自动化控制系统。

可选地，所述全集成自动化控制系统包括：

HMI触摸屏，用于输入当前的工作模式；所述工作模式包括平时模式和作战时模式；所述平时模式对应的蓄电池亏电为蓄电池容量低于额定容量的80％；所述作战时模式对应的蓄电池亏电为蓄电池容量低于额定容量的20％；

PLC，分别与所述蓄电池状态检测模块、所述蓄电池充放电执行系统和所述HMI触屏系统连接，用于接收所述HMI触屏系统发送的所述工作模式和所述蓄电池状态检测模块发送的所述蓄电池参数，并根据所述蓄电池参数判断蓄电池状态，根据所述工作模式和所述蓄电池状态生成自适应充电指令或放电指令给所述蓄电池充放电执行系统。

可选地，所述蓄电池充放电执行系统包括：

充电单元，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述自适应充电指令，并根据所述自适应充电指令对蓄电池进行充电；

放电单元，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述放电指令，并根据所述放电指令对蓄电池进行放电。

可选地，所述充电单元包括：

第一微控制器，与所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述自适应充电指令和所述蓄电池参数，根据所述自适应充电指令发送充电开始指令；还用于根据所述蓄电池参数计算蓄电池容量，当所述蓄电池容量达到额定容量时，发送充电停止指令；

第一驱动电路，与所述第一微控制器连接，用于根据所述第一微控制器发送的所述充电开始指令生成第一驱动开始信号，根据所述第一微控制器发送的所述充电停止指令生成第一驱动停止信号；

充电输出电路，与蓄电池和所述第一驱动电路连接，用于根据所述第一驱动电路发送的所述第一驱动开始信号为蓄电池充电，或者根据所述第一驱动电路发送的所述第一驱动停止信号停止为蓄电池充电。

可选地，所述放电单元包括：

放电时间设置子单元，用于输入放电时间；

第二微控制器，分别与所述全集成自动化控制系统和所述放电时间设置子单元连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述放电指令、所述蓄电池参数和所述放电时间设置子单元发送的所述放电时间，根据所述放电指令、所述蓄电池参数和所述放电时间，计算需要发送的放电开始指令个数，并发送所述放电开始指令；还用于当所述蓄电池电压达到9.5v时，发送放电停止指令；

第二驱动电路，与所述第二微控制器连接，用于根据所述第二微控制器发送的所述放电开始指令生成第二驱动开始信号，根据所述第二微控制器发送的所述放电停止指令生成第二驱动停止信号；

多个放电电阻，均与蓄电池和所述第二驱动电路连接，用于根据所述第二驱动电路发送的所述第二驱动开始信号为蓄电池放电，或者根据所述第二驱动电路发送的所述第二驱动停止信号停止为蓄电池放电。

可选地，所述装置还包括：

远程终端监控系统，与所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述蓄电池参数和所述蓄电池温度，并对所述蓄电池参数和所述蓄电池温度进行数字化显示。

本发明还提供了如下方案：

一种自适应充电方法，所述方法包括：

步骤S1：获取初始充电过程中电压的最大值；

步骤S2：根据公式i(t)＝i(t-1)[1-e(R*ΔV)]计算t时刻充电电流；式中，i(t)表示t时刻充电电流，i(t-1)表示t-1时刻充电电流，i(t-1)的初始值为1.02C～1.05C，C表示蓄电池容量，e表示自然指数项，R表示所述充电单元中所有电阻的总和，ΔV表示所述初始充电过程中电压的最大值与t-1时刻充电电压的差值，所述t-1时刻充电电压的初始值为1.08V-1.11V，V表示蓄电池额定电压；

步骤S3：对蓄电池进行充电；充电过程中的充电电流为所述t时刻充电电流；

步骤S4：判断所述蓄电池容量是否达到蓄电池额定容量；若是，则执行步骤S5；若否，则执行步骤S2；

步骤S5：停止对蓄电池进行充电。

可选地，所述获取初始充电过程中电压的最大值，之前还包括：

对车辆中的蓄电池放电一次；

根据马斯曲线对放完电后的蓄电池进行初始充电，得到初始充电过程中电压随时间的变化曲线；所述马斯曲线为电流随时间的变化曲线；

根据所述电压随时间的变化曲线获取初始充电过程中电压的最大值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的车辆蓄电池在线监测装置及自适应充电方法，设置蓄电池充放电执行系统，根据蓄电池状态检测模块检测的蓄电池参数对蓄电池进行充放电维护，从而将蓄电池监测与维护相结合，在进行蓄电池状态监测的同时还能够对多辆车辆的蓄电池进行充放电维护，保障电池一直处于良好状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明车辆蓄电池在线监测装置实施例的结构图；

图2为本发明车辆蓄电池在线监测装置实施例的内部结构图；

图3为本发明自适应充电方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种车辆蓄电池在线监测装置及自适应充电方法，将蓄电池监测与维护相结合，在进行蓄电池状态监测的同时还能够对多辆车辆的蓄电池进行充放电维护，保障电池一直处于良好状态。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明车辆蓄电池在线监测装置实施例的结构图。图2为本发明车辆蓄电池在线监测装置实施例的内部结构图。参见图1和图2，该车辆蓄电池在线监测装置包括：

蓄电池状态检测模块101，即蓄电池状态探测算法电路，通过车辆上的充电接口与车辆内的蓄电池连接，用于采集蓄电池参数；车辆内的蓄电池为一整块蓄电池；所述蓄电池参数包括蓄电池电压和蓄电池电流。

该蓄电池状态检测模块101包括：

电压检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统102连接，用于采集所述蓄电池电压，并将所述蓄电池电压发送给所述全集成自动化控制系统102。

电流检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统102连接，用于采集所述蓄电池电流，并将所述蓄电池电流发送给所述全集成自动化控制系统102。

温度检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统102连接，用于采集蓄电池温度，并将所述蓄电池温度发送给所述全集成自动化控制系统102。

其中，电压检测电路与蓄电池输出端正负极连接，电流检测电路与充电回路电阻相连，温度检测电路与充电接口相连。电压检测电路检测蓄电池输出端口电压，电流检测电路通过充电回路中电阻的电压和电阻来计算电流。三个检测电路主要器件均为传感器，电压检测电路包括电压传感器，电流检测电路包括电流传感器，温度检测电路包括温度传感器。电压检测电路通过线性光耦器件将信号与全集成自动化控制系统隔离，再通过运放将线性光耦器件输出的电流信号转化成输出电压信号，通过A/D转换器转换送入全集成自动化控制系统。其中，线性光耦器件的输入端与传感器相连，输出端与A/D转换器连接。电流检测电路中的电流传感器，连接充电回路的电阻，通过检测充电回路电阻两端的电压，并通过计算其与充电回路电阻的比值，得到电流。温度检测电路采用数字温度传感器集成在与蓄电池连接的充放电接口(充电接口)处，当温度变化超过阈值后将通过A/D转换器转换成数字信号。三个检测电路检测到的蓄电池状态信号通过A/D转换器转换成数字信号传输给全集成自动化控制系统，全集成自动化控制系统将采集的数据与设定阈值进行比对，进行数据分析，判断当前蓄电池状态。依据蓄电池实时电压、电流和温度来判断蓄电池是否亏电或存在故障有行业通行标准，不同类型的蓄电池的标准不同，一般来说，正常充电：蓄电池电压值逐渐上升到最高而稳定时(根据初始充电过程判断电压最高值)，可认为蓄电池充满容量，电解液温度不超过35℃。正常放电：电压低到1.8V停止放电。限流及短路保护：当直流输出电流超出整定的限流值(1-100A)时，应具有限流功能，限流值整定范围为直流输出额定值的50％-105％，短路电流整定值为额定电流的115％。更换标准：若放充三次均达不到额定容量的80％，电解液的温度超过35℃，可判断此组蓄电池使用年限已到或出现无法维护的故障，并安排更换。

该蓄电池状态检测模块101获取的蓄电池数据(蓄电池电压、蓄电池电流、蓄电池内阻和蓄电池容量)，这些数据由检测系统软件收集整理，形成图表。其中，蓄电池容量根据蓄电池内阻计算得到；蓄电池内阻根据蓄电池电压和蓄电池电流计算得到。

该蓄电池状态检测模块101通过束线连接器连接蓄电池正极，并采用LoRa扩频无线协议将探查到的蓄电池参数传递到全集成自动化控制系统。

现有的蓄电池状态算法电路，需要一个交流电开关，先给予蓄电池一个交流电，通过反馈测得电池当下相关状态，本实施例设计的蓄电池状态探测算法电路是在车辆蓄电池在线监测装置第一次进行充放电操作的同时，将采集的蓄电池在充放电过程中的电压、电流及温度数据作为初始比照数据，后续的充电维护过程中，车辆蓄电池在线监测装置仍时刻采集蓄电池相关数据，判断蓄电池运转是否良好，是否需要充放电或维护。

全集成自动化控制系统102，与所述蓄电池状态检测模块101连接，用于接收所述蓄电池状态检测模块101发送的所述蓄电池参数，并根据所述蓄电池参数判断蓄电池状态，根据所述蓄电池状态生成自适应充电指令或放电指令。

该全集成自动化控制系统102包括：

HMI触摸屏，用于输入当前的工作模式；所述工作模式包括平时模式和作战时模式；当所述工作模式为平时模式时，所述蓄电池状态包括蓄电池亏电(电量在20％以下)、蓄电池电量富余(电量在90％以上)和蓄电池故障(短路和硫化)；当所述工作模式为作战时模式时，所述蓄电池状态包括蓄电池亏电(电量在80％以下)、蓄电池电量富余(电量在90％以上)和蓄电池故障(短路和硫化)；即所述平时模式和所述作战时模式的区别仅在于：所述平时模式对应的蓄电池亏电为蓄电池容量低于额定容量的80％；所述作战时模式对应的蓄电池亏电为蓄电池容量低于额定容量的20％。

PLC，分别与所述蓄电池状态检测模块101、所述蓄电池充放电执行系统103和所述HMI触屏系统连接，用于接收所述HMI触屏系统发送的所述工作模式和所述蓄电池状态检测模块101发送的所述蓄电池参数，并根据所述蓄电池参数判断蓄电池状态，根据所述工作模式和所述蓄电池状态生成自适应充电指令或放电指令给所述蓄电池充放电执行系统103。

该全集成自动化控制系统102主要由PLC、接触器、HMI触摸屏和继电器组成。采用组合式PLC，包括CPU模块、I/O模块、内存和底板。PLC是可编辑逻辑控制器，可以接收和发送控制指令并储存；接触器用于接通和切断负载；触摸屏用于人机交互；继电器分为输入继电器和输出继电器，用于系统电路控制。CPU模块主要用于全集成自动化控制系统102的信息处理及数据运算；I/O模块用于数模转换；内存用于计算和存储数据；底板用于组合PLC各模块，可根据需求对PLC进行定制组合。PLC由蓄电池充放电执行系统103供电，无须再加入电源模块。

蓄电池充放电执行系统103，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统102连接，用于接收所述全集成自动化控制系统102发送的所述自适应充电指令或所述放电指令，并根据所述自适应充电指令对蓄电池进行自适应充电，或根据所述放电指令对蓄电池进行放电。

该蓄电池充放电执行系统103包括：

充电单元，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统102连接，用于接收所述全集成自动化控制系统102发送的所述自适应充电指令，并根据所述自适应充电指令对蓄电池进行充电。

该充电单元包括：

第一微控制器，与所述全集成自动化控制系统102连接，用于接收所述全集成自动化控制系统102发送的所述自适应充电指令和所述蓄电池参数，根据所述自适应充电指令发送充电开始指令；还用于根据所述蓄电池参数计算蓄电池容量，当所述蓄电池容量达到额定容量时，发送充电停止指令。

第一驱动电路，与所述第一微控制器连接，用于根据所述第一微控制器发送的所述充电开始指令生成第一驱动开始信号，根据所述第一微控制器发送的所述充电停止指令生成第一驱动停止信号。

充电输出电路，与蓄电池和所述第一驱动电路连接，用于根据所述第一驱动电路发送的所述第一驱动开始信号为蓄电池充电，或者根据所述第一驱动电路发送的所述第一驱动停止信号停止为蓄电池充电。

放电单元，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统102连接，用于接收所述全集成自动化控制系统102发送的所述放电指令，并根据所述放电指令对蓄电池进行放电。

该放电单元包括：

放电时间设置子单元，用于输入放电时间。

第二微控制器，分别与所述全集成自动化控制系统和所述放电时间设置子单元连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述放电指令、所述蓄电池参数和所述放电时间设置子单元发送的所述放电时间，根据所述放电指令、所述蓄电池参数和所述放电时间，计算需要发送的放电开始指令个数，并发送所述放电开始指令；还用于当所述蓄电池电压达到9.5v时，发送放电停止指令。

第二驱动电路，与所述第二微控制器连接，用于根据所述第二微控制器发送的所述放电开始指令生成第二驱动开始信号，根据所述第二微控制器发送的所述放电停止指令生成第二驱动停止信号。

多个放电电阻，均与蓄电池和所述第二驱动电路连接，用于根据所述第二驱动电路发送的所述第二驱动开始信号为蓄电池放电，或者根据所述第二驱动电路发送的所述第二驱动停止信号停止为蓄电池放电。

该蓄电池充放电执行系统103主要由充电单元、放电单元、信号处理单元、内部切换装置和充放电线缆组成。其中，充电单元包括ADC转换器、微控制器、驱动电路(为微控制器和充电输出电路之间提供开通和关断信号)、半导体转换电路和充电输出电路(充电输出电路用于对电流进行滤波整流)。ADC转换为数模转换，将模拟信号转换为数字信号传到微控制器进行运算，微控制器再传输信号到驱动电路，经由半导体转换电路到充电输出电路。微控制器用于模拟计算充电模式，发出充电信号给驱动电路。驱动电路用于为微控制器和充电输出电路之间提供开通和关断信号。半导体转换电路用于实现电力能量空间无物理接触传输，类似于变压器，与驱动电路相结合，在实现高电源效率的同时，减小了充电单元体积和重量。充电单元接收全集成自动化控制系统102的指令，对目标蓄电池组进行充电，由ADC转换器接收从目标蓄电池组传回的电池状态信号，将信号转换后传递给微控制器，微控制器内的自适应充电模块会根据蓄电池组实时状态，给出合适的充电电流，计算出整个充电过程的预演充电轨迹和充电轨迹，通过半导体能量转换电路，配合驱动电路输出经准确计算的电压和电流。其中，充电电压及充电电流的关系可经系统采集到完整的充电过程后，由全集成自动化控制系统画出关系曲线图，充电电压是随充电电流变化的，充电时全集成自动化控制系统102主要对于充电电流进行控制。预演充电轨迹为监测蓄电池状态，基于预测模型，计算预计充电所需的电流、电压及充电时间，并绘制充电电压、电流与时间的关系曲线图，并按照曲线图进行充电。充电轨迹为根据不同蓄电池状态，全集成自动化控制系统102计算出不同的充电轨迹，是充电电压、电流与时间的关系曲线图。放电单元主要由微控制器、投切模块、电流传感器、铂热电阻和风冷无感负载组成。放电单元启动一般为人工后台操作，建议在蓄电池连续30天未启动，且电量在80％以下进行恒流放电，应用了先进的嵌入式微处理器技术，实时监控放电过程中的蓄电池电压、放电电流、放电时间、放电容量等参数。具有自动检测、延时启动、软启动、软关断的功能，放电电流范围宽，1～100A内可由用户自行设定。放电参数设置后，可自动恒流控制完成蓄电池组的容量测试。信号处理单元主要是监测数据算法模型，全集成自动化控制系统收集传回的参数信号，通过信号处理单元，也就是数据算法模型，进行计算分析，根据蓄电池状态和当前工作模式，反馈相关指令到微控制器，即根据电压、电流和电阻可计算出蓄电池当前的容量(电容量)，最终根据电容量来设置充电模式，全集成自动化控制系统设置通过电压测量判断蓄电池是否出现故障，比如电池电压下降2的倍数，可能是由于短路引起；电池电压为0，经打火无火花，为断路，电压出现负值，可能是出现反极等一系列情况会预设到全集成自动化控制系统中。由微控制器控制充放电，对故障进行报警，即由软件系统进行控制，如果是亏电情况进行自适应充电，如果是故障，则进行故障报警。信号处理单元是一个传感器信号接收终端，由数据接收电路，信号控制电路、微型CPU、点评转换电路构成，可在充放电设备启动状态下监控设备的充放电电压、电流、静止状态下电池电压等参数，并将数据通过电缆传递到全集成自动化控制系统中，由全集成自动化控制系统分析电池性能，决定充放电时间，适时报警。充电单元和放电单元由充放电机控制进行充电和放电。

该车辆蓄电池在线监测装置还包括：

远程终端监控系统104，与所述全集成自动化控制系统102连接，用于接收所述全集成自动化控制系统102发送的所述蓄电池参数和所述蓄电池温度，并对所述蓄电池参数和所述蓄电池温度进行数字化显示。

远程终端监控系统104是一种利用SIMATIC WINCC软件基于Windows操作系统的强大SCADA(Supervisory Control and DataAcquisition)软件应用系统，它包括全图形化显示过程、顺序和状态条件，生成报表和确认时间，归档测量值和消息，记录过程和归档数据，使用脚本语言，存储历史数据并支持历史数据的查询以及管理用户及访问授权。远程终端监控系统104主要用于工作人员查看在线蓄电池的状态以及手动进行充放电维护工作，将全集成自动化控制系统中的蓄电池实时状态进行图形化显示，对蓄电池电流、电压和电容量等数据进行数字化显示，并可操作形成某时间段的蓄电池状态监测报表，可以用于归档储存和打印。

该车辆蓄电池在线监测装置还包括：

通信及布线工程系统，主要是对车辆蓄电池在线监测装置的通讯网络进行布控，因为监测装置可以根据需求自由搭配需要监测的蓄电池数量，即监测装置可通过各车辆上的充电接口同时连接多辆车辆中的蓄电池，从而实现同时监测多个蓄电池组成的蓄电池组，这取决于通信与布线工程系统。通信及布线工程系统是跟随着整个车辆蓄电池在线监测装置的，每一个系统的连接都必然要接通讯网络。

该车辆蓄电池在线监测装置为装甲装备蓄电池原位充放电与在线监测系统，主要由三大网络构成：检测系统网络、充放电网络和远程监控网络。

其中，检测系统网络主要是把每辆车的蓄电池传感器采集的蓄电池信息传递到全集成自动化控制系统，此系统是通过LoRa无线模式传输数据。

充放电网络主要是每个车库内设置一台充放电一体机，最多可连接十辆车辆，同时进行充放电维护，专用充电线缆的布线网，用以实现充放电功能和装置的切换功能；还包括控制电缆线和信号电缆线等的布线网络工程。

远程监控布线网络主要是将各车库的全集成自动化控制系统连接在一起，集中连接到远程终端监控系统；通信方式包括RS485通信和TCP/IP以太网通信两种；RS485通信施工简单，费用低，但通信距离短；以太网通信需要交换机，费用高，但通信距离不受限制，稳定性好。

该车辆蓄电池在线监测装置包括主控机柜，主控机柜本身设计带有内部切换装置，内部切换装置主要是实现工作模式切换，工作模式切换主要是由软件系统控制，平时模式设置定期对监控的蓄电池监测并进行充放电维护，作战时模式对蓄电池实时监测，只要电容量低于阈值，即电量80％以下，自动启动自适应充电模式，进行快速充电，保障蓄电池一直处于高电量状态。该车辆蓄电池在线监测装置通过设置平时模式和作战时模式两种模式，当平时模式时采取常规充电维护，按周期定时进行充放电维护，当作战时模式时则是维持所有蓄电池处于高电量状态，即蓄电池实时监测，低于电量80％，系统启动自适应充电模式。全集成自动化控制系统通过对切换装置进行控制来实现对车辆(如装备车辆)充、放电操作的切换。本发明中突出平战两用设计主题，将充电单元设计成独立结构，接线部分简单易操作，拆装方便，解决了装备车辆外出训练或作战时蓄电池补充充电的需求。全集成自动化控制系统与充放电设备之间的连接线全部采用快速专用插头接线方式，接线简单明了，易于安装。

基于本实施例的车辆蓄电池在线监测装置，对车辆进行监控维护的方法步骤如下：

1、在车库中配置一个电池传感器接收终端和多个电池传感器采集模块，每个传感器采集模块包含电压传感器、温度传感器连接蓄电池状态探测算法电路，通过ADC进行AD转换，再通过485通信或LoRa无线方式连接，采集参数信息经接收终端处理传送到主机。主机将每台装备内蓄电池的信息及设备的状态信息通过485/以太网通讯线传送至后台监控系统进行图形化数字化的显示。

2、全集成自动化控制系统将蓄电池状态检测模块采集来的数据经过处理分析，将电池性能参数传递到远程终端监控系统(HMI触摸屏/远程PC机系统)实时显示并绘制成图表，再由远程终端监控系统返回数据信息到全集成自动化控制系统，控制蓄电池充放电执行系统去执行充放电工作。全集成自动化控制系统中设置采集分析数据，指挥设备控制，判断电池性能，提出报警等功能。

3、蓄电池充放电执行系统接收全集成自动化控制系统的指令，对不同状态的蓄电池进行充放电控制。

常规充电模式：

(1)蓄电池电压＜9.5v时，蓄电池处于亏电状态，蓄电池充放电执行系统按照预设指令，先对蓄电池进行维护充电，采用恒流240mA的充电电流，小电流维护充电模式可激活蓄电池达到最佳电容量状态。

(2)蓄电池电压≥9.5v时，蓄电池维护完成，激活到最佳状态，蓄电池充放电执行系统进入大电流脉冲充电程序，对蓄电池进行正负脉冲交替，正脉冲宽度为1-3秒，电池电压越低，宽度越大，负脉冲宽度为50-100秒，正负脉冲交替之间各有80毫秒间隙，充电放电循环进行，以超短时间大功率放电来消除极化，抑制温度升高，并提高蓄电池可接受的最大电流，在充电过程中，蓄电池状态检测模块收集每一次正负脉冲交替后的电池数据，实时监控蓄电池状态，不断反复判断蓄电池可接受最大电流，依照计算模型自动确定充电参数(充电电压、充电电流和充电时间)，直到蓄电池电量达到系统预设阈值后，进入浮充充电程序。

(3)蓄电池状态检测模块收集到电池容量在95％以上，蓄电池充放电执行系统输出低压、低电流对蓄电池进行在线维护，防止蓄电池自放电，同时增加充电深度，输出电压为蓄电池断路电压的115％-120％。这一步骤的目的是防止蓄电池自放电，同时增加充电深度。

该常规充电模式与上述“当工作模式为平时模式时，蓄电池状态包括蓄电池亏电(电量在20％以下)、蓄电池电量富余(电量在90％以上)和蓄电池故障(短路和硫化)；当工作模式为作战时模式时，蓄电池状态包括蓄电池亏电(电量在80％以下)、蓄电池电量富余(电量在90％以上)和蓄电池故障(短路和硫化)”是两种判断标准，该常规充电模式是以电压为标准判断蓄电池状态，而上述“当工作模式为平时模式时，蓄电池状态包括蓄电池亏电(电量在20％以下)、蓄电池电量富余(电量在90％以上)和蓄电池故障(短路和硫化)；当工作模式为作战时模式时，蓄电池状态包括蓄电池亏电(电量在80％以下)、蓄电池电量富余(电量在90％以上)和蓄电池故障(短路和硫化)”则是以电量为标准判断蓄电池状态。

该常规充电模式主要是针对平时状态，电压低于9.5v是针对平时状态时电量低于额定容量20％，当电量上升到额定容量20％以上，电压也相应的提高到9.5v以上，此时进行大电流脉冲充电。

此外，蓄电池处于亏电状态时，是先进行维护激活，把电池激活到最佳状态后，再进行充电，因为大电流脉冲充电以极限电流充电达到充电速度最快的效果，对蓄电池状态要求较高，因此当蓄电池处于亏电状态时，不能直接进行大电流脉冲充电。

放电维护程序：

装备车辆由于长期存于库中，有时会数月不出库，所以需要定期对车载蓄电池进行放电维护，放电单元对达到维护条件的蓄电池进行原位恒流放电，放电单元内置微控制系统，实时监控放电过程中的蓄电池电压、放电电流、放电时间和放电容量，自动实时检测蓄电池放电状态，通过模型测算不同蓄电池状态下的放电曲线。放电电流范围宽，1～100A内可由用户自行设定。放电参数设置后，可自动恒流控制完成蓄电池组的容量测试。

图3为本发明自适应充电方法实施例的流程图。该自适应充电方法应用于全集成自动化控制系统中的PLC中，参见图3，该自适应充电方法包括：

步骤S1：获取初始充电过程中电压的最大值。

该步骤S1之前还包括：

对车辆中的蓄电池放电一次。

根据马斯曲线对放完电后的蓄电池进行初始充电，得到初始充电过程中电压随时间的变化曲线；所述马斯曲线为电流随时间的变化曲线。

根据所述电压随时间的变化曲线获取初始充电过程中电压的最大值。

车辆蓄电池在线监测装置初次连接需监测的蓄电池后，会进行一次充放电操作，先放电再充电，这个过程中，全集成自动化控制系统会采集充放电过程中的电压及电流关系图，不同蓄电池种类或组数会造成电压与电流关系的变化。具体的初始充电过程为：连接目标蓄电池组后，先进行通电检测，在首次对蓄电池组进行通电维护的时候会进行一个放电充电过程，第一次通电维护程序中预设蓄电池充电过程中可接受的最大电流符合马斯曲线规律，记录全充电过程中对蓄电池内阻进行实时测量，并记录内阻变化对应电容量变化，描绘对应关系曲线，寻找到该蓄电池的内阻与电容量之间的关系函数，然后根据实时电阻测算电压变化率，根据公式V＝V0-I*电阻(V为电池电压，V0为开路电压，I为蓄电池或蓄电池组的放电电流，电阻为实时电阻)可获得每个时间点的实时电压，由全集成自动化控制系统描绘出该蓄电池充电状态下的电压变化曲线图，同时描绘电压与电容量的对应关系曲线。在自适应充电过程中需实时监测电压，大电流脉冲充电过程中允许短时间的过压充电，电池电压设定不超过额定值的5％，根据蓄电池实时电容量设定初始可接受电流。

步骤S2：根据公式i(t)＝i(t-1)[1-e(R*ΔV)]计算t时刻充电电流；式中，i(t)表示t时刻充电电流，i(t-1)表示t-1时刻充电电流，i(t-1)的初始值为1.02C～1.05C，C表示蓄电池容量，e表示自然指数项，R表示所述充电单元中所有电阻的总和，ΔV表示所述初始充电过程中电压的最大值与t-1时刻充电电压的差值，所述t-1时刻充电电压的初始值为1.08V-1.11V，V表示蓄电池额定电压。

其中，R为充电单元的充电回路中电容电池、微控制器、输入滤波器、驱动电路、变压器、整流器和输出滤波器的电阻之和。

步骤S3：对蓄电池进行充电；充电过程中的充电电流为所述t时刻充电电流。

步骤S4：判断所述蓄电池容量是否达到蓄电池额定容量；若是，则执行步骤S5；若否，则执行步骤S2。

步骤S5：停止对蓄电池进行充电。

该自适应充电方法在蓄电池亏电时，采用自适应充电模式，按照充电预测模型(上述自适应充电方法)进行充电。在蓄电池电量充足状态下无须充电，作战时保持时刻通电监测，平时保持一定频率通电检测。在蓄电池故障时，分为两种情况：(1)电池硫化导致的电池失效、充电时电压上升快、充电升温快、放电电压下降快、电池容量小、充不进电和欠压短路等故障，可采用大功率脉冲放电进行电池修复；(2)电池物理损坏造成的电池失水、补液含有杂质、电池内部极板弯曲和活性物质膨胀或脱落等损耗，这种故障无法进行维护会在后台进行报警，提示工作人员将故障电池取出更换新电池。

本发明基于全集成自动化控制系统中编辑的自适应充电技术模型，采集蓄电池参数，通过公式i(t)＝i(t-1)[1-e(R*ΔV)]计算该蓄电池或蓄电池组可接受的最大充电电流，计算充电电压的变化曲线，以保证每一时刻给予蓄电池所能承受的最大充电电流，提高充电速度及效率，同时控制电池升温，保障无酸雾析出，消除常规充电过程中电解液温升和水耗对电池带来的损害。蓄电池硫酸化修复，采用大功率脉冲充放电实现，脉冲放电电流：1C(C为实时蓄电池容量)，放电时间：≤0.1s，大功率短时间放电的目的是减少气体析出，缓解电池内活性物质硫酸盐化。本发明通过采用自主研发的智能自适应充电技术，即上述自适应充电方法，能够自适应蓄电池性能变化，提高蓄电池的充电性能，精确计算任何环境下，任何工况时蓄电池充电参数值，可达到理想的充电效果。而且充电速度快，效率高，正常情况下，充电时间只需要3～5小时，补充充电时间小于1小时，硫酸化电池修复时间最长不大于10小时，充电质量好，能够提高蓄电池的大电流启动能力2倍以上。智能化程度高，出现充电不足和电池充满情况以及过流情况下会自动报警，保障了操作工及设备的安全。对蓄电池具有自行维护的性能，通过本机充电可使产生硫酸化的电池得到修复，延长蓄电池的使用寿命2～3倍以上。在充电过程中，温升低，无酸雾析出，消除了常规充电机充电过程中电解液温升和水损耗对电池带来的损害，满足了对蓄电池进行在线(不离车)充电的工作环境的基本要求。

现有的蓄电池在线监测系统，主要着重于蓄电池状态监测进行故障分析，并定位系统中的故障电池，然后给出维护方案，仍需要人工将故障电池取出，再另外进行检测维修或者充放电维护。本发明将蓄电池监测与维护相结合，可以对整个电池组进行充放电维护，保障电池一直处于良好状态，提高车辆机动性，覆盖蓄电池监测、维护全过程，以保障车辆或设备正常作业为最终目的，其适用性广、功能延伸性强，不仅帮客户筛选出亏电及故障电池，还可根据程序设定及时对电量不足电池进行自适应充电，同时对产生硫化的蓄电池直接进行活化维护。且系统设计针对野外应急作业需求，可在-40℃-60℃环境下正常工作，适应高寒高海拔地区及高湿高盐碱地区的恶劣环境，极大地满足了军队或应急装备车辆的机动性要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种车辆蓄电池在线监测装置，其特征在于，所述装置包括：

蓄电池状态检测模块，通过车辆上的充电接口与蓄电池连接，用于采集蓄电池参数；所述蓄电池参数包括蓄电池电压和蓄电池电流；

全集成自动化控制系统，与所述蓄电池状态检测模块连接，用于接收所述蓄电池状态检测模块发送的所述蓄电池参数，并根据所述蓄电池参数判断蓄电池状态，根据所述蓄电池状态生成自适应充电指令或放电指令；所述蓄电池状态包括蓄电池亏电、蓄电池电量富余和蓄电池故障；

蓄电池充放电执行系统，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述自适应充电指令或所述放电指令，并根据所述自适应充电指令对蓄电池进行自适应充电，或根据所述放电指令对蓄电池进行放电。

2.根据权利要求1所述的车辆蓄电池在线监测装置，其特征在于，所述蓄电池状态检测模块包括：

电压检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于采集所述蓄电池电压，并将所述蓄电池电压发送给所述全集成自动化控制系统；

电流检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于采集所述蓄电池电流，并将所述蓄电池电流发送给所述全集成自动化控制系统；

温度检测电路，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于采集蓄电池温度，并将所述蓄电池温度发送给所述全集成自动化控制系统。

3.根据权利要求1所述的车辆蓄电池在线监测装置，其特征在于，所述全集成自动化控制系统包括：

HMI触摸屏，用于输入当前的工作模式；所述工作模式包括平时模式和作战时模式；所述平时模式对应的蓄电池亏电为蓄电池容量低于额定容量的80％；所述作战时模式对应的蓄电池亏电为蓄电池容量低于额定容量的20％；

PLC，分别与所述蓄电池状态检测模块、所述蓄电池充放电执行系统和所述HMI触屏系统连接，用于接收所述HMI触屏系统发送的所述工作模式和所述蓄电池状态检测模块发送的所述蓄电池参数，并根据所述蓄电池参数判断蓄电池状态，根据所述工作模式和所述蓄电池状态生成自适应充电指令或放电指令给所述蓄电池充放电执行系统。

4.根据权利要求1所述的车辆蓄电池在线监测装置，其特征在于，所述蓄电池充放电执行系统包括：

充电单元，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述自适应充电指令，并根据所述自适应充电指令对蓄电池进行充电；

放电单元，分别与蓄电池和所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述放电指令，并根据所述放电指令对蓄电池进行放电。

5.根据权利要求4所述的车辆蓄电池在线监测装置，其特征在于，所述充电单元包括：

第一微控制器，与所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述自适应充电指令和所述蓄电池参数，根据所述自适应充电指令发送充电开始指令；还用于根据所述蓄电池参数计算蓄电池容量，当所述蓄电池容量达到额定容量时，发送充电停止指令；

第一驱动电路，与所述第一微控制器连接，用于根据所述第一微控制器发送的所述充电开始指令生成第一驱动开始信号，根据所述第一微控制器发送的所述充电停止指令生成第一驱动停止信号；

充电输出电路，与蓄电池和所述第一驱动电路连接，用于根据所述第一驱动电路发送的所述第一驱动开始信号为蓄电池充电，或者根据所述第一驱动电路发送的所述第一驱动停止信号停止为蓄电池充电。

6.根据权利要求4所述的车辆蓄电池在线监测装置，其特征在于，所述放电单元包括：

放电时间设置子单元，用于输入放电时间；

第二微控制器，分别与所述全集成自动化控制系统和所述放电时间设置子单元连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述放电指令、所述蓄电池参数和所述放电时间设置子单元发送的所述放电时间，根据所述放电指令、所述蓄电池参数和所述放电时间，计算需要发送的放电开始指令个数，并发送所述放电开始指令；还用于当所述蓄电池电压达到9.5v时，发送放电停止指令；

第二驱动电路，与所述第二微控制器连接，用于根据所述第二微控制器发送的所述放电开始指令生成第二驱动开始信号，根据所述第二微控制器发送的所述放电停止指令生成第二驱动停止信号；

多个放电电阻，均与蓄电池和所述第二驱动电路连接，用于根据所述第二驱动电路发送的所述第二驱动开始信号为蓄电池放电，或者根据所述第二驱动电路发送的所述第二驱动停止信号停止为蓄电池放电。

7.根据权利要求2所述的车辆蓄电池在线监测装置，其特征在于，所述装置还包括：

远程终端监控系统，与所述全集成自动化控制系统连接，用于接收所述全集成自动化控制系统发送的所述蓄电池参数和所述蓄电池温度，并对所述蓄电池参数和所述蓄电池温度进行数字化显示。

8.一种自适应充电方法，应用于权利要求4所述的装置，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：获取初始充电过程中电压的最大值；

步骤S2：根据公式i(t)＝i(t-1)[1-e(R*ΔV)]计算t时刻充电电流；式中，i(t)表示t时刻充电电流，i(t-1)表示t-1时刻充电电流，i(t-1)的初始值为1.02C～1.05C，C表示蓄电池容量，e表示自然指数项，R表示所述充电单元中所有电阻的总和，ΔV表示所述初始充电过程中电压的最大值与t-1时刻充电电压的差值，所述t-1时刻充电电压的初始值为1.08V-1.11V，V表示蓄电池额定电压；

步骤S3：对蓄电池进行充电；充电过程中的充电电流为所述t时刻充电电流；

步骤S4：判断所述蓄电池容量是否达到蓄电池额定容量；若是，则执行步骤S5；若否，则执行步骤S2；

步骤S5：停止对蓄电池进行充电。

9.根据权利要求8所述的自适应充电方法，其特征在于，所述获取初始充电过程中电压的最大值，之前还包括：

对车辆中的蓄电池放电一次；

根据马斯曲线对放完电后的蓄电池进行初始充电，得到初始充电过程中电压随时间的变化曲线；所述马斯曲线为电流随时间的变化曲线；

根据所述电压随时间的变化曲线获取初始充电过程中电压的最大值。

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