CN102435949B - 一种随钻测量系统中电池模块的监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种随钻测量系统中电池模块监控方法及装置，该方法包括：通过主电池参数检测电路和从电池组参数检测电路分别采集主、从电池组参数，所述主、从电池组参数包括：主、从电池组各自的输出电流和输出电压；所述数字信号控制器根据所述主、从电池组参数获得所述主、从电池组各自的剩余电量；所述数字信号控制器判断当前工作的主电池组的输出电压和剩余电量中的至少其一是否满足低于预设的电压阈值和电量阈值，如是，则接通切换开关，采用从电池组为随钻测量系统进行供电。该方法能够精确检测主、从电池组的剩余电量，当检测到主电池组剩余电量不足导致其输出电压低于设定阀值时，实现主、从电池组之间无缝切换供电。

Description

一种随钻测量系统中电池模块的监控方法及装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井领域，具体的讲是一种用于井下随钻测量系统电池模块的监控方法及装置。

背景技术

在石油、天然气钻井工程中，随钻测量(Measure With Drilling，MWD)是井眼轨迹监测与控制中的一项核心技术，而电源模块是MWD系统的基本组成单元之一。目前，随钻测量系统中供电电源为电池和涡轮发电机两种形式，由于受到井下高温高压、剧烈振动等恶劣工作条件的影响，导致钻进过程中井底定向传感器的动态测量精度大大降低，为了能得到更加准确的井底工程参数，通常是在泥浆泵停止状态下采用静态方式测量工程参数，而此时泥浆涡轮发电机将无法正常工作。

大容量锂电池电源一直以来是随钻测量仪器中应用最广泛的供电方式，然而随钻测量仪器中使用的大容量锂电池为一次性电池，其容量随着供电时间增加而逐渐减小的，一旦电池容量低于临界值，电池输出电压会快速下降，进而导致整个仪器不能正常工作，因此，随钻测量仪器每次下井作业的时间就取决于电池的容量大小。为了充分利用电池存储的有限电量，需要精确检测到电池的剩余电量，为下次作业配备所需的电池电量。

在美国专利公开说明书(No.7760106)中公开了一种电池组监控装置，其主要是监测串联电池组中各个电池的电压和温度参数，不具备数据通信功能，且监测的电池组并不适用于井下随钻测量系统。

在中国授权的发明专利(No.101364729)中，科比亚努等人公布了基于MEMS的电池监控系统，采用多个机械激励场效应管(MAFET)作为开关连接到电池，MAFET开关和晶体管相互以及与多个MAFET开关的打开状态或者闭合状态相关联地操作，以确定、监控和防止与电池相关的一个或多个危险状况。该发明提出的电池监控系统实际上是一个电池保护装置，且体积较大，不适合随钻测量系统。

中国发明专利(公开号：CN102033204A)中公开的一种电池电量检测系统及方法中，其通过与电池组相连的电压检测电路分别测量电池组中多个电池单元的开路电压，并由处理器从多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压，并根据最小开路电压与预设的查找表来判定电池组的电荷状态，于是电池组开路电压与电荷状态之间的关系会发生非线性变化。该方法的局限之处是电池余量的判定依据没有考虑到环境温度的变化，故不适合对井下电池的电量进行检测。

发明内容

本发明目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种适用于井下高温环境的随钻测量系统MWD中电池模块监控方法及装置，以提高电池电量检测精度并实现主从电池模块无缝切换。

一方面，本发明实施例提供了一种随钻测量系统中电池模块监控方法，所述方法的执行主体是电池模块监控装置，所述电池模块监控装置包括数字信号控制器、主电池参数检测电路、从电池组参数检测电路、切换开关和二极管，其中，所述数字信号控制器分别与主电池组、从电池组、所述主电池组参数检测电路、所述从电池组参数检测电路和所述切换开关连接，所述主电池组通过所述主电池参数检测电路并经由所述二极管连接到随钻测量系统，所述二极管的阴极与所述随钻测量系统连接，所述从电池组通过所述从电池组参数检测电路并经由所述切换开关连接到所述二极管的阴极；所述的方法包括：

通过所述主电池参数检测电路和所述从电池组参数检测电路分别采集主、从电池组参数，所述主、从电池组参数包括：主、从电池组各自的输出电流和输出电压；

所述数字信号控制器根据所述主、从电池组参数获得所述主、从电池组各自的剩余电量；

所述数字信号控制器判断当前工作的主电池组的输出电压和剩余电量中的至少其一是否满足低于预设的电压阈值和电量阈值，如是，则接通切换开关，采用从电池组为随钻测量系统进行供电。

另一方面，本发明实施例提供了一种随钻测量系统中电池模块监控装置，所述电池模块监控装置包括：

主电池组参数检测电路，用于对主电池组的输出电流和输出电压进行实时检测；所述主电池组参数检测电路通过一个二极管连接到随钻测量系统，所述二极管的阴极连接所述随钻测量系统；

从电池组参数检测电路，用于对从电池组的输出电流和输出电压进行实时检测；

切换开关，分别连接所述从电池组参数检测电路和所述二极管的阴极，用于根据切换信号而接通或断开；

数字信号控制器，分别与所述主电池组、所述从电池组、所述主电池组参数检测电路、所述从电池组参数检测电路和所述切换开关连接，用于根据所述主、从电池组参数获得所述主、从电池组各自的剩余电量，判断当前工作的主电池组的输出电压和剩余电量中的至少其一是否满足低于预设的电压阈值和电量阈值，如是，则输出切换信号至切换开关，接通所述切换开关以采用从电池组为所述随钻测量系统进行供电。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果在于，上述方法及装置能够精确检测主、从电池组的剩余电量，当检测到主电池组剩余电量不足导致其输出电压低于设定阀值时，实现主、从电池组之间无缝切换供电，为井下随钻测量仪器高温环境下供电提供了可靠保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的电池模块监控装置的原理框图；

图2为本发明实施例的电池模块监控装置的控制电路原理图；

图3为本发明实施例的电池模块监控装置的电流、电压检测电路原理图；

图4为本发明实施例的电池模块监控方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的一种随钻测量系统中电池模块监控装置的原理框图。如图1所示，本发明实施例提出的电池模块监控装置包括：

主电池组参数检测电路，用于对主电池组的输出电流和输出电压进行实时检测；上述主电池组参数检测电路通过一个二极管连接到随钻测量系统，上述二极管的阴极连接该随钻测量系统；

从电池组参数检测电路，用于对从电池组的输出电流和输出电压进行实时检测；

切换开关，分别连接上述从电池组参数检测电路和上述二极管的阴极，用于根据切换信号而接通或断开；

数字信号控制器DSC，分别与上述主电池组、上述从电池组、上述主电池组参数检测电路、上述从电池组参数检测电路和上述切换开关连接，用于根据上述主、从电池组参数获得上述主、从电池组各自的剩余电量，判断当前工作的主电池组的输出电压和剩余电量中的至少其一是否满足低于预设的电压阈值和电量阈值，如是，则输出切换信号至切换开关，接通上述切换开关以采用从电池组为上述随钻测量系统进行供电。

在本实施例中，该电池模块监控装置是以数字信号控制器DSC作为系统主控器件，并且采用两套检测电路分别对主、从电池组的输出电流、输出电压进行实时检测。具体地，对于上述主、从电池组的输出电流采用高端电流检测器对电流进行精确检测，对于上述主、从电池组的输出电压则采用温度稳定性好的高精度采样电阻分压后得到。在上述主、从电池组参数检测电路与数字信号控制器之间可以进一步增加设置信号调理电路，该信号调理电路采用轨至轨运放实现，用于对测量到的电池组电流信号和电压信号进行滤波降噪，并调理到数字信号控制器ADC所需的电压范围以便送到数字信号控制器进行采集；轨至轨运放的优点是调理后的模拟信号失真小。较佳地，可采用P、N型场效应管作为主、从电池组之间的切换开关，其栅极驱动信号由数字信号控制器输出端口直接控制。

在本实施例中，主电池组通过接主电池组参数检测电路，再接一个二极管到MWD，该二极管的作用是当切换到从电池组工作时阻断从电池组给主电池组反充电。从电池组通过接从电池组参数检测电路，再通过切换开关连接到MWD和二极管阴极。主电池组与从电池组具有共同的接地端。当切换到从电池组供电后，主电池组只给数字信号控制器DSC供电，而从电池组对随钻测量系统MWD供电。这是由于主电池组电量不足时导致其输出电压下降，切换后从电池组输出电压高于主电池组输出电压，二极管D1阻断主电池组输出从而切断主电池组为MWD供电。通过设置该二极管D1，既可以在切换为从电池组供电时，阻断主电池组为MWD供电，也可以防止从电池组对主电池组进行充电，防止了发生过充现象。此外，相比于采用场效应管等其它开关元件的方式而言，避免了增加额外的控制线路，同时也降低了场效应管发生误动作的概率，提高了装置的稳定性与可靠性。此外，采用该二极管可减少元器件体积与成本，降低电路复杂度。

本发明实施例提出的电池模块监控装置与MWD之间较佳地通过Q-Bus总线进行通信，其中Q-Bus总线接口电路(即图1中的通信总线接口电路)较佳地由三态总线缓冲器、双N型场效应管以及稳压二极管组成，该Q-Bus总线接口电路在完成通信功能的同时有效抑制了总线上异常电平带来的危害，从而保证了电池组监控系统中元器件的安全，提高了Q-Bus总线接口电路的抗干扰能力。此外，由于整个系统采用低功耗设计，将电池组输出电压通过输入电压范围宽的三端稳压器而得到系统+5V供电电源。

在另一实施例中，通信总线接口电路也不限于Q-Bus总线接口电路，还可以采用多路模拟开关分时切换控制通信。

本发明实施例的有益效果在于：通过提供一种随钻测量系统中电池模块的监控装置，克服了现有电池监测技术中的存在的问题，并可以将其广泛用于各种以电池供电的随钻测量仪器。本电池模块监控装置基于高端电流检测器测量电池组的工作电流，利用软件计算出电池组的剩余电量，为井下随钻测量仪器高温环境下供电提供了可靠保障。该装置的特点是电池模块电量检测精确、主从电池组之间切换可靠以及体积小。在本实施例中，所述的高端电流检测就是指电流采样电阻接在靠近电源端而不是接到GND，这样可以降低共模干扰。

下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例提出的电池模块监控装置包含的控制电路和检测电路分别进行进一步的描述。

图2为本发明实施例的电池模块监控装置的控制电路原理图。如图2所示，数字信号控制器U1为整个系统的主控器件，利用其自身12位模数转换模块，以扫描方式对主、从电池组的输出电流和输出电压(MV_bat_C、MV_bat_V、SV_bat_C、SV_bat_V)四路信号进行采集，判断当前工作的主电池组输出电压和剩余电量，一旦低于设定的阈值，U1则立刻发出切换控制信号SWITCH，将当前工作的主电池组切换到从电池组，继续给随钻测量系统进行供电。基于总线缓冲器U2和双N型场效应管T1设计的Q-Bus总线通信接口电路，实现电池模块监控装置与MWD之间数据通信，并采用稳压管Z1对总线电平进行限制，保护了总线上所挂器件的安全。连接器J1用于该电池模块监控装置与外部系统的电源和信号连接，而连接器J2则连接U1的编程调试接口。其中，总线缓冲器U2与双N型场效应管T1通过Q-BUS(S)连接。所述的Q-Bus总线接口电路中接有一个双N型场效应管T1，采用背靠背连接，有效抑制了总线上异常电平给系统带来的危害，提高了Q-Bus总线接口电路的抗干扰能力。

具体地，在该Q-Bus总线接口电路中，该总线缓冲器U2的第一输入端与上述数字信号控制器U1ATX连接，上述总线缓冲器U2的第二输入端与上述数字信号控制器U1ARX连接，该总线缓冲器U2的第一输出端和第二输入端经过一个电阻与连接至该随钻测量系统，该总线缓冲器U2的使能端由上述数字信号控制器进行控制，上述稳压二极管Z1阴极和上述双N型场效应管T1的第一漏极，上述稳压二极管Z1的阳极接地，上述双N型场效应管T1的第二漏极连接至该随钻测量系统。

图3为本发明实施例的电池模块监控装置的电流、电压检测电路原理图。如图3所示，主、从电池组的输出电压均为24VDC，本电池模块监控装置的输出为BAT_oUT+。其中U7为电源转换器，输出+5VDC为整个电路提供供电。主、从电池组的输出电流分别由高端电流检测器U4、U6对其进行检测，并将检测到的信号经过低通滤波后分别由调理电路U3A、U5A放大到0～4V作为模数转换的输入信号(MV_bat_C、SV_bat_C)。高端电流检测器U4、U6的特点是电流检测精度高、噪声抑制能力强、以及外围连接的元件数量少。通过温度稳定性高的精密电阻R7、R8和R9、R10分压，将其进行低通滤波后相应地获得主、从电池组的输出电压信号(MV_bat_V、SV_bat_V)，再分别经过U3B、U5B阻抗变换后接到模数转换的输入端。由精密电阻R5、R6分压后得到的信号直接驱动场效应管T1；SWTICH信号通过控制P、N型场效应管T2的栅极实现主、从电池组的在线切换。二极管D1作用是当从电池组工作时阻止给主电池组进行反充电。其中，采样电阻Rs1、Rs2、R7～R10均为温度稳定性好、精度高的电阻。

本实施例的电池模块监控装置与MWD之间通过Q-Bus总线进行通信，Q-Bus是一种MWD内部专用的单总线通信形式，以地作为参考信号，采用单一电缆实现MWD主控与多从机的半双工通信。作为从机，Q-Bus平时处于接收(或监听)总线状态，只有在在接收到与本机相关的指令并且需要返回数据时，才允许发送数据。发送完成后，应立即返回接收状态。

Q-Bus为TTL电平且为反逻辑(闲置时为低电平、有效时为高电平)，其通信速率为9600bps，采用1位起始位+9位数据位+1位停止位的通信格式。实际数据为8位，第9为标志位(MWD发送命令的第1字节时，第9位＝1，而其它命令或数据字节均＝0)。

MWD与电池模块监控装置之间具体的通信协议如下：

1、MWD发送请求电池模块数据命令，参见表1；

表1

2、电池模块回送MWD发送请求数据命令，参见表2。

表2

图4为本发明实施例的电池模块监控方法的流程图。如图4所示，本发明实施例提出的电池模块监控方法的执行主体是图1-图3示出的电池模块监控装置，该电池模块监控装置包括数字信号控制器、主电池参数检测电路、从电池组参数检测电路、切换开关和二极管，其中，上述数字信号控制器分别与主电池组、从电池组、上述主电池组参数检测电路、上述从电池组参数检测电路和上述切换开关连接，上述主电池组通过上述主电池参数检测电路并经由上述二极管连接到随钻测量系统，该二极管的阴极与该随钻测量系统连接，上述从电池组通过从电池组参数检测电路并经由该切换开关连接到该二极管的阴极；该方法具体包括以下步骤：

步骤1、电池监控装置上电后，读取上次保存在EEROM中的主、从电池组各自当前的剩余电量或已消耗的电量，并对系统进行初始化，该步骤为可选步骤。

由于主、从电池可能工作较长间，且随钻测量系统与可能断断续续的工作，为避免电池监控装置每次重新启动上电后都要耗时检测主、从电池组的剩余电量，可将上次停止运行前检测到的主、从电池组的包含剩余电量或已消耗电量在内的参数保存于存储器中，便于快速调取，节省额外不必要的检测操作。

步骤2、通过所述主电池参数检测电路和所述从电池组参数检测电路分别采集主、从电池组参数，所述主、从电池组参数包括：主、从电池组各自的输出电流和输出电压。

所述主电池参数检测电路包括：第一高端电流检测器和第一电压检测器；所述从电池组参数检测电路包括：第二高端电流检测器和第二电压检测器。具体地，通过第一高端电流检测器、第一电压检测器分别测量主电池组的输出电流和输出电压；通过第二高端电流检测器、第二电压检测器分别测量从电池组的输出电流和输出电压；以及利用数字信号控制器包含的模数转换器，例如数字信号控制器片上12位ADC，对主、从电池组参数进行模数转换，获得数字量的主、从电池组参数。在本实施例中，所述的高端电流检测就是指电流采样电阻接在靠近电源端而不是接到GND，这样可以降低共模干扰。

步骤3-4、所述数字信号控制器根据所述主、从电池组参数获得所述主、从电池组各自的剩余电量，并保存电池组剩余电量。

具体地，先将电池组输出电流值根据其工作时间t进行累计，再换算成实际耗电量U，即

额定容量减去实际耗电量得到电池组余量，并将电池组余量保存到EEROM中；主、从电池组都按上述方式计算；

步骤5-6、所述数字信号控制器判断当前工作的主电池组的输出电压和剩余电量中的至少其一是否满足低于预设的电压阈值和电量阈值，如是，则打开切换开关，采用从电池组为随钻测量系统进行供电。

具体地，判断当前工作的主电池组输出电压和剩余电量，一旦低于设定的阈值，例如输出电压低于23V，剩余电量小于1AH时，电池监控系统将接通切换开关，采用从电池组进行供电。

可选地，上述方法在步骤4之后可进一步包括如下步骤：若收到MWD读取参数命令，则电池监控装置通过Q-Bus总线发送电池组参数给MWD。

可选地，上述方法还可以包括：如果主电池组的输出电压和剩余电量均分别高于预设的电压阈值和电量阈值，则断开切换开关，切换到主电池组为所述随钻测量系统进行供电。在本实施例中，切换是双向的，作为另一种情况，只要满足输出电压高于23V，剩余电量大于1AH，则切换到采用主电池组供电。

本发明提出的电池模块监控方法及装置专门针对井下高温环境，采用低功耗设计，整个电池模块监控系统耗电小于10mA；该装置能够精确检测主、从电池组的剩余电量，当检测到主电池组剩余电量不足导致其输出电压低于设定阀值时，实现主、从电池组之间无缝切换供电；以及与MWD之间可靠稳定地进行双向数据通信；此外，通过优化电路印制板，使整个电池模块监控装置的体积较小，实际尺寸仅为50mm×29mm×15mm。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种随钻测量系统中电池模块监控装置，其特征在于，所述电池模块监控装置包括：

主电池组参数检测电路，用于对主电池组的输出电流和输出电压进行实时检测；所述主电池组参数检测电路通过一个二极管连接到随钻测量系统，所述二极管的阴极连接所述随钻测量系统；

从电池组参数检测电路，用于对从电池组的输出电流和输出电压进行实时检测；

切换开关，分别连接所述从电池组参数检测电路和所述二极管的阴极，用于根据切换信号而接通或断开；

数字信号控制器，分别与所述主电池组、所述从电池组、所述主电池组参数检测电路、所述从电池组参数检测电路和所述切换开关连接，用于根据所述主、从电池组参数获得所述主、从电池组各自的剩余电量，判断当前工作的主电池组的输出电压是否满足低于预设的电压阈值，和/或判断当前工作的主电池组的剩余电量是否满足低于预设的电量阈值，如是，则输出切换信号至切换开关，接通所述切换开关以采用从电池组为所述随钻测量系统进行供电；

Q-Bus总线接口，其包括：总线缓冲器U2、双N型场效应管T1以及稳压二极管Z1，其中所述总线缓冲器U2的第一输入端与所述数字信号控制器的U1ATX端口连接，所述总线缓冲器U2的第二输出端与所述数字信号控制器的U1ARX端口连接，所述总线缓冲器U2的第一输出端和第二输入端经过一个电阻连接至所述随钻测量系统，所述总线缓冲器U2的使能端由所述数字信号控制器进行控制，所述稳压二极管Z1阴极和所述双N型场效应管T1的第一漏极相连，所述稳压二极管Z1的阳极接地，所述双N型场效应管T1的第二漏极连接至所述随钻测量系统。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一信号调理电路，连接于所述主电池组参数检测电路与所述数字信号控制器之间，用于对测量到的主电池组的电流信号和电压信号进行滤波降噪，并调理到数字信号控制器包含的模拟数字转换器所需的电压范围；

第二信号调理电路，连接于所述从电池组参数检测电路与所述数字信号控制器之间，用于对测量到的从电池组的电流信号和电压信号进行滤波降噪，并调理到数字信号控制器包含的模拟数字转换器所需的电压范围。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主电池组参数检测电路或者所述从电池组参数检测电路包括：高端电流检测器和电压检测器，所述电压检测器包括至少两个采样电阻。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切换开关为场效应管，其栅极连接到所述数字信号控制器，用于接收所述切换信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字信号控制器，还用于如果主电池组的输出电压和剩余电量均分别高于预设的电压阈值和电量阈值，则断开切换开关，切换到采用主电池组为所述随钻测量系统进行供电。

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