一种电动车的物联网智能监测装置的制作方法

本发明涉及电动车领域，具体是一种电动车的物联网智能监测装置。

背景技术：

随着社会经济建设的快速发展和城市交通环境的不断优化，电动车以其操作便捷、价格经济、节能环保的独特优势，逐步成为城市居民出行的主要代步工具，且电动车数量仍在极速增长。电动车在给大家带来交通便利的同时，也带来了不可忽视的火灾隐患，近几年电动车火灾事故更是日趋频繁。电动车充电过程发生火灾，因蓄电池燃烧产生有毒气体，容易伤亡事故，往往100秒内人就会窒息死亡。如何有效检测和预防电动车的电气安全问题，成为迫在眉急的问题。

现有技术的电动车安全检测方法，一般检查并定时输出显示实时瞬态数据，如电压、电流、电能等直流电气参数，这些参数固然不可或缺，但不适合非报警阶段的早期电气安全中早期隐患监测预警。以电气火灾防范为核心的电动车安全防范技术，更大意义在于预警，通过监测预警实现防范于未然，这是必然趋势。

现有的监控报警技术不适合对电动车电气安全及电气火灾早期微弱隐患的监测预警，现有的监控报警技术只是对随机的暂态电压、电流、剩余电流(漏电流)与设定的相关报警阈值比较，而大部分电气中早期隐患数值远小于报警阈值，中早期隐患随机出现，但连续存在的时间较短，往往每次出现时几秒甚至几十毫秒就会变化或消失；现有电气检测技术过于偏重报警或保护阈值比较，大量萌芽早期隐患甚至中早期隐患都成漏网之鱼，因此设计一种电动车的早期监测预警装置，通过监测预警实现防范于未然，已成为本行业的迫切需要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电动车的物联网智能监测装置，与物联网云平台配合使用，以解决现有技术难以监测电动车电气早期安全隐患、安全充电、电动车故障电弧等问题，以及提供电动车充电位置信息。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种电动车的物联网智能监测装置，其特征在于：包括电信号采集模块、温度采集模块、包含计量子模块的mcu智控模块，以及定位模块、物联网通讯模块，其中：

电信号采集模块与mcu智控模块中的计量子模块连接，电信号采集模块采集电动车蓄电池直流回路电压、电流送入计量子模块，由计量子模块计算获得包含电压、电流、功率、电能参数在内的相关电气参数；

温度采集模块与mcu智控模块连接，温度采集模块采集电动车中蓄电池的温度信号；

物联网通讯模块与mcu智控模块连接，mcu智控模块通过物联网通讯模块直接或间接与互联网云平台数据连接；

定位模块与mcu智控模块连接，mcu智控模块通过定位模块进行位置定位，获得地理经纬度位置定位信息；

mcu智控模块中程序设置有计算处理子程模块、预警逻辑子模块，其中：

计算处理子程模块获得计量子模块计算得到的包含电压、电流、功率、电能参数在内的相关电气参数；

计算处理子程模块若检测到电压保持升高，表明电动车充电导致蓄电池电压被充电器拉升，作为判据，判断电动车处于充电状态；或者计算处理子程模块通过计量子模块的功率方向参数，判断电流流入或流出蓄电池，若电流流入蓄电池，作为判据，判断电动车处于充电状态；

所述计算处理子程模块中设有行驶功率阈值；

计算处理子程模块通过计量子模块获得输出功率，若输出功率大于行驶功率阈值，结合定位模块获得的定位信息数据表明位置持续变化，判断电动车处于行驶状态；

若输出功率小于行驶功率阈值，且定位信息数据表明位置不变，判断电动车处于驻车状态；

若输出功率小于行驶功率阈值，且定位信息数据表明位置变化，判断电动车处于搬移或疑似被盗异常状态；

计算处理子程模块将充电状态时计量子模块计算获得的充电电流、充电功率和充电电能参数，送入预警逻辑子模块；

充电状态时，计算处理子程模块通过温度采集模块，获得蓄电池充电时的温度数值，并送入预警逻辑子模块；

行驶状态时，计算处理子程模块通过计量子模块获得放电电流、行驶功率和行驶耗电电能参数，并送入预警逻辑子模块；

预警逻辑子模块中设有充电过热阈值、充电过流阈值、放电过流阈值、过充电保护阈值；

预警逻辑子模块将蓄电池充电时的温度数值与充电过热阈值进行比较，若大于相应阈值，则判断发生充电过热隐患，并进行预警报警处理；

预警逻辑子模块将充电电流或放电电流分别与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断发生充电过流或放电过流隐患，进行报警处理；

预警逻辑子模块将充电电能与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断发生过充电隐患，进行报警处理；

预警逻辑子模块在充电状态时，对互联网云平台发送定位信息数据，以供判断电动车是否处于设定禁止区域充电。

所述的一种电动车的物联网智能监测装置，其特征在于：所述计算处理子程模块计算蓄电池直流回路的正极电流与负极电流的差值，获得直流回路的漏电流；

计算处理子程模块根据蓄电池直流回路的电压和漏电流数值，计算得到直流回路的绝缘电阻和绝缘电导数值；进一步将绝缘电导数值对时间进行积分，获得各时间段绝缘电导时间积分参数，并送入预警逻辑子模块；

预警逻辑子模块中，预设不同时间尺度的绝缘电导时间积分阈值，将各时间段绝缘电导时间积分参数与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断存在绝缘安全隐患，并分别预警。

所述的一种电动车的物联网智能监测装置，其特征在于：所述计算处理子程模块将漏电流对时间进行积分，获得各时间段漏电流时间积分参数，并把漏电流、各时间段漏电流时间积分参数送入预警逻辑子模块；

预警逻辑子模块中预设有漏电流阈值、不同时间尺度的漏电流时间积分阈值；

预警逻辑子模块将漏电流与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断存在漏电隐患，并报警处理；

预警逻辑子模块将各时间段漏电流时间积分参数分别与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断存在漏电隐患，并预警处理。

所述的一种电动车的物联网智能监测装置，其特征在于：所述计算处理子程模块根据蓄电池直流回路的电压和漏电流数值，计算得到绝缘电阻数值，送入预警逻辑子模块；

预警逻辑子模块中预设有绝缘电阻阈值；

预警逻辑子模块将绝缘电阻与绝缘电阻阈值进行比较，若大于相应阈值，判断存在绝缘隐患，并报警处理。

所述的一种电动车的物联网智能监测装置，其特征在于：所述计算子程模块将计量子模块计算获得的蓄电池回路电压分别与回路的正极电流、负极电流进行进一步计算，获得正极功率、正极电能，以及负极功率、负极电能；

计算子程模块中，把正极功率与负极功率相减，获得正负极功率差值，分别送入预警逻辑模块，所述正负极功率差值包括充电正负极功率差值、放电正负极功率差值；

计算子程模块中，把相同时间段的正极电能与负极电能相减，获得各时间段正负极电能差值，把各时间段正负极电能差值及其时间段长度分别送入预警逻辑模块；所述正负极电能差值包括充电时间段正负极电能差值、放电时间段正负极电能差值；

预警逻辑模块中，设定充电正负极功率差值阈值、放电正负极功率差值阈值；

预警逻辑模块中，把充电或放电过程中的正负极功率差值分别与设定阈值比较，若大于，判断蓄电池内部或电动车电气回路内存在漏电隐患，报警处理；

预警逻辑模块中，把充电过程中各时间段的正负极电能差值，与充电正负极功率差值阈值乘以该时间段时长获得的正负极电能差值阈值比较，若大于，判断对应时间段蓄电池内部蓄电性能下降或相关隐患，并预警处理；

预警逻辑模块中，把放电过程中各时间段的正负极电能差值，与所述放电正负极功率差值阈值乘以该时间段时长获得的正负极电能差值阈值比较，若大于，判断对应时间电动车电气回路内存在漏电或过负荷隐患，并预警处理。

所述的一种电动车的物联网智能监测装置，其特征在于：所述计算处理子程模块把充电过程中的电压数值与充电开始前电压数值的差值对时间进行积分，直到充电结束，获得充电过程电压增量时间积分参数，通过历次的充电过程电压增量时间积分参数分析评估电池充电性能变化趋势；

计算处理子程模块把充电过程中的电压谐波数值对时间进行积分，直到充电结束，获得充电过程谐波电压时间积分参数，从历次的充电过程谐波电压时间积分参数用于分析评估电池充电性能变化趋势；

计算处理子程模块将充电过程中的温度数值与充电开始前温度数值的差值对时间进行积分，获得以摄氏度小时为单位量纲的各次充电过程温度时间积分参数；通过历次的充电过程温度时间积分参数分析评估电池充电性能变化趋势。

所述的一种电动车的物联网智能监测装置，其特征在于：设置继电器控制模块，并接入电动车直流电气回路，mcu智控模块与继电器控制模块的信号输入端口连接，mcu智控模块通过继电器控制模块实现控制所述电气回路的通断。

所述的一种电动车的物联网智能监测装置，其特征在于：在mcu智控模块中设置电弧处理子模块，电弧处理子模块基于检波原理检测直流回路正极或负极电流中1秒内半周波脉冲的个数，若1秒内超过14个半周波脉冲，则认为发生电弧故障，情况严重时启动继电器控制模块断电保护。

本发明与现有技术相比较具有如下优点：

本发明把电动车功能扩展到以充电位置识别、充电完全监测、电动车电气绝缘监测、剩余电流(漏电流)式电气火灾隐患、故障电弧监测为内容的电气安全监测，大幅度提升电动车安全功能。

电动车充电过程发生火灾，因蓄电池燃烧产生有毒气体，容易伤亡事故，往往100秒内人就会窒息死亡。以电气火灾防范为核心的电动车安全防范技术，更大意义在于预警，通过监测预警实现防范于未然，这是必然趋势。对电动车电气安全及电气火灾早期微弱隐患的监测预警，不适合使用现有监控报警技术——利于随机的暂态电压、电流、剩余电流(漏电流)与设定的相关报警阈值比较，关键在于电气安全早期微弱隐患数值低于或远低于报警阈值。另一方面，在时间方面，安全隐患的早期存在时间段会远大于后期严重隐患存在的时间段，所有电气安全早期隐患数据总量巨大，而且处于无故障的微弱早期隐患阶段，把大量数据本地存储或发送到云平台都浪费大量的存储设备和带宽流量。

本发明采用把相关电气安全的微弱信号参数对时间进行积分的方式，获得各时间段积分参数，大幅度减少了早期微弱隐患的有效数据量。本发明专利，进一步采用突变时间积分参数，意义在于跟踪获得突变事件的完整过程相关的积分参数，能够精准地掌握有关电气安全突变事件的隐患程度。

本发明对于大于阈值的异常时间积分参数，可以直接判断其存在安全隐患。对于小于阈值的异常时间积分参数，采用突变时间积分参数，在异常时间积分参数对应的时间段内，找到存在突变的突变时间段积分参数，可进一步定位安全隐患出现的时间，针对该突变参数时间段对应排查该时间段使用的用电设备，有助于发现隐患设备，提高判断精度及准确性。

本发明预警逻辑子模块中，预设有绝缘电导时间积分阈值、阻性剩余电流时间积分阈值，针对电气绝缘和漏电火灾早期隐患监测。把这两类微弱早期隐患数据进行积分，相当于把连续的成千上万、甚至上百万的大量暂态点状数据转变成某一时间段的一个颗粒块状数据，再与相应时间尺度的的积分阈值比较，显著地把复杂变成简洁。通过一颗颗各时间段积分参数更有利于直观地监测相关隐患发展趋势，实现高效监测预警。

本发明在不增加硬件结构的条件下，通过故障电弧会间歇性产生谐波电流的表现特性，通过工作电流谐波和漏电流谐波，分别进行相线故障电弧和对地故障电弧监测预警。

本发明把间歇性谐波电流作为重点，是因为现阶段我国电动车内使用变频节能用电设备，为了最求降低材料成本，把变频参数的谐波电流通过y电容等器件直接泄放到设备外壳和保护地线，形成连续的比较稳定的工作电流谐波和漏电流谐波。这些连续的比较稳定的电流谐波和漏电流谐波会干扰对故障电弧的判断，所以把故障电弧的间歇性作为判据，避免现有实际使用的中低档变频节能电器的干扰误报，提高故障电弧检测的实用性。

本发明针对发现严重的充电导致蓄电池过热，以及电气绝缘、故障电弧等安全隐患时，通过继电器跳闸进行断电保护，防范电气火灾发生和扩展。

附图说明

图1是本发明结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：如图1所示，

一种电动车的物联网智能监测装置，包括电信号采集模块、温度采集模块、包含计量子模块的mcu智控模块，以及定位模块、物联网通讯模块，其中：

电信号采集模块采集电动车蓄电池直流回路电压、电流；电信号采集模块与mcu智控模块中的计量子模块的连接；电信号采集模块包括电压、电流采集处理电路；

温度采集模块与mcu智控模块连接，温度采集模块采集电动车中蓄电池的温度信号；

物联网通讯模块与mcu智控模块连接，通过物联网通讯模块直接或间接与互联网云平台数据连接；所述物联网通讯模块包括但不限于wifi、蓝牙、gprs、4g、nb-lot中的一种或多种模块；

定位模块与mcu智控模块连接，mcu智控模块通过定位模块进行位置定位，获得地理经纬度位置定位信息；定位模块包括但不局限于北斗定位、gps定位等；

mcu智控模块中程序设置有计算处理子程模块、预警逻辑子模块；

本实施例中计量子模块采用rn8302电能计量芯片为核心；

rn8302是一种带谐波监测的电能计量芯片，同时具有直流检测功能。本实施例把它应用在电动车检测，除电压、电流、功率、功率方向、电能等参数，还可以可直接获得谐波电压、谐波电流信号。

本实施中，把蓄电池正极的电流采集处理电路、负极电流采集处理电路，分别连接到rn8302芯片的ia、ib对应输入端口，把蓄电池直流电压采集处理电路同时连接到rn8302芯片的ua、ub对应输入端口。rn8302芯片通过spi数据通讯接口与mcu智控模块中微控制器的spi通讯接口连接。

mcu智控模块中处理子程模块，通过rn8302芯片获得直流电压u及其谐波ux、正极电流i+及其谐波ix+、负极电流i-及其谐波信号ix-；进一步在电动车充电状态获得充电功率p1和充电电能e1，在电动车行驶等用电状态获得用电功率p2和用电电能e2，以及

处理子程模块通过蓄电池的正极电流i+与负极电流i-的差值，获得漏电流i0；进一步通过电压u与漏电流i0组合获得与剩余电流相关的漏电功率ps，进一步对时间积分计算获得漏电能量。

计算处理子程模块中，根据欧姆定律，计算获得绝缘电阻rs和绝缘电导gs，其中：

rs＝u/i0

gs＝i0/u

计算处理子程模块通过由计量子模块计算获得相关的电压、电流、功率、功率方向和电能参数

计算处理子程模块若检测到电压u保持升高，表明电动车充电导致蓄电池电压被充电器拉升，作为判据，判断电动车处于充电状态；通常，电动车充电器电压明显高于待充电电池电压；

可选地，计算处理子程模块通过计量子模块的功率方向参数，判断电流流入或流出蓄电池，若电流流入蓄电池，作为判据，判断电动车处于充电状态；常规计量芯片内部具有功率方向标识位，也直接可以作为电流方向标识位，与交流或直流无关，rn8302芯片内部功率方向寄存器为pqsign(地址66h)；

在所述计算处理子程模块中设有行驶功率阈值；

计算处理子程模块通过计量子模块计算获得输出功率，在非充电状态，若输出功率大于行驶功率阈值，结合定位模块获得的定位信息数据表明位置持续变化，判断电动车处于行驶状态；

若输出功率小于行驶功率阈值，且定位信息数据表明位置不变，判断电动车处于驻车状态；

若输出功率小于行驶功率阈值，且定位信息数据表明位置变化，判断电动车处于搬移或疑似被盗异常状态；

充电状态时，计算处理子程模块通过计量子模块计算获得充电电流、充电功率和充电电能参数，并送入预警逻辑子模块；

充电状态时，计算处理子程模块根据蓄电池的温度变化，计算获得与充电相关的温度参数，并送入预警逻辑子模块；

行驶状态时，计算处理子程模块通过计量子模块计算获得放电电流、行驶功率和行驶耗电电能参数，并送入预警逻辑子模块；

预警逻辑子模块中设有充电过热阈值、充电过流阈值、放电过流阈值、过充电保护阈值；

预警逻辑子模块将温升参数与充电过热阈值进行比较，若大于相应阈值，则判断发生充电过热隐患，并进行预警报警处理；

充电时蓄电池过热是监测重点，充电过程是电动车最容易发生致命火灾的时间段，据上海消防总队数据，现阶段电动车亡人火灾事故100％发生在电动车充电阶段，大都因为蓄电池过充后发热，然后导致蓄电池内有毒液体爆燃后释放的有毒气体熏死熏伤；

预警逻辑子模块将充电电流或放电电流分别与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断发生充电过流或放电过流隐患，进行报警处理；

预警逻辑子模块将充电电能e1与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断发生过充电隐患，进行报警处理；过充电往往是因为蓄电池老化，长时间用更多的电量也充不满，这种状况更容易引起蓄电池发热；

预警逻辑子模块在充电状态时，对互联网云平台发送定位信息数据，以供判断电动车是否处于设定禁止区域充电；

电动车充电引发电气火灾经常导致群死群伤恶性事件，国家消防部门高度重视，制定相关政策严厉禁止电动车在居民楼梯口、居住房室内等禁止区域充电。

本实施例，计算处理子程模块计算蓄电池直流回路的正极电流i+与负极电流i-的差值，获得直流回路的漏电流i0；

计算处理子程模块根据蓄电池直流回路的电压u和漏电流i0，计算得到直流回路的绝缘电阻rs和绝缘电导gs数值，把绝缘电阻rs数值送入预警逻辑子模块；进一步将绝缘电导gs数值对时间进行积分，获得各时间段绝缘电导时间积分参数，并送入预警逻辑子模块；

预警逻辑子模块中，预设绝缘电阻阈值、不同时间尺度的绝缘电导时间积分阈值；本发明预设时间积分阈值的所述不同时间尺度，一般是整分钟、整小时、整日、整月等整时间段；

预警逻辑子模块将绝缘电阻与绝缘电阻阈值进行比较，若大于相应阈值，判断存在绝缘隐患，并报警处理；

本发明认为绝缘电阻rs数值很大，很难直观衡量判断，对其进行积分获得的是更大的时间积分参数，更不具有实用性；

预警逻辑子模块将各时间段绝缘电导时间积分参数与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断存在绝缘安全隐患，并分别预警处理；

若计算处理子程模块检测绝缘电导数值产生突变，突变时间段的时间积分参数更有异常跟踪意义，但显然突变时间段不会轻易从整点或整分钟时刻开始，到整点或整分钟结束，针对突变时间段，先把预设的相应时间积分阈值转换成与突变时间段相同时间长度的阈值，再进行比较判断、预警处理。

本实施例，所述计算处理子程模块将漏电流对时间进行积分，获得各时间段漏电流时间积分参数，并把漏电流、各时间段漏电流时间积分参数送入预警逻辑子模块；

预警逻辑子模块中预设有漏电流阈值、不同时间尺度的漏电流时间积分阈值；

预警逻辑子模块将漏电流与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断存在漏电隐患，并报警处理；

预警逻辑子模块将各时间段漏电流时间积分参数分别与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断存在漏电安全隐患，并预警处理。

本实施例，把蓄电池正、负极电流采集处理电路，分别连接到rn8302芯片的ia、ib输入端口，把蓄电池直流电压采集处理电路同时连接到rn8302芯片的ua、ub输入端口，把蓄电池回路电压与回路的正、负极电流分别组合；

基于此，计算子程模块通过计量子模块，进一步计算获得正极功率和正极电能，以及负极功率、负极电能；

计算子程模块中，把正极功率与负极功率相减，获得正负极功率差值，分别送入预警逻辑模块，所述正负极功率差值包括充电正负极功率差值、放电正负极功率差值；

计算子程模块中，把相同时间段的正极电能与负极电能相减，获得各时间段正负极电能差值，把各时间段正负极电能差值及其时间段长度分别送入预警逻辑模块；所述正负极电能差值包括充电时间段正负极电能差值、放电时间段正负极电能差值；

预警逻辑模块中，设定充电正负极功率差值阈值、放电正负极功率差值阈值；

预警逻辑模块中，把充电或放电过程中的正负极功率差值分别与设定阈值比较，若大于，判断蓄电池内部或电动车电气回路内存在漏电隐患，报警处理；

预警逻辑模块中，把充电过程中各时间段的正负极电能差值，与充电正负极功率差值阈值乘以该时间段时长获得的正负极电能差值阈值比较，若大于，判断对应时间段蓄电池内部蓄电性能下降或相关隐患，并预警处理；

预警逻辑模块中，把放电过程中各时间段的正负极电能差值，与所述放电正负极功率差值阈值乘以该时间段时长获得的正负极电能差值阈值比较，若大于，判断对应时间电动车电气回路内存在漏电或过负荷隐患，并预警处理。

本实施例，为了更有效监测评估蓄电池充电性能变化程度和趋势，分别从充电过程的电压增量、谐波电压、差值分别对时间积分，进行数据聚合，从历次充电过程的整体聚合参数多角度分析评估；

基于此，将充电过程中：计算处理子程模块，把电压数值与充电开始前电压数值的差值对时间进行积分，直到充电结束，获得充电过程电压增量时间积分参数；类推，把电压谐波ux数值对时间进行积分，获得充电过程谐波电压时间积分参数，把实时温度数值与充电开始前温度数值的差值对时间进行积分，获得充电过程温度时间积分参数；

其中温度时间积分参数以摄氏度小时为单位量纲，类似电能参数，有利于直观衡量；

通过历次的充电过程电压增量时间积分参数、谐波电压时间积分参数、温度时间积分参数及其充电时间长度，综合分析评估电池充电性能变化趋势。

本实施例，设置继电器控制模块，并接入电动车直流电气回路，mcu智控模块与继电器控制模块的信号输入端口连接，mcu智控模块通过继电器控制模块实现控制所述电气回路的通断。

本实施例，在mcu智控模块中设置电弧处理子模块，电弧处理子模块基于检波原理检测直流回路正极或负极电流中1秒内半周波脉冲的个数，若1秒内超过14个半周波脉冲，则认为发生电弧故障，情况严重时启动继电器控制模块断电保护。

实施例2：与实施例1不同在于，本实施例中计量子模块仍采用rn8302电能计量芯片为核心，但本实施例不检查蓄电池正极电流，仅把蓄电池负极电流采集处理电路、电压采集处理电路分别连接到rn8302芯片的任一对应电流输入端口、电压输入端口，如分别连接到电流输入端口ia、电压输入端口ua，电信号采集模块采集电动车蓄电池负极电流和电压；负极电流采集处理电路可以直接采用高性价比的高精度锰铜类采样电阻，串联接入电气回路的负极连接线中。

实施例2与实施例1相比，实施例2是一种经济型简化版，不再检测高压正极电流，相应缺失漏电流及相关的绝缘电阻、绝缘电导等电气绝缘类参数；本简化版方案里，节省价格较高的霍尔电流传感器等器件，有利于在电动自行车中广泛推广应用。

本发明具体实施方案中，还有以下部分：

mcu智控模块的存储端口连接有储存模块，采用eeprom或flash；

mcu智控模块的时钟端口连接有rtcs时钟模块；

mcu智控模块的信号端口连接有状态指示模块，采用发光二极管指示灯。