燃气表电池耗电模型的应用

张晓丹, 吴燕娟, 林明星

(金卡智能集团股份有限公司，浙江杭州310018)

1 概述

随着市场需求的发展，要求燃气表不仅要有计量功能还要有显示、计价以及通信功能，从而使之更加智能化[1]，同时需要低功耗的设计，这就需要对燃气表的电池耗电情况进行分析和监控，及时提示用户更换电池或者告知后台系统电池的运行情况，及时通过电池的实时数据反映出燃气表是否处于正常的工作状态。由于目前还没有一个可靠的系统对燃气表电池的耗电情况进行大数据的收集和分析，因此笔者收集市场上燃气表电池的数据，并对该类数据进行分析，建立了典型电池的耗电模型，并将该耗电模型应用到燃气表的实际使用过程中，进而监测燃气表的工作状态。

2 耗电模型的建立

① 电池电压变化曲线

市场上常用的燃气表电池分为碳性电池和碱性电池。碱性电池的电量是碳性电池电量的4～7倍，因此放电情况与碳性电池有所不同。笔者随机抽取了市场上170台燃气表在2 a内使用情况，调取170台燃气表的电池电压随时间的变化数据，建立了碱性电池、碳性电池正常使用情况下的耗电模型和大功耗情况下(此时为异常工作的情况)的耗电模型。对市场上170台燃气表在2 a内采集到的电池电压数据进行分析，并从中挑出3台燃气表，该3台燃气表的电池情况分别为正常工作的碱性电池、正常工作的碳性电池以及异常工作的电池(该电池为碱性电池)，3台燃气表的电池电压随时间的变化曲线见图1。

图1 3台燃气表的电池电压随时间的变化曲线

由图1可以看出，燃气表正常工作时电池电压变化和大功耗时异常工作的电池电压曲线的变化趋势和斜率是不同的。正常工作时，碱性电池电压的变化曲线和碳性电池电压的变化曲线的趋势和斜率也是不同的。因此只要利用上述方法对170台燃气表电池电压的变化进行数据分析，总结出3种变化曲线的斜率范围，即可判断燃气表电池工作是否异常或者判断出燃气表使用的电池类型。

② 拟合方程

抽取的170台燃气表中，有100台燃气表处于正常工作状态，其中60台使用碱性电池，40台使用碳性电池，剩余70台燃气表处于大功耗工作状态。根据这些燃气表的电池电压变化情况，拟合出电压变化曲线的斜率。可用最小二乘法[2]对电压的变化进行多项式拟合，求出电压随时间变化的线性方程，总结出不同情况下电池电压变化的斜率范围，建立燃气表的耗电模型。

针对图1，本文用Matlab软件对选取的3台燃气表电池电压的数据进行拟合，拟合直线见图2。异常工作、碱性电池正常工作、碳性电池正常工作时的拟合方程分别为：

y=-0.009x+6.130

(1)

y=-0.001x+6.060

(2)

y=-0.004x+6.116

(3)

式中y——电池电压，V

x——电池使用时间，d

图2 3台燃气表电池电压随时间的拟合直线

③ 确定斜率区间

在将170台燃气表编号，并利用最小二乘法得出拟合方程后提取方程的斜率。

在燃气表的生命周期内，计算各燃气表的斜率，各燃气表电压变化的斜率分布见图3。

图3 各燃气表电压变化的斜率分布

由图3可以看出，不同情况的燃气表，其电池电压随时间变化曲线的斜率分布在3个区间，每个区间都有一个确定的斜率范围，因此可以通过判断燃气表电池电压变化斜率的所属范围来判断燃气表状态。

将170台燃气表电池电压变化斜率进行统计，发现70台处于大功耗异常工作状态的燃气表电压变化斜率均小于等于-0.008，60台正常工作并使用碱性电池的电压变化斜率均大于等于-0.002，40台正常工作并使用碳性电池的电压变化斜率均处于-0.008～-0.002范围。因此，可以据此判断电池的类型及电池是否正常工作。

3 耗电模型在实际中的应用

将上文分析的斜率范围应用到物联网[3]的后台中，可以判断燃气表电池的类型及电池是否正常工作。耗电模型判断流程见图4。

图4 耗电模型判断流程

燃气表使用4个电压为1.5 V的电池串联为燃气表供电，由于每个新电池的电压均高于1.5 V，因此设定首次上传时燃气表电压应大于等于6.3 V，同时为了保证燃气表在低电量时仍然能正常工作，设置了燃气表的最低电压阈值为5.3 V，即保证电压要大于5.3 V。从燃气表首次上电开始，读取第一次上电时电池电压，判断该电池电压是否≥6.3 V，如不满足该条件，则检测下一次更换电池后上传电压。如果满足电池电压≥6.3 V，则每隔1 d记录并上传一次电池电压，直至电池电压≤5.3 V，数据采集终止。此时，说明燃气表电池电压已经跌至电压阈值，利用最小二乘法拟合电压变化方程，提取方程的斜率k。如果斜率k≤-0.008，则认为燃气表电池处于大功耗工作状态，应派维修人员上门维修燃气表；斜率k≥-0.002，则认为燃气表电池为正常工作的碱性电池，燃气表用户更换电池即可继续使用；斜率k处于-0.008和-0.002之间，则认为燃气表为正常工作的碳性电池，燃气表用户更换电池即可继续使用。用户更换电池后，后台记录一次更换电池的事件，并继续按照图4流程对燃气表进行监测。

该流程可以判断投入市场的燃气表中，使用碱性电池和碳性电池的占比，同时可通过监测一段时间内用户更换电池的次数，评估更换电池产生的费用，也能评估正常工作的燃气表和非正常工作的燃气表的占比，进而评估该批产品的质量。

4 结论

① 统计市场上170台燃气表电池的电压随时间的变化情况，建立燃气表电池的耗电模型，选取3台不同电池(正常工作的碱性电池、正常工作的碳性电池以及异常工作的电池)的燃气表，利用最小二乘法拟合出3台燃气表电池电压随时间的变化的方程，提取方程斜率。

② 将170台燃气表进行分类并提取斜率进行分析。得出处于大功耗异常工作状态的燃气表电压变化斜率均小于等于-0.008，正常工作并使用碱性电池的燃气表电压变化斜率均大于等于-0.002，正常工作并使用碳性电池的燃气表电压变化斜率均处于-0.008～-0.002范围。

③ 根据斜率判断标准，给出燃气表耗电模型的判断流程。应用此判断流程，后台管理系统能够及时快速判断出燃气表当前的工作状态，实时掌控燃气表信息，统计公司产品质量，还能及时为客户提供服务，提高公司的服务质量。