燃氣表電池耗電模型的應用

張曉丹, 吳燕娟, 林明星

(金卡智能集團股份有限公司，浙江杭州310018)

1 概述

隨著市場需求的發展，要求燃氣表不僅要有計量功能還要有顯示、計價以及通信功能，從而使之更加智能化[1]，同時需要低功耗的設計，這就需要對燃氣表的電池耗電情況進行分析和監控，及時提示用戶更換電池或者告知后臺系統電池的運行情況，及時通過電池的實時數據反映出燃氣表是否處于正常的工作狀態。由于目前還沒有一個可靠的系統對燃氣表電池的耗電情況進行大數據的收集和分析，因此筆者收集市場上燃氣表電池的數據，并對該類數據進行分析，建立了典型電池的耗電模型，并將該耗電模型應用到燃氣表的實際使用過程中，進而監測燃氣表的工作狀態。

2 耗電模型的建立

① 電池電壓變化曲線

市場上常用的燃氣表電池分為碳性電池和堿性電池。堿性電池的電量是碳性電池電量的4～7倍，因此放電情況與碳性電池有所不同。筆者隨機抽取了市場上170臺燃氣表在2 a內使用情況，調取170臺燃氣表的電池電壓隨時間的變化數據，建立了堿性電池、碳性電池正常使用情況下的耗電模型和大功耗情況下(此時為異常工作的情況)的耗電模型。對市場上170臺燃氣表在2 a內采集到的電池電壓數據進行分析，并從中挑出3臺燃氣表，該3臺燃氣表的電池情況分別為正常工作的堿性電池、正常工作的碳性電池以及異常工作的電池(該電池為堿性電池)，3臺燃氣表的電池電壓隨時間的變化曲線見圖1。

圖1 3臺燃氣表的電池電壓隨時間的變化曲線

由圖1可以看出，燃氣表正常工作時電池電壓變化和大功耗時異常工作的電池電壓曲線的變化趨勢和斜率是不同的。正常工作時，堿性電池電壓的變化曲線和碳性電池電壓的變化曲線的趨勢和斜率也是不同的。因此只要利用上述方法對170臺燃氣表電池電壓的變化進行數據分析，總結出3種變化曲線的斜率范圍，即可判斷燃氣表電池工作是否異?；蛘吲袛喑鋈細獗硎褂玫碾姵仡愋?。

② 擬合方程

抽取的170臺燃氣表中，有100臺燃氣表處于正常工作狀態，其中60臺使用堿性電池，40臺使用碳性電池，剩余70臺燃氣表處于大功耗工作狀態。根據這些燃氣表的電池電壓變化情況，擬合出電壓變化曲線的斜率。可用最小二乘法[2]對電壓的變化進行多項式擬合，求出電壓隨時間變化的線性方程，總結出不同情況下電池電壓變化的斜率范圍，建立燃氣表的耗電模型。

針對圖1，本文用Matlab軟件對選取的3臺燃氣表電池電壓的數據進行擬合，擬合直線見圖2。異常工作、堿性電池正常工作、碳性電池正常工作時的擬合方程分別為：

y=-0.009x+6.130

(1)

y=-0.001x+6.060

(2)

y=-0.004x+6.116

(3)

式中y——電池電壓，V

x——電池使用時間，d

圖2 3臺燃氣表電池電壓隨時間的擬合直線

③ 確定斜率區間

在將170臺燃氣表編號，并利用最小二乘法得出擬合方程后提取方程的斜率。

在燃氣表的生命周期內，計算各燃氣表的斜率，各燃氣表電壓變化的斜率分布見圖3。

圖3 各燃氣表電壓變化的斜率分布

由圖3可以看出，不同情況的燃氣表，其電池電壓隨時間變化曲線的斜率分布在3個區間，每個區間都有一個確定的斜率范圍，因此可以通過判斷燃氣表電池電壓變化斜率的所屬范圍來判斷燃氣表狀態。

將170臺燃氣表電池電壓變化斜率進行統計，發現70臺處于大功耗異常工作狀態的燃氣表電壓變化斜率均小于等于-0.008，60臺正常工作并使用堿性電池的電壓變化斜率均大于等于-0.002，40臺正常工作并使用碳性電池的電壓變化斜率均處于-0.008～-0.002范圍。因此，可以據此判斷電池的類型及電池是否正常工作。

3 耗電模型在實際中的應用

將上文分析的斜率范圍應用到物聯網[3]的后臺中，可以判斷燃氣表電池的類型及電池是否正常工作。耗電模型判斷流程見圖4。

圖4 耗電模型判斷流程

燃氣表使用4個電壓為1.5 V的電池串聯為燃氣表供電，由于每個新電池的電壓均高于1.5 V，因此設定首次上傳時燃氣表電壓應大于等于6.3 V，同時為了保證燃氣表在低電量時仍然能正常工作，設置了燃氣表的最低電壓閾值為5.3 V，即保證電壓要大于5.3 V。從燃氣表首次上電開始，讀取第一次上電時電池電壓，判斷該電池電壓是否≥6.3 V，如不滿足該條件，則檢測下一次更換電池后上傳電壓。如果滿足電池電壓≥6.3 V，則每隔1 d記錄并上傳一次電池電壓，直至電池電壓≤5.3 V，數據采集終止。此時，說明燃氣表電池電壓已經跌至電壓閾值，利用最小二乘法擬合電壓變化方程，提取方程的斜率k。如果斜率k≤-0.008，則認為燃氣表電池處于大功耗工作狀態，應派維修人員上門維修燃氣表；斜率k≥-0.002，則認為燃氣表電池為正常工作的堿性電池，燃氣表用戶更換電池即可繼續使用；斜率k處于-0.008和-0.002之間，則認為燃氣表為正常工作的碳性電池，燃氣表用戶更換電池即可繼續使用。用戶更換電池后，后臺記錄一次更換電池的事件，并繼續按照圖4流程對燃氣表進行監測。

該流程可以判斷投入市場的燃氣表中，使用堿性電池和碳性電池的占比，同時可通過監測一段時間內用戶更換電池的次數，評估更換電池產生的費用，也能評估正常工作的燃氣表和非正常工作的燃氣表的占比，進而評估該批產品的質量。

4 結論

① 統計市場上170臺燃氣表電池的電壓隨時間的變化情況，建立燃氣表電池的耗電模型，選取3臺不同電池(正常工作的堿性電池、正常工作的碳性電池以及異常工作的電池)的燃氣表，利用最小二乘法擬合出3臺燃氣表電池電壓隨時間的變化的方程，提取方程斜率。

② 將170臺燃氣表進行分類并提取斜率進行分析。得出處于大功耗異常工作狀態的燃氣表電壓變化斜率均小于等于-0.008，正常工作并使用堿性電池的燃氣表電壓變化斜率均大于等于-0.002，正常工作并使用碳性電池的燃氣表電壓變化斜率均處于-0.008～-0.002范圍。

③ 根據斜率判斷標準，給出燃氣表耗電模型的判斷流程。應用此判斷流程，后臺管理系統能夠及時快速判斷出燃氣表當前的工作狀態，實時掌控燃氣表信息，統計公司產品質量，還能及時為客戶提供服務，提高公司的服務質量。