CN110492566B - 一种管道内检测器电源能量管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管道内检测器电源能量管理技术领域，提供一种管道内检测器电源能量管理系统及方法。本发明的系统包括均衡电路、充电电路、发电设备、采集模块、控制模块；均衡电路包括N组二极管、第二开关、第三开关；充电电路串联第三开关后与电池组并联；发电设备中发电机的转子与里程轮机械连接；采集模块包括电流传感器、电压传感器、温度传感器；控制模块为单片机，包括速度计算模块、SOC估计模块、距离预估模块、功率计算模块、充放电管理模块、能量优化模块，内置有脉冲接收器。本发明能够提高SOC值估计的精准度，能够对检测器多种工作模式下的电源能量进行优化控制，实现电能的自适应分配调度，提高电源能量管理的效率、质量及适应性。

Description

一种管道内检测器电源能量管理系统及方法

技术领域

本发明涉及管道内检测器电源能量管理技术领域，特别是涉及一种管道内检测器电源能量管理系统及方法。

背景技术

管道内检测器包含多组电池组，这种电池组由于长期处于管道内部，不能用外接市电的方式接入外部电源中来充电，所在密闭的管道中，本身电池的储能有限，它的电量很快将耗尽，给检测工作带来极大的不便和麻烦，使得检测器不能顺利达到检测要求，甚至造成检测质量下降。从而，对管道内检测器的电源进行能量管理显得尤为重要。

管道内检测器电源能量管理的关键是电源SOC值(State of Charge，剩余电量)的估计。现有的SOC估计方法有多种，如开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法等。现有的这些方法主要是根据工作电流、电压来进行工作的，其考虑的SOC值影响因素过少，没有考虑到电池的内部变化，如电池温度、电池老化等，从而导致SOC值估计的精准度较低，进一步导致电源能量管理的准确度较低。

现有的管道内检测器电源能量管理技术中，一方面，很少有将电源能量管理集成在一个系统当中，而且只能实现电源的放电，不能同时兼顾电源的放电与充电，从而更不能实现各电池组剩余电量的均衡，导致电源能量管理的效率低下，管道内检测器的工作时间不能得到有效延长；另一方面，不能实现检测器的多种工作模式下的电源能量管理，不能完成电能的自适应分配调度，从而电源能量管理的适应性低下。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种管道内检测器电源能量管理系统及方法，能够提高SOC值估计的精准度，实现各电池组剩余电量的均衡，能够对检测器多种工作模式下的电源能量进行优化控制，实现电能的自适应分配调度，提高电源能量管理的效率、质量及适应性，在保证安全高质量地完成监测工作的基础上，有效延长管道内检测器的工作时间。

本发明的技术方案为：

一种管道内检测器电源能量管理系统，所述检测器的负载包括沿管道轴向均布的L圈传感器，每圈传感器沿管道周向均布，所述电源包括N组并联连接的电池组，每个传感器串联第一开关后与所述电源并联，所述检测器上沿管道周向均匀分布有M个里程轮，所述里程轮上安装有脉冲发生器，其特征在于：包括均衡电路、充电电路、发电设备、数据采集模块、控制模块；

所述均衡电路包括N组均衡元件，第n组均衡元件包括串联连接的二极管D_n、第二开关K_n，第n组均衡元件还包括第三开关S_n，第n组电池组、二极管D_n、第二开关K_n依次串联连接；

所述充电电路串联第三开关S_n后与第n组电池组并联；

所述发电设备包括M个发电机，第m个发电机的转子与第m个里程轮机械连接，所述发电设备依次与分频器、整流电路、充电电路并联；其中，n∈{1,2,...,N},m∈{1,2,...,M}；

所述采集模块包括N+1个电流传感器、N+1个电压传感器、N个温度传感器，第n个电流传感器与第n组电池组串联、第N+1个电流传感器与发电设备串联，第n个电压传感器与第n组电池组并联、第N+1个电压传感器与发电设备并联，第n个温度传感器设置在第n组电池组的表面；

所述控制模块为单片机，所述控制模块包括速度计算模块、SOC估计模块、距离预估模块、功率计算模块、充放电管理模块、能量优化模块，所述控制模块内置有脉冲接收器；

每个电流传感器、每个电压传感器、每个温度传感器的输出端均与所述控制模块的输入端电连接，所述脉冲发生器与所述脉冲接收器无线连接，所述控制模块的输出端与每个第一开关、每个第二开关、每个第三开关均电连接。

所述第n个电流传感器、第n个电压传感器、第n个温度传感器分别用于采集并传输第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n数据给控制模块，所述第N+1个电流传感器、第N+1个电压传感器分别用于采集并传输发电设备的电流I、电压U数据给控制模块；

所述速度计算模块用于根据所述控制模块内部时钟电路记录的时间及该时间内所述脉冲接收器接收到的脉冲数计算检测器已经行驶的距离L₁、检测器的瞬时速度v，并将检测器已经行驶的距离L₁数据传输给距离预估模块、将检测器的瞬时速度v传输给能量优化模块；

所述SOC估计模块用于根据第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n计算第n组电池组的SOC值SOC_n，并将电源的SOC值

传输给距离预估模块、能量优化模块，将各电池组的SOC值传输给充放电管理模块；

所述距离预估模块用于根据检测器已经行驶的距离L₁、电源的SOC值计算检测器可继续运行的距离L₂，并将检测器可继续运行的距离L₂传输给能量优化模块；

所述功率计算模块用于根据各组电池组的电流与电压、发电设备的电流与电压分别计算负载功率、发电功率，并将负载功率与发电功率传输给能量优化模块；

所述充放电管理模块用于根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电；

所述能量优化模块用于采取能量优化策略中的一个或多个策略，所述能量优化策略包括第一能量优化策略、第二能量优化策略、第三能量优化策略；所述第一能量优化策略为根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值，改变传感器的采样频率f；所述第二能量优化策略为根据检测器可继续运行的距离L₂，在满足切负载的判定条件下进行切负载操作；所述第三能量优化策略为根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略。

所述SOC估计模块用于根据第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n计算第n组电池组的SOC值为SOC_n＝K_1n lnU_n-K_2n；其中，K_1n、K_2n均为第n组电池组的受温度影响的温度补偿系数，

r_n为第n组电池组串联单节电池的数量，Z_n为第n组电池组的自放电率。

所述距离预估模块用于根据检测器已经行驶的距离L₁、电源的SOC值计算检测器可继续运行的距离为

所述充放电管理模块用于根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电包括：

P1：将各电池组的SOC值按照从大到小的顺序进行排序，形成SOC值序列；

P2：选择SOC值序列中最大SOC值对应的电池组，形成放电电池组集合，并将该最大SOC值从SOC值序列中剔除；

P3：判断放电电池组集合的放电电流是否达到放电要求电流值，若未达到放电要求电流值则返回P2，若达到放电要求电流值则进入P4；

P4：实施均衡策略：充放电管理模块控制放电电池组集合中各电池组进行放电、SOC值序列对应的各电池组进行充电。

所述第一能量优化策略为根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值，改变传感器的采样频率为

其中，

r₁＝v₁+cosv₁，r₂＝v₂+k₄，v₁、v₂、v₃均为预设的速度阈值，v₃为检测器在管道内的最大行驶速度。

所述第二能量优化策略为根据检测器可继续运行的距离L₂，在满足切负载的判定条件下进行切负载操作包括：在检测器可继续运行的距离L₂满足

时，切掉L圈传感器中轴向的一半传感器；其中，S为管道的总长度，K为电源中电池组充电电流之和与放电电流之和的比值。

所述第三能量优化策略为根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略包括：

若发电功率大于负载功率，则采取第一控制策略：发电功率供给一部分以满足负载功率、供给另一部分为电池组充电；

若发电功率小于负载功率，则采取第二控制策略：发电功率全部供给给负载、负载缺失的功率由电池组供给；

若发电功率等于负载功率，则采取第三控制策略：发电功率全部供给给负载、电池组既不充电也不放电。

一种使用上述管道内检测器电源能量管理系统进行电源能量管理的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：检测器的里程轮在管道内液体的推力下转动从而带动发电机的转子转动，发电机输出交流电；

步骤2：通过分频器对发电机输出的交流电进行分频处理，将200Hz以下定为第一频段、高于200Hz定为第二频段，对第一频段的交流电采用下垂控制法进行控制，对第二频段的交流电采用PID控制法进行控制；

步骤3：通过整流电路对发电机输出的交流电进行整流处理；

步骤4：通过采集模块进行数据采集：所述第n个电流传感器、第n个电压传感器、第n个温度传感器分别采集并传输第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n数据给控制模块，所述第N+1个电流传感器、第N+1个电压传感器分别采集并传输发电设备的电流I、电压U数据给控制模块；

步骤5：所述速度计算模块根据所述控制模块内部时钟电路记录的时间及该时间内所述脉冲接收器接收到的脉冲数计算检测器已经行驶的距离L₁、检测器的瞬时速度v，并将检测器已经行驶的距离L₁数据传输给距离预估模块、将检测器的瞬时速度v传输给能量优化模块；

步骤6：所述SOC估计模块根据第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n计算第n组电池组的SOC值SOC_n，并将电源的SOC值

传输给距离预估模块、能量优化模块，将各电池组的SOC值传输给充放电管理模块；

步骤7：所述距离预估模块根据检测器已经行驶的距离L₁、电源的SOC值计算检测器可继续运行的距离L₂，并将检测器可继续运行的距离L₂传输给能量优化模块；

步骤8：所述功率计算模块根据各组电池组的电流与电压、发电设备的电流与电压分别计算负载功率、发电功率，并将负载功率与发电功率传输给能量优化模块；

步骤9：所述充放电管理模块根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电：所述充放电管理模块发送闭合信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关、发送断开信号给放电电池组集合中各电池组并联的第三开关，控制放电电池组集合中各电池组进行放电；所述充放电管理模块发送闭合信号给SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关、发送断开信号给SOC值序列对应的各电池组串联的第二开关，控制SOC值序列对应的各电池组进行充电，实现各电池组剩余电量的均衡；

步骤10：所述能量优化模块采取能量优化策略中的一个或多个策略，对电源进行能量优化；当采取第一能量优化策略时，能量优化模块根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值计算传感器的采样频率f，控制模块将采样频率f转换成第一电信号发送给各传感器，控制各传感器改变采样频率为f；当采取第二能量优化策略时，在能量优化模块判断检测器可继续运行的距离L₂满足切负载的判定条件时，控制模块发送第二电信号给L圈传感器中轴向的一半传感器所串联的第一开关，控制第一开关断开，从而切掉横向的一半负载；当采取第三能量优化策略时，能量优化模块根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略：

若发电功率大于负载功率，则采取第一控制策略，发电功率供给一部分以满足负载功率、供给另一部分为电池组充电，控制模块发送断开信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关，控制放电电池组集合中各电池组不进行放电；

若发电功率小于负载功率，则采取第二控制策略，发电功率全部供给给负载、负载缺失的功率由电池组供给，控制模块发送断开信号给SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关，控制SOC值序列对应的各电池组不进行充电；

若发电功率等于负载功率，则采取第三控制策略，发电功率全部供给给负载、电池组既不充电也不放电，控制模块发送断开信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关、SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关，控制放电电池组集合中各电池组不进行放电、SOC值序列对应的各电池组不进行充电。

本发明的有益效果为：

本发明根据电池组的电流、电压、温度计算电池组的SOC值，考虑了电池的内部变化因素对SOC值的影响，提高了SOC值估计的精准度，进一步提高了电源能量管理的准确度。

本发明将电源的放电与充电集成到一个系统中，通过控制模块实现对电源能量的集成管理。本发明通过充放电管理模块根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电，能够实现各电池组剩余电量的均衡，提高电源能量管理的效率，有效延长管道内检测器的工作时间。本发明通过能量优化模块实现对检测器的多种工作模式下的电源能量管理，实现电能的自适应分配调度，提高电源能量管理的适应性：根据检测器的瞬时速度、电源的SOC值，改变传感器的采样频率，能够有效避免采样精度不足及能量浪费的问题；根据检测器可继续运行的距离，在满足切负载的判定条件下进行切负载操作，在电池源源不断充电的情况下保证内检测器能完整地完成好检测工作；根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略，能够实现能量的优化控制。

附图说明

图1为本发明的管道内检测器电源能量管理系统的结构示意图；

图2为本发明的管道内检测器电源能量管理系统中负载、电源与均衡电路、充电电路间的连接关系示意图；

图3为具体实施方式中本发明的管道内检测器电源能量管理系统中充电电路的结构示意图；

图4为具体实施方式中本发明的管道内检测器电源能量管理系统中SOC估计模块进行SOC估计的流程图；

图5为具体实施方式中本发明的管道内检测器电源能量管理系统中充放电管理模块对各电池组的充放电进行控制的流程图；

图6为具体实施方式中本发明的管道内检测器电源能量管理系统中能量优化模块对传感器的采样频率进行控制的流程图；

图7为具体实施方式中本发明的管道内检测器电源能量管理系统的发电充电流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

如图1所示，为本发明的管道内检测器电源能量管理系统的结构示意图。所述检测器的负载包括沿管道轴向均布的L圈传感器，每圈传感器沿管道周向均布，所述电源包括N组并联连接的电池组，每个传感器串联第一开关后与所述电源并联，所述检测器上沿管道周向均匀分布有M个里程轮，所述里程轮上安装有脉冲发生器。本发明的管道内检测器电源能量管理系统包括均衡电路、充电电路、发电设备、数据采集模块、控制模块。

如图2所示，所述均衡电路包括N组均衡元件，第n组均衡元件包括串联连接的二极管D_n、第二开关K_n，第n组均衡元件还包括第三开关S_n，第n组电池组、二极管D_n、第二开关K_n依次串联连接；所述充电电路串联第三开关S_n后与第n组电池组并联。其中，充电电路可以为本领域技术人员熟知的任何能够对电池组进行充电的电路结构。本实施例中，充电电路采用如图3所示的结构。

所述发电设备包括M个发电机，第m个发电机的转子与第m个里程轮机械连接，所述发电设备依次与分频器、整流电路、充电电路并联；其中，n∈{1,2,...,N},m∈{1,2,...,M}。本实施例中，N＝6，M＝6，发电机为交流发电机，采用步进电机，低速特性好，符合管道内检测器实际的运行速度特性。其中，管道内检测器的运行速度取决于管道内液体的压强与流速的大小，一般为1-5m/s。

所述采集模块包括N+1个电流传感器、N+1个电压传感器、N个温度传感器，第n个电流传感器与第n组电池组串联、第N+1个电流传感器与发电设备串联，第n个电压传感器与第n组电池组并联、第N+1个电压传感器与发电设备并联，第n个温度传感器设置在第n组电池组的表面。

所述控制模块为单片机，所述控制模块包括速度计算模块、SOC估计模块、距离预估模块、功率计算模块、充放电管理模块、能量优化模块，所述控制模块内置有脉冲接收器。本实施例中，控制模块为STM32单片机最小系统。

每个电流传感器、每个电压传感器、每个温度传感器的输出端均与所述控制模块的输入端电连接，所述脉冲发生器与所述脉冲接收器无线连接，所述控制模块的输出端与每个第一开关、每个第二开关、每个第三开关均电连接。

所述第n个电流传感器、第n个电压传感器、第n个温度传感器分别用于采集并传输第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n数据给控制模块，所述第N+1个电流传感器、第N+1个电压传感器分别用于采集并传输发电设备的电流I、电压U数据给控制模块。

所述速度计算模块用于根据所述控制模块内部时钟电路记录的时间及该时间内所述脉冲接收器接收到的脉冲数计算检测器已经行驶的距离L₁、检测器的瞬时速度v，并将检测器已经行驶的距离L₁数据传输给距离预估模块、将检测器的瞬时速度v传输给能量优化模块。

如图4所示，所述SOC估计模块用于根据第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n计算第n组电池组的SOC值为SOC_n＝K_1n lnU_n-K_2n，并将电源的SOC值

传输给距离预估模块、能量优化模块，将各电池组的SOC值传输给充放电管理模块。其中，K_1n、K_2n均为第n组电池组的受温度影响的温度补偿系数，

r_n为第n组电池组串联单节电池的数量，Z_n为第n组电池组的自放电率。本实施例中，r_n＝3，Z_n＝5％。

所述距离预估模块用于根据检测器已经行驶的距离L₁、电源的SOC值计算检测器可继续运行的距离为

并将检测器可继续运行的距离L₂传输给能量优化模块。

所述功率计算模块用于根据各组电池组的电流与电压、发电设备的电流与电压分别计算负载功率、发电功率，并将负载功率与发电功率传输给能量优化模块。

如图5所示，所述充放电管理模块用于根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电，包括：

P1：将各电池组的SOC值按照从大到小的顺序进行排序，形成SOC值序列；

P2：选择SOC值序列中最大SOC值对应的电池组，形成放电电池组集合，并将该最大SOC值从SOC值序列中剔除；

P3：判断放电电池组集合的放电电流是否达到放电要求电流值，若未达到放电要求电流值则返回P2，若达到放电要求电流值则进入P4；

P4：实施均衡策略：充放电管理模块控制放电电池组集合中各电池组进行放电、SOC值序列对应的各电池组进行充电。

所述能量优化模块用于采取能量优化策略中的一个或多个策略，所述能量优化策略包括第一能量优化策略、第二能量优化策略、第三能量优化策略；所述第一能量优化策略为根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值，改变传感器的采样频率f；所述第二能量优化策略为根据检测器可继续运行的距离L₂，在满足切负载的判定条件下进行切负载操作；所述第三能量优化策略为根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略。

所述第一能量优化策略为根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值，改变传感器的采样频率为

其中，

r₁＝v₁+cosv₁，r₂＝v₂+k₄，v₁、v₂、v₃均为预设的速度阈值，v₃为检测器在管道内的最大行驶速度。

所述第二能量优化策略为根据检测器可继续运行的距离L₂，在满足切负载的判定条件下进行切负载操作包括：在检测器可继续运行的距离L₂满足

时，切掉L圈传感器中轴向的一半传感器；其中，S为管道的总长度，K为电源中电池组充电电流之和与放电电流之和的比值。本实施例中，K＝0.2。

所述第三能量优化策略为根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略包括：

若发电功率大于负载功率，则采取第一控制策略：发电功率供给一部分以满足负载功率、供给另一部分为电池组充电；

若发电功率小于负载功率，则采取第二控制策略：发电功率全部供给给负载、负载缺失的功率由电池组供给；

若发电功率等于负载功率，则采取第三控制策略：发电功率全部供给给负载、电池组既不充电也不放电。

本发明的使用上述管道内检测器电源能量管理系统进行电源能量管理的方法，包括下述步骤：

步骤1：检测器的里程轮在管道内液体的推力下转动从而带动发电机的转子转动，发电机输出交流电。

本实施例中，在管道内石油的推力下，6路里程轮带动6路交流发电机发出电能，通过充电电路供给给电池组和负载。

电池组一般为锂电池组。由于锂电池组在使用的过程中，随着使用时间的不断增加，必然存在着容量衰减的问题，尤其是在使用的过程中电池组发生大容量充放电及充放电频繁现象，造成其衰减情况特别严重。不同的锂电池组，即使它们是同一厂家对应同一批次的产品，也一定存在着个体上的差异。从而对电池组进行能量管理极其重要。

步骤2：如图7所示，通过分频器对发电机输出的交流电进行分频处理，将200Hz以下定为第一频段、高于200Hz定为第二频段，对第一频段的交流电采用下垂控制法进行控制，对第二频段的交流电采用PID控制法进行控制。

发电设备产生的是多种频率、幅值的交流电，由于下垂控制对200Hz以上的交流电的控制效果不理想，所以通过分频器将发电机发出的交流电进行分频处理，将200Hz以下定为第一频段，高于200Hz定为第二频段，采用PID控制法对第二频段的交流电进行控制。

在下垂控制中，

在PID控制中，U＝-k(q-q₀)。其中，w为角速度，w₀、U₀分别为角速度、电压的额定值，p₀、q₀分别为有功功率、无功功率，k_p、k_q、k均为经验值，保持q值一定即可实现电压的一定。本实施例中，w₀＝378，U₀＝11V，p₀＝22*cos73＝6.432，q₀＝22*sin73＝21，k_p＝1*10^-5，k_q＝2*10^-3，k＝9.13。

步骤3：通过整流电路对发电机输出的交流电进行整流处理，得到稳定的直流电，从而实现了电压有效值的稳定。本实施例中，整流电路采用的是三相整流电路，三相整流电路采用3个桥臂，每个桥臂由开关二极管组成。

步骤4：通过采集模块进行数据采集：所述第n个电流传感器、第n个电压传感器、第n个温度传感器分别采集并传输第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n数据给控制模块，所述第N+1个电流传感器、第N+1个电压传感器分别采集并传输发电设备的电流I、电压U数据给控制模块。

步骤5：所述速度计算模块根据所述控制模块内部时钟电路记录的时间及该时间内所述脉冲接收器接收到的脉冲数计算检测器已经行驶的距离L₁、检测器的瞬时速度v，并将检测器已经行驶的距离L₁数据传输给距离预估模块、将检测器的瞬时速度v传输给能量优化模块。本实施例中，通过里程轮每40cm取一次点，每段40cm的距离对应着一个时间间隔，40cm的距离与这段时间间隔的比值，即可近似地得到管道内检测器的瞬时速度v。

步骤6：所述SOC估计模块根据第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n计算第n组电池组的SOC值SOC_n，并将电源的SOC值

传输给距离预估模块、能量优化模块，将各电池组的SOC值传输给充放电管理模块。

步骤7：所述距离预估模块根据检测器已经行驶的距离L₁、电源的SOC值计算检测器可继续运行的距离L₂，并将检测器可继续运行的距离L₂传输给能量优化模块。

步骤8：所述功率计算模块根据各组电池组的电流与电压、发电设备的电流与电压分别计算负载功率、发电功率，并将负载功率与发电功率传输给能量优化模块。

步骤9：所述充放电管理模块根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电：所述充放电管理模块发送闭合信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关、发送断开信号给放电电池组集合中各电池组并联的第三开关，控制放电电池组集合中各电池组进行放电；所述充放电管理模块发送闭合信号给SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关、发送断开信号给SOC值序列对应的各电池组串联的第二开关，控制SOC值序列对应的各电池组进行充电，实现各电池组剩余电量的均衡。

步骤10：所述能量优化模块采取能量优化策略中的一个或多个策略，对电源进行能量优化。

当采取第一能量优化策略时，能量优化模块根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值计算传感器的采样频率f，控制模块将采样频率f转换成第一电信号发送给各传感器，控制各传感器改变采样频率为f：

本实施例中，v₁＝1m/s，v₂＝5m/s，v₃＝10m/s。其中，当检测器在管道中工作时，若传感器在不同的速度值下采取单一的采样频率，当检测器运行速度比较低时(小于1m/s)，会造成能量的浪费；当检测器运行速度较高时(大于5m/s)，可能会出现采样精度不够的情况；当管道内检测器速度为0时，是管道内检测器发生了卡堵事故，此时为了节约有限的电能，停止采样直至速度不为0m/s；管道内检测器的速度值不超过10m/s，是为了保证检测工作的准确性。如图6所示，采样频率由SOC值及速度值来共同决定，管道内检测器正常的速度值为1m/s-5m/s，结合管道内检测器的实际工作情况，此时的采样频率为5-6kHz；当速度值低于1m/s时，此时应降低采样频率而且可以保证检测工作的准确性，此时的采样频率为1-2kHz；当速度值高于5m/s时，此时应提高采样频率至10kHz，可以保证采样工作的准确性。从而第一能量优化策略能够有效避免采样精度不足及能量浪费的问题，保证传感器有多种工作频率对应着不同的工作模式，在能量一定的基础上，实现能量的最大化利用，延长管道内检测器的工作时间，更好地完成检测工作。

当采取第二能量优化策略时，在能量优化模块判断检测器可继续运行的距离L₂满足切负载的判定条件时，控制模块发送第二电信号给L圈传感器中轴向的一半传感器所串联的第一开关，控制第一开关断开，从而切掉横向的一半负载；

当采取第三能量优化策略时，能量优化模块根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略：

若6路里程轮正常转动，不发生打滑现象，发电功率大于负载功率，则采取第一控制策略，发电功率供给一部分以满足负载功率、供给另一部分为电池组充电，控制模块发送断开信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关，控制放电电池组集合中各电池组不进行放电；

若部分里程轮发生打滑现象且发电功率小于负载功率，则采取第二控制策略，发电功率全部供给给负载、负载缺失的功率由电池组供给，控制模块发送断开信号给SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关，控制SOC值序列对应的各电池组不进行充电；

若部分里程轮发生打滑现象且发电功率等于负载功率，则采取第三控制策略，发电功率全部供给给负载、电池组既不充电也不放电，控制模块发送断开信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关、SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关，控制放电电池组集合中各电池组不进行放电、SOC值序列对应的各电池组不进行充电。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种管道内检测器电源能量管理系统，所述检测器的负载包括沿管道轴向均布的L圈传感器，每圈传感器沿管道周向均布，所述电源包括N组并联连接的电池组，每个传感器串联第一开关后与所述电源并联，所述检测器上沿管道周向均匀分布有M个里程轮，所述里程轮上安装有脉冲发生器，其特征在于：包括均衡电路、充电电路、发电设备、采集模块、控制模块；

所述均衡电路包括N组均衡元件，第n组均衡元件包括串联连接的二极管D_n、第二开关K_n，第n组均衡元件还包括第三开关S_n，第n组电池组、二极管D_n、第二开关K_n依次串联连接；

所述充电电路串联第三开关S_n后与第n组电池组并联；

所述发电设备包括M个发电机，第m个发电机的转子与第m个里程轮机械连接，所述发电设备依次与分频器、整流电路、充电电路并联；其中，n∈{1,2,...,N},m∈{1,2,...,M}；

所述采集模块包括N+1个电流传感器、N+1个电压传感器、N个温度传感器，第n个电流传感器与第n组电池组串联、第N+1个电流传感器与发电设备串联，第n个电压传感器与第n组电池组并联、第N+1个电压传感器与发电设备并联，第n个温度传感器设置在第n组电池组的表面；

所述控制模块为单片机，所述控制模块包括速度计算模块、SOC估计模块、距离预估模块、功率计算模块、充放电管理模块、能量优化模块，所述控制模块内置有脉冲接收器；

每个电流传感器、每个电压传感器、每个温度传感器的输出端均与所述控制模块的输入端电连接，所述脉冲发生器与所述脉冲接收器无线连接，所述控制模块的输出端与每个第一开关、每个第二开关、每个第三开关均电连接。

2.根据权利要求1所述的管道内检测器电源能量管理系统，其特征在于，所述第n个电流传感器、第n个电压传感器、第n个温度传感器分别用于采集并传输第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n数据给控制模块，所述第N+1个电流传感器、第N+1个电压传感器分别用于采集并传输发电设备的电流I、电压U数据给控制模块；

所述速度计算模块用于根据所述控制模块内部时钟电路记录的时间及该时间内所述脉冲接收器接收到的脉冲数计算检测器已经行驶的距离L₁、检测器的瞬时速度v，并将检测器已经行驶的距离L₁数据传输给距离预估模块、将检测器的瞬时速度v传输给能量优化模块；

所述SOC估计模块用于根据第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n计算第n组电池组的SOC值SOC_n，并将电源的SOC值

传输给距离预估模块、能量优化模块，将各电池组的SOC值传输给充放电管理模块；

所述距离预估模块用于根据检测器已经行驶的距离L₁、电源的SOC值计算检测器可继续运行的距离L₂，并将检测器可继续运行的距离L₂传输给能量优化模块；

所述功率计算模块用于根据各组电池组的电流与电压、发电设备的电流与电压分别计算负载功率、发电功率，并将负载功率与发电功率传输给能量优化模块；

所述充放电管理模块用于根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电；

所述能量优化模块用于采取能量优化策略中的一个或多个策略，所述能量优化策略包括第一能量优化策略、第二能量优化策略、第三能量优化策略；所述第一能量优化策略为根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值，改变传感器的采样频率f；所述第二能量优化策略为根据检测器可继续运行的距离L₂，在满足切负载的判定条件下进行切负载操作；所述第三能量优化策略为根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略。

3.根据权利要求2所述的管道内检测器电源能量管理系统，其特征在于，所述SOC估计模块用于根据第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n计算第n组电池组的SOC值为SOC_n＝K_1nlnU_n-K_2n；其中，K_1n、K_2n均为第n组电池组的受温度影响的温度补偿系数，

r_n为第n组电池组串联单节电池的数量，Z_n为第n组电池组的自放电率。

4.根据权利要求3所述的管道内检测器电源能量管理系统，其特征在于，所述距离预估模块用于根据检测器已经行驶的距离L₁、电源的SOC值计算检测器可继续运行的距离为

5.根据权利要求4所述的管道内检测器电源能量管理系统，其特征在于，所述充放电管理模块用于根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电包括：

P1：将各电池组的SOC值按照从大到小的顺序进行排序，形成SOC值序列；

P2：选择SOC值序列中最大SOC值对应的电池组，形成放电电池组集合，并将该最大SOC值从SOC值序列中剔除；

P3：判断放电电池组集合的放电电流是否达到放电要求电流值，若未达到放电要求电流值则返回P2，若达到放电要求电流值则进入P4；

P4：实施均衡策略：充放电管理模块控制放电电池组集合中各电池组进行放电、SOC值序列对应的各电池组进行充电。

6.根据权利要求5所述的管道内检测器电源能量管理系统，其特征在于，所述第一能量优化策略为根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值，改变传感器的采样频率为

其中，

r₁＝v₁+cosv₁，r₂＝v₂+k₄，v₁、v₂、v₃均为预设的速度阈值，v₃为检测器在管道内的最大行驶速度。

7.根据权利要求6所述的管道内检测器电源能量管理系统，其特征在于，所述第二能量优化策略为根据检测器可继续运行的距离L₂，在满足切负载的判定条件下进行切负载操作包括：在检测器可继续运行的距离L₂满足

时，切掉L圈传感器中轴向的一半传感器；其中，S为管道的总长度，K为电源中电池组充电电流之和与放电电流之和的比值。

8.根据权利要求7所述的管道内检测器电源能量管理系统，其特征在于，所述第三能量优化策略为根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略包括：

若发电功率大于负载功率，则采取第一控制策略：发电功率供给一部分以满足负载功率、供给另一部分为电池组充电；

若发电功率小于负载功率，则采取第二控制策略：发电功率全部供给给负载、负载缺失的功率由电池组供给；

若发电功率等于负载功率，则采取第三控制策略：发电功率全部供给给负载、电池组既不充电也不放电。

9.一种使用如权利要求8所述的管道内检测器电源能量管理系统进行电源能量管理的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：检测器的里程轮在管道内液体的推力下转动从而带动发电机的转子转动，发电机输出交流电；

步骤2：通过分频器对发电机输出的交流电进行分频处理，将200Hz以下定为第一频段、高于200Hz定为第二频段，对第一频段的交流电采用下垂控制法进行控制，对第二频段的交流电采用PID控制法进行控制；

步骤3：通过整流电路对发电机输出的交流电进行整流处理；

步骤4：通过采集模块进行数据采集：所述第n个电流传感器、第n个电压传感器、第n个温度传感器分别采集并传输第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n数据给控制模块，所述第N+1个电流传感器、第N+1个电压传感器分别采集并传输发电设备的电流I、电压U数据给控制模块；

步骤5：所述速度计算模块根据所述控制模块内部时钟电路记录的时间及该时间内所述脉冲接收器接收到的脉冲数计算检测器已经行驶的距离L₁、检测器的瞬时速度v，并将检测器已经行驶的距离L₁数据传输给距离预估模块、将检测器的瞬时速度v传输给能量优化模块；

步骤6：所述SOC估计模块根据第n组电池组的电流I_n、电压U_n、温度T_n计算第n组电池组的SOC值SOC_n，并将电源的SOC值

传输给距离预估模块、能量优化模块，将各电池组的SOC值传输给充放电管理模块；

步骤7：所述距离预估模块根据检测器已经行驶的距离L₁、电源的SOC值计算检测器可继续运行的距离L₂，并将检测器可继续运行的距离L₂传输给能量优化模块；

步骤8：所述功率计算模块根据各组电池组的电流与电压、发电设备的电流与电压分别计算负载功率、发电功率，并将负载功率与发电功率传输给能量优化模块；

步骤9：所述充放电管理模块根据各电池组的SOC值控制各电池组的充放电：所述充放电管理模块发送闭合信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关、发送断开信号给放电电池组集合中各电池组并联的第三开关，控制放电电池组集合中各电池组进行放电；所述充放电管理模块发送闭合信号给SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关、发送断开信号给SOC值序列对应的各电池组串联的第二开关，控制SOC值序列对应的各电池组进行充电，实现各电池组剩余电量的均衡；

步骤10：所述能量优化模块采取能量优化策略中的一个或多个策略，对电源进行能量优化；当采取第一能量优化策略时，能量优化模块根据检测器的瞬时速度v、电源的SOC值计算传感器的采样频率f，控制模块将采样频率f转换成第一电信号发送给各传感器，控制各传感器改变采样频率为f；当采取第二能量优化策略时，在能量优化模块判断检测器可继续运行的距离L₂满足切负载的判定条件时，控制模块发送第二电信号给L圈传感器中轴向的一半传感器所串联的第一开关，控制第一开关断开，从而切掉横向的一半负载；当采取第三能量优化策略时，能量优化模块根据发电功率与负载功率间的大小关系，采取对应的控制策略：

若发电功率大于负载功率，则采取第一控制策略，发电功率供给一部分以满足负载功率、供给另一部分为电池组充电，控制模块发送断开信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关，控制放电电池组集合中各电池组不进行放电；

若发电功率小于负载功率，则采取第二控制策略，发电功率全部供给给负载、负载缺失的功率由电池组供给，控制模块发送断开信号给SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关，控制SOC值序列对应的各电池组不进行充电；

若发电功率等于负载功率，则采取第三控制策略，发电功率全部供给给负载、电池组既不充电也不放电，控制模块发送断开信号给放电电池组集合中各电池组串联的第二开关、SOC值序列对应的各电池组并联的第三开关，控制放电电池组集合中各电池组不进行放电、SOC值序列对应的各电池组不进行充电。

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