CN115452346A - 用于检测电螺栓的连接状态的方法、系统及程序产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及车辆测试领域并涉及一种用于检测电螺栓(2)的连接状态的方法，其中，所述方法包括以下步骤：S1获取电螺栓(2)连接的电流回路中的数据；S2对所获取的数据进行数据降维；S3对降维的数据进行概率统计并求取控制限；S4将降维的数据与所述控制限进行比较；和S5如果降维的数据超过所述控制限，则输出报警信号。本发明还涉及一种用于检测电螺栓(2)的连接状态的系统(1)以及一种计算机程序产品。通过本发明能够在利用现有电气系统的情况下实现对电螺栓的连接状态的实时检测，无需引入振动设备。本发明的方案能够简单且可靠地在电动车辆中用于检测动力电池的电连接状态并能够及时地输出报警信号。
Description
技术领域
本发明涉及车辆测试领域，具体而言涉及一种用于检测电螺栓的连接状态的方法。此外，本发明还涉及一种用于检测电螺栓的连接状态的系统及一种计算机程序产品。
背景技术
螺栓连接结构在车辆领域中的应用非常广泛。尤其在电动车辆中，在大电流传输过程中，传输媒介多为电缆或汇流排，电连接固定通常采用螺栓连接。在使用过程中，螺栓所承载的载荷常常发生波动，由于振动等原因会出现螺栓连接松动的情况，这将造成传输回路的接触电阻增大，并因而造成损耗增加，局部发热等问题，严重情况下甚至烧毁传输回路。
目前，在螺栓连接在工程实践中，工程人员广泛采用扭矩扳手法控制连接结构中的螺栓预紧力，同时采用电阻应变片电测法，压力敏感胶片法来测量螺栓连接状态，但是两种方法无法实现在线检测。
螺栓连接状态的在线检测主要基于振动分析(结构动力学参数模型、机电阻抗的压电感应)或基于超声导波(声弹效应)检测。现有的在线检测方法主要针对螺栓的震动状态进行分析，并由此对连接状态进行评估，然而这种方法很难完全消除被测对象由于环境复杂、工作载荷不稳定等因素带来的干扰信号的影响，因此大多数的螺栓状态检测的方案仍停留在试验阶段，而无法真正实现结构连接状态的实时检测和在线检测。
因此，针对上述问题中的至少一些仍然存在对用于检测、尤其是在线检测电螺栓的连接状态的改进方案的需求。
发明内容
基于此，本发明提出一种高效方案，所述方案不仅能够克服现有技术方案中的不足，而且能够在利用现有系统架构的情况下不增加系统复杂性的情况下特别简单且可靠地实现对系统内的电螺栓连接的实时/在线检测。此外，本发明的该技术方案还能够特别广泛地应用于小型电气系统，例如新能源车辆电气系统或飞机电气系统等中，其信号较完善、检测频率以及精度较高。当出现事故时，还能够及时地调用原始数据并提高根本原因分析的效率。
根据本发明的第一方面，提供一种用于检测电螺栓的连接状态的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
S1获取电螺栓连接的电流回路中的数据；
S2对所获取的数据进行数据降维；
S3对降维的数据进行概率统计并求取控制限；
S4将降维的数据与所述控制限进行比较；和
S5如果降维的数据超过所述控制限，则输出报警信号。
本发明的基本构思在于，测量与电螺栓连接相关的数据并对这些数据进行数据降维并求取控制限，通过将降维数据与控制限进行比较来在线地判断电螺栓连接的状态并且能够在电螺栓连接断开的情况下及时地输出警报。在利用现有系统架构的情况下不增加系统复杂性的情况下特别简单且可靠地实现对系统内的电螺栓连接的实时/在线检测。
本发明的用于检测电螺栓的连接状态的有利构型能够从以下可选的实施方式中获得。
根据本发明的用于检测电螺栓的连接状态的方法一个可选实施方式设置，所述数据包括：电螺栓两端的电压降。替代地或附加地，所述数据包括电流回路中的电流。替代地或附加地，所述数据包括电流回路中的温度。替代地或附加地，所述数据包括电流回路中的湿度。替代地或附加地，所述数据包括所述电螺栓的阻抗，所述阻抗由所检测的电压降和电流计算出。这种构型能够较全面地考虑涉及电螺栓连接的相应参量并且能够单独地或者组合地对这些参量进行评估，从而能够通过考虑不同的参量提高检测的可靠性以及实时性。
根据本发明的用于检测电螺栓的连接状态的方法一个可选实施方式设置，在步骤S5中，如果降维的数据对于限定的时间间隔超过所述控制限，则输出所述报警信号。通过设定相应的时间间隔能够特别可靠地排除由于振动或者干扰或者其他影响因素例如测试装置精度所引起的暂时(瞬时)的不精确性，从而提高测量精度以及可靠性。
根据本发明的用于检测电螺栓的连接状态的方法一个可选实施方式设置，在步骤S5中，附加地记录原始测量数据。这种构型能够实时地记录原始测量数据并且在事后进行根本原因分析时能够调用原始测量数据。
根据本发明的用于检测电螺栓的连接状态的方法一个可选实施方式设置，在步骤S2中，通过主成分分析法PCA(英文：principal components analysis)或者独立分量分析法ICA(英文：independent component analysis)或局部线性嵌入法LLE(英文：LocallyLinear Embedding)来进行数据降维。通过使用不同的数据降维方法能够将相应的测量数据进行数据降维，由此能够实现简单的数据分析处理，提高数据分析处理的效率。
根据本发明的用于检测电螺栓的连接状态的方法一个可选实施方式设置，在步骤S3中，通过霍特林统计量或者平方预测误差SPE(英文：Squared prediction error)来进行概率统计并求取控制限。通过使用不同的控制限求取方法能够针对降维数据提供相应的控制限，由此能够实现简单的数据分析处理，提高数据分析处理的效率。
根据本发明的用于检测电螺栓的连接状态的方法一个可选实施方式设置，在步骤S2中，所获取的数据配属有相应的权重，针对权重较重的数据进行数据降维。通过对测量数据进行权重分配，尤其对不同的测量参量预先设定不同的权重因数，能够针对不同的测试状态以及测试环境灵活地设定不同参量的权重，由此提高了测试的可靠性以及适配性。
根据本发明的第二方面，提供一种用于检测电螺栓的连接状态的系统，所述系统配置为用于实施上述方法，其中，所述系统包括：
数据获取装置，所述数据获取装置配置为适于获取电螺栓连接的电流回路中的数据；
至少一个控制器，所述至少一个控制器与所述数据获取装置数据连接并且包括：
数据接收模块，所述数据接收模块与所述数据获取装置数据连接并且配置为适于接收来自所述数据获取装置的数据；
处理器模块，所述处理器模块配置为适于分析处理所接收的数据；通信模块，所述通信模块配置为适于与外部设备进行通信；以及存储器模块，所述存储器模块配置为适于存储所获取的数据；和
报警装置，所述报警装置与所述控制器通信连接并且配置为适于输出报警信号。
根据本发明的用于检测电螺栓的连接状态的系统一个可选实施方式设置，所述系统包括两个控制器、第一控制器和第二控制器，所述第一控制器构造为电池管理系统BMS的控制器，所述第二控制器构造为域控制器，所述第一控制器能够与所述第二控制器进行通信。这种构型能够实现特别可靠的数据分析以及警告输出。尤其通过设置域控制器既能够在一定程度上实现一种对BMS的控制器的冗余又能够通过域控制器获取相应的数据并且通过通信模块传输给BMS的控制器，由此提高了BMS的控制器的计算能力并降低其成本。
根据本发明的用于检测电螺栓的连接状态的系统一个可选实施方式设置，数据获取装置布置在电流回路中并且包括：电流测量装置、例如电流传感器；电压测量装置、例如电压传感器；温度测量装置、例如热电偶；湿度测量装置。通过使用相应的测量装置能够直接且可靠地获取用于检测电螺栓的连接状态的必要数据。尤其这些装置本身成本有利且测量结果准确。
根据本发明的第三方面，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时至少用于辅助实施根据本发明的方法。
本发明的更多的特征从权利要求、附图和附图的描述中变得显而易见的。在上述说明中提到的特征和特征组合以及在下文的附图描述中提到的和/或只在附图中示出的特征和特征组合不仅可以以相应指定的组合使用，而且可以在不脱离本发明的范围的情况下以其它组合使用。因此，下述内容也视作被本发明涵盖和公开：这些内容未在附图中明确示出并未被明确解释，而是源自由来自所解释的内容的分离的特征所组成的组合并由这些组合产生。下述内容和特征组合也被视作是被公开的：其不具有原始撰写的独立权利要求的所有特征。此外，下述内容和特征组合被视作尤其被上文内容所公开：其超出或偏离权利要求的引用关系中所限定的特征组合。
附图说明
下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测电螺栓的连接状态的系统的示意图；
图2示出了根据本发明的另一实施方式的用于检测电螺栓的连接状态的系统的示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测电螺栓的连接状态的系统的控制器的示意图；
图4示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测电螺栓的连接状态的系统架构的示意图；和
图5示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测电螺栓的连接状态的方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施方式对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，而不用于限定本发明的保护范围。
在本说明书中，为了方便起见，使用“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的词句以参照附图说明构成要素的位置关系，仅是为了便于描述本说明书和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。构成要素的位置关系根据描述每个构成要素的方向适当地改变。因此，不局限于在说明书中说明的词句，根据情况可以适当地更换。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测电螺栓2的连接状态的系统1的示意图。在该实施方式中，本发明的系统1应用于电动车辆中。本发明的系统1包括数据获取装置10、第一控制器20和报警装置40。根据该实施方式，第一控制器20构造为电池管理系统BMS的控制器。数据获取装置10与控制器20数据连接并且用于获取电螺栓连接的电流回路中的相应数据。此外，报警装置40也与第一控制器20数据连接并且能够向外部输出报警信号。
图2示出了根据本发明的另一实施方式的用于检测电螺栓2的连接状态的系统1的示意图。在该另一实施方式中，本发明的系统1除了包括数据获取装置10、第一控制器20和报警装置40之外还包括第二控制器30。该第二控制器30一方面也可以与数据获取装置10和报警装置40数据连接，另一方面还能够与第一控制器20数据连接。
在该另一实施方式中，第二控制器30构造为域控制器并且能够构造为第一控制器20的冗余。在此，第一控制器20和第二控制器30都能够获取检测数据并且能够独立地进行数据分析处理。
在其他实施方式中，第二控制器30也可以构造为与第一控制器20共同作用，并且第二控制器30能够将检测数据传输给第一控制器20并且由第一控制器20来对数据进行分析处理。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测电螺栓2的连接状态的系统1的控制器的示意图。根据该实施方式，第一控制器20构造成电池管理系统BMS的控制器，而第二控制器30构造成域控制器。第一控制器20和第二控制器30都包括数据接收模块200,300、处理器模块201,301、通信模块202,302和存储器模块203,303。数据接收模块200,300能够与数据获取装置10数据连接并且能够接收来自数据获取装置10的数据。处理器模块201,301能够分析处理所接收的数据。通信模块202,302能够与外部设备进行通信。例如，第一控制器20能够借助其自身的(第一)通信模块202与第二控制器30(借助其自身的(第二)通信模块302)数据通信。存储器模块203,303能够实时地存储所获取的数据，以供后续进行根本原因分析时使用。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测电螺栓2的连接状态的系统架构的示意图。根据实施方式，该系统1应用于电螺栓连接的测试回路中。示意性地，电螺栓2将两个电气元件机械连接以及电连接，从而形成由电气元件、电螺栓2、负载3、电源4构成的电流回路。在电螺栓2的连接状态下，即在电螺栓2没有松动的情况下，电流回路工作正常，并且电源能够持续地为负载3提供电能量。然而，由于电动车辆的运行场景以及工况不同，电螺栓2由于振动等原因而可能松动甚至松脱，这会造成回路的接触电阻增大并因而造成损耗增加、局部发热等问题，在严重情况下甚至导致回路烧毁。
因而，需要对上述电流回路中的电螺栓2的连接状态进行实时检测并且需要能够针对电螺栓2的断开状态及时地报警。
根据该实施方式，数据获取装置10包括电流测量装置100、电压测量装置101和温度测量装置102。在该实施方式中，电流测量装置100构造为电流传感器并且串联在该电流回路中，用于实时地检测电流回路中的电流。电压测量装置101构造为电压传感器并且用于检测两个电气元件之间的电压降或者说检测电螺栓2两端的电压降。温度测量装置102构造为热电偶并且布置在至少一个电气元件上，用于检测电流回路中的温度。此外，数据获取装置10还可以包括其他测量装置、例如湿度测量装置，以便为测试提供更多相关的测量数据。在此，第一控制器20的(第一)数据接收模块200分别与电流测量装置100、电压测量装置101和温度测量装置102数据连接并且实时地接收电流数据、电压数据以及温度数据。此外，第二控制器30的(第二)数据接收模块300也可以分别与电流测量装置100、电压测量装置101和温度测量装置102数据连接并且实时地接收电流数据、电压数据以及温度数据。数据接收模块200,300与相应的存储器模块203,303数据连接，并且这些数据能够存储在相应的存储器模块203,303中。此外，数据接收模块200,300与相应的处理器模块201,301数据通信，并且这些数据能够被相应的处理器模块201,301分析处理。
如前所述，根据该实施方式，第一控制器20构造为BMS的控制器并且第二控制器30构造为域控制器，第二控制器30形成第一控制器20的冗余。
在另一实施方式中，第二控制器30也可以仅构造成用于获取测量数据并且能够将其提供给第一控制器20。因而，第二控制器30可以仅包括数据接收模块300和通信模块302，而第一控制器20可以不包括自身的数据接收模块200。在该实施方式中，数据处理仅由控制器20的处理器模块201来执行。
下面结合图4详细描述用于检测电螺栓2的连接状态的本发明方法。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测电螺栓2的连接状态的方法的流程图。
根据该实施方式并且也参见图4，在步骤S1中，获取电螺栓连接的电流回路中的数据。在此，由电流传感器测量电流回路中的电流I，由电压传感器测量电螺栓2两端的电压降U，并且由电热偶测量电流回路中的温度T。在此，可以针对不同的检测参量设置不同的权重因数。例如，根据一个实施方式，电压降U的权重大于温度T的权重，并且电压降U和温度T的权都重大于电流I的权重，因而可以仅针对电压降U或者温度T进行数据分析。
接下来，在步骤S2中，对所获取的数据进行数据降维。根据本发明提出，通过主成分分析法PCA来进行数据降维。当然，也可以使用其他数据降维方法，例如独立分量分析法ICA或局部线性嵌入法LLE。
在主成分分析法PCA中，通过正交变换将一组可能存在相关性的变量数据转换为一组线性不相关的变量，转换后的变量被称为主成分。假设存在训练数据集X＝{x1,x2,x3…,xn}，特征数据x代表特征数据集，n代表数据维数。对特征数据集进行去中心化，既数据集中每一位特征减去自己的平均值。然后，计算协方差矩阵
并计算该矩阵特征值及特征向量。对特征值进行排序，选择其中最大的K个，K为数据降维后维度，将K个特征向量作为行向量组成特征向量矩阵P，生成降维后的数据集Y，Y＝PX。
根据该实施方式，由第一控制器20的(第一)处理器模块201针对权重较大的电压U或者温度T进行数据降维，从而生成降维后的数据集。此外，由第二控制器30的(第二)处理器模块301同样针对权重较大的电压U或者温度T进行数据降维，从而生成降维后的数据集。
然后，在步骤S3中，对降维的数据进行概率统计并求取控制限。根据本发明提出，通过霍特林统计量来进行概率统计并求取控制限。当然，也可以使用其他的控制限求取方法、例如平方预测误差SPE来求取控制限。
在霍特林统计量方法中，霍特林T2统计量计算公式为：
其中，S为K个特征值构成的对角阵。
T2统计量的控制限计算公式：
Ta＝k·(n2-1)·Fa·(k,n-k)/n·(n-k)
其中n为数据集X行数，a为置信度。
根据该实施方式，由第一控制器20的(第一)处理器模块201以及由第二控制器30的(第二)处理器模块301同时计算降维后的电压或者温度的控制限。
然后，在步骤S4中，将降维的数据与所述控制限进行比较。在此将降维后的电压数据与相应的电压控制限进行比较或者将降维后的温度数据与相应的温度控制限进行比较。
根据该实施方式，(第一)处理器模块201和(第二)处理器模块301同时将降维的数据与控制限进行比较。
最后，在步骤S5中，如果降维的数据超过所述控制限，则输出报警信号。也就是说，当降维后的电压数据超过相应的电压控制限，则由第一控制器20或者替代地由第二控制器30控制报警装置40输出关于电螺栓2断开或松动的报警信号。此外，针对报警信号的输出还可以设定时间间隔、例如1s，如果在步骤S5中降维的数据对于1s的时间间隔超过控制限，则输出所述报警信号。在此，当降维的数据超过所述控制限时，第一存储器模块203和/或第二控制器模块303开始记录或存储原始检测数据，以供后续调用以及根本原因分析使用。
替代地或附加地，在步骤S1中，也可以基于直接测量的数据获取关联数据。例如根据一个实施方式，基于电压降和电流数据求取电螺栓2两端的阻抗或者说电阻并且针对阻抗数据并行地执行上述步骤S2至S5。
此外，附加于本发明的方法还可以使用直接测量的和/或关联的数据来检测电螺栓2的连接状态。在此例如可以针对这些数据预先设定阈值，当直接测量的和/或关联的数据超过相应的阈值，则输出报警信号。
当然，本发明还可以涉及针对多个螺栓的连接状态的检测，这些螺栓在电流回路中串联地布置。
本发明的技术方案不仅能够在车辆领域中实现对电螺栓连接的可靠且实时的检测，而且还能够应用于其他技术领域中。
对于本领域的技术人员而言，本发明的其它优点和替代性实施方式是显而易见的。因此，本发明就其更宽泛的意义而言并不局限于所示和所述的具体细节、代表性结构和示例性实施方式。相反，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下进行各种修改和替代。
Claims (11)
1.一种用于检测电螺栓(2)的连接状态的方法，所述方法包括以下步骤：
S1获取电螺栓(2)连接的电流回路中的数据；
S2对所获取的数据进行数据降维；
S3对降维的数据进行概率统计并求取控制限；
S4将降维的数据与所述控制限进行比较；和
S5如果降维的数据超过所述控制限，则输出报警信号。
2.根据权利要求1所述的用于检测电螺栓(2)的连接状态的方法，其中，所述数据包括：
电螺栓(2)两端的电压降；和/或
电流回路中的电流；和/或
电流回路中的温度；和/或
电流回路中的湿度；和/或
所述电螺栓(2)的阻抗，所述阻抗由所检测的电压降和电流计算出。
3.根据权利要求1或2所述的用于检测电螺栓(2)的连接状态的方法，其中，在步骤S5中，如果降维的数据对于限定的时间间隔超过所述控制限，则输出所述报警信号。
4.根据权利要求1至3之一所述的用于检测电螺栓(2)的连接状态的方法，其中，在步骤S5中，附加地记录原始测量数据。
5.根据权利要求2至4之一所述的用于检测电螺栓(2)的连接状态的方法，其中，在步骤S2中，通过主成分分析法PCA或者独立分量分析法ICA或局部线性嵌入法LLE来进行数据降维。
6.根据权利要求1至5之一所述的用于检测电螺栓(2)的连接状态的方法，其中，在步骤S3中，通过霍特林统计量或者平方预测误差SPE来进行概率统计并求取控制限。
7.根据权利要求1至6之一所述的用于检测电螺栓(2)的连接状态的方法，其中，在步骤S2中，所获取的数据配属有相应的权重，针对权重较重的数据进行数据降维。
8.一种用于检测电螺栓(2)的连接状态的系统(1)，所述系统(1)配置为用于实施根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，所述系统(1)包括：
数据获取装置(10)，所述数据获取装置(10)配置为适于获取电螺栓(2)连接的电流回路中的数据；
至少一个控制器(20,30)，所述至少一个控制器(20,30)与所述数据获取装置(10)数据连接并且包括：
数据接收模块(200,300)，所述数据接收模块(200,300)与所述数据获取装置(10)数据连接并且配置为适于接收来自所述数据获取装置(10)的数据；
处理器模块(201,301)，所述处理器模块(201,301)配置为适于分析处理所接收的数据；
通信模块(202,302)，所述通信模块(202,302)配置为适于与外部设备进行通信；以及
存储器模块(203,303)，所述存储器模块(203,303)配置为适于存储所获取的数据；和
报警装置(40)，所述报警装置(40)与所述至少一个控制器(20,30)通信连接并且配置为适于输出报警信号。
9.根据权利要求8所述的用于检测电螺栓(2)的连接状态的系统(1)，其中，所述系统(1)包括第一控制器(20)和第二控制器(30)，所述第一控制器(20)构造为电池管理系统BMS的控制器，所述第二控制器(30)构造为域控制器，所述第一控制器(20)能够与所述第二控制器(30)进行通信。
10.根据权利要求8或9所述的用于检测电螺栓(2)的连接状态的系统(1)，其中，所述数据获取装置(10)布置在电流回路中并且包括电流测量装置(100)、例如电流传感器；电压测量装置(101)、例如电压传感器；温度测量装置(102)、例如热电偶；和湿度测量装置。
11.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时至少用于辅助实施根据权利要求1至7之一所述的方法。
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2022
- 2022-09-15 CN CN202211122936.2A patent/CN115452346A/zh active Pending
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