CN114523850B - 一种电动车直流电源系统电火花故障报警器及报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车直流电源系统电火花故障报警器及报警方法，包括有充电接触开关、放电接触开关和电弧测控模块；所述电弧测控模块包括电流采样传感器、直流电流信号调理电路、直流双向模拟数字转换器、交流电流信号调理电路、交流双向模拟数字转换器、微处理器。所述微处理器中包含放电数据库和充电数据库，分别存储放电故障电弧特征标志和充电故障电弧特征标志。本发明利用充电和放电时正常开关电弧和故障电弧特征标志不同这一特性，可以提前预警线路问题或电池问题引起火灾。本发明能精确捕捉充放电故障电弧特征标志，判断是否有故障电弧，预警早，报警快，为电动车用户提供充足的处理时间，因而可以有效的防止电动车火灾的发生。

Description

一种电动车直流电源系统电火花故障报警器及报警方法

技术领域

本发明涉及智能检测技术领域，具体涉及一种电动车电池在线充放电过程中的故障电弧检测设施，更具体的说，涉及一种电动车直流电源系统电火花故障报警器及报警方法。

背景技术

目前我国电动车的保有量逐年增加，而各地与电动车有关的火灾事故时有发生，严重影响了人民生命财产的安全。现有电动车充电过程是通过电动车的充电电池外接充电器，由所述充电器为所述充电电池进行充电，放电过程则是由所述充电电池向电动车的放电负载供电。

而在电动车电池充电充放电过程中，火灾时有发生，所以预防火灾是电动车安全要求的当务之急。由于电池充放电是一个化学过程，所以电池是火灾产生的能量源。电动车直流电源系统一般是用测量电池的温度变化的方法监视电池的工作状态，当电池温度有突变升高时，预示电池有起火的可能，温度变化滞后性很大，能提供的预警时间短。故障电弧是引发火灾的信号，这个可以称作有害电弧，故障电弧是电器装置火灾发生的预警信号，对电动车直流电源系统也是如此。及时捕捉预警信号就可以有效的防止火灾等重大事故产生。

原有的电火灾预警检测主要是测温的方法，由于温度的变化滞后较大，灵敏度不高，温度传递比较慢，如果发热点和温度传感器较远，就可能不能及时报警。因此电火灾预警效率不高，发生火灾的概率就大。而电火灾发生前总是会产生故障电弧，不同的电故障产生的故障电弧在电流线路中有不同的变化特性。

本发明是故障电弧检测的技术方案，可以在充电电池故障或电器负载故障产生故障电弧时，在温度升高前发出火灾预警，进而使用户可以及时采取相应的安全措施，防止火灾发生，保护人民的生命财产安全。

发明内容

本发明为了有效地解决以上技术问题，本发明提供了一种电动车直流电源系统电火花故障报警器，以满足电动车电池在线充放电过程中安全防火的需求。

一种电动车直流电源系统电火花故障报警器，包括充电接触开关、放电接触开关和电弧测控模块，由电动车的充电电池分别连接所述放电接触开关和所述充电接触开关，所述放电接触开关连接所述电动车的放电负载；充电状态时，所述充电接触开关连接充电器；所述充电电池包括充电电池入口、充电电池出口、地线入口和地线出口；所述充电电池入口和所述充电电池出口在所述充电电池的正极性上，所述地线入口和所述地线出口在所述充电电池的负极性上；所述电弧测控模块连接于所述充电接触开关和所述放电接触开关之间。

进一步的，所述电弧测控模块包括电流采样传感器、直流电流信号调理电路、直流双向模拟数字转换器、交流电流信号调理电路、交流双向模拟数字转换器、微处理器和通信模块；所述充电电池入口、所述电流采样传感器和所述充电电池出口依次串联在所述充电电池的正极性上，所述电流采样传感器的信号输出分别连接所述直流电流信号调理电路和所述交流电流信号调理电路；所述直流电流信号调理电路连接所述直流双向模拟数字转换器，所述交流电流信号调理电路连接所述交流双向模拟数字转换器；所述微处理器分别连接所述直流双向模拟数字转换器和所述交流双向模拟数字转换器；所述通信模块的一端连接微处理器，所述通信模块的另一端外接外部通信装置；所述微处理器中包含放电数据库和充电数据库，所述放电数据库和所述充电数据库分别存储放电故障电弧特征标志和充电故障电弧特征标志，所述微处理器还存储正常开关电弧特征标志；所述微处理器还连接报警器。

进一步的，所述电弧测控模块包括电压采样变换器，所述电压采样变换器的一端连接所述充电电池的正极性，所述电压采样变换器的另一端连接所述微处理器。

进一步的，所述报警器为声光报警器。

进一步的，还包括保护板，所述保护板作为所述充电电池和所述电动车直流电源系统电火花故障报警器的外壳。

进一步的，所述充电器上安装散热器，所述散热器为风扇。

进一步的，所述充电电池为锂电池、铅酸电池、镍氢电池或镍镉电池。

一种电动车直流电源系统电火花故障报警方法，使用所述电动车直流电源系统电火花故障报警器，步骤为：

第一步：将正常开关电弧、充电故障电弧、放电故障电弧经过数据处理后得到的若干所述正常开关电弧特征标志、若干所述充电故障电弧特征标志、若干所述放电故障电弧特征标志都存储在所述微处理器中；

第二步：采集所述电弧测控模块中的电信数据，计算电弧特征标志；

第三步：将所述电弧特征标志与若干所述正常开关电弧特征标志进行比较，判断是否为正常充放电状态，如果是所述正常充放电状态，则返回继续预警状态，如果不是所述正常充放电状态，则判断是充电状态还是放电状态，如果是所述放电状态，则把所述电弧特征标志与所述放电数据库的放电故障电弧特征标志进行比较，判断是否出现所述放电故障电弧；如果是所述充电状态，则把所述电弧特征标志与所述充电数据库的充电故障电弧特征标志进行比较，判断是否出现所述充电故障电弧；

第四步：根据第三步判断结果，如果出现所述放电故障电弧或所述充电故障电弧，则所述微处理器输出报警信号给所述报警器后返回进入所述预警状态，如果判断未出现所述放电故障电弧或所述充电故障电弧，则判断为所述正常开关电弧后返回继续所述预警状态。

进一步的，所述第二步中，所述电信数据分别为，由所述直流电流信号调理电路和所述直流双向模拟数字转换器处理得到的直流电流数据，由所述交流电流信号调理电路和所述交流双向模拟数字转换器处理得到的交流电流数据，以及由所述电压采样变换器处理得到的采样电压数据；所述第三步中，通过所述直流电流数据的极性信息判断是所述充电状态还是所述放电状态。

本发明的有益效果是：

1.本发明是一种串并联在电动车的充电电池和放电负载端口之间的电器，不影响电动车原来的电器结构，不影响电动车的正常操作，能够精确捕捉正常开关电弧和故障电弧特征标志，给出是否产生故障电弧的判断，做到提前预警，预警时间长，报警快，为电动车使用者提供充足的处理时间，因而可以有效的防止电动车火灾的发生。

2.本发明能够接入电动车的充电电池，利用充放电时产生的交流电流数据和直流电流数据计算提取的正常开关电弧和故障电弧特征标志分别充电数据库、放电数据库存储的多个特征标志进行比较，利用正常开关电弧特征标志、充电故障电弧特征标志和放电故障电弧特征标志不同这一特性，可以提前预警所述充电电池的线路问题或电动车的放电负载装置本身问题而引起的火灾，准确率高。

3.将直流电流数据和交流电流数据分开处理，采用双极性模拟数字转换器，使软件的识别精度高，计算简单，适用于嵌入式系统。

4.采样电压数据辅助直流电流数据和交流电流数据进行判断，所述采样电压数据还可以兼做所述充电电池安全运行的管理工作，检测所述充电电池的工作状态。

5.本发明是故障电弧检测的技术方案，当所述充电电池或所述放电负载故障，引起充电故障电弧或放电故障电弧产生，在温度还没有升高时发出火灾预警，进而可以采取相应的安全措施，防止火灾发生，保护人民的生命财产安全。

附图说明

为了更好地表达本发明的技术方案，下面将对本发明的进行附图说明：

图1是本发明实施例一结构框图；

图2是本发明实施例二微控制器的程序识别过程图。

附图标号说明：1.充电电池；2.充电器；3.放电负载；4.充电接触开关；5.放电接触开关；6.电弧测控模块；7.电流采样传感器；8.直流电流信号调理电路；9.直流双向模拟数字转换器；10.交流电流信号调理电路；11.交流双向模拟数字转换器；12.微处理器；13.电压采样变换器；14.通信模块；15.通信接口线；16.报警信号；17.报警控制输出；18.充电电池入口；19.充电电池出口；20.地线入口；21.地线出口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行细致全面地描述与说明,可以使得本领域的技术人员更好的了解本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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，还需要说明的是，在本发明的描述中，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

见图1，一种电动车直流电源系统电火花故障报警器，包括充电接触开关4、放电接触开关5和电弧测控模块6；由电动车的充电电池1分别连接放电接触开关5和充电接触开关4，所述放电接触开关5连接所述电动车的放电负载3；充电状态时，充电接触开关4外接为电动车充电电池1充电的充电器2；电动车的充电电池1包括充电电池入口18、充电电池出口19、地线入口20和地线出口21；充电电池入口18、充电电池出口19在充电电池1的正极性上，地线入口20和地线出口21在充电电池1的负极性上；电弧测控模块6连接于充电接触开关4和放电接触开关5之间。

电弧测控模块6包括电流采样传感器7、直流电流信号调理电路8、直流双向模拟数字转换器9、交流电流信号调理电路10、交流双向模拟数字转换器11、微处理器12、电压采样变换器13和通信模块14；在充电电池1和本发明的报警器外部覆盖保护板；充电电池入口18、电流采样传感器7、充电电池出口19依次串联在充电电池1的正极性上，电流采样传感器7的信号输出分别连接直流电流信号调理电路8和交流电流信号调理电路10；直流电流信号调理电路8连接直流双向模拟数字转换器9，交流电流信号调理电路10连接交流双向模拟数字转换器11；微处理器12分别连接直流双向模拟数字转换器9和交流双向模拟数字转换器11；电压采样变换器13的一端连接充电电池1的正极性，电压采样变换器13的另一端连接微处理器12；通信模块14的一端连接微处理器12，通信模块14的另一端外接外部通信装置；微处理器中包含放电数据库和充电数据库，所述放电数据库和所述充电数据库分别存储放电故障电弧特征标志和充电故障电弧特征标志，微处理器12还存储正常开关电弧特征标志；微处理器12连接报警器，本实施例的报警器为声光报警器。在充电器2上安装风扇作为散热器。本实施例使用的充电电池1为电动车常用的锂电池，铅酸电池、镍氢电池或镍镉电池等其他种类电池也可使用本发明。充电接触开关4和放电接触开关5在电动车控制下不同时联通，所以充放电过程是相对独立的。

实施例2

见图2，一种电动车直流电源系统电火花故障报警方法，

第一步：将正常开关电弧、充电故障电弧、放电故障电弧经过数据处理后得到的若干所述正常开关电弧特征标志、若干所述充电故障电弧特征标志、若干所述放电故障电弧特征标志都存储在所述微处理器中，若干充电故障电弧特征标志存储在充电数据库中，若干放电故障电弧特征标志存储在放电数据库中；

第二步：采集电弧测控模块6中的电信数据，即由直流电流信号调理电路8和直流双向模拟数字转换器9处理得到的直流电流数据，由交流电流信号调理电路10和交流双向模拟数字转换器11处理得到的交流电流数据，来计算电弧特征标志，电弧特征标志是算法决定的，不同算法得出的特征标志不一样，本发明的实施例使用不同种类电弧特性作为区分，所述电信数据也可包括由电压采样变换器13处理得到的采样电压数据，作为辅助直流电流数据和交流电流数据进行判断和检测充电电池1的工作状态；

第三步：将第二步采集并计算得出的所述电弧特征标志与第一步中存储的所述若干正常开关电弧特征标志进行比较，根据所述若干正常开关电弧特征标志判断是否为正常充放电状态，如果只有直流电流数据没有交流电流数据，所述直流电流数据是保持平稳或者保持平稳变化，则是正常充放电状态；如果是所述正常充放电状态，则返回继续预警状态；如果既有直流电流数据又有交流电流数据，则认为有故障电弧产生，不是所述正常充放电状态，那么开始判断是充电状态还是放电状态，通过第二步得到的直流电流数据的极性信息判断是充电状态还是放电状态，充放电过程充电电池1的直流电流数据的电流方向是相反的；如果是放电状态，则把计算出的所述电弧特征标志与所述放电数据库的放电故障电弧特征标志进行比较，判断是否出现放电故障电弧，如出现一条以上符合，则认为出现了放电故障电弧；如果是充电状态，则把计算出的所述电弧特征标志与所述充电数据库的充电故障电弧特征标志进行比较，判断是否出现充电故障电弧，如出现一条以上符合，则认为出现了充电故障电弧；在此判断过程中，由于正常工作时也可能有电弧产生，所以如果产生的电弧特征标志被判断为既不符合放电故障电弧特征标志也不符合充电故障电弧特征标志，该电弧则被作为是正常开关电弧而不做处理，返回继续预警状态；

第四步：根据第三步判断结果，如果出现所述放电故障电弧或所述充电故障电弧，则微处理器12输出报警信号16给所述报警器后返回进入预警状态，如果判断未出现所述放电故障电弧或所述充电故障电弧，则判断为所述正常开关电弧后返回继续所述预警状态。

本发明的工作原理是，电动车正常开关时，电流变化快，从无到有，从有到无，是一个短时间内跳跃变化的过程，可称为电弧，但是时间很短，电动车正常工作时直流电流是保持平稳或者保持平稳变化的。因此在电动车在正常充电放电状态时，应只产生直流电流数据。而故障电弧是连续或间断出现，故障电弧是由于充电电池故障或电器负载故障，初期产生接触不良，打火放电的现象，使直流电流和交流电流都极速变化，充电电池的线路或电动车的放电负载都要发热，但不至于发生火灾。这个过程因具体情况不同，延续时间长短也不同，长的可能若干天。初期之后如果彻底短路，就会引起火灾。所以检测到故障电弧，就能在初期关断充电器的充电电源或者充电电池1电路，以避免火灾。故障电弧特征标志与电动车使用的电器种类、电压种类以及很多其他条件有关，本专利实施例使用上述电弧特性作为故障电弧特征标志。

故障电弧数据可以从充电电池1的输出直流电流数据、交流电流数据、采样电压数据或充电时的直流电流数据、交流电流数据、采样电压数据的变化中捕捉到。电流采样传感器7可以分为交流电流采样通道和直流电流采样通道来分别处理交流电流数据和直流电流数据。电流采样传感器7采集的电流数据经过直流电流信号调理电路8和直流双向模拟数字转换器9处理后送到微处理器12成为直流电流数据，其中包含直流电流的极性信息和直流电流的强度信息，直流电流的极性信息用来判断是充电状态，还是放电状态。由于充放电过程产生的充电故障电弧和放电故障电弧的波形是不一样的，使用的判断标准也是不一样的，因此充电数据库和放电数据库分别存储的充电故障电弧特征标志和放电故障电弧特征标志也不同。直流电流数据的强度信息可以作为充放电时充电电池1电路的工作状态和是否出现故障电弧判断的辅助依据。电流采样传感器7采集的电流数据经过交流电流信号调理电路10和交流双向模拟数字转换器11送到微处理器12。直流电流和交流电流分开处理可以使交流电流的变化信号得到最大的数字化幅度。电压采样变换器13采样电池端口的电压，无论是充电还是放电极性不变，数据调理后送到微控制器12的数据端口，作为正常开关电弧、充电故障电弧、放电故障电弧的辅助判断，也是充电控制的输入信号。微处理器12可以使用现有任何一种嵌入式系统模块，具有较大的数据存储器空间即可。通信模块14是和物联网的连接通道。本实施例发送报警信号16的报警器是声光报警器，也可使用其他种类报警器。本实施例中报警控制输出17一端连接微处理器12，另一端连接保护执行器装置，所述保护执行器装置为电动车系统电路的安全保护电器，包括但不限于充电接触开关4和放电接触开关5，用于在发生危险时执行如切断电源连接等操作。报警控制输出17也可以直接控制保护执行器装置。

电动车的充电电池1在充放电过程中，由于故障会产生燃烧起火，而故障电弧是燃烧起火的预警信号，从故障电弧产生到燃烧起火，需要一个时间过程，本发明的目的是能在第一时间发现燃烧起火的兆头，及时采取措施，防止火灾发生。正确检测故障电弧，有助于预防电动车比较多的燃烧灾害。充电电池1在线充电状态、在线放电状态都会产生开关电弧，这样就必须严格区分，以防出虚警信息。因此电动车正常充放电状态的直流电流和电压的变化特性也是已知且固定的，而充电故障电弧和放电故障电弧发生时的直流电流、交流电流和电压的变化特性也是已知且固定的，不同的故障电弧变化特性是不同的，可以用软件区别计算提取出固定的正常开关电弧特征标志、充电故障电弧特征标志、放电故障电弧特征标志进行存储，可采取大数据的方法进行提取和识别。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种电动车直流电源系统电火花故障报警器，其特征在于，包括充电接触开关、放电接触开关和电弧测控模块，由电动车的充电电池分别连接所述放电接触开关和所述充电接触开关，所述放电接触开关连接所述电动车的放电负载；充电状态时，所述充电接触开关连接充电器；所述充电电池包括充电电池入口、充电电池出口、地线入口和地线出口；所述充电电池入口和所述充电电池出口在所述充电电池的正极性上，所述地线入口和所述地线出口在所述充电电池的负极性上；所述电弧测控模块连接于所述充电接触开关和所述放电接触开关之间；

所述电弧测控模块包括电流采样传感器、直流电流信号调理电路、直流双向模拟数字转换器、交流电流信号调理电路、交流双向模拟数字转换器、微处理器和通信模块；所述充电电池入口、所述电流采样传感器和所述充电电池出口依次串联在所述充电电池的正极性上，所述电流采样传感器的信号输出分别连接所述直流电流信号调理电路和所述交流电流信号调理电路；所述直流电流信号调理电路连接所述直流双向模拟数字转换器，所述交流电流信号调理电路连接所述交流双向模拟数字转换器；所述微处理器分别连接所述直流双向模拟数字转换器和所述交流双向模拟数字转换器；所述通信模块的一端连接微处理器，所述通信模块的另一端外接外部通信装置；所述微处理器中包含放电数据库和充电数据库，所述放电数据库和所述充电数据库分别存储放电故障电弧特征标志和充电故障电弧特征标志，所述微处理器还存储正常开关电弧特征标志；所述微处理器还连接报警器；

所述电弧测控模块还包括电压采样变换器，所述电压采样变换器的一端连接所述充电电池的正极性，所述电压采样变换器的另一端连接所述微处理器；

所述电动车直流电源系统电火花故障报警器的工作步骤为：

第一步：将正常开关电弧、充电故障电弧、放电故障电弧经过数据处理后得到的若干所述正常开关电弧特征标志、若干所述充电故障电弧特征标志、若干所述放电故障电弧特征标志都存储在所述微处理器中；

第二步：采集所述电弧测控模块中的电信数据，计算电弧特征标志；所述电信数据分别为，由所述直流电流信号调理电路和所述直流双向模拟数字转换器处理得到的直流电流数据，由所述交流电流信号调理电路和所述交流双向模拟数字转换器处理得到的交流电流数据，以及由所述电压采样变换器处理得到的采样电压数据；

第三步：将所述电弧特征标志与若干所述正常开关电弧特征标志进行比较，判断是否为正常充放电状态；如果只有直流电流数据没有交流电流数据，所述直流电流数据是保持平稳或者保持平稳变化，则是正常充放电状态，如果是所述正常充放电状态，则返回继续预警状态；如果既有直流电流数据又有交流电流数据，则认为有故障电弧产生，不是所述正常充放电状态，如果不是所述正常充放电状态，则通过所述直流电流数据的极性信息判断是所述充电状态还是所述放电状态，如果是所述放电状态，则把所述电弧特征标志与所述放电数据库的放电故障电弧特征标志进行比较，判断是否出现所述放电故障电弧；如果是所述充电状态，则把所述电弧特征标志与所述充电数据库的充电故障电弧特征标志进行比较，判断是否出现所述充电故障电弧；

第四步：根据第三步判断结果，如果出现所述放电故障电弧或所述充电故障电弧，则所述微处理器输出报警信号给所述报警器后返回进入所述预警状态，如果判断未出现所述放电故障电弧或所述充电故障电弧，则判断为所述正常开关电弧后返回继续所述预警状态。

2.根据权利要求1所述的一种电动车直流电源系统电火花故障报警器，其特征在于，所述报警器为声光报警器。

3.根据权利要求1所述的一种电动车直流电源系统电火花故障报警器，其特征在于，还包括保护板，所述保护板作为所述充电电池和所述电动车直流电源系统电火花故障报警器的外壳。

4.根据权利要求1所述的一种电动车直流电源系统电火花故障报警器，其特征在于，所述充电器上安装散热器，所述散热器为风扇。

5.根据权利要求1所述的一种电动车直流电源系统电火花故障报警器，其特征在于，所述充电电池为锂电池、铅酸电池、镍氢电池或镍镉电池。