本發(fā)明涉及船用電池管理技術(shù)，具體是一種船舶專用的四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著船舶智能化與大型化趨勢(shì)的加速推進(jìn)，大型船用電池管理系統(tǒng)所需管理的電池包的數(shù)量已經(jīng)上升至幾十、上百個(gè)甚至上千個(gè)。面對(duì)如此龐大的從機(jī)數(shù)量，若采用傳統(tǒng)單一主機(jī)進(jìn)行管理，將因無法有效處理大量從機(jī)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致通訊速度減緩。此外，在大數(shù)據(jù)量處理、高精度監(jiān)控、即時(shí)故障識(shí)別與響應(yīng)、以及系統(tǒng)靈活升級(jí)與擴(kuò)展等方面，單一主機(jī)架構(gòu)也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。顯然，傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)已難以滿足現(xiàn)代船舶對(duì)電池管理系統(tǒng)高效性、安全性和可靠性的迫切需求。中國(guó)實(shí)用新型專利公開號(hào)cn202023242602.8?發(fā)明名稱為“一種分布式拓?fù)浼軜?gòu)電池管理系統(tǒng)”的專利中，公開了一種分布式拓?fù)浼軜?gòu)電池管理系統(tǒng)，該主機(jī)與從機(jī)之間采用隔離式spi通信，從機(jī)不需要增加mcu及外圍電路，也不需要單獨(dú)開發(fā)從機(jī)的軟件，既節(jié)省了軟硬件開發(fā)的成本，又提高了系統(tǒng)配置的靈活性。該分布式拓?fù)浼軜?gòu)電池管理系統(tǒng)，在小型游船或竹筏等電池包數(shù)量較少的場(chǎng)景中尚能勝任，但面對(duì)大型船舶中成百上千的電池包時(shí)，其管理能力便顯得力不從心。這一局限性，隨著船舶行業(yè)的蓬勃發(fā)展及大型船舶數(shù)量的不斷增加，愈發(fā)凸顯。大型船舶在運(yùn)行過程中，常因無法實(shí)時(shí)精確計(jì)算電池剩余容量和監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)而頻繁出現(xiàn)故障。這不僅影響了船舶的安全運(yùn)行，也對(duì)電池管理系統(tǒng)的架構(gòu)提出了更為嚴(yán)苛的要求。因此，開發(fā)一種能夠高效管理大規(guī)模電池包、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)的新型架構(gòu)，對(duì)于推動(dòng)電動(dòng)船舶行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種船舶專用的四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)及控制方法。這種系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)電池包數(shù)量的大幅增加、能提升管理效率，確保大型船舶的電池系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，這種系統(tǒng)支持模塊化與靈活擴(kuò)展，以應(yīng)對(duì)船舶規(guī)?；c智能化水平的不斷提升。這種方法操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。

2、采用分布式控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升電池組可靠性、安全性和性能，延長(zhǎng)壽命，并便于智能化管理和靈活擴(kuò)展。

3、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

4、一種船舶專用的四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)，包括通過can通訊與外部設(shè)備連接的一級(jí)主機(jī)控制模塊和與一級(jí)主機(jī)控制模塊連接的二級(jí)主機(jī)控制模塊組，其中，每一個(gè)二級(jí)主機(jī)控制模塊連接一個(gè)電壓中轉(zhuǎn)模塊和一個(gè)溫度中轉(zhuǎn)模塊組，每一個(gè)電壓中轉(zhuǎn)模塊和溫度中轉(zhuǎn)模塊組設(shè)有對(duì)應(yīng)連接的電壓采集模塊和溫度采集模塊，同一個(gè)電壓中轉(zhuǎn)模塊和溫度中轉(zhuǎn)模塊組中的電壓采集模塊和溫度采集模塊均連接到對(duì)應(yīng)的同一組電池單元上，二級(jí)主機(jī)控制模塊不與一級(jí)主機(jī)控制模塊連接的部分稱為電池簇，所述外部設(shè)備為供電電源、充電設(shè)備、整船通訊單元、觸控屏單元、報(bào)警設(shè)備、電路監(jiān)控單元，采集模塊連接至每一個(gè)電池單元上，用于采集電池?cái)?shù)據(jù)；電壓中轉(zhuǎn)模塊與溫度中轉(zhuǎn)模塊連接采集模塊，存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)采集模塊采集的電池?cái)?shù)據(jù)；二級(jí)主機(jī)控制模塊連接在中轉(zhuǎn)模塊上，通過繼電器進(jìn)行控制電池的狀態(tài)，同時(shí)分擔(dān)can通訊的壓力，保證系統(tǒng)有序地穩(wěn)定進(jìn)行，二級(jí)主機(jī)控制模塊專門用于收集中轉(zhuǎn)模塊上傳的各種電池信息，計(jì)算電池組的剩余容量和健康狀態(tài)，采集的數(shù)據(jù)與閾值比較，對(duì)各種異常故障及時(shí)報(bào)警，如過充、過放保護(hù)和電池狀態(tài)異常等閾值，并上報(bào)給一級(jí)主機(jī)模塊；一級(jí)主機(jī)模塊一端連接外部設(shè)備，收集二級(jí)主機(jī)控制模塊上傳的各種電池信息，總體調(diào)配所有電池簇上下電，發(fā)送并機(jī)操作指令，及將所有系統(tǒng)信息通過通訊的方式上傳給外部設(shè)備，通過can通訊與外部設(shè)備交互，確保供電、充電、通訊、監(jiān)控的全面整合，其中電池簇上下電是指一級(jí)主機(jī)控制模塊放電低壓上電、一級(jí)主機(jī)控制模塊放電高壓上電、一級(jí)主機(jī)控制模塊放電低壓下電、一級(jí)主機(jī)控制模塊放電高壓下電、一級(jí)主機(jī)控制模塊沖電低壓上電、一級(jí)主機(jī)控制模塊充電高壓上電、一級(jí)主機(jī)控制模塊充電低壓下電、二級(jí)主機(jī)控制模塊低壓上下電、二級(jí)主機(jī)控制模塊充放電上下電、二級(jí)主機(jī)控制模塊充電控制、二級(jí)主機(jī)控制模塊放電控制。

5、其中，并機(jī)控制流程為：依次排序：對(duì)n個(gè)電池簇的電池電荷狀態(tài)(soc)進(jìn)行排序：1、2...i，i≥2，一級(jí)主機(jī)控制模塊判斷cc2的電壓值，?cc2是用于識(shí)別充電口與充電槍的連接狀態(tài)，若連接，則cc2的電壓值為6v，則為充電狀態(tài)，若未連接，cc2的電壓值在12v，則為放電狀態(tài)，放電狀態(tài)下取出soc最高的一組電池簇h，充電狀態(tài)下取出soc最低的一組電池簇l；放電狀態(tài)下：將h與i進(jìn)行比較，并且n≥2，如果(h-i)<(h*5%)，則i符合并機(jī)條件；充電狀態(tài)下：將l與i進(jìn)行比較，并且n≥2，如果(i-l)<(l*5%)，則i符合并機(jī)條件；一級(jí)主機(jī)控制模塊控制以上符合條件的電池簇進(jìn)行上電。

6、外部供電電源作為船舶核心動(dòng)力源，為全船系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)；充電設(shè)備用于調(diào)控電池組的充電流程，確保船舶高效與安全運(yùn)行；整船通訊單元用于實(shí)時(shí)信息接收，船舶間信息交流，確保航行過程中能夠及時(shí)做出正確的決策；觸控屏單元作為人機(jī)交互界面，直觀展示電池狀態(tài)與操作指令；報(bào)警設(shè)備則時(shí)刻警惕，一旦檢測(cè)到異常立即發(fā)出警示；電路監(jiān)控單元預(yù)防潛在故障，保障電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

7、所述一級(jí)主機(jī)控制模塊主控芯片采用stm32f4系列。?

8、所述二級(jí)主機(jī)控制模塊主控芯片采用stm32f4系列。?

9、所述溫度采集模塊主控芯片采用stm32f1系列?，用于采集溫度數(shù)值，通過can通訊上報(bào)至對(duì)應(yīng)的溫度中轉(zhuǎn)模塊。

10、所述電壓采集模塊主控芯片采用stm32f1系列?，用于采集電壓數(shù)值，通過can通訊上報(bào)至對(duì)應(yīng)的電壓中轉(zhuǎn)模塊。

11、所述電池單元中電池組的數(shù)量不少于2個(gè)。

12、一種船舶專用的四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)的控制方法，采用上述船舶專用的四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)，所述方法包括如下步驟：

13、1）系統(tǒng)上電：使用24v的穩(wěn)壓電源給四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)供電，使四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；

14、2）數(shù)據(jù)采集：電壓采集模塊依據(jù)內(nèi)置的專用集成芯片，所述的專用集成芯片為松下的an49503，通過芯片上的測(cè)量引腳與電池單元建立連接，an49503的高精度adc轉(zhuǎn)化器可以對(duì)電池單元進(jìn)行電壓以及溫度測(cè)量，測(cè)量結(jié)束之后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，得到對(duì)應(yīng)的電池電壓值和溫度值；?

15、3）數(shù)據(jù)上報(bào)至二級(jí)主機(jī)控制模塊：電壓采集模塊和溫度采集模塊通過can通訊，將采集到的電壓值和溫度值統(tǒng)一上報(bào)至對(duì)應(yīng)的電壓中轉(zhuǎn)模塊及溫度中轉(zhuǎn)模塊中，最后由這兩個(gè)中轉(zhuǎn)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至二級(jí)主機(jī)控制模塊；

16、4）電池簇自檢：二級(jí)主機(jī)控制模塊不僅要收集電池?cái)?shù)據(jù)，還對(duì)電池簇內(nèi)信息進(jìn)行采集，包括該電池簇的絕緣阻值、電流值、每簇電池外接的兩個(gè)控制繼電器的控制狀態(tài)及電流值，通過這兩個(gè)繼電器的狀態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)電池的充放電，二級(jí)主機(jī)控制模塊對(duì)各信息進(jìn)行分析：二級(jí)主機(jī)控制模塊若檢測(cè)到繼電器后端的電壓檢測(cè)模塊有電壓值，但控制器并沒有控制吸合繼電器，即為粘連異常；二級(jí)主機(jī)控制模塊若檢測(cè)到電池簇的絕緣阻值低于500ω/v時(shí)，即為絕緣異常；二級(jí)主機(jī)控制模塊若檢測(cè)到電池簇有電流值但控制器并沒有控制吸合繼電器，即為電流異常；

17、5）數(shù)據(jù)上報(bào)至一級(jí)主機(jī)控制模塊：二級(jí)主機(jī)控制模塊通過can通訊將所有數(shù)據(jù)上報(bào)至一級(jí)主機(jī)控制模塊；

18、6）并機(jī)控制：一級(jí)主機(jī)控制模塊通過對(duì)比n組電池簇的電池電荷狀態(tài)(soc)值，若滿足如下條件：

19、6-1）排序：對(duì)n個(gè)電池簇的soc進(jìn)行排序：1、2...i，i≥2，一級(jí)主機(jī)控制模塊判斷cc2的電壓值，?cc2是用于識(shí)別充電口與充電槍的連接狀態(tài)，若連接，則cc2的電壓值為6v，則為充電狀態(tài)，若未連接，cc2的電壓值在12v，則為放電狀態(tài)，放電狀態(tài)下取出soc最高的一組電池簇h，充電狀態(tài)下取出soc最低的一組電池簇l；

20、6-2)?比較：放電狀態(tài)下：將h與i進(jìn)行比較，并且n≥2，如果(h-i)<(h*5%)，則i符合并機(jī)條件；充電狀態(tài)下：將l與i進(jìn)行比較，并且n≥2，如果(i-l)<(l*5%)，則i符合并機(jī)條件；

21、6-3）并機(jī)操作：一級(jí)主機(jī)控制模塊控制以上符合條件的電池簇進(jìn)行上電；

22、7）系統(tǒng)放電：對(duì)已完成并機(jī)控制的電池簇進(jìn)行放電。

23、本技術(shù)方案專為船舶設(shè)計(jì)的新型四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)完美契合了船舶向智能化與大型化發(fā)展的趨勢(shì)，面對(duì)大型船舶中電池包數(shù)量的大幅增加，該系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越的管理能力，不僅能夠有效應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，還顯著提升了管理效率，確保了大型船舶電池系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行，尤為值得一提的是，該四級(jí)架構(gòu)電池管理系統(tǒng)支持模塊化設(shè)計(jì)與靈活擴(kuò)展，這一特性使其能夠輕松應(yīng)對(duì)船舶規(guī)?；c智能化水平的不斷提升，為船舶的未來發(fā)展預(yù)留了充足的空間，作為一種能夠高效管理大規(guī)模電池包、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)的創(chuàng)新型架構(gòu)，它的出現(xiàn)無疑為電動(dòng)船舶行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展注入了新的活力。本技術(shù)方案不僅解決了當(dāng)前大型船舶電池管理面臨的難題，更為行業(yè)的未來發(fā)展開辟了新的道路，具有重要的里程碑意義。

24、這種系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)電池包數(shù)量的大幅增加、能提升管理效率，確保大型船舶的電池系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，這種系統(tǒng)支持模塊化與靈活擴(kuò)展，以應(yīng)對(duì)船舶規(guī)?；c智能化水平的不斷提升。這種方法操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。