CN115343631A - 基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统 - Google Patents

基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，包括车载终端和在线监测云平台，其特征在于：所述车载终端与在线监测云平台通过电连接，所述车载终端用于通过硬件框架和软件架构结合利用传感器技术采集表征锂电池状态的多参数，并通过无线通信将数据传输至在线监测云平台，所述在线监测云平台用户基于物联网云平台登录管理网页展示车辆锂电池数据，实现对车辆锂电池的在线监测，基于物联网云平台并利用车载终端采集的锂电池各项参数进行电池SOC估算，将数据在相应的网页上展示，用户通过登录相应的网页理查看车辆锂电池相关的数据，及时作出判断，本发明，具有实时在线监测和提前预警的特点。

Description

基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统
技术领域
本发明涉及在线监测技术领域，具体为基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统。
背景技术
在线监测技术是混合动力汽车电池监测系统研究的重点，当前理想的动力锂电池循环充放电过程不会发生不可逆的消耗，电池寿命不会衰减，但实际上，电池内部在充放电过程中会发生非常复杂的物理化学反应，某些反应会造成活性物质的不可逆消耗，必然导致电池的充放电效率大大降低，电池的容量和寿命快速衰减，环境温度对电池寿命的影响，温度过高或过低，都会降低电池寿命，温度降低，电池内部电极材料的活性降低，电解液的内阻和粘度升高，离子扩散困难，电池充放电不易进行，温度升高，电池产生热量增大，从而破坏电池材料的结构，电池容量降低，因此需要监测锂电池状态情况的系统，目前的监测装备普遍存在可靠性差，智能化程度低、无法灵活上传监测结果等问题，因此，设计进行实时在线监测和提前预警的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，包括车载终端和在线监测云平台，其特征在于：所述车载终端与在线监测云平台通过电连接，所述车载终端用于通过硬件框架和软件架构结合利用传感器技术采集表征锂电池状态的多参数，并通过无线通信将数据传输至在线监测云平台，所述在线监测云平台用户基于物联网云平台登录管理网页展示车辆锂电池数据，实现对车辆锂电池的在线监测。
根据上述技术方案，所述车载终端包括硬件框架模块和软件架构模块，所述硬件框架模块与软件架构模块电连接，所述硬件框架模块用于利用多硬件载体进行锂电池电流、电压和温度的参数采集，并基于采集数据进行电池的SOC估算，所述软件架构模块用于通过个软件架构实现硬件中微处理器对数据的采集接收、显示传输。
根据上述技术方案，所述硬件框架模块包括电源模块、微处理器模块和传感器采集模块，所述电源模块、微处理器模块与传感器采集模块网络连接，所述电源模块用于将系统电压转换为各个模块所需的电压等级以实现终端硬件的供电需求，所述微处理器模块用于通过微处理器中包含的串口、定时器和ADC硬件资源进行车辆锂电池参数的高频采集，所述传感器采集模块用于通过传感器采集车辆锂电池的电流、电压和温度参数用于后续SOC估算。
根据上述技术方案，所述硬件框架模块还包括LCD显示模块和无线通信传输模块，所述LCD显示模块与无线通信传输模块电连接，所述LCD显示模块用于显示各传感器采集的数据，所述无线通信传输模块用于与在线监测云平台建立TCP连接、远程发送数据。
根据上述技术方案，所述软件架构模块包括主程序软件模块，所述主程序软件模块用于车载终端基于C语言实现控制微处理器读取电压、电流传感器所采集的数据，接收温度传感器的数据以及通过串口控制LCD屏幕的显示，并且通过无线通信传输模块与在线监测云平台建立网络通信，实现数据远程传输。
根据上述技术方案，所述软件架构模块还包括锂电池SOC计算模块，所述锂电池SOC计算模块用于车载终端以一定周期频率采集相应的车辆锂电池参数，根据测得的温度确定锂电池SOC初始值，读取充、放电电流后，算法根据安时积分法计算得出锂电池SOC值。
根据上述技术方案，所述软件架构模块还包括串口控制模块、LCD屏幕驱动模块和通信连接建立模块，所述串口控制模块、LCD屏幕驱动模块与通信连接建立模块电连接，所述串口控制模块用于微处理器采用串口通信方式发送字符串更改变量指令控制LCD屏幕显示，所述LCD屏幕驱动模块用于通过LCD的上位机软件和下位机程序完成LCD的显示更新操作，所述通信连接建立模块用于采用标准AT指令实现通信功能，与服务器建立TCP连接并发送指令。
根据上述技术方案，所述在线监测云平台包括产品与设备建立模块和锂电池参数分析模块，所述产品与设备建立模块和锂电池参数分析模块数据连接，所述产品与设备建立模块用于创建锂电池在线监测系和选择车载终端，所述锂电池参数分析模块用于针对监测中获取的锂电池参数数据进行检测分析。
根据上述技术方案，所述锂电池参数分析模块包括数据流子模块、电流实际值计算子模块、电压实际值计算子模块和温度缓存读取子模块，所述数据流子模块与电流实际值计算子模块、电压实际值计算子模块、温度缓存读取子模块电连接，所述数据流子模块用于通过将车载终端通过设定格式上传的锂电池参数数据进行数据流创建以分析计算锂电池参数的实际值，所述电流实际值计算子模块用于将车载端程序采集的电流信号进行转换得到具体的电流数字量，按照计算公式计算锂电池电流的实际值，所述电压实际值计算子模块用于将车载端程序采集的电压信号进行转换得到具体的电压数字量，按照计算公式计算锂电池电压的实际值，所述温度缓存读取子模块用于程序通过访问放入温度缓存数组进行温度值的读取。
根据上述技术方案，所述在线监测云平台还包括预警输出模块、Web网页展示模块和用户端登录管理模块，所述预警输出模块、Web网页展示模块与用户端登录管理模块数据连接，所述预警输出模块用于根据锂电池在充放电过程中计算出的实际电流、电压和获取的缓存温度，与锂电池正常状态下的参数状态值进行对比判断并估算锂电池的剩余寿命，所述Web网页展示模块用于在线监测云平台通过Web网页展示反应锂电池状态的监测数据，所述用户端登录管理模块用于驾驶人员和相关管理人员通过用户端登陆在线监测云平台界面，查看锂电池数据。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，通过设置有车载终端和在线监测云平台，使用物联网云平台和利用车载终端采集的锂电池各项参数进行电池SOC估算，基于对混合动力汽车锂电池多参数的自动在线监测计算，进行锂电池当前参数值与正常状态下的参数值进行对比判断，当超出正常值范围进行预警输出，可以及时了解电池运行状况，避免由电池故障造成安全事故，使汽车供电系统的可靠性得到了保证，实现了电池寿命的在线自动监测预警，整体具有高精度计算、自动化和灵活方便的优点，通过实时监测预警保障混合动力汽车锂电池的安全、稳定的运行，而车主和相关管理人员可以通过Web页面实时查看电池状态，当电池参数超出正常范围时，车主可以采取相应措施及时应对，管员理人也可以通知车主及时处理问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的系统模块组成示意图。
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。
请参阅图1，本发明提供技术方案：基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，包括车载终端和在线监测云平台，车载终端与在线监测云平台通过电连接，车载终端用于通过硬件框架和软件架构结合利用传感器技术采集表征锂电池状态的多参数，并通过无线通信将数据传输至在线监测云平台，在线监测云平台用户基于物联网云平台登录管理网页展示车辆锂电池数据，实现对车辆锂电池的在线监测，为便于实现锂电池在线监测上传的数据管理和展示，需要使用物联网云平台和利用车载终端采集的锂电池各项参数进行电池SOC估算，在云平台上建立产品和应用，并设计电池数据展示界面，使驾驶人员或相关人员能够在线实时查看车辆电池的状态，云平台需要接收、解析车载终端上传的数据，并将数据在相应的网页上展示，用户可以通过登录相应的网页，管理查看车辆锂电池相关的数据，以便及时作出判断。
车载终端包括硬件框架模块和软件架构模块，硬件框架模块与软件架构模块电连接，硬件框架模块用于利用多硬件载体进行锂电池电流、电压和温度的参数采集，并基于采集数据进行电池的SOC估算，软件架构模块用于通过个软件架构实现硬件中微处理器对数据的采集接收、显示传输，在车辆工作时，由于电池的充放电会导致电池的电流，电压、温度等参数发生变化，如在正常工作时，车载锂电池的电压为39V～54.6V，而当车辆因碰撞等情况出现锂电池短路时，电池电压则会降低，电池温度会高于正常工作温度，而电池电压过低、电流过大或者温度过高等都可能引起电池故障，影响驾驶人员的安全，同样这些参数会影响电池SOC估算，因此车载终端进行电池电压、充放电电流、电池温度的采集且为便于驾驶人员随时了解锂电池工作状态，电池参数进行本地实时显示。
硬件框架模块包括电源模块、微处理器模块和传感器采集模块，电源模块、微处理器模块与传感器采集模块网络连接，电源模块用于将系统电压转换为各个模块所需的电压等级以实现终端硬件的供电需求，微处理器模块用于通过微处理器中包含的串口、定时器和ADC硬件资源进行车辆锂电池参数的高频采集，传感器采集模块用于通过传感器采集车辆锂电池的电流、电压和温度参数用于后续SOC估算，电压传感器通过电阻分压和运算放大器的信号调理，将高电压转换为小信号，并通过微处理器AD转换获取电压值，电流传感器通过霍尔效应原理将电流转换成电压信号，同样通过微处理器AD转换获取电流值，温度传感器通过单总线数据传输获取电池温度值，微处理器将各传感器采集的数据显示在本地LCD屏幕上，进行封装通过无线数据通信发送至在线监测云平台。
硬件框架模块还包括LCD显示模块和无线通信传输模块，LCD显示模块与无线通信传输模块电连接，LCD显示模块用于显示各传感器采集的数据，无线通信传输模块用于与在线监测云平台建立TCP连接、远程发送数据，系统需要实现锂电池参数远程传输的功能，因此车载终端应具备远距离无线通信的功能，无线通信传输的成本适中，覆盖范围广。
软件架构模块包括主程序软件模块，主程序软件模块用于车载终端基于C语言实现控制微处理器读取电压、电流传感器所采集的数据，接收温度传感器的数据以及通过串口控制LCD屏幕的显示，并且通过无线通信传输模块与在线监测云平台建立网络通信，实现数据远程传输，主程序首先对GPIO口、串口、定时器进行初始化，在初始化完成后等待温度传感器响应以确保正常工作，并等待无线通信传输模块连接服务器，完成服务器连接之后进入主循环，在主循环中，主程序进行温度、电流和电压的读取，通过对微处理器引脚的配置，读取各传感器采集的电池参数，微处理器将采集的参数经过SOC算法的计算后，将数据封装，通过无线通信传输模块发送至在线监测云平台。
软件架构模块还包括锂电池SOC计算模块，锂电池SOC计算模块用于车载终端以一定周期频率采集相应的车辆锂电池参数，根据测得的温度确定锂电池SOC初始值，读取充、放电电流后，算法根据安时积分法计算得出锂电池SOC值，系统通过对锂电池进行建模和仿真，测试锂电池的温度特性，获取不同温度下锂电池的容量变化，利用稳压源和直流电子负载对锂离子电池进行不同温度下的充放电测试，以此建立锂电池的温度容量曲线，即通过在设定初始值中加入温度-容量补偿量，结合建模测试时锂电池环境温度变化确定初值，在算法完成后加入温度补偿系数SOCK，
Figure BDA0003744262100000071
Tk为当前时刻的温度-容量值，Tk-1为上一刻温度-容量值，利用上一时刻温度补偿量迭代补偿完成算法估算，即在原有只考虑电压电流对SOC估算的影响，而忽略了温度变化对电池容量参数影响从而造成SOC估算误差的无迹卡尔曼滤波算法上进行改进，加入温度补偿系数SOCK，整体提高SOC的估算精度。
软件架构模块还包括串口控制模块、LCD屏幕驱动模块和通信连接建立模块，串口控制模块、LCD屏幕驱动模块与通信连接建立模块电连接，串口控制模块用于微处理器采用串口通信方式发送字符串更改变量指令控制LCD屏幕显示，LCD屏幕驱动模块用于通过LCD的上位机软件和下位机程序完成LCD的显示更新操作，通信连接建立模块用于采用标准AT指令实现通信功能，与服务器建立TCP连接并发送指令。
在线监测云平台包括产品与设备建立模块和锂电池参数分析模块，产品与设备建立模块和锂电池参数分析模块数据连接，产品与设备建立模块用于创建锂电池在线监测系和选择车载终端，锂电池参数分析模块用于针对监测中获取的锂电池参数数据进行检测分析。
锂电池参数分析模块包括数据流子模块、电流实际值计算子模块、电压实际值计算子模块和温度缓存读取子模块，数据流子模块与电流实际值计算子模块、电压实际值计算子模块、温度缓存读取子模块电连接，数据流子模块用于通过将车载终端通过设定格式上传的锂电池参数数据进行数据流创建以分析计算锂电池参数的实际值，电流实际值计算子模块用于将车载端程序采集的电流信号进行转换得到具体的电流数字量，按照计算公式计算锂电池电流的实际值，电压实际值计算子模块用于将车载端程序采集的电压信号进行转换得到具体的电压数字量，按照计算公式计算锂电池电压的实际值，温度缓存读取子模块用于程序通过访问放入温度缓存数组进行温度值的读取。
在线监测云平台还包括预警输出模块、Web网页展示模块和用户端登录管理模块，预警输出模块、Web网页展示模块与用户端登录管理模块数据连接，预警输出模块用于根据锂电池在充放电过程中计算出的实际电流、电压和获取的缓存温度，与锂电池正常状态下的参数状态值进行对比判断并估算锂电池的剩余寿命，Web网页展示模块用于在线监测云平台通过Web网页展示反应锂电池状态的监测数据，用户端登录管理模块用于驾驶人员和相关管理人员通过用户端登陆在线监测云平台界面，查看锂电池数据，在线监测平台基于物联网云平台，实现云平台界面显示等功能，云平台以Web网页形式展示数据，基于对混合动力汽车锂电池多参数的自动在线监测计算，进行锂电池当前参数值与正常状态下的参数值进行对比判断，当超出正常值范围进行预警输出，可以及时了解电池运行状况，避免由电池故障造成安全事故，使汽车供电系统的可靠性得到了保证，实现了电池寿命的在线自动监测预警，整体具有高精度计算、自动化和灵活方便的优点，通过实时监测预警保障混合动力汽车锂电池的安全、稳定的运行，而车主和相关管理人员可以通过Web页面实时查看电池状态，当电池参数超出正常范围时，车主可以采取相应措施及时应对，管员理人也可以通知车主及时处理问题。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，包括车载终端和在线监测云平台，其特征在于：所述车载终端与在线监测云平台通过电连接，所述车载终端用于通过硬件框架和软件架构结合利用传感器技术采集表征锂电池状态的多参数，并通过无线通信将数据传输至在线监测云平台，所述在线监测云平台用户基于物联网云平台登录管理网页展示车辆锂电池数据，实现对车辆锂电池的在线监测。
2.根据权利要求1所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述车载终端包括硬件框架模块和软件架构模块，所述硬件框架模块与软件架构模块电连接，所述硬件框架模块用于利用多硬件载体进行锂电池电流、电压和温度的参数采集，并基于采集数据进行电池的SOC估算，所述软件架构模块用于通过个软件架构实现硬件中微处理器对数据的采集接收、显示传输。
3.根据权利要求2所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述硬件框架模块包括电源模块、微处理器模块和传感器采集模块，所述电源模块、微处理器模块与传感器采集模块网络连接，所述电源模块用于将系统电压转换为各个模块所需的电压等级以实现终端硬件的供电需求，所述微处理器模块用于通过微处理器中包含的串口、定时器和ADC硬件资源进行车辆锂电池参数的高频采集，所述传感器采集模块用于通过传感器采集车辆锂电池的电流、电压和温度参数用于后续SOC估算。
4.根据权利要求3所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述硬件框架模块还包括LCD显示模块和无线通信传输模块，所述LCD显示模块与无线通信传输模块电连接，所述LCD显示模块用于显示各传感器采集的数据，所述无线通信传输模块用于与在线监测云平台建立TCP连接、远程发送数据。
5.根据权利要求4所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述软件架构模块包括主程序软件模块，所述主程序软件模块用于车载终端基于C语言实现控制微处理器读取电压、电流传感器所采集的数据，接收温度传感器的数据以及通过串口控制LCD屏幕的显示，并且通过无线通信传输模块与在线监测云平台建立网络通信，实现数据远程传输。
6.根据权利要求5所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述软件架构模块还包括锂电池SOC计算模块，所述锂电池SOC计算模块用于车载终端以一定周期频率采集相应的车辆锂电池参数，根据测得的温度确定锂电池SOC初始值，读取充、放电电流后，算法根据安时积分法计算得出锂电池SOC值。
7.根据权利要求6所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述软件架构模块还包括串口控制模块、LCD屏幕驱动模块和通信连接建立模块，所述串口控制模块、LCD屏幕驱动模块与通信连接建立模块电连接，所述串口控制模块用于微处理器采用串口通信方式发送字符串更改变量指令控制LCD屏幕显示，所述LCD屏幕驱动模块用于通过LCD的上位机软件和下位机程序完成LCD的显示更新操作，所述通信连接建立模块用于采用标准AT指令实现通信功能，与服务器建立TCP连接并发送指令。
8.根据权利要求7所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述在线监测云平台包括产品与设备建立模块和锂电池参数分析模块，所述产品与设备建立模块和锂电池参数分析模块数据连接，所述产品与设备建立模块用于创建锂电池在线监测系和选择车载终端，所述锂电池参数分析模块用于针对监测中获取的锂电池参数数据进行检测分析。
9.根据权利要求8所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述锂电池参数分析模块包括数据流子模块、电流实际值计算子模块、电压实际值计算子模块和温度缓存读取子模块，所述数据流子模块与电流实际值计算子模块、电压实际值计算子模块、温度缓存读取子模块电连接，所述数据流子模块用于通过将车载终端通过设定格式上传的锂电池参数数据进行数据流创建以分析计算锂电池参数的实际值，所述电流实际值计算子模块用于将车载端程序采集的电流信号进行转换得到具体的电流数字量，按照计算公式计算锂电池电流的实际值，所述电压实际值计算子模块用于将车载端程序采集的电压信号进行转换得到具体的电压数字量，按照计算公式计算锂电池电压的实际值，所述温度缓存读取子模块用于程序通过访问放入温度缓存数组进行温度值的读取。
10.根据权利要求9所述的基于混合动力汽车锂电池的在线监测系统，其特征在于：所述在线监测云平台还包括预警输出模块、Web网页展示模块和用户端登录管理模块，所述预警输出模块、Web网页展示模块与用户端登录管理模块数据连接，所述预警输出模块用于根据锂电池在充放电过程中计算出的实际电流、电压和获取的缓存温度，与锂电池正常状态下的参数状态值进行对比判断并估算锂电池的剩余寿命，所述Web网页展示模块用于在线监测云平台通过Web网页展示反应锂电池状态的监测数据，所述用户端登录管理模块用于驾驶人员和相关管理人员通过用户端登陆在线监测云平台界面，查看锂电池数据。
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