CN105140980A - 水下监测平台多电池组轮换供电系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下监测平台多电池组轮换供电系统及其方法，属于海洋技术领域，提供了一种能实现水下电能的持续高效输出，从而延长了海底监测平台的工作时间。本发明包括主控模块、电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块和续航时间分析模块组成，主控模块分别与电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块、续航时间分析模块连接。本发明可广泛应用于各类水下监测平台。

Description

水下监测平台多电池组轮换供电系统及其方法

技术领域

本发明涉及海洋环境监测技术,尤其涉及海洋环境监测平台的电源管理技术，属于海洋技术领域，具体的说是一种水下监测平台多电池组轮换供电系统及其方法。

背景技术

在海洋环境问题日益严峻的今天，长期实时地立体化监测、观测海洋，获取各种海洋环境参数，从而更深入地研究和保护海洋环境与资源，已刻不容缓。国内涉海科研院所出于各种不同的研究目标与研究方法，自行设计研制了各类独立运行的海底监测平台，但所有缺乏岸基供电的海底监测平台存在共同的技术难点，就是电能问题，尤其是电池的供电效率与管理模式问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现水下电能的持续高效输出，从而延长海底监测平台的工作时间的水下监测平台多电池组轮换供电系统及其方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下监测平台多电池组轮换供电系统，包括主控模块、电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块和续航时间分析模块组成，主控模块分别与电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块、续航时间分析模块连接。

所述主控模块包括电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块和续航时间分析模块的主控芯片STM32F107VCT6，主控模块整体控制四个模块的状态。

电池组状态采集模块包括电池组功率监测电路和负载功率监测电路，其主控芯片为STM32F107VCT6，其ADC端口负责收集每个电池组使用状态信息。

电池组功率监测电路中，主控芯片STM32F107VCT6的ADC端口采集电池组的电压值，IC1采用高位监测法监测电池组的输出电流。

负载功率监测电路中，主控芯片STM32F107VCT6的ADC端口采集负载工作电压，IC2监测负载电流。

续航时间分析模块由电池组状态采集模块、存储芯片即EEPROM芯片、RTC组成，EEPROM芯片中保存电池组唯一的ID值、开始使用时间节点、结束使用时间节点以及使用时长计数器，通过电池组状态采集模块，获取负载电量使用信息，结合存储芯片中存储数据计算使用时长，得到电池组续航时间。

电池组智能切换模块包括主控芯片STM32F107VCT6，采用优先级智能判别算法，控制每个mos管驱动电路的通断来实现电池组的自动切换。

平台状态监控模块采用包括GSM模块，与监控客户端连接，包括手机客户端或者电脑客户端连接。

一种水下监测平台多电池组轮换供电的方法：

电池组任何时刻都处于就绪状态、废弃状态、工作状态、未决状态、亚枯竭状态中的一种，通过在状态之间切换，来安全高效的使用电池组：

系统启动时，所有的电池组都处于就绪状态，按照优先级顺序，电池组状态采集部分依次获取每路电池组的用量信息，包括电压值和负载上的电流参数，然后判断电压值是否低于最低工作电压区间的下限值，若低于下限值，则该组电池判定为枯竭的，不能为负载供电，将其判定为废弃状态；

在系统运行期间，电池组状态采集模块不再采集该电池组信息。若电压值大于工作区间的下限值，则继续判断电压值是否低于最低工作电压区间的上限值，若大于最低工作电压区间的上限值，该组电池组有充足的电量，判定为供电状态；反之，电池组进入未决状态，出现以下两种情况：

一：系统开始启动时，电池组电压值出现瞬间的跳变，跳过废弃状态判定，伪装成未决状态；二：电池组电量不足，即将进入废弃状态；

该方法维持一个状态计数器，未决状态下，若电压值低于最低工作电压区间的上限值，计数器加1；若电压值低于最低工作电压区间的下限值，计数器加5；否则计数器清0，当计数器小于20时，则为情况一：电池组电压值出现瞬间跳变，若计数值大于20，则发生情况二：电池组电量不足，进入废弃状态，此时直接将电池组判定为废弃状态；

当电池组处于供电状态时，每次需判断已使用电量是否到达电池总量的80％时，判定电池组状态为亚状态，继续供电，在亚状态下，主控模块调用平台状态监控模块，发送电池组亚枯竭状态给监控客户端。

电池状态分为以下几种：

电池就绪状态：系统开机时，电池组状态采集模块还未获取电池组信息，将所有电池组判定为就绪状态，当电池组电压值低于最低工作电压区间的下限值时，从就绪状态迁徙到废弃状态；当电池组电压值低于最低工作电压区间的上限值时，切换到未决状态；当电池组电压值大于最低工作电压区间的上限值时，切换到工作状态；

废弃状态：电池组状态采集模块获取电池组信息，电池组不能为负载供电时，判定电池组为废弃状态，只在在关机状态下，更换电池之后，电池组从废弃状态切换到就绪状态；

未决状态：电池组电压处于供电电压下限与上限电压区间内，无法判断是由于电池组电压值出现瞬间的跳变，跳过废弃状态判定，伪装成未决状态；或是电池组电量不足，即将进入废弃状态，方法维持一个计数器来识别电池组确切的状态，未决状态下，若电压值低于最低工作电压区间的上限值，计数器加1；若电压值低于最低工作电压区间的下限值，计数器加5；否则计数器清0，当计数器小于20时，电池组切换到工作状态，否则进入废弃状态，否则进入废弃状态，电池组处于未决状态时，系统中采集的数据无效；

工作状态：电池组有充足的电量为负载供电，当电池组电压值低于最低工作区间的上限值时，从工作状态切换至未决状态；电池组状态采集模块结合电池组续航时间计算模块判断电池组已使用80％的电量时，从工作状态切换至亚枯竭状态，电池组处于供电状态时，系统中传感器采集的数据有效；关机时，从工作状态切换至就绪状态；

亚枯竭状态：电池组状态采集模块结合电池组续航时间计算模块判断电池组已使用80％的电量，此时平台状态监控模块通过GSM模块发送预警信息给监控客户端，提示工程人员及时更换该电池组，该状态下，各路传感器采集的数据有效。

与以往技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)任意时刻，每组电池组只能且必须处于就绪状态、废弃状态、工作状态、未决状态、亚枯竭状态中的一种。方法实现将电池组锁定在上述状态之中，只有在亚枯竭状态和工作状态下，系统中传感器采集的数据有效，方法具有稳定性、可靠性。

(2)当电池组从工作状态切换到亚枯竭状态时，方法通过平台状态监控模块，发送电池组亚枯竭状态给手机，因此工程人员能更清晰的了解水下供电设备的运行状况，因此该方法具有透明，安全性。

(3)各个模块配合工作，确保该方法能高效的、安全的管理电池组集合。

附图说明：

图1为本发明整体结构示意框图；

图2为本发明电池组功率监测电路图；

图3为本发明负载功率监测电路图；

图4为本发明电池组状态切换方法流程图；

图5为本发明电池组状态迁徙图；

图6为本发明电池组间切换流程图；

图7为本发明电池组使用时间记录过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，包括主控模块、电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块和续航时间分析模块组成，主控模块分别与电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块、续航时间分析模块连接。

电池组状态采集部分由电池组功率监测电路和负载功率监测电路组成。电池组功率监测电路如图2所示，STM32F107VCT6的12位ADC采集电池组的电压值，IC1采用高位检测法监测电池组的输出电流。同理，在图3所示的负载功率监测电路中，STM32F107VCT6的12位ADC采集负载工作电压，IC2检测负载电流。

电池组续航时间计算由电池组状态采集模块、外部存储芯片、RTC组合实现。如图7所示，系统在EEPROM芯片中保存电池组唯一的ID值、开始使用时间节点Tn-1、结束使用时间节点Tn、使用时长计数器Ln。在EEPROM芯片中，使用时长Ln-1＝Tn–Tn-1,总使用时长Sum＝L1+L2+…+Ln-1。

通过电池组状态采集模块，获取负载电量使用信息：负载每小时所需电流(单位：安时)，记为AH1；根据电池组的容量参数(AH)，所以理论上，电池续航时间Tall＝(AH)/(AH1)。需要预估续航时间时，从EEPROM中获取电池组总使用时长Sum。因此电池组续航时间:T＝Tall–Sum。

电池组智能切换功能模块硬件上由主控芯片STM32F107VCT6实现，以优先级智能判别算法，控制8个mos管驱动电路的通断来实现电池组的自动切换。原理上，电池组任何时刻都处于就绪状态、废弃状态、工作状态、未决状态、亚枯竭状态中的一种。通过在状态之间切换，来安全高效的使用电池组。电池组的状态切换流程图如附图4所示：系统启动时，所有的电池组都处于就绪状态，按照优先级顺序，电池组状态采集部分依次获取每路电池组的用量信息，包括电压值和负载上的电流参数，然后判断电压值是否低于最低工作电压区间的下限值，若低于下限值，则该组电池判定为枯竭的，不能为负载供电，将其判定为废弃状态。在系统运行期间，电池组状态采集模块不再采集该电池组信息。若电压值大于工作区间的下限值，则继续判断电压值是否低于最低工作电压区间的上限值，若大于最低工作电压区间的上限值，该组电池组有充足的电量，判定为供电状态。反之，电池组进入未决状态，出现以下两种情况：一：系统开始启动时，电池组电压值出现瞬间的跳变，跳过废弃状态判定，伪装成未决状态。二：电池组电量不足，即将进入废弃状态。因此该方法维持一个状态计数器。未决状态下，若电压值低于最低工作电压区间的上限值，计数器加1；若电压值低于最低工作电压区间的下限值，计数器加5；否则计数器清0。当计数器小于20时，则为情况一：电池组电压值出现瞬间跳变。若计数值大于20，则发生情况二：电池组电量不足，进入废弃状态，此时直接将电池组判定为废弃状态。当电池组处于供电状态时，每次需判断已使用电量是否到达电池总量的80％时，判定电池组状态为亚状态，继续供电。在亚状态下，主控模块调用平台状态监控模块，发送电池组亚枯竭状态给手机。

电池组状态迁徙图如附图5所示。

就绪状态：系统开机时，电池组状态采集模块还未获取电池组信息，将所有电池组判定为就绪状态。当电池组电压值低于最低工作电压区间的下限值时，从就绪状态迁徙到废弃状态；当电池组电压值低于最低工作电压区间的上限值时，切换到未决状态；当电池组电压值大于最低工作电压区间的上限值时，切换到工作状态。

废弃状态：电池组状态采集模块获取电池组信息，电池组不能为负载供电时，判定电池组为废弃状态。只在在关机状态下，更换电池之后，电池组从废弃状态切换到就绪状态。

未决状态：电池组电压处于供电电压下限与上限电压区间内，无法判断是由于电池组电压值出现瞬间的跳变，跳过废弃状态判定，伪装成未决状态；或是电池组电量不足，即将进入废弃状态。方法维持一个计数器来识别电池组确切的状态。未决状态下，若电压值低于最低工作电压区间的上限值，计数器加1；若电压值低于最低工作电压区间的下限值，计数器加5；否则计数器清0。当计数器小于20时，电池组切换到工作状态，否则进入废弃状态。否则进入废弃状态。电池组处于未决状态时，系统中各路传感器采集的数据无效。

工作状态：电池组有充足的电量为负载供电。当电池组电压值低于最低工作区间的上限值时，从工作状态切换至未决状态；电池组状态采集模块结合电池组续航时间计算模块判断电池组已使用80％的电量时，从工作状态切换至亚枯竭状态。电池组处于供电状态时，系统中传感器采集的数据有效；关机时，从工作状态切换至就绪状态。

亚枯竭状态：电池组状态采集模块结合电池组续航时间计算模块判断电池组已使用80％的电量，此时平台状态监控模块通过GSM模块发送预警信息给手机，提示工程人员及时更换该电池组。该状态下，各路传感器采集的数据有效。

当某电池组处于废弃状态时，方法实现电池组间切换的流程图如附图6所示：方法判断是否还有可用的电池组，若无剩余电池组，则关闭各路负载，关闭各传感器，只给STM32F107VCT6主控系统供电；若还有剩余可用电池组，则根据ID号，找出优先级别最高的空闲电池组，替换这组电量不足的电池组。然后平台监控模块通过GSM模块发送电池组间切换信息至手机。

平台状态监控部分主要采用GSM模块实现。当电池组从工作状态切换至亚枯竭状态时，该模块发送预警信息给手机，提示工程人员及时更换该电池组。该模块还定时发送电池组供电信息至手机。如在指定的时间段内未收到监控信息，则有可能发生了：监测设备被盗、设备出现故障的情况。此时，则需释放监测平台并回收设备。因此平台状态监控模块为海底监测平台的多电池组轮换供电方法提供了安全保障。

以上实施例仅用于说明本发明实施例的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照上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记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行替换；而这些修改或者替换，并不使技术方案的本身脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水下监测平台多电池组轮换供电系统，其特征在于：包括主控模块、电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块和续航时间分析模块组成，主控模块分别与电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块、续航时间分析模块连接。

2.根据权利要求1所述的水下监测平台多电池组轮换供电系统，其特征在于：所述主控模块包括电池组状态采集模块、平台状态监控模块、电池组智能切换模块和续航时间分析模块的主控芯片STM32F107VCT6，主控模块整体控制四个模块的状态。

3.根据权利要求2所述的水下监测平台多电池组轮换供电系统，其特征在于：电池组状态采集模块包括电池组功率监测电路和负载功率监测电路，其主控芯片为STM32F107VCT6，其ADC端口负责收集每个电池组使用状态信息。

4.根据权利要求3所述的水下监测平台多电池组轮换供电系统，其特征在于：电池组功率监测电路中，主控芯片STM32F107VCT6的ADC端口采集电池组的电压值，IC1采用高位监测法监测电池组的输出电流。

5.根据权利要求3所述的水下监测平台多电池组轮换供电系统，其特征在于：负载功率监测电路中，主控芯片STM32F107VCT6的ADC端口采集负载工作电压，IC2监测负载电流。

6.根据权利要求2所述的水下监测平台多电池组轮换供电系统，其特征在于：续航时间分析模块由电池组状态采集模块、存储芯片即EEPROM芯片、RTC组成，EEPROM芯片中保存电池组唯一的ID值、开始使用时间节点、结束使用时间节点以及使用时长计数器，通过电池组状态采集模块，获取负载电量使用信息，结合存储芯片中存储数据计算使用时长，得到电池组续航时间。

7.根据权利要求2所述的水下监测平台多电池组轮换供电系统，其特征在于：电池组智能切换模块包括主控芯片STM32F107VCT6，采用优先级智能判别算法，控制每个mos管驱动电路的通断来实现电池组的自动切换。

8.根据权利要求2所述的水下监测平台多电池组轮换供电系统，其特征在于：平台状态监控模块采用包括GSM模块，与监控客户端连接，包括手机客户端或者电脑客户端连接。

9.一种采用上述任一权利要求的水下监测平台多电池组轮换供电的方法，其特征在于：

电池组任何时刻都处于就绪状态、废弃状态、工作状态、未决状态、亚枯竭状态中的一种，通过在状态之间切换，来安全高效的使用电池组：

系统启动时，

所有的电池组都处于就绪状态，按照优先级顺序，电池组状态采集部分依次获取每路电池组的用量信息，包括电压值和负载上的电流参数，然后判断电压值是否低于最低工作电压区间的下限值，若低于下限值，则该组电池判定为枯竭的，不能为负载供电，将其判定为废弃状态；

在系统运行期间，

电池组状态采集模块不再采集该电池组信息，若电压值大于工作区间的下限值，则继续判断电压值是否低于最低工作电压区间的上限值，若大于最低工作电压区间的上限值，该组电池组有充足的电量，判定为供电状态；反之，电池组进入未决状态，出现以下两种情况：

一：系统开始启动时，电池组电压值出现瞬间的跳变，跳过废弃状态判定，伪装成未决状态；

二：电池组电量不足，即将进入废弃状态；

该方法维持一个状态计数器，未决状态下，若电压值低于最低工作电压区间的上限值，计数器加1；若电压值低于最低工作电压区间的下限值，计数器加5；否则计数器清0，当计数器小于20时，则为情况一：电池组电压值出现瞬间跳变，若计数值大于20，则发生情况二：电池组电量不足，进入废弃状态，此时直接将电池组判定为废弃状态；

当电池组处于供电状态时，每次需判断已使用电量是否到达电池总量的80％时，判定电池组状态为亚状态，继续供电，在亚状态下，主控模块调用平台状态监控模块，发送电池组亚枯竭状态给监控客户端。

10.根据权利要求9所述的水下监测平台多电池组轮换供电的方法，其特征在于：电池状态分为以下几种：

电池就绪状态：系统开机时，电池组状态采集模块还未获取电池组信息，将所有电池组判定为就绪状态，当电池组电压值低于最低工作电压区间的下限值时，从就绪状态迁徙到废弃状态；当电池组电压值低于最低工作电压区间的上限值时，切换到未决状态；当电池组电压值大于最低工作电压区间的上限值时，切换到工作状态；

废弃状态：电池组状态采集模块获取电池组信息，电池组不能为负载供电时，判定电池组为废弃状态，只在在关机状态下，更换电池之后，电池组从废弃状态切换到就绪状态；

未决状态：电池组电压处于供电电压下限与上限电压区间内，无法判断是由于电池组电压值出现瞬间的跳变，跳过废弃状态判定，伪装成未决状态；或是电池组电量不足，即将进入废弃状态，方法维持一个计数器来识别电池组确切的状态，未决状态下，若电压值低于最低工作电压区间的上限值，计数器加1；若电压值低于最低工作电压区间的下限值，计数器加5；否则计数器清0，当计数器小于20时，电池组切换到工作状态，否则进入废弃状态，否则进入废弃状态，电池组处于未决状态时，系统中采集的数据无效；

工作状态：电池组有充足的电量为负载供电，当电池组电压值低于最低工作区间的上限值时，从工作状态切换至未决状态；电池组状态采集模块结合电池组续航时间计算模块判断电池组已使用80％的电量时，从工作状态切换至亚枯竭状态，电池组处于供电状态时，系统中传感器采集的数据有效；关机时，从工作状态切换至就绪状态；

亚枯竭状态：电池组状态采集模块结合电池组续航时间计算模块判断电池组已使用80％的电量，此时平台状态监控模块通过GSM模块发送预警信息给监控客户端，提示工程人员及时更换该电池组，该状态下，各路传感器采集的数据有效。