水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)多電池組輪換供電系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，尤其涉及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)的電源管理技術(shù)，屬于海洋技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)多電池組輪換供電系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，長(zhǎng)期實(shí)時(shí)地立體化監(jiān)測(cè)、觀測(cè)海洋，獲取各種海洋環(huán)境參數(shù)，從而更深入地研究和保護(hù)海洋環(huán)境與資源，已刻不容緩。國(guó)內(nèi)涉海科研院所出于各種不同的研究目標(biāo)與研究方法，自行設(shè)計(jì)研制了各類(lèi)獨(dú)立運(yùn)行的海底監(jiān)測(cè)平臺(tái)，但所有缺乏岸基供電的海底監(jiān)測(cè)平臺(tái)存在共同的技術(shù)難點(diǎn)，就是電能問(wèn)題，尤其是電池的供電效率與管理模式問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)水下電能的持續(xù)高效輸出，從而延長(zhǎng)海底監(jiān)測(cè)平臺(tái)的工作時(shí)間的水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)多電池組輪換供電系統(tǒng)及其方法。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)多電池組輪換供電系統(tǒng)，包括主控模塊、電池組狀態(tài)采集模塊、平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊、電池組智能切換模塊和續(xù)航時(shí)間分析模塊組成，主控模塊分別與電池組狀態(tài)采集模塊、平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊、電池組智能切換模塊、續(xù)航時(shí)間分析模塊連接。
[0006]所述主控模塊包括電池組狀態(tài)采集模塊、平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊、電池組智能切換模塊和續(xù)航時(shí)間分析模塊的主控芯片STM32F107VCT6，主控模塊整體控制四個(gè)模塊的狀態(tài)。
[0007]電池組狀態(tài)采集模塊包括電池組功率監(jiān)測(cè)電路和負(fù)載功率監(jiān)測(cè)電路，其主控芯片為STM32F107VCT6，其ADC端口負(fù)責(zé)收集每個(gè)電池組使用狀態(tài)信息。
[0008]電池組功率監(jiān)測(cè)電路中，主控芯片STM32F107VCT6的ADC端口采集電池組的電壓值，ICi采用高位監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)電池組的輸出電流。
[0009]負(fù)載功率監(jiān)測(cè)電路中，主控芯片STM32F107VCT6的ADC端口采集負(fù)載工作電壓，IC2監(jiān)測(cè)負(fù)載電流。
[0010]續(xù)航時(shí)間分析模塊由電池組狀態(tài)采集模塊、存儲(chǔ)芯片即EEPROM芯片、RTC組成，EEPROM芯片中保存電池組唯一的ID值、開(kāi)始使用時(shí)間節(jié)點(diǎn)、結(jié)束使用時(shí)間節(jié)點(diǎn)以及使用時(shí)長(zhǎng)計(jì)數(shù)器，通過(guò)電池組狀態(tài)采集模塊，獲取負(fù)載電量使用信息，結(jié)合存儲(chǔ)芯片中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算使用時(shí)長(zhǎng)，得到電池組續(xù)航時(shí)間。
[0011]電池組智能切換模塊包括主控芯片STM32F107VCT6，采用優(yōu)先級(jí)智能判別算法，控制每個(gè)mos管驅(qū)動(dòng)電路的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組的自動(dòng)切換。
[0012]平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊采用包括GSM模塊，與監(jiān)控客戶端連接，包括手機(jī)客戶端或者電腦客戶端連接。
[0013]—種水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)多電池組輪換供電的方法:
[0014]電池組任何時(shí)刻都處于就緒狀態(tài)、廢棄狀態(tài)、工作狀態(tài)、未決狀態(tài)、亞枯竭狀態(tài)中的一種，通過(guò)在狀態(tài)之間切換，來(lái)安全高效的使用電池組:
[0015]系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有的電池組都處于就緒狀態(tài)，按照優(yōu)先級(jí)順序，電池組狀態(tài)采集部分依次獲取每路電池組的用量信息，包括電壓值和負(fù)載上的電流參數(shù)，然后判斷電壓值是否低于最低工作電壓區(qū)間的下限值，若低于下限值，則該組電池判定為枯竭的，不能為負(fù)載供電，將其判定為廢棄狀態(tài)；
[0016]在系統(tǒng)運(yùn)行期間，電池組狀態(tài)采集模塊不再采集該電池組信息。若電壓值大于工作區(qū)間的下限值，則繼續(xù)判斷電壓值是否低于最低工作電壓區(qū)間的上限值，若大于最低工作電壓區(qū)間的上限值，該組電池組有充足的電量，判定為供電狀態(tài)；反之，電池組進(jìn)入未決狀態(tài)，出現(xiàn)以下兩種情況:
[0017]一:系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，電池組電壓值出現(xiàn)瞬間的跳變，跳過(guò)廢棄狀態(tài)判定，偽裝成未決狀態(tài)；二:電池組電量不足，即將進(jìn)入廢棄狀態(tài)；
[0018]該方法維持一個(gè)狀態(tài)計(jì)數(shù)器，未決狀態(tài)下，若電壓值低于最低工作電壓區(qū)間的上限值，計(jì)數(shù)器加I ;若電壓值低于最低工作電壓區(qū)間的下限值，計(jì)數(shù)器加5 ;否則計(jì)數(shù)器清0，當(dāng)計(jì)數(shù)器小于20時(shí)，則為情況一:電池組電壓值出現(xiàn)瞬間跳變，若計(jì)數(shù)值大于20，則發(fā)生情況二:電池組電量不足，進(jìn)入廢棄狀態(tài)，此時(shí)直接將電池組判定為廢棄狀態(tài)；
[0019]當(dāng)電池組處于供電狀態(tài)時(shí)，每次需判斷已使用電量是否到達(dá)電池總量的80%時(shí)，判定電池組狀態(tài)為亞狀態(tài)，繼續(xù)供電，在亞狀態(tài)下，主控模塊調(diào)用平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊，發(fā)送電池組亞枯竭狀態(tài)給監(jiān)控客戶端。
[0020]電池狀態(tài)分為以下幾種:
[0021]電池就緒狀態(tài):系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)，電池組狀態(tài)采集模塊還未獲取電池組信息，將所有電池組判定為就緒狀態(tài)，當(dāng)電池組電壓值低于最低工作電壓區(qū)間的下限值時(shí)，從就緒狀態(tài)迀徙到廢棄狀態(tài)；當(dāng)電池組電壓值低于最低工作電壓區(qū)間的上限值時(shí)，切換到未決狀態(tài)；當(dāng)電池組電壓值大于最低工作電壓區(qū)間的上限值時(shí)，切換到工作狀態(tài)；
[0022]廢棄狀態(tài):電池組狀態(tài)采集模塊獲取電池組信息，電池組不能為負(fù)載供電時(shí)，判定電池組為廢棄狀態(tài)，只在在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，更換電池之后，電池組從廢棄狀態(tài)切換到就緒狀態(tài)；
[0023]未決狀態(tài):電池組電壓處于供電電壓下限與上限電壓區(qū)間內(nèi)，無(wú)法判斷是由于電池組電壓值出現(xiàn)瞬間的跳變，跳過(guò)廢棄狀態(tài)判定，偽裝成未決狀態(tài)；或是電池組電量不足，即將進(jìn)入廢棄狀態(tài)，方法維持一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)識(shí)別電池組確切的狀態(tài)，未決狀態(tài)下，若電壓值低于最低工作電壓區(qū)間的上限值，計(jì)數(shù)器加I ;若電壓值低于最低工作電壓區(qū)間的下限值，計(jì)數(shù)器加5 ;否則計(jì)數(shù)器清0，當(dāng)計(jì)數(shù)器小于20時(shí)，電池組切換到工作狀態(tài)，否則進(jìn)入廢棄狀態(tài)，否則進(jìn)入廢棄狀態(tài)，電池組處于未決狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)無(wú)效；
[0024]工作狀態(tài):電池組有充足的電量為負(fù)載供電，當(dāng)電池組電壓值低于最低工作區(qū)間的上限值時(shí)，從工作狀態(tài)切換至未決狀態(tài)；電池組狀態(tài)采集模塊結(jié)合電池組續(xù)航時(shí)間計(jì)算模塊判斷電池組已使用80%的電量時(shí)，從工作狀態(tài)切換至亞枯竭狀態(tài)，電池組處于供電狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中傳感器采集的數(shù)據(jù)有效；關(guān)機(jī)時(shí)，從工作狀態(tài)切換至就緒狀態(tài)；
[0025]亞枯竭狀態(tài):電池組狀態(tài)采集模塊結(jié)合電池組續(xù)航時(shí)間計(jì)算模塊判斷電池組已使用80 %的電量，此時(shí)平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊通過(guò)GSM模塊發(fā)送預(yù)警信息給監(jiān)控客戶端，提示工程人員及時(shí)更換該電池組，該狀態(tài)下，各路傳感器采集的數(shù)據(jù)有效。
[0026]與以往技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0027](I)任意時(shí)刻，每組電池組只能且必須處于就緒狀態(tài)、廢棄狀態(tài)、工作狀態(tài)、未決狀態(tài)、亞枯竭狀態(tài)中的一種。方法實(shí)現(xiàn)將電池組鎖定在上述狀態(tài)之中，只有在亞枯竭狀態(tài)和工作狀態(tài)下，系統(tǒng)中傳感器采集的數(shù)據(jù)有效，方法具有穩(wěn)定性、可靠性。
[0028](2)當(dāng)電池組從工作狀態(tài)切換到亞枯竭狀態(tài)時(shí)，方法通過(guò)平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊，發(fā)送電池組亞枯竭狀態(tài)給手機(jī)，因此工程人員能更清晰的了解水下供電設(shè)備的運(yùn)行狀況，因此該方法具有透明，安全性。
[0029](3)各個(gè)模塊配合工作，確保該方法能高效的、安全的管理電池組集合。
【附圖說(shuō)明】
:
[0030]圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0031]圖2為本發(fā)明電池組功率監(jiān)測(cè)電路圖；
[0032]圖3為本發(fā)明負(fù)載功率監(jiān)測(cè)電路圖；
[0033]圖4為本發(fā)明電池組狀態(tài)切換方法流程圖；
[0034]圖5為本發(fā)明電池組狀態(tài)迀徙圖；
[0035]圖6為本發(fā)明電池組間切換流程圖；
圖7為本發(fā)明電池組使用時(shí)間記錄過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0037]如圖1所示，包括主控模塊、電池組狀態(tài)采集模塊、平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊、電池組智能切換模塊和續(xù)航時(shí)間分析模塊組成，主控模塊分別與電池組狀態(tài)采集模塊、平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控模塊、電池組智能切換模塊、續(xù)航時(shí)間分析模塊連接。
[0038]電池組狀態(tài)采集部分由電池組功率監(jiān)測(cè)電路和負(fù)載功率監(jiān)測(cè)電路組成。電池組功率監(jiān)測(cè)電路如圖2所示，STM32F107VCT6的12位ADC采集電池組的電壓值，ICl采用高位檢測(cè)法監(jiān)測(cè)電池組的輸出電流。同理，在圖3所示的負(fù)載功率監(jiān)測(cè)電路中，STM32F107VCT6的12位ADC采集負(fù)載工作電壓，IC2檢測(cè)負(fù)載電流。
[0039]電池組續(xù)航時(shí)間計(jì)算由電池組狀態(tài)采集模塊、外部存儲(chǔ)芯片、RTC組合實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，系統(tǒng)在EEPROM芯片中保存電池組唯一的ID值、開(kāi)始使用時(shí)間節(jié)點(diǎn)Tn_l、結(jié)束使用時(shí)間節(jié)點(diǎn)Τη、使用時(shí)長(zhǎng)計(jì)數(shù)器Ln。在EEPROM芯片中，使用時(shí)長(zhǎng)Ln-1 = Tn - Tn-1,總使用時(shí)長(zhǎng) Sum = L1+L2+...+Ln-1。
[0040]通過(guò)電池組狀態(tài)采集模塊，獲取負(fù)載電量使用信息:負(fù)載每小時(shí)所需電流(單位:安時(shí))，記為AHl ;根據(jù)電池組的容量參數(shù)(AH)，所以理論上，電池續(xù)航時(shí)間Tall = (AH)/(AHl)。需要預(yù)估續(xù)航時(shí)間時(shí)，從EEPROM中獲取電池組總使用時(shí)長(zhǎng)Sum。因此電池組續(xù)航時(shí)間:T = Tall - Sum。
[0041 ]
[0042]電池組智能切換功能模塊硬件上由主控芯片STM32F107VCT6實(shí)現(xiàn)，以優(yōu)先級(jí)智能判別算法，控制8個(gè)mos管驅(qū)動(dòng)電路的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組的自動(dòng)切換。原理上，電池組任何時(shí)刻都處于就緒狀態(tài)、廢棄狀態(tài)、工作狀態(tài)、未決狀態(tài)、亞枯竭狀態(tài)中的一種。通過(guò)在狀態(tài)之間切換，來(lái)安全高效的使用電池組。電池組的狀態(tài)切換流程圖如附圖4所示:系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有的電池組都處于就緒狀態(tài)，按照優(yōu)先級(jí)順序，電池組狀態(tài)采集部分依次獲取每路電池組的用量信息，包括電壓值和負(fù)載上的電流參數(shù)，然后判斷電壓值是否低于最低工作電壓區(qū)間的下限值，若低于下限值，則該組電池判定為枯竭的，不能為負(fù)載供電，將其判定為廢棄狀態(tài)。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，電池組狀態(tài)采集模塊不再采集該電池組信息。若電壓值大于工作區(qū)間的下限值，則繼續(xù)判斷電壓值是否低于最低工作電壓區(qū)間的上限值，若大于最低工作電壓區(qū)間的上限值，該組電池組有充足的電量，判定為供電狀態(tài)。反之，電池組進(jìn)入未決狀態(tài)，出現(xiàn)以下兩種情況:一:系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，電池組電壓值出現(xiàn)瞬間的跳變，跳過(guò)廢棄狀態(tài)判定，偽裝成未決狀態(tài)。二:電池