一种蓄电池充放电曲线采样***及方法
技术领域
本发明涉及电化学电池容量检测技术领域,更具体地说,它涉及一种蓄电池充放电曲线采样***及方法。
背景技术
由于电动车具有清洁环保无污染的特性,在人们的日常生活当中运用得越来越多,尤其是对于一些电动自行车而言更是如此。现有的电动车蓄电池一般采用锂电池。对于电动车的性能而言,电池的性能起着关键性的作用。电池的性能主要由电池的充放电曲线分析得到,例如电池的电容量以及放电输出功率、放电时长等,由于电池放电时间比较久,一般会持续数小时到十几小时不等,在这么长的时间内若依靠人工去记录并绘制电池的充放电曲线显然十分费时费力。现有技术中通常的做法是采用外接设备检测电池充放电时两端的电压/电流变化,采样设有一定的时间间隔,例如间隔30S采样一次,最后将各个采样点汇集起来并形成一充放电曲线。在实际电池的充放电过程中不难发现,电池的充放电曲线并非是线性的曲线,电池的输出电压会在某一个拐点呈现断崖式的下降,若此时采样时间恰好位于下降曲线的两端,则采样得到的曲线将会是一条十分平滑的下降曲线,而在电压下降的时间段内发生的任何电压波动将会被忽略,而电池在电量即将耗尽时的输出电压是否稳定关系到负载在此期间是否能够正常运转,对电池的性能而言是一个十分重要的参数。为了更加精确地测量电池的充放电曲线,需要对现有的检测设备做一些改进。
发明内容
针对实际运用中电动车蓄电池充放电曲线采样过程中不能详细检测蓄电池放电电压值或电流值急速下降过程中电压波动曲线的问题,本发明目的一在于提出一种蓄电池充放电曲线采样***,目的二在于提出一种基于上述***的蓄电池充放电曲线采样方法,具体方案如下:
一种蓄电池充放电曲线采样***,包括:
测试负载单元,与待测蓄电池电连接,用于在不同时间提供不同的阻值;
控制单元,用于在不同时间段内,控制所述测试负载单元与蓄电池的连接状态;
采样单元,包括第一采样频率与第二采样频率,用于获得所述蓄电池在不同时间段放电的电流采样值和电压采样值;
自动存储单元,接收并存储所述电流采样值和电压采样值;
自动追踪单元,在预定时间内随机对蓄电池的放电电流值和电压值进行采样,若随机采样值与相邻采样值之间的差值超出预设值范围,则输出第一追踪信号,若随机采样值超出采样预设值设置范围,则输出第二追踪信号;
所述采样单元接收并响应于第一追踪信号,将采样频率由第一采样频率切换至第二采样频率,若连续预定点位数采样值的标准差小于标准差预设值,则将采样频率由第二采样频率切换至第一采样频率;
所述采样单元接收并响应于第二追踪信号,将采样频率调整至第二采样频率,若连续预定点位数采样值的平均值超出采样预设值设置范围,则输出一采样终止信号;
所述采样单元响应于所述采样终止信号停止采样,所述控制单元接收并响应于所述采样终止信号断开测试负载单元与蓄电池,所述自动存储单元接收并响应于采样终止信号,将电流采样值及电压采样值存储至本地存储器和/或云端存储器中。
通过上述技术方案,在测试过程中可以调整测试负载的大小以控制测试过程中蓄电池充放电的电流值与电压值,以及充放电的持续时间,通过设置自动追踪单元,当测试过程中随机采样检测到电压出现明显下降时,将采样频率由第一采样频率改为第二采样频率,提高采样频率,有利于详细捕捉蓄电池放电电压急剧下降时的详细充放电曲线,避免采样时遗漏一些关键的电压波动值,当连续多个位点的标准差小于预设值时,则说明蓄电池的放电电流值或电压值波动已经趋于平缓,此时恢复第一采样频率继续采样。上述设置使得采样***能够将更多的采样资源,如存储资源等利用于捕捉曲线异常波动数据上,有助于详细记录蓄电池的充放电曲线,避免遗漏。当随机采样值的大小超出采样预设值设置范围,则说明蓄电池此时有可能已经处于充电过度或放电过度的状态,若再长时间充放电会对蓄电池造成损坏,此时为了避免误判,将采样频率调整至第二采样频率,连续采集多个位点的数据,若多个位点的数据平均值超出采样预设值范围,则可以判定出蓄电池已经处于充电过度或放电过度的状态,此时便停止采样。
进一步的,所述测试负载单元包括至少一个与所述蓄电池电连接的放电负载,以及控制放电负载所在放电回路通断的电控开关,所述电控开关与控制单元控制连接。
通过上述技术方案,采样开始或结束时,可以通过电控开关及时导通或者关断蓄电池的放电电路,保证采样的正常进行。
进一步的,所述采样单元包括:
采样频率生成模块,用于生成所述第一采样频率和第二采样频率;
随机数生成模块,随机生成预定个数的和值恒定的随机数;
采样终端,设置于蓄电池放电回路中,用于在不同时间段采集蓄电池放电电流值或电压值;
采样控制模块,包括切换模块及随机采样模块,所述切换模块控制采样终端的采样频率在第一采样频率、第二采样频率或停止状态之间切换,所述随机采样模块以所述随机数为时间点随机采集该时间点的电流采样值及和电压采样值。
通过上述技术方案,由采样频率生成模块生成两个固定的采样频率,并且由随机数生成模块生成多个随机数,以随机数为采样时间点随机采样,采样控制模块控制采样频率的切换与采样终端的动作。通过增设随机采样,使得采样过程中一些可能出现的波动曲线有可能被检测,提高采样的精确性。
进一步的,所述自动存储单元包括:
临时存储区,接收并临时存储测得的电流采样值与电压采样值;
固定存储区,与临时存储区信号连接,设于本地测试仪或云端服务器中,用于长期存储临时存储区的数据;
存储控制模块,接收所述采样终止信号,控制临时存储区将采样数据传输到固定存储区中加以存储;
数据上传模块,包括一无线通信模块,接收所述采样终止信号,控制临时存储区将采样数据通过无线通信模块上传至云端服务器。
通过上述技术方案,在采样时先将采样数据放置到一临时存储区,方便调用,待采用完成后将上述数据汇总至固定存储区,使得数据能够被长期保存,通过将数据上传至云端服务器,使得测试工作者可以在任何地方通过网络查看采样数据内容并以此分析蓄电池的性能,十分方便。
进一步的,所述自动追踪单元包括:
比较单元,包括多个比较模块,用于提供比较运算并输出比较运算结果以控制采样动作;
标准差计算模块,用于计算连续预定点位数采样值的标准差值;
平均值计算模块,用于计算连续预定点位数采样值的平均值。
通过上述技术方案,各个采样值的比较均通过比较单元实现,而平均值计算模块以及标准差计算模块能够更加快速合理地分析连续多点采样值的特点,算法实现上也较为容易。
进一步的,所述比较单元包括:
第一减法器,以所述随机数为时间点触发,接收随机采样值以及与所述随机采样值相邻存储的采样值,计算输出一差值信号;
第一比较模块,接收所述差值信号与预设值信号,比较输出第一追踪信号;
第二比较模块,接收随机采样值以及采样预设值的两个端点值,若随机采样值不位于两个所述端点值之间,则输出所述第二追踪信号;
第三比较模块,接收所述标准差值与标准差预设值,若标准差值超过标准差预设值,则输出一切换信号至采样单元,用于控制采样单元将采样信号由第一采样频率切换为第二采样频率;
第四比较模块,接收所述平均值与采样预设值的两个端点值,若所述平均值超出采样预设值设置范围,则输出所述采样终止信号。
进一步的,所述第一采样频率的采样频率低于第二采样频率。
一种蓄电池充放电曲线采样方法,包括:
连通测试负载单元与蓄电池,蓄电池处于正常的放电状态;
采样单元以第一采样频率对蓄电池的放电电流值与电压值进行采样,并将采样数据传输至自动存储单元进行临时存储;
采样单元在采样过程中以一随机数作为采样触发点触发采样单元随机采样,随机采样点的位点位置不定,每随机采样一次则通过计算随机采样值与相邻采样值的差值,若随机采样值与相邻的采样值之间的差值超出预设值范围,采样单元则将采样频率由第一采样频率切换至第二采样频率继续采样;
以第二采样频率连续采集多点位采样值,若连续预定点位数采样值的标准差小于标准差预设值,则将采样频率由第二采样频率切换至第一采样频率继续采样,自动存储单元存储采样数据。
进一步的,若随机采样值超出采样预设值设置范围,则以第二采样频率连续采集多点位采样值,若连续预定点位数采样值的平均值超出采样预设值设置范围,则停止采样,保存并上传采样数据。
进一步的,所述随机数在预定范围内的分布密度大于等效时间范围内的第一采样频率、第二采样频率的采样密度。
上述方法,使得蓄电池充电电的采样曲线更加地突出重点,在曲线变化比较剧烈的时候提高采样频率,提供更为详细的采样数据,有助于测试人员对曲线的变化部分做更加详细的分析,而在正常充放电曲线时则采用常规的采样频率,重点突出,节省采样资源,提高采样的覆盖性和准确性。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
(1)通过在采样过程中***随机采样的位点,检测采样过程中采样曲线是否有大幅波动,对波动较大的曲线段提高采样频率,有助于详细记录蓄电池充放电曲线;
(2)当充放电曲线的电流值与电压值大小超过预设范围时,则停止采样,避免蓄电池因为充电过度或放电过度而损坏;
(3)通过在重点曲线段采用高频率采样,平常段采用低频采样,可以有效合理地分配诸如存储空间、采样时间等采样资源,重点突出,效率高。
附图说明
图1为本发明的整体框架示意图;
图2为本发明的方法流程图。
附图标志:1、测试负载单元;2、控制单元;3、采样单元;4、自动存储单元;5、自动追踪单元;11、放电负载;12、电控开关;22、采样频率生成模块;31、随机数生成模块;32、采样终端;33、采样控制模块;41、临时存储区;42、固定存储区;43、存储控制模块;44、数据上传模块;51、比较单元;52、标准差计算模块;53、平均值计算模块;511、第一减法器;512、第一比较模块;513、第二比较模块;514、第三比较模块;515、第四比较模块。
具体实施方式
本发明目的一在于提供一种能够重点采样蓄电池放电曲线波动段电流值与电压值的蓄电池充放电曲线采样***,目的二在于提出一种基于上述***的蓄电池充放电曲线采样方法。
下面结合实施例及图对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不仅限于此。
蓄电池的充放电曲线对于测试评估蓄电池的性能有些十分重要的作用,蓄电池的电容量,充放电时间以及输出电压或电流的稳定性在其中均能得到很好的体现。由于蓄电池的充放电曲线时非线性的,在蓄电池电量即将耗尽的时候电压会出现大幅急速下滑,而这段时间内的电压波动却很少被细致地采集,所以传统的采集***及方法得到的充放电曲线并不完善。针对上述情况,最有效的办法就是将采样频率提高,可是采样频率提高则意味着存储单元的容量也要提高,采样终端32的动作量也要增加,对于一些大电量的蓄电池而言,上述超大的采样数据无疑增加了采样的难度。为此,如图1所示,本发明提出了一种蓄电池充放电曲线采样***,主要包括测试负载单元1、控制单元2、采样单元3、自动存储单元4以及自动追踪单元5。
其中,测试负载单元1与待测蓄电池电连接,用于在不同时间提供不同的阻值。在本发明中,测试负载单元1的放电负载11主要采用电阻、炉丝或者蓄电池容量放电仪等。更具体而言,测试负载单元1包括至少一个与蓄电池电连接的放电负载11,以及控制放电负载11所在放电回路通断的电控开关12,电控开关12与控制单元控制连接。通过上述技术方案,采样开始或结束时,可以通过电控开关12及时导通或者关断蓄电池的放电电路,保证采样的正常进行。
对于控制单元2,控制单元2用于在不同时间段内,控制测试负载单元1与蓄电池的连接状态。在本实施例中,控制单元2的核心采用单片机、ARM或FPGA作为控制处理的核心,由于涉及到高速采样与数字运算,在此优选采用FPGA及其***电路组成控制核心。
对于采样单元3,主要包括第一采样频率与第二采样频率,第一采样频率的采样频率低于第二采样频率,用于获得蓄电池在不同时间段放电的电流采样值和电压采样值。详述的,采样单元3包括:采样频率生成模块22,用于生成第一采样频率和第二采样频率;随机数生成模块31,随机生成预定个数的和值恒定的随机数;采样终端32,设置于蓄电池放电回路中,用于在不同时间段采集蓄电池放电电流值或电压值;采样控制模块33,包括切换模块及随机采样模块,切换模块控制采样终端32的采样频率在第一采样频率、第二采样频率或停止状态之间切换,随机采样模块以随机数为时间点随机采集该时间点的电流采样值及和电压采样值。
上述技术方案,采样频率生成单元的基准频率由外接晶振提供,而后由分频模块做多分频处理,得到频率不同的第一采样频率与第二采样频率。随机数生成模块31由控制单元2的程序生成,具体方案如下:定义一段随机数字生成的区间范围,例如1~1000,而后定义该范围内随机数的和值恒定,主要为了防止随机数数值过于集中,而后生成一个随机数列表,控制单元2以该列表上的随机数字作为时间点随机对蓄电池的放电电流值与电压值进行采样。例如随机数200代表第200秒时无论正常的采样是否在此刻采样,采样单元3均会采集一次数据。在本发明中,采样控制模块33主要为内置于控制芯片中的采样程序,由程序控制采样终端32的高低电平从而获取到采样信号。上述方案,由采样频率生成模块22生成两个固定的采样频率,并且由随机数生成模块31生成多个随机数,以随机数为采样时间点随机采样,采样控制模块33控制采样频率的切换与采样终端32的动作。通过增设随机采样,使得采样过程中一些可能出现的波动曲线有可能被检测,提高采样的精确性。
对于本发明的自动存储单元4,主要用于接收并存储电流采样值和电压采样值。具体包括:临时存储区41,接收并临时存储测得的电流采样值与电压采样值;固定存储区42,与临时存储区41信号连接,设于本地测试仪或云端服务器中,用于长期存储临时存储区41的数据;存储控制模块43,接收采样终止信号,控制临时存储区41将采样数据传输到固定存储区42中加以存储;数据上传模块44,包括一无线通信模块,接收采样终止信号,控制临时存储区41将采样数据通过无线通信模块上传至云端服务器。
上述方案中的临时存储区41,包括设于控制芯片***的存储芯片,如RAM芯片等作为临时存储的介质,方便计算标准差及平均值时调取数据进行运算。待采样完成后,上述数据被输送至固定存储区42进行存储,如PC机的硬盘等。为了方便测试者能够随时查看采样的结果并加以运算,采样结束后数据上传至云端服务器进行保存,对于无线通信模块,主要采用WIFI无线通信模块或Internet网络接口模块。上述技术方案,在采样时先将采样数据放置到一临时存储区41,方便调用,待采用完成后将上述数据汇总至固定存储区42,使得数据能够被长期保存,通过将数据上传至云端服务器,使得测试工作者可以在任何地方通过网络查看采样数据内容并以此分析蓄电池的性能,十分方便。
对于自动追踪单元5,主要作用是在预定时间内随机对蓄电池的放电电流值和电压值进行采样,若随机采样值与相邻采样值之间的差值超出预设值范围,则输出第一追踪信号,若随机采样值超出采样预设值设置范围,则输出第二追踪信号。采样单元3接收并响应于第一追踪信号,将采样频率由第一采样频率切换至第二采样频率,若连续预定点位数采样值的标准差小于标准差预设值,则将采样频率由第二采样频率切换至第一采样频率。采样单元3接收并响应于第二追踪信号,将采样频率调整至第二采样频率,若连续预定点位数采样值的平均值超出采样预设值设置范围,则输出一采样终止信号。采样单元3响应于采样终止信号停止采样,控制单元2接收并响应于采样终止信号断开测试负载单元1与蓄电池,自动存储单元4接收并响应于采样终止信号,将电流采样值及电压采样值存储至本地存储器和/或云端存储器中。上述技术方案,在测试过程中可以调整测试负载的大小以控制测试过程中蓄电池充放电的电流值与电压值,以及充放电的持续时间,通过设置自动追踪单元5,当测试过程中随机采样检测到电压出现明显下降时,将采样频率由第一采样频率改为第二采样频率,提高采样频率,有利于详细捕捉蓄电池放电电压急剧下降时的详细充放电曲线,避免采样时遗漏一些关键的电压波动值,当连续多个位点的标准差小于预设值时,则说明蓄电池的放电电流值或电压值波动已经趋于平缓,此时恢复第一采样频率继续采样。上述设置使得采样***能够将更多的采样资源,如存储资源等利用于捕捉曲线异常波动数据上,有助于详细记录蓄电池的充放电曲线,避免遗漏。当随机采样值的大小超出采样预设值设置范围,则说明蓄电池此时有可能已经处于充电过度或放电过度的状态,若再长时间充放电会对蓄电池造成损坏,此时为了避免误判,将采样频率调整至第二采样频率,连续采集多个位点的数据,若多个位点的数据平均值超出采样预设值范围,则可以判定出蓄电池已经处于充电过度或放电过度的状态,此时便停止采样。
进一步详述的,自动追踪单元5包括:比较单元51,包括多个比较模块,用于提供比较运算并输出比较运算结果以控制采样动作;标准差计算模块52,用于计算连续预定点位数采样值的标准差值;平均值计算模块53,用于计算连续预定点位数采样值的平均值。通过上述技术方案,各个采样值的比较均通过比较单元51实现,而平均值计算模块53以及标准差计算模块52能够更加快速合理地分析连续多点采样值的特点,算法实现上也较为容易。对于上述比较单元51而言,比较单元51包括:第一减法器511,以随机数为时间点触发,接收随机采样值以及与随机采样值相邻存储的采样值,计算输出一差值信号;第一比较模块512,接收差值信号与预设值信号,比较输出第一追踪信号;第二比较模块513,接收随机采样值以及采样预设值的两个端点值,若随机采样值不位于两个端点值之间,则输出第二追踪信号;第三比较模块514,接收标准差值与标准差预设值,若标准差值超过标准差预设值,则输出一切换信号至采样单元3,用于控制采样单元3将采样信号由第一采样频率切换为第二采样频率;第四比较模块515,接收所述平均值与采样预设值的两个端点值,若所述平均值超出采样预设值设置范围,则输出所述采样终止信号。在本发明中,上述各个模块优选为控制芯片内置比较程序实现,由于数字芯片的比较程序已经非常完善且已经模块化,因此只需要调取即可使用,如FPGA中的嵌入式块RAM,数字时钟管理模块一样,使用时调取即可,十分方便。
基于本发明目的一中的蓄电池充放电曲线采样***,本发明还提出了一种蓄电池充放电曲线采样方法,如图2所示,包括:
连通测试负载单元1与蓄电池,蓄电池处于正常的放电状态;
采样单元3以第一采样频率对蓄电池的放电电流值与电压值进行采样,并将采样数据传输至自动存储单元4进行临时存储;
采样单元3在采样过程中以一随机数作为采样触发点触发采样单元3随机采样,随机采样点的位点位置不定,每随机采样一次则通过计算随机采样值与相邻采样值的差值,若随机采样值与相邻的采样值之间的差值超出预设值范围,采样单元3则将采样频率由第一采样频率切换至第二采样频率继续采样;
以第二采样频率连续采集多点位采样值,若连续预定点位数采样值的标准差小于标准差预设值,则将采样频率由第二采样频率切换至第一采样频率继续采样,自动存储单元4存储采样数据。
进一步说明的,若随机采样值超出采样预设值设置范围,则以第二采样频率连续采集多点位采样值,若连续预定点位数采样值的平均值超出采样预设值设置范围,则停止采样,保存并上传采样数据。
优化的,随机数在预定范围内的分布密度大于等效时间范围内的第一采样频率、第二采样频率的采样密度。
上述方法,使得蓄电池充电电的采样曲线更加地突出重点,在曲线变化比较剧烈的时候提高采样频率,提供更为详细的采样数据,有助于测试人员对曲线的变化部分做更加详细的分析,而在正常充放电曲线时则采用常规的采样频率,重点突出,节省采样资源,提高采样的覆盖性和准确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。