机场电动车辆动力系统的健康监控系统的制作方法

本发明属于机场运行保障技术领域，具体而言，本发明提供了一种机场电动车辆动力系统的健康监控系统。

背景技术：

机场电动车辆是机场运行的重要保障设备，其锂电池动力系统(或称机场电动车辆动力系统)的健康状况直接关系到机场安全运行水平。

现有技术中的电动车辆动力系统健康监测系统主要针对的是普通社会车辆，而机场电动车辆与普通社会车辆在运行环境和车辆结构特征方面区别很大，例如：机场电动车辆在机坪作业，机坪具有无遮挡、大面积硬化道面，在高温、强光照情况下，地面温度远高于普通社会道路等特点；同时，部分机场电动车辆电池动力系统的电池包安装在车辆顶部，光照对电池包温度影响很大。由于前述因素在车辆实际运行中未予以充分考虑，所以目前的电动车辆动力系统健康监测系统若应用于机场电动车辆的健康监测，会使得健康状况不准确，影响机场电动车辆的正常使用。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种机场电动车辆动力系统的健康监测系统，其包括：车载数据采集终端、微气象站、数据传输网路和云数据平台；所述车载数据采集终端与所述机场电动车辆动力系统连接，用于采集所述机场电动车辆动力系统的动力电池包信息；所述微气象站设置于机场电动车辆的运行环境中，用于采集所述运行环境的气象要素；所述云数据平台分别与所述车载数据采集终端和所述微气象站通过数据传输网络连接，存储有经过训练的健康评估模型，经过训练的健康评估模型根据所述机场电动车辆动力系统的动力电池包信息和所述运行环境的气象要素得到所述动力电池包的健康状况。

可选地，所述气象要素包括：温度；或温度、风速和/或光照；所述动力电池包信息包括：已执行的充放电循环次数。

可选地，构建初始健康评估模型；获取样本集，所述样本集包括多个数据组，每个数据组包括：动力电池包的电容量指数、已执行的充放电循环次数、所述运行环境的气象要素；使用所述样本集对所述初始健康评估模型进行训练，得到经过训练的健康评估模型；其中，所述动力电池包的电容量指数用于表征健康状况，为预设放电深度下的动力电池包的实际输出电容量与动力电池包的额定电容量的百分比。

可选地，所述预设放电深度下的动力电池包的实际输出电容量coutput为：

其中，ioutput为动力电池包的输出电流，uoutput为所述动力电池包的输出电压，t为所述机场电动车辆动力系统的工作时间，t(uhigh)为所述动力电池包充满电后的起始放电时间，t(ulow)为所述动力电池包充满电后的终止放电时间；uhigh为所述动力电池包充满电后的起始电压，ulow为所述动力电池包充满电后的放电终止电压；所述动力电池包的电容量指数sohc：

其中，crated为动力电池包的额定电容量。

可选地，经过训练的健康评估模型为：

其中sohc为动力电池包的电容量指数，b0为系数，b0∈(-0.5，1.2)，b1为系数，b1∈(0，2)，b2为系数，b2∈(0，0.6)，b3为系数，b3∈(0，0.2)，b4为系数，b4∈(0，0.2)，b5为系数，b5∈[一4，-1]，n为已执行充放电循环次数，n为正整数，1≤n≤999，t为温度，-25℃≤t≤45℃，l为光照，1000lux≤l≤12000lux，v为风速，0m/s≤v≤20m/s，μ为随机扰动因子，取值在(0，1)之间。

可选地，所述动力电池包的健康状况分为四类，依次为健康状态、亚健康状态、失效前驱状态和亚健康状态；若所述动力电池包的电容量指数大于第一阈值，则表明所述动力电池包处于健康状态；若所述动力电池包的电容量指数小于等于所述第一阈值且大于第二阈值，则表明所述动力电池包处于亚健康状态；若所述动力电池包的电容量指数小于等于所述第二阈值且大于第三阈值，则表明所述动力电池包处于失效前驱状态；若所述动力电池包的电容量指数小于等于所述第三阈值，则表明所述动力电池包处于亚健康状态。

可选地，所述第一阈值为0.95，所述第二阈值为0.9，所述第三阈值为0.8。

可选地，所述云数据平台还用于将所述动力电池包的健康状况发送给用户监控终端。

可选地，所述微气象站包括：本体和气象要素采集单元；所述本体具有：底座、支架和安装板，所述支架设置于所述底座上，所述支架的顶端安装有所述气象要素采集单元，，所述安装板与所述底座连接，安装于所述机场电动车辆的运行环境中的机坪地面；所述气象要素采集单元，与所述云数据平台通过所述数据传输网络连接。

可选地，所述安装板包括：相对间隔设置的第一支板和第二支板，所述第一支板和所述第二支板均具有：第一l板和第二l板，所述第一l板的竖直部位于所述第二l板的竖直部的内侧，并可拆卸连接，所述第一l板的水平部位于所述第一l板的竖直部的外侧，并与机坪地面可拆卸连接，所述第二l板的水平部位于所述第二l板的竖直板的内侧，并与所述底座可拆卸连接。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

通过实时采集动力电池包输出电压、电流，利用积分算法，计算预设放电深度下的实际输出电量；并与电池包额定电容量进行比较，得出动力电池包电容量指数。然后结合采集到的环境参数，建立多元线性回归的机器学习模型，实现对动力电池包在不同环境条件下的放电能力的估算，以及动力电池系统的健康预测，能提高动力电池包健康监测水平，对于防范由于动力电池包健康水平下降带来的热失控隐患具有重要价值，还可以提高机场电动车辆运行可靠性和安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种机场电动车辆动力系统的健康监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的输出电压随时间(单位：秒)变化示意图；

图3为本发明实施例提供的输出电流随时间(单位：秒)变化的示意图；

图中符号说明如下：

1车载数据采集终端、2微气象站、3数据传输网络、4云数据平台、5机场电动车辆动力系统、51电机、52电机控制器、53整车控制器、54电池管理系统、6用户监控终端。

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。

通常机场电动车辆动力系统由动力电池包、电机51、电机控制器52、整车控制器(vcu，vehiclecontrolunit)53组成。整车控制器53作为机场电动车辆的中央控制单元，分别与电机控制器52和动力电池包连接，用于采集数据以保证机场电动车辆的正常稳定的工作。电机控制器52与电机51连接，用于控制电机51的运转，电机51与机场电动车辆的车轮连接，用于驱动车轮转动。动力电池包包括：锂电池单元和电池管理系统(bms，batterymanagementsystem)54。电池管理系统54与整车控制器53连接，还与锂电池单元连接，用于控制锂电池单元的正常运行，可以采集到动力电池包信息。

现有技术中对电动车辆健康状况进行监测时，一般采用动力电池包荷电状态soc(stateofcharge，电池剩余电量百分比)方式进行监测。动力电池包荷电状态soc一般与开路电压直接相关，直接从电池管理系统读取电池包输出电压，按照厂商提供的soc标定曲线进行查询。在不同环境温度、气压、光照等条件下，相同荷电状态的动力电池包电量输出能力差异很大，而通常却显示相同荷电状态soc的动力电池包，在低温情况下，放电能力衰减很快，严重影响车辆运行。为此，如图1所示，本发明实施例提供了一种机场电动车辆动力系统的健康监测系统，其包括：车载数据采集终端1、微气象站2、数据传输网路3和云数据平台4。

车载数据采集终端1与机场电动车辆动力系统连接，用于采集机场电动车辆动力系统的动力电池包信息，该信息包括但不限于：锂电池单元(或称动力电池包)的输出电流与输出电压、充满电后的起始放电时间与终止放电时间、充满电后的起始电压与放电终止电压、已执行充放电循环次数等。车载数据采集终端1还采集电机控制器数据、电机数据以及整车控制器故障代码。应用时，车载数据采集终端1可以采用can总线与整车控制器can总线连接以实时采集与整车控制器53连接的电池管理系统54中的数据。微气象站2设置于机场电动车辆的运行环境中，用于采集运行环境的气象要素，由于机场电动车辆的运行环境通常为无遮挡、具有大面积硬化路面，在高温情况下，机坪地面温度较高，所以气象要素至少要包括：温度。为了有效监测温度，温度传感器高度低于1.2m，如0.9m、1m、1.1m；光照较强时，也会促使机坪地面温度较高。有时，部分机场电动车辆动力系统的动力电池包安装在车辆顶部，光照对动力电池包的温度影响很大，所以气象要素还可以包括光照。由于机场电动车辆的运行环境通常为无遮挡，风速较大时，也会对动力电池包的温度产生影响，所以气象要素还可以包括风速，在其他的实施例中，气象要素还可以包括：气压等。微气象站2内置嵌入式单片机、传感器组件和第一通信模块，通过温度传感器、光照传感器采集外部环境温度和光照数据，并通过第一通信模块，将温度和光照数据发送至云数据平台，数据发送通信协议可以为mqtt(messagequeuingtelemetrytransport，消息队列遥测传输协议)。发送数据的间隔可以为180s一次的间隔。数据传输网络3用于提供通信连接，其可以为移动通信网络，如4g或5g，此时，第一通信模块为4g通信模块或5g通信模块。云数据平台4分别与车载数据采集终端1和微气象站2通过数据传输网络3连接，存储有经过训练的健康评估模型，该经过训练的健康评估模型根据动力电池包信息和气象要素得到动力电池包的健康状况。云数据平台4配置有数据库，实时存储车载数据采集终端1和微气象站2发送的数据以及时间。数据库中存储每一次动力电池包放电过程中的动力电池包输出电量以及该放电过程中机场电动车辆运行环境的气象要素。

通过在机场电动车辆的运行环境中设置微气象站2，并采集机场电动车辆的运行环境的气象要素，还在云数据平台存储经过训练的健康评估模型，该模型根据动力电池包信息和运行环境的气象要素得到动力电池包的健康状况。实现了不同运行环境下对动力电池包的健康预测，提高了动力电池包的健康监测水平，对于防范由于动力电池包的健康水平下降带来的热失控隐患具有重要价值。

经过训练的健康评估模型可以通过以下方式获得：

构建初始健康评估模型，该模型可以是机器学习模型，例如多元线性回归模型。获取样本集，其包括多个数据组，每个数据组包括：动力电池包的电容量指数、已执行的充放电循环次数和运行环境的气象要素，电容量指数用于表征动力电池包的健康状况，其为预设放电深度下的动力电池包的实际输出电容量与动力电池包的额定电容量的百分比，可以设置不同的阈值范围，从而使得电容量指数处于不同的健康状况。不同放电深度通常用动力电池包充满电后起始电压和放电终止电压表示。使用样本集对初始健康评估模型进行训练，得到收敛的经过训练的健康评估模型。在获取样本集之前，使用皮尔逊相关系数筛选强相关变量。使用最小二乘法等方法对初始健康评估模型的系数进行确定。为了对经过训练的健康评估模型进行验证，可以将样本集分为训练集和测试集，使用训练街对初始健康评估模型进行训练，使用测试集对训练后的健康评估模型进行验证，可以通过方差得分、平均绝对误差(mae)、均方差(mse)和r2判定系数进行验证，验证通过后，得到经过训练的健康评估模型。

动力电池包的实际输出电容量采用动力电池包输出功率积分法计算，即通过数据采集终端采集1的动力电池包的满电电压、放电终止电压、输出电压、输出电流和放电时间，利用积分法计算动力电池包的实际输出电量，能提高结果准确度。

具体如下：预设放电深度下的动力电池包的实际输出电容量coutput为：

其中，ioutput为动力电池包的输出电流，uoutput为动力电池包的输出电压，t为机场电动车辆动力系统的工作时间，t(uhigh)为动力电池包充满电后的起始放电时间，t(ulow)为动力电池包充满电后的终止放电时间；uhigh为动力电池包充满电后的起始电压(或称满电电压)，ulow为动力电池包充满电后的放电终止电压。uoutput机场电动车辆动力系统工作时间t的函数，ioutput是机场电动车辆动力系统工作时间t的函数，部分区间由于特殊工况下的车辆能量回收，ioutput可以为负，此时表示处于充电状态。

则动力电池包的电容量指数sohc：

其中，crated为动力电池包的额定电容量。通常该额定电容量指的是与实际输出电容量具有相同放电深度，可以为全新动力电池包的额定参数，由厂商提供或经初始标定确定。

动力电池包满电电压uhigh为动力电池包额定电压，动力电池包放电终止电压ulow为按照机场电动车辆运行要求，达到最大放电深度时的动力电池包输出电压。对于采用三元锂离子电池的动力电池包，单个锂电池单元放电终止电压为3.3v，动力电池包总放电终止电压为3.3n，n为动力电池包锂电池单元串数。车载数据采集终端1采集电池管理系统54的充放电状态数据，充电完成后，向云数据平台4发送表征充电结束的数据。在用户监控终端6显示该车辆放电结束，提醒驾驶员及时充电，并结束动力电池包实际放电量coutput计算。

下面举例进行说明：动力电池包由100个额定容量100ah的三元锂离子电池串联而成，其最高额定电压为420v，最低额定电压为300v。在机场电动车辆实际运行中，考虑到运行保障的可靠性，将放电终止电压设定为320v，车载数据采集终端1采集到320v输出电压，即通过用户监控终端6提示终止服务，尽快充电。本实施例中：uhigh＝420；ulow＝320，

按照进行计算，即可得出动力电池包自满电420v放电至320v的实际输出电容量，上述计算可以由布署于云数据平台4的云数据服务器完成。

实际应用中，随着动力电池包循环次数(或称充放电循环次数)的增加，满电电压会出现同额定最高电压的偏差。在每次充电结束，云数据平台4接收到电池管理系统的用于表征充电完成的标识数据后，uhigh为此时的实际最高输出电压；ulow为用户设定的放电终止电压，本实施例中为320v。要求机场电动车辆每次充电均达到动力电池包满电状态，动力电池包放电终止电压ulow为按照机场电动车辆运行要求，达到最大放电深度时的动力电池包输出电压320v。

机场电动车辆完成动力电池包自uhigh至ulow一个放电过程后，经云数据平台4计算得出实际放电量coutput，则可进一步得出动力电池包电容量指数为：

经过训练的健康评估模型为：

其中sohc为动力电池包的电容量指数，b0为系数，b0∈(-0.5，1.2)，b1为系数，b1∈(0，2)，b2为系数，b2∈(0，0.6)，b3为系数，b3∈(0，0.2)，b4为系数，b4∈(0，0.2)，b5为系数，b5∈[-4，-1]，n为已执行充放电循环次数，n为正整数，1≤n≤999，t为温度，-25℃≤t≤45℃，l为光照，1000lux≤l≤12000lux，v为风速，0m/s≤v≤20m/s，μ为随机扰动因子，取值在(0，1)之间。

可以将动力电池包的健康状况分为四类，依次为：健康状态、亚健康状态、失效前驱状态和亚健康状态；

若动力电池包的电容量指数大于第一阈值，则表明动力电池包处于健康状态；若动力电池包的电容量指数小于等于第一阈值且大于第二阈值，则表明动力电池包处于亚健康状态；若动力电池包的电容量指数小于等于第二阈值且大于第三阈值，则表明动力电池包处于失效前驱状态；若动力电池包的电容量指数小于等于第三阈值，则表明动力电池包处于亚健康状态。优选地，第一阈值可以为0.95，第二阈值可以为0.9，第三阈值可以为0.8，也就是说：当sohc＞0.95时，则表示动力电池包处于健康状态；当0.9＜sohc≤0.95时，则表示动力电池包处于亚健康状态；当0.80＜sohc≤0.9时，则表示动力电池包处于失效前驱状态；当sohc≤0.8时，则表示动力电池包处于失效状态。

云数据平台4还用于将动力电池包的健康状况发送给用户监控终端6以便于用户监控终端6及时掌握动力电池包的健康状况，当健康状况为失效状态时，对动力电池包进行处理，如暂时停用装有该动力电池包的机场电动车辆或更换新的动力电池包，从而保证机场电动车辆完成运行任务。

通过实时采集动力电池包输出电压、电流，利用积分算法，计算预设放电深度下的实际输出电量；并与电池包额定电容量进行比较，得出动力电池包电容量指数。然后结合采集到的环境参数，建立多元线性回归的机器学习模型，实现对动力电池包在不同环境条件下的放电能力的估算，以及动力电池系统的健康预测，能提高动力电池包健康监测水平，对于防范由于动力电池包健康水平下降带来的热失控隐患具有重要价值，还可以提高机场电动车辆运行可靠性和安全性。

由于机坪属于特殊的运行地面，为了使微气象站符合机场要求，微气象站包括：本体和气象要素采集单元。本体包括底座、支架和安装板。底座用于提供支撑。支架设置于底座上，其顶端设置气象要素采集单元。支架优选为空心管状。支架的材料优选为脆性材料，如碳纤维管。安装板与底座连接，用于安装于机场电动车辆的运行环境中的机坪地面，从而使微气象站稳定地设置在机坪地面上。为了使微气象站在受到飞机碰撞后，易发生弯折。安装板包括相对间隔设置的第一支板和第二支板，各支板均具有：第一l板和第二l板。第一l板的竖直部位于第二l板的竖直部的内侧，并可拆卸连接，如螺栓连接，第一l板的水平部位于第一l板的竖直部的外侧，其与机坪地面可拆卸连接，如螺栓连接，第二l板的水平部位于第二l板的竖直板的内侧，其与底座可拆卸连接，如螺栓连接，此时，底座架设在两个支板的第二l板的水平部上，还可以进一步地与第一l板的竖直板抵接，如此使得安装板为分体结构，第一l板和第二l板连接成z型，提高稳定支撑的同时易受力发生弯折。

安装板还可以包括：相对设置的第三支板和第四支板，第三支板、第一支板、第四支板和第二支板合围成环形。第三支板和第四支板均呈l型，该支板的竖直部与机坪地面抵接，该支板的水平部位于第二l板的水平部下方，并与底座可拆卸连接，如螺栓连接，进而使得底座与第三支板和第四支板之间有间隔，从而进一步提高了稳定支撑，还易受力发生弯折。需要说明的是，螺栓连接时，螺栓孔的数量可以为两个，分别设置在相应部件的两端，如长度方向上的两端。

第二l板的水平部还可以与底座通过焊接连接，沿第二l板的水平部的长度方向间隔设置多个焊点，即焊点不连续，如此能提高第二l板与底座的连接强度，还能在受到飞机外力作用下易折弯。焊点的数量可以为三个，例如：第二l板的水平部长度方向的两端分别设置一个，中间设置一个。

气象要素采集单元与云数据平台通过数据传输网络连接，其包括：电池、气象传感器和第一通信模块。电池优选为太阳能电池。气象传感器至少包括温度传感器，还可以包括光照传感器和风速传感器中的一种或两种。第二通信模块与云数据平台通过数据传输网络连接。当数据传输网络3为移动通信网络，如4g或5g，此时，第一通信模块为4g通信模块或5g通信模块。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。