一种轨道式室内养殖投饲机电池管理方法和系统与流程

1.本发明涉及一种水产养殖投饲机的电池电量检测装置，特别是一种轨道式室内养殖投饲机电池管理方法和系统。


背景技术：

2.轨道式室内养殖投饲机能有效改进鱼群的投喂方式，提升鱼群饵料的利用率，是提升我国水产养殖的经济效益的重要途径。工厂化水产养殖车间设备较多，且有高温、高湿的特点，考虑到轨道式养殖投饲机在工厂化水产养殖车间运行的灵活性和安全性，一般是采用可以充放电的蓄电池作为供电模块。但现有技术的水产养殖工厂内的自动投饲机上没有电源模块电量显示及反馈模块，系统会因电量不足停止运行，无法返回原点，仍然需要人工处理，不够智能，影响投饲效率。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种轨道式室内养殖投饲机电池管理方法和系统。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种轨道式室内养殖投饲机电池管理方法，其中，包括如下步骤：
5.s100、采集轨道式室内养殖投饲机电池组的电池电流和温度信息，使用分压采样法，通过采样电阻获取回路电压并计算出电流值；采用负温度系数热敏电阻进行温度采样得到温度值，把所有所述电流值和温度值汇总并上传到主控模块进行处理；
6.s200、所述主控模块接收所述电池的电流和温度信息，并采用卡尔曼滤波法获得电池soc估算值；
7.s300、显示所述电池soc估算值，并将所述电池soc估算值发送至控制室；以及
8.s400、若电池电量低于一设定阈值，则进行报警。
9.上述的轨道式室内养殖投饲机电池管理方法，其中，还包括如下步骤：
10.s500、对电池状态进行检测，根据检测结果判断是否需要充电，若是，则接通充电电路进行充电；并实时检测电池电流或电压，当检测到所述电池电流或电压高于充电电流阈值或充电电压阈值时，自动断开所述充电电路停止充电。
11.上述的轨道式室内养殖投饲机电池管理方法，其中，步骤s500中，当电池充满后，通过液晶显示屏显示，并进行声光提示。
12.上述的轨道式室内养殖投饲机电池管理方法，其中，步骤s500中，每充一次电，存储相应信息并修改电池充电次数，且在液晶显示屏上显示。
13.上述的轨道式室内养殖投饲机电池管理方法，其中，所述电池电量的设定阈值为20％。
14.上述的轨道式室内养殖投饲机电池管理方法，其中，步骤s100中，通过测量采样电阻两端的电压值，使用电压差来计算相应的电流值；
15.其中，电流计算公式为：
16.u
t
＝u
2-u1；
17.根据欧姆定律：
[0018][0019]
其中，u1是采样电阻左端电压值，u2是采样电阻右端电压值，u
t
是实时采集电池电压，r是高精度电流电压采样电阻，i
t
是实时采集电池电流；
[0020]
采用负温度系数热敏电阻进行温度采样，采样电阻管脚电压计算公式：
[0021][0022]
其中，rt为负温度系数热敏采样电阻，r0为限流电阻，v
t
为可以计算出测量温度的电压值，计算出系统环境温度的数字量，便于传输与计算。
[0023]
上述的轨道式室内养殖投饲机电池管理方法，其中，步骤s200中，进一步包括：
[0024]
s201、得到k时刻的状态变量的估算值和状态递推后的协方差矩阵，获得状态更新方程和误差协方差时间更新方程；
[0025]
s202、求解卡尔曼增益，获得卡尔曼增益矩阵更新方程；
[0026]
s203、根据卡尔曼增益修正状态变量，获得状态估计测量更新方程；
[0027]
s204、根据卡尔曼增益修正所述协方差矩阵，获得协方差测量更新方程；以及
[0028]
s205、当步骤s201-204的五个更新方程执行完成后，循环回到步骤s201，计算k 1时刻的电池soc估算值。
[0029]
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种轨道式室内养殖投饲机电池管理系统，其中，包括：
[0030]
无线通讯模块，与控制室或用户端连接，用于将轨道式室内养殖投饲机的电池组的电池数据和电池管理系统信息实时发送至控制室或用户端，以供实时查看；
[0031]
前端模拟模块，与所述电池组连接，用于对所述电池组的电池数据进行采集，并对电池管理系统提供故障保护；以及
[0032]
主控模块，分别与所述前端模拟模块和无线通讯模块连接，用于对所述前端模拟模块所采集的电池数据进行参数估算、电池管理系统信息存储和控制显示屏显示电池管理系统运行状态。
[0033]
上述的轨道式室内养殖投饲机电池管理系统，其中，所述前端模拟模块包括充电单元、放电单元、采样单元、供电单元、通信单元、保护单元和均衡单元，所述充电单元用于充电控制，通过检测所述电池组的充电端口电压，打开充电开关使所述电池管理系统进入充电状态；所述放电单元用于放电控制，通过检测所述电池组的负载端口电压，打开放电开关使所述电池管理系统进入放电状态；所述采样单元用于采集所述电池组的电池参数信息；所述保护单元用于保护所述电池管理系统安全运行；所述均衡单元用于实时检测所述电池组的充电端电压，并判断所述电池组的状态以控制所述电池组均衡充电。
[0034]
上述的轨道式室内养殖投饲机电池管理系统，其中，所述主控模块包括arm主控芯片、液晶屏、sd存储卡、i2c通信接口和串口通信接口，所述arm主控芯片采用卡尔曼滤波法将采集到的所述电池数据进行计算并根据预设模型获得电池soc估算值，并存储在所述sd
存储卡中，同时将所述电池数据和电池管理系统信息传输至无线通讯模块。
[0035]
本发明的技术效果在于：
[0036]
本发明可以实现轨道式室内养殖投饲机电池的智能管理，解决了现有技术中水产养殖工厂内的自动投饲机上没有电源模块电量显示及反馈模块，系统会因电量不足停止运行无法返回原点的问题，不需要人工处理，提高了投饲效率。
[0037]
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
[0038]
图1为本发明一实施例的结构框图；
[0039]
图2为本发明一实施例的电池二阶rc等效电路图。
[0040]
其中，附图标记
[0041]1ꢀꢀ
电池组
[0042]2ꢀꢀ
前端模拟模块
[0043]3ꢀꢀ
主控模块
[0044]4ꢀꢀ
无线通讯模块
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
[0046]
参见图1，图1为本发明一实施例的结构框图。本发明的轨道式室内养殖投饲机电池管理系统，包括：无线通讯模块4，与控制室或用户端连接，用于将轨道式室内养殖投饲机的电池组1的电池数据和电池管理系统信息实时发送至控制室或用户端，以供实时查看，本实施例中无线通讯模块4主要采用窄带物联网lora来进行数据传输，与控制室进行通讯，将电池数据、系统信息等实时发送至控制室或用户端，管理员或用户可实时查看系统状态；前端模拟模块2，与所述电池组1连接，用于对所述电池组1的电池数据进行采集，并对电池管理系统提供故障保护；以及主控模块3，分别与所述前端模拟模块2和无线通讯模块4连接，用于对所述前端模拟模块2所采集的电池数据进行参数估算、电池管理系统信息存储和控制显示屏显示电池管理系统运行状态。
[0047]
其中，前端模拟模块2用来对电池数据进行采集并对系统提供故障保护，通过i2c通信接口与主控模块3进行数据传输。所述前端模拟模块2核心是电池管理芯片，包括充电单元、放电单元、采样单元、供电单元、通信单元、保护单元和均衡单元，所述充电单元用于充电控制，通过检测所述电池组1的充电端口电压，打开充电开关使所述电池管理系统进入充电状态；所述放电单元用于放电控制，通过检测所述电池组1的负载端口电压，打开放电开关使所述电池管理系统进入放电状态；所述采样单元用于采集所述电池组1的电池参数信息；所述保护单元用于保护所述电池管理系统安全运行，当出现异常情况时，及时关断开关器件，对系统起到保护作用；所述均衡单元用于实时检测所述电池组1的充电端电压，并判断所述电池组1的状态以控制所述电池组1均衡充电。
[0048]
本实施例的主控模块3主要用于对前端模拟模块2所采集的数据进行参数估算、系统信息存储和控制显示屏显示系统运行状态，使用串口通信接口与无线通信模块进行数据传输。所述主控模块3包括arm主控芯片、液晶屏、sd存储卡、i2c通信接口和串口通信接口，
所述arm主控芯片采用卡尔曼滤波法将采集到的所述电池数据进行计算并根据预设模型获得电池soc估算值，并将相应信息存储在所述sd存储卡中，同时将所述电池数据和电池管理系统信息传输至无线通讯模块4。
[0049]
本发明的轨道式室内养殖投饲机电池管理方法，包括如下步骤：
[0050]
步骤s100、通过采集单元采集轨道式室内养殖投饲机电池组1的电池电流和温度信息，使用分压采样法，通过采样电阻获取回路电压并计算出电流值；采用负温度系数热敏电阻进行温度采样得到温度值，把所有所述电流值和温度值汇总并上传到主控模块3进行处理；
[0051]
步骤s200、所述主控模块3接收所述电池的电流和温度信息，并采用卡尔曼滤波法获得电池soc估算值；
[0052]
步骤s300、主控模块3通过液晶屏显示所述电池soc估算值，并将所述电池soc估算值通过无线通信模块发送至控制室，控制室在轨道式投饲机的起点端，是用来系统观测、给投饲机加饲料、给电池充电等操作的地方；以及
[0053]
步骤s400、若电池电量低于一设定阈值，则进行报警，所述电池电量的设定阈值可优选为20％，即当电池电量低于20％，将进行声光报警提示。
[0054]
还可包括如下步骤：
[0055]
步骤s500、对电池状态进行检测，根据检测结果判断是否需要充电，若是，则接通充电电路进行充电，即当电池电量低于20％，控制投饲机返回起点控制室，给投饲机插上充电机后，充电机向主控模块3发送充电请求，接通充电电路进行充电；电池管理系统实时检测电池电流或电压，结合软件设置好的充电电压和/或电流阈值，当检测到所述电池电流或电压高于相应的充电电流阈值或充电电压阈值时，立即控制mosfet的栅极，来控制源极和漏极之间的关断，自动断开所述充电电路停止充电。其中，当电池充满后，还可通过液晶显示屏显示，并进行声光提示。每充一次电，主控模块3会将本次充电的充电时长、充电量、充电温度等相应信息存储到数据存储单元，并修改电池充电次数，同时在液晶屏上显示。
[0056]
在步骤s100中，通过测量采样电阻两端的电压值，使用电压差来计算相应的电流值；
[0057]
其中，电流计算公式为：
[0058]ut
＝u
2-u1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0059]
根据欧姆定律：
[0060][0061]
其中，u1是采样电阻左端电压值，u2是采样电阻右端电压值，u
t
是实时采集电池电压，r是高精度电流电压采样电阻，i
t
是实时采集电池电流；
[0062]
采用负温度系数热敏电阻进行温度采样，采样电阻管脚电压计算公式：
[0063][0064]
其中，rt为负温度系数热敏采样电阻，r0为限流电阻，以保证管脚不被烧损，v
t
为可以计算出测量温度的电压值，从而可以计算出系统环境温度的数字量，便于传输与计算。最后把采集到的实时电池电流i
t
和系统环境温度值汇总并通过i2c通信接口上传到主控模块3
进行处理。
[0065]
参见图2，图2为本发明一实施例的电池二阶rc等效电路图。如图所示，由基尔霍夫定律可得到电池端电压表达式：
[0066][0067]
式中：v表示动力电池的端电压，e
soc
表示电池的开路电压，r0为电池的欧姆内阻，为欧姆内阻的电压，表示为第i阶rc网络的电压。对第i阶rc网络：
[0068][0069]
式中:表示为第i阶rc网络的电压,ri表示为第i阶rc网络的电阻，ci表示为第i阶rc网络的电容，i表示电池的充电、放电电流，充电为正值，放电为负值。
[0070]
对式(5)求解可得：
[0071][0072]
式中：ri表示为第i阶rc网络的电阻，ci表示为第i阶rc网络的电容，i表示电池的充电、放电电流。
[0073]
将式(6)代入式(4)得到电池端电压表达式：
[0074][0075]
式中：v表示动力电池的端电压，e
soc
表示电池的开路电压，为欧姆内阻的电压，ri表示为第i阶rc网络的电阻，ci表示为第i阶rc网络的电容，i表示电池的充电、放电电流。
[0076]
单节动力电池的soc可表示为：
[0077][0078]
式中：soc
(t)
为t时刻电池的soc，cn为电池额定容量，η为电池充放电效率，取为100％，i
(t)
为t时刻电池的充放电电流，充电为正值，放电为负值。
[0079]
对式(8)、式(6)、式(7)进行离散化可得：
[0080][0081][0082][0083][0084]
式(9)、式(10)、式(11)为系统的状态方程，而式(12)为系统的观测方程。
[0085]
令
[0086]
则系统的状态方程可简化为：
[0087]
xk＝akxk bki
(k-1)
ωkꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)；
[0088]
其中：
[0089][0090]
对系统的非线性观测方程式(12)进行一阶泰勒展开进行线性化：
[0091]
令
[0092]
yk＝v
(k)
[0093][0094]
则观测方程可化为标准形式：
[0095]
yk＝hxk v
(k)
ꢀꢀꢀꢀ
(16)。
[0096]
卡尔曼滤波器可分为时间更新和状态更新，时间更新包括状态估算时间更新和误差协方差时间更新，状态更新包括卡尔曼增益矩阵更新、状态估计测量更新和协方差测量更新。在实际应用中，基于扩展卡尔曼滤波算法的soc状态估算式一个递推的过程，即在步骤s200中，进一步包括：
[0097]
步骤s201、得到k时刻的状态变量的估算值和状态递推后的协方差矩阵，获得状态更新方程和误差协方差时间更新方程；
[0098]
步骤s202、求解卡尔曼增益，获得卡尔曼增益矩阵更新方程；
[0099]
步骤s203、根据卡尔曼增益修正状态变量，获得状态估计测量更新方程；
[0100]
步骤s204、根据卡尔曼增益修正所述协方差矩阵，获得协方差测量更新方程；以及
[0101]
步骤s205、当步骤s201-204的五个更新方程执行完成后，循环回到步骤s201，计算k 1时刻的电池soc估算值。
[0102]
本发明可以实现轨道式室内养殖投饲机电池的智能管理，解决了现有技术中水产养殖工厂内的自动投饲机上没有电源模块电量显示及反馈模块，系统会因电量不足停止运行无法返回原点的问题，不需要人工处理，提高了投饲效率。
[0103]
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。