一种环艺割草机电池组管理系统及控制方法与流程

1.本发明涉及电池组管理技术领域，具体为一种环艺割草机电池组管理系统及控制方法。


背景技术：

2.随着人们经济水平与对生态环境要求的快速提高，城市环艺绿化在城市建设越来越受到重视，绿草在城市中随处可见，环艺割草机也被广泛应用于草坪清理。目前环艺割草机主要分电动割草机与油动割草机，然而油动割草机因其一方面耗油、对环境污染大，另一方面因其噪声大、严重影响公众生活质量，因而越来越难以适合在城市、尤其是公共绿地和家庭绿地中使用。电动割草机因其噪声小、污染少、使用方便等优点，越来越成为环艺割草机发展的主力军。
3.对于环艺电动割草机而言，其主要动力来自电池组，电池组的寿命与安全可靠运行直接决定着割草机的经济性与实用性。然而，一方面因受电池材料加工工艺、制造水平、电池使用环境与方式的影响，电池组中串联的各个电池单体的电量、老化程度等存在固有的不一致，即使在同一放电电流下对外供电，有些电池单体提前放电结束或老化，导致电池组中电池单体过放或损坏，即为故障电池，甚至电池组停止对外供电，进而导致割草机自身行走电机和割草电机的突然停机而受到损坏。另一方面，电池单体不一致是不可避免的，即一定存在电池组中某一个电池单体提前放电结束或老化的现象，若其中一个电池单体提前放电结束或老化，成为故障电池，就需要人工来更换一个电池组，然而，频繁的人工更换故障电池，将增加了电池更换时间和人力成本，这不仅增加了割草机的使用成本，又大大降低了割草机的工作效率。实际上，电池组中某一个电池单体提前放电结束或老化、损坏，或多个电池单体连续放电结束或老化、损坏，并不一定会影响整个电池组对外供电，可通过合理的故障电池切除方法来实现。同时，当一个故障电池单体或多个故障电池单体被切除后，电池组的额定电量、内阻必然都将变化，从而影响了电池组荷电状态和健康状态的准确预估，进一步影响了故障电池的判定与切除。因此，需要提供一种环艺割草机电池组管理系统及控制方法，能实时检测电池组电池参数、准确预估电池状态信息、及时判断电池故障且主动切除故障电池、启停行走电机和割草电机。


技术实现要素：

4.本发明提供一种能够实时自主切除故障电池、准确预估电池状态信息的环艺割草机电池组管理系统，同时还提供了一种环艺割草机电池组管理系统控制方法。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种环艺割草机电池组管理系统，割草机电池组由n个电池单体经串联而成，其中n为大于1的自然数，所述割草机电池组管理系统包括检测模块、系统控制器、电机驱动模块、系统电源、故障开关组以及人机界面；
6.检测模块，利用电压传感器和电流传感器检测得到割草机电池组的电池参数，电池参数包括n个电池单体电压u
i
、一个电池组电压u
b
、一个电池组电流i
b
，其中i为大于等于
1、小于等于n的自然数；
7.系统控制器，包括故障控制器、电池状态预估器及子控制器，所述电池状态预估器根据所述检测模块得到的电池参数，结合故障控制器反馈的故障信息，利用预估算法产生电池状态信息，并将电池状态信息上传给故障控制器及子控制器，所述故障控制器根据检测模块所得的电池组电池参数、电池状态预估器所得的电池状态信息，产生一个故障信息，以控制故障开关组中相应故障开关，实现自主切除故障电池单体，避免电池过放或损坏，并将故障信息分别反馈给电池状态预估器、子控制器与电机驱动模块，所述子控制器，读取检测模块测得的显示数据，并将所述显示数据上传给人机界面，同时控制电机驱动模块中各电机驱动器的启停；
8.电机驱动模块，包括行走电机驱动器和割草电机驱动器，所述行走电机驱动器根据所述子控制器的控制信息及故障控制器的故障信息，判断是否启停行走电机，并采集行走电机工作状态，电机工作状态包括行走方向与行走速度；所述割草电机驱动器根据所述子控制器的控制信息及故障控制器的故障信息，判断是否启停割草电机，并采集割草电机作业参数，作业参数包括工作模式、刀况；
9.故障开关组，包括n个继电器、常开开关、常闭开关以及和故障开关，所述故障开关组的连接方式，包括所述继电器的常闭开关与所述电池单体依次相间串联相接，即第一个电池单体cell1输出端与第一个继电器的常闭开关k10输入端相连，第一个继电器的常闭开关k10输出端与第二个电池单体cell2输入端相连，第二个电池单体cell2输出端与第二个继电器的常闭开关k20输入端相连，第二个继电器的常闭开关k20输出端与第三个电池单体cell3输入端相连，依此类似，继电器常闭开关与电池单体首尾串联在一起，直至第n个电池单体celln输出端与第n个继电器的常闭开关kn0输入端相连；
10.同时，所述继电器的常开开关与电池单体及常闭开关依次相间并联相接，即第一个继电器的常开开关k1输入端与第一个电池单体cell1输入端相连，第一个继电器的常开开关k1输出端与第一个继电器的常闭开关k10输出端相连，第二个继电器的常开开关k2输入端与第二个电池单体cell2输入端相连，第二个继电器的常开开关k2输出端与第二个继电器的常闭开关k20输出端相连，依此类似，第i个继电器的常开开关ki与第i个电池单体及继电器i的常闭开关ki依次并联相接，直至第n个继电器的常开开关kn输入端与第一个电池单体celln输入端相连，第n个继电器的常开开关kn输出端与继电器n的常闭开关kn0输出端相连；
11.与此同时，所述故障开关输入端接所述系统电源正极，所述故障开关输出端接所述继电器输入端，所述继电器输出端接所述系统电源负极，即故障开关s1输入端接系统电源正极，故障开关s1输出端与第一个继电器的线圈km1输入端相连，第一个继电器的线圈km1输出端接系统电源负极，故障开关s2输入端接系统电源正极，故障开关s2输出端与第二个继电器的线圈km2输入端相连，第二个继电器的线圈km2输出端接系统电源负极，依次类似，直至故障开关sn输入端接系统电源正极，故障开关sn输出端与第n个继电器的线圈kmn输入端相连，第n个继电器的线圈kmn输出端接系统电源负极；
12.系统电源，用以给所述故障开关组及系统其他组件提供电源；
13.人机界面，用以读取并显示子控制器上传的显示数据，显示数据包括n个电池单体的电压、荷电状态、健康状态，电池组的电压、电流、荷电状态、健康状态，电池故障信息，同
时，手动输入控制信息给故障控制器、电池状态预估器、子控制器，实现人机互动功能。
14.优选的，所述的预估算法为开路电压法、卡尔曼滤法及其改进的卡尔曼滤法、神经网络及其改进算法。
15.优选的，所述的显示数据包括检测模块检测到的电池单体及电池组电池参数、电池状态预估器产生的电池状态信息、故障控制器产生的故障信息、电机驱动模块采集的电机工作状态和作业参数。
16.优选的，所述故障信息指用二进编码或十进编码表示的、可明确具体哪个电池单体发生故障的信息，其中，以1表示相应位电池单体有故障，0表示相应位电池单体无故障。
17.优选的，所述电池状态信息包括n个电池单体荷电状态soc
i
、健康状态soh
i
及电池组的荷电状态soc
b
、健康状态soh
b
。
18.一种割草机电池组管理系统控制方法，包括如下步骤：
19.s1：由检测模块适时检测割草机电池组的n个电池单体电压、电池组电压和电流等电池参数，并将这些电池参数分别上传给系统控制器的电池状态预估器、子控制器与故障控制器；
20.s2：电池状态预估器根据检测模块得到的电池参数，结合故障控制器反馈的故障信息来修正电池组电池额定容量、内阻，利用预估算法产生n个电池单体的荷电状态、健康状态及电池组的荷电状态soc
b
、健康状态soh
b
等电池状态信息，并将电池状态信息上传给子控制器与故障控制器；
21.s3：故障控制器将检测模板检测的电池单体电压、电池状态预估器产生的电池单体的荷电状态及健康状态，分别与其预定值进行比较，采用故障电池判定法确定单个电池单体是否放电结束或已老化，若判定第i个电池单体放电结束或已老化，则产生第i位故障信息表明第i个电池单体已出现故障或需要更换，同时导通故障开关组中第i个故障开关si，故障开关si导通后，第i个继电器的线圈kmi得电，从而第i个继电器的常开开关ki闭合、常闭开关ki0断开，自动切除第i个电池单体；
22.s4：与此同时，故障控制器根据检测模块检测的电池组电压u
b
，与电机驱动模板要求的电机最低电压阀值u
m
进行比较，若电池组电压低于电机最低电压阀值，则产生故障停车信息，否则产生故障启动信息，并将故障启停信息传递给电机驱动模块，从而避免因一个电池单体或多个电池单体发生故障，导致需要人工来频繁更换电池；
23.s5：同时，故障控制器将故障信息反馈给电池状态预估器，以修正电池组电池额定容量、内阻，进一步修正电池组电池状态预估值，作为下一次故障电池判定依据，形成故障电池判定的闭环控制，并上传故障信息给子控制器；
24.s6：电机驱动模块根据故障控制器产生的故障启停车信息，结合子控制器启停控制信息，利用电机启停法，确定是否驱动行走电机和割草电机，并将采集到的电机工作状态和作业参数上传给子控制器。
25.优选的，所述s3中，所述故障电池判定法为电池单体电压ui、电池单体荷电状态soc
i
、电池单体健康状态soh
i
中任一个参数不大于其给定阀值，则认为该电池单体为放电结束或已老化，其中电池单体电压阀值为电池单体放电截止电压u
0i
、电池荷电状态阀值为0.2、电池健康状态阀值为0.8。
26.优选的，所述s6中，所述电机启停法为电机驱动模块接收到故障停车信息与子控
制器停车信息中任一个，都将停止行走电机和割草电机，只有电机驱动模块都接到故障启动信息和子控制器的启动信息时，才会驱动行走电机和割草电机。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果：
28.1、本发明中，利用环艺割草机电池组管理系统，用于自主切除电池故障、准确预估电池状态信息、提高电池使用寿命。
29.2、本发明中，利用环艺割草机电池组管理系统的控制方法，可实现对一个或多个电池单体同时进行故障判别，并主动切除相应故障电池单体，保证电池组持续供电，而无需人工频繁更换故障电池单体，直至多个电池单体发生故障后，导致电池组电压低于割草机电机最低电压阀值，才需人工更换故障电池单体。
附图说明
30.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。
31.在附图中：
32.图1是本发明环艺割草机电池组管理系统基本架构图；
33.图2是本发明环艺割草机电池组管理系统控制方法的流程图；
34.图3是本发明含八个电池单体的环艺割草机电池组管理系统的架构图；
35.图4是本发明第二个电池单体发生故障时环艺割草机电池组管理系统的架构图；
36.图5是本发明第二、第三个电池单体发生故障时环艺割草机电池组管理系统的架构图；
37.图中标号：1、检测模块；2、系统控制器；21、故障控制器；22、电池状态预估器；23、子控制器；3、电机驱动模块；31、行走电机驱动器；32、割草电机驱动器；4、故障开关组；5、系统电源；6、人机界面。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
39.实施例：如图1所示，一种环艺割草机电池组管理系统，割草机电池组由n个电池单体经串联而成，其中n为大于1的自然数，如图3所示，本实施例中割草机电池组为八个电池单体经串联而成，所述割草机电池组管理系统包括检测模块1、系统控制器2、电机驱动模块3、系统电源5、故障开关组4以及人机界面6；
40.检测模块1，利用电压传感器和电流传感器检测得到割草机电池组的电池参数，电池参数包括八个电池单体电压u1～u8、一个电池组电压u
b
、一个电池组电流i
b
。
41.系统控制器2，包括故障控制器21、电池状态预估器22及子控制器23，所述电池状态预估器22根据所述检测模块1得到的电池参数，结合故障控制器21反馈的故障信息，利用卡尔曼滤波法预估得到电池状态信息，电池状态信息包括八个电池单体荷电状态soc1～soc8、八个电池单体健康状态soh1～soh8及一个电池组荷电状态soc
b
、一个电池组健康状态soh
b
，并将电池状态信息上传给故障控制器21及子控制器23。
42.所述故障控制器21根据检测模块1所得的电池组电池参数、电池状态预估器22所
得的电池状态信息，产生一个含8位的二进制故障信息，其中，以1表示相应位电池单体有故障，0表示相应位电池单体无故障，以控制故障开关组4中相应故障开关，实现自主切除故障电池单体，避免电池过放或损坏，并将故障信息分别反馈给电池状态预估器22、子控制器23与电机驱动模块3。
43.所述子控制器23，读取检测模块1测得的电池参数、电池状态预估器22产生的电池状态信息、故障控制器21产生的故障信息、电机驱动模板采集的电机工作状态与作业参数等显示数据，并将所述显示数据上传给人机界面6，同时控制电机驱动模块3中各电机驱动器的启停。
44.电机驱动模块3，由行走电机驱动器31和割草电机驱动器32构成，所述行走电机驱动器31根据所述子控制器23的控制信息及故障控制器21的故障信息，判断是否启停行走电机，并采集行走电机工作状态，电机工作状态包括行走方向与行走速度；所述割草电机驱动器32根据所述子控制器23的控制信息及故障控制器21的故障信息，判断是否启停割草电机，并采集割草电机作业参数，作业参数包括工作模式、刀况。
45.故障开关组4，由八个带常闭和常开互锁开关的继电器、八个故障执行开关构成，具体连接方式为，第一个电池单体cell1输出端与第一继电器的常闭开关k10输入端相连，第一个继电器的常闭开关k10输出端与第二个电池单体cell2输入端相连，第二个电池单体cell2输出端与第二个继电器的常闭开关k20输入端相连，第二个继电器的常闭开关k20输出端与第三个电池单体cell3输入端相连，依此类似，继电器常闭开关与电池单体首尾串联在一起，直至第八个电池单体cell8输出端与第八个继电器的常闭开关k80输入端相连。
46.同时，继电器常开开关与电池单体及继电器常闭开关依次相间并联相接，即第一个继电器的常开开关k1输入端与第一个电池单体cell1输入端相连，第一个继电器的常开开关k1输出端与第一个继电器的常闭开关k10输出端相连，第二个继电器的常开开关k2输入端与第二个电池单体cell2输入端相连，第二个继电器的常开开关k2输出端与第二个继电器的常闭开关k20输出端相连，依此类似，直至第八个继电器的常开开关k8输入端与第一个电池单体cell8输入端相连，第八个继电器的常开开关k8输出端与第八个继电器的常闭开关k80输出端相连。
47.与此同时，故障开关s1输入端接系统电源5正极，故障开关s1输出端与第一个继电器的线圈km1输入端相连，第一个继电器的线圈km1输出端接系统电源5负极，故障开关s2输入端接系统电源5正极，故障开关s2输出端与第二个继电器的线圈km2输入端相连，第二个继电器的线圈km2输出端接系统电源5负极，依次类似，直至故障开关s8输入端接系统电源5正极，故障开关s8输出端与第八个继电器的线圈km8输入端相连，第八个继电器的线圈km8输出端接系统电源5负极。
48.系统电源5，用以给故障开关组4及系统其他组件提供电源。
49.人机界面6，用以读取并显示子控制器23上传的显示数据，显示数据包括电池单体的电压u1～u8、荷电状态soc1～soc8、健康状态soh1～soh8，电池组的电压u
b
、电流i
b
、荷电状态soc
b
、健康状态soh
b
，电池故障信息，行走电机的行走方向和行走速度、割草电机工作模式和刀况。同时，可手动输入控制信息给故障控制器21、电池状态预估器22、子控制器23，实现人机互动功能。
50.一种割草机电池组管理系统控制方法，其流程如图2所示。
51.在本发明的其中一个实施例中，若假设电池组中第二个电池单体为故障电池，其切除第二个故障电池单体时的电池组管理系统，如图4所示，其控制方法包括如下步骤：
52.s1：由检测模块1适时检测割草机电池组的电池参数，包括八个电池单体电压u1～u8、一个电池组电压u
b
、一个电池组电流i
b
，并将这些电池参数分别上传给系统控制器2的电池状态预估器22、子控制器23与故障控制器21。
53.s2：电池状态预估器22根据检测模块1得到的电池参数，结合故障控制器21反馈的故障信息(二进制码故障信息为00000010)来修正电池组电池额定容量、内阻，利用卡尔曼滤波法产生八个电池单体荷电状态soc1～soc8、八个电池单体健康状态soh1～soh8及一个电池组荷电状态soc
b
、一个电池组健康状态soh
b
，并将这些电池状态信息上传给子控制器23与故障控制器21。
54.s3：故障控制器21将检测模板检测的电池单体电压u1～u8、电池状态预估器22产生的电池单体的荷电状态soc1～soc8及健康状态soh1～soh8，首先将电池单体电压u1～u8分别与其放电截止电压u
10
～u
80
进行比较，若u2≤u
20
，表现当前第二个电池单体电压达到其放电截止电压，则将故障信息置为00000010。否则，再将电池单体荷电状态soc1～soc8分别与soc阀值0.2进行比较，若soc2≤0.2，表明当前第二个电池单体放电结束，则将故障信息置为00000010。否则，再将电池单体健康状态soh1～soh8分别与soh阀值0.8进行比较，若soh2≤0.8，表明第二个电池单体已老化，故障信息置为00000010。当u2、soc2、soh2中任意一个不大于其对应阀值，而故障信息置为00000010，即上述三种情况有一种情况使故障信息被置为00000010时，则故障控制器21将向故障开关组4输出故障信息00000010，否则，则产生启动电机指令，发送给电机驱动模块3。当故障开关组4接到00000010的故障信息，导通故障开关组4中第二个故障开关s2，故障开关s2导通后，第二个继电器的线圈km2得电，从而第二个继电器的常开开关k2闭合、常闭开关k20断开，自动切除第二个电池单体，避免第二个电池单体过放或损坏，同时，因常开开关k2的闭合为电池组电流提供了一条通路，从而避免了因第二个电池单体的老化或放电结束而导致整个电池组失电的危险，大大提高了电池组供电稳定性。
55.s4：与此同时，故障控制器21根据检测模块1检测的电池组电压u
b
，与电机驱动模板要求的电机最低电压阀值u
m
进行比较，若u
b
≤u
m
，则产生故障停车信息，否则产生故障启动信息，并将故障启停信息传递给电机驱动模块3，从而避免因第2个电池单体发生故障，便频繁需要人工来更换电池。
56.s5：同时，故障控制器21将故障信息反馈给电池状态预估器22，以修正电池组电池额定容量、内阻，进一步修正电池组电池状态预估值，作为下一次故障电池判定依据，形成故障电池判定的闭环控制，并上传故障信息给子控制器23。
57.s6：电机驱动模块3根据故障控制器21产生的故障启停车信息，结合子控制器23启停控制信息，利用电机启停法，确定是否驱动行走电机和割草电机，并将采集到的电机工作状态和作业参数上传给子控制器23。
58.在本发明的其中一个实施例中，若假设电池组中第二个和第三个电池单体都为故障电池，其切除第二个和第三个电池单体时的电池组管理系统，如图5所示，其控制方法包括如下步骤：
59.s1：由检测模块1适时检测割草机电池组的电池参数，包括八个电池单体电压u1～
u8、一个电池组电压u
b
、一个电池组电流i
b
，并将这些电池参数分别上传给系统控制器2的电池状态预估器22、子控制器23与故障控制器21。
60.s2：电池状态预估器22根据检测模块1得到的电池参数，结合故障控制器21反馈的故障信息(二进制码故障信息为00000110)来修正电池组电池额定容量、内阻，利用卡尔曼滤波法产生八个电池单体荷电状态soc1～soc8、八个电池单体健康状态soh1～soh8及一个电池组荷电状态soc
b
、一个电池组健康状态soh
b
，并将这些电池状态信息上传给子控制器23与故障控制器21。
61.s3：故障控制器21将检测模板检测的电池单体电压u1～u8、电池状态预估器22产生的电池单体的荷电状态soc1～soc8及健康状态soh1～soh8，首先将电池单体电压u1～u8分别与其放电截止电压u
10
～u
80
进行比较，若u2≤u20及u3≤u
30
，表现当前第二个和第三个电池单体电压都达到其放电截止电压，则将故障信息置为00000110。否则，再将电池单体荷电状态soc1～soc8分别与soc阀值0.2进行比较，若soc2≤0.2及soc3≤soc
30
，表明当前第二个和第三个电池单体放电结束，则将故障信息置为00000110。否则，再将电池单体健康状态soh1～soh8分别与soh阀值0.8进行比较，若soh2≤0.8及soh3≤0.8，表明第二个和第三个电池单体已老化，故障信息置为00000110。当u2、soc2、soh2及u2、soc2、soh2中任意一个不大于其对应阀值，而故障信息置为00000110，即上述三种情况有一种情况使故障信息被置为00000110时，则故障控制器21将向故障开关组4输出故障信息00000110，否则，则产生启动电机指令，发送给电机驱动模块3。当故障开关组4接到00000110的故障信息，分别导通故障开关组4中故障开关s2、s3，故障开关s2、s3导通后，第二个继电器的线圈km2、第三个继电器的线圈km3分别得电，从而第二个继电器的常开开关k2闭合、常闭开关k20断开，自动切除第二个电池单体，避免第二个电池单体过放或损坏，第三个继电器的常开开关k3闭合、常闭开关k30断开，自动切除第三个电池单体，避免第三个电池单体过放或损坏。同时，因常开开关k2、k3的闭合为电池组电流提供了一条通路，从而避免了因第二个、第三个电池单体的老化或放电结束而导致整个电池组失电。
62.s4：与此同时，故障控制器21根据检测模块1检测的电池组电压u
b
，与电机驱动模板要求的电机最低电压阀值u
m
进行比较，若u
b
≤u
m
，则产生故障停车信息，否则产生故障启动信息，并将故障启停信息传递给电机驱动模块3，从而避免因第二个和第三个电池单体发生故障，便频繁需要人工来更换电池。
63.s5：同时，故障控制器21将故障信息反馈给电池状态预估器22，以修正电池组电池额定容量、内阻，进一步修正电池组电池状态预估值，作为下一次故障电池判定依据，形成故障电池判定的闭环控制，并上传故障信息给子控制器23。
64.s6：电机驱动模块3根据故障控制器21产生的故障启停车信息，结合子控制器23启停控制信息，利用电机启停法，确定是否驱动行走电机和割草电机，并将采集到的电机工作状态和作业参数上传给子控制器23。
65.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。