CN108008319A - 一种风电变桨系统的电池状态监测系统 - Google Patents

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夏桂森
梁媛媛
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聂钰珂
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熊伟
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Abstract

本发明公开了一种风电变桨系统的电池状态监测系统，包括上位机电池组，电池组均连接有对应的数据采集电路，各个数据采集电路分别通过各自的AD转换模块与上位机进行数据传输；所述上位机能够向各个AD转换模块的使能端发送片选信号，AD转换模块能够在接收片选信号后产生使能信号，从而将对应数据采集电路的采集到的数据发送给上位机；所述数据采集电路包括温度采集电路以及电压采样电路；电池组通过电源管理芯片向AD转换模块以及数据采集电路中的温度采集电路供电。本发明解决了现有技术中电池状态监测系统结构累赘复杂，成本高的技术问题，能够在保证正常检测电池状态的情况下，充分利用各个电子元件的功能，简化电路结构，降低成本。

Description

一种风电变桨系统的电池状态监测系统
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电机组中监测变桨系统的电池状态的监测系统。
背景技术
变桨系统是大型风力发电机组的重要组成部分，用于驱动变桨电机，根据风力发电机组主控系统指令实时调整风力发电机组叶片角度，在机组正常运行时调节风力风电机组接收的风功率，使风力发电机组处于最佳发电状态；在机组故障或电网掉电时，调整风力发电机组叶片角度到顺桨位置，使风力发电机组快速制动，确保风力发电机组安全。而在快速顺桨的过程中，由于电网已经掉电，此时顺桨过程由变桨系统中自身配备的电池来提供电能，使得叶片实现紧急顺桨，若此时电池电量不足，就会使得顺桨失败，极易导致严重事故发生，甚至导致风机倒塌。另外，风机的工作环境恶劣，昼夜温差大，而温度是影响电池是否能正常工作的重要因素。因此需要针对风机特殊工作环境的设计电池状态监测系统。虽然目前存在一些能够同时检测电池电量和电池温度的检测系统，但是由于电池数量较多，需要较多的检测元件，线路构造复杂，成本高昂，另外，还需额外电源对检测系统进行供电，使得电路结构更加累赘，成本进一步升高。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种风电变桨系统的电池状态监测系统，解决现有技术中电池状态监测系统结构累赘复杂，成本高的技术问题，能够在保证正常检测电池状态的情况下，充分利用各个电子元件的功能，简化电路结构，降低成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种风电变桨系统的电池状态监测系统，包括上位机与n个电池组，每个电池组由m个电池单元串联组成，每个电池单元由x个电池并联组成；每个电池组均连接有对应的数据采集电路，各个数据采集电路分别通过各自的AD转换模块与上位机进行数据传输；所述上位机能够向各个AD转换模块的使能端发送片选信号，AD转换模块能够在接收片选信号后产生使能信号，从而将对应数据采集电路的采集到的数据发送给上位机；所述数据采集电路包括温度采集电路以及电压采样电路；电池组通过电源管理芯片向AD转换模块以及数据采集电路中的温度采集电路供电；所述温度采集电路包括温度采集芯片，温度采集芯片的参考电压输出端与AD转换模块的参考电压输入端连接，温度采集芯片的温度信号输出端与AD转换模块的第一信号输入端连接，AD转换模块的第一信号输出端向上位机发送温度信号；所述电压采样电路包括分压电路，电池组通过分压电路降压后向AD转换模块的第二信号输入端输入采样电压，AD转换模块的第二信号输出端向上位机发送电压采样信号。
优选的，所述AD转换模块依次通过施密特触发器、光电隔离电路连接到上位机；所述电源管理芯片还分别给施密特触发器与光电隔离电路供电；AD转换模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与施密特触发器的信号输入端连接；AD转换模块的使能端与施密特触发器的信号输出端连接；所述光电隔离电路包括第一光电隔离器、第二光电隔离器与第三光电隔离器；施密特触发器分别通过第一光电隔离器、第二光电隔离器向上位机转发温度信号、电压采样信号；施密特触发器通过第三光电隔离器向AD转换模块转发上位机下发的片选信号。
优选的，每个电池组分别通过各自的调压电路进行过压保护；所述调压电路包括与电池组中各个电池单元一一对应的稳压芯片；所述稳压芯片的阳极输入端与电池的正极相连，稳压芯片的阴极输出端与电池的负极相连，从而使得稳压芯片与电池形成调压点，当电池正极输出电压超过稳压芯片的工作电压时，稳压芯片工作，使得调压点的电压下降，从而实现对电池组的过压保护。
优选的，所述上位机为DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器采用SPI通信总线与光电隔离电路进行双向通信。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、通过上位机发送片选信号实现对多个电池组的数据采集，实现了对数据传输总线的分时复用，避免采用过多的数据线，同时避免了多路数据传输造成的数据冲突，提高了数据传输的流畅性。
2、温度采集与电压采集共用同一AD转换模块，简化了电路结构，降低了成本。电压采集通过分压电路对电池组的电压降压后作为采样电压，避免电池组的高电压直接输入给AD转换模块，分压电路不仅起到采集电压的作用，同时起到保护AD转换模块的作用。
3、电源管理芯片将电池组输出电压降压后，稳定输出给AD转换模块、温度采集芯片、光电隔离器以及施密特触发器，从而不必再增加额外电源对上述元件进行供电，简化了电路结构，降低了成本，并且电源管理芯片能输出稳定的电压，避免电池组电源波动对整个电池状态监测系统的影响，提高系统稳定性。
4、采用光电隔离电路提高抗干扰能力和电绝缘能力，提高对电池监测的可靠性和稳定性。
5、采用调压电路不仅能对单个电池组进行过压保护，并且，每个电池组均设有对应的调压电路，这样能够使得各个电池组的电压在调压电路的作用下保持一致，更符合变桨系统对电源性能的要求。
6、SPI通信总线只占用4根线：数据输入总线、数据输出总线、时钟总线以及片选总线，能够大大节约芯片管脚，节省布局空间；并且SPI通信总线采用的SPI通信协议具有高速、全双工、同步通信的优点，大大提高整个电池状态监测系统的监测效率。
附图说明
图1是本具体实施方式中风电变桨系统的电池状态监测系统的结构框图；
图2是本具体实施方式中分压电路的结构示意图；
图3是本具体实施方式中电压采样结果的波形图；
图4是本具体实施方式中温度采集结果的波形图；
图5是本具体实施方式中调压电路的局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种风电变桨系统的电池状态监测系统，包括上位机与n个电池组，每个电池组由m个电池单元串联组成，每个电池单元由x个电池并联组成；其中，n=8，m=10，x=3；每个电池组均连接有对应的数据采集电路，各个数据采集电路分别通过各自的AD转换模块与上位机进行数据传输；所述上位机能够向各个AD转换模块的使能端发送片选信号，AD转换模块能够在接收片选信号后产生使能信号，从而将对应数据采集电路的采集到的数据发送给上位机；所述数据采集电路包括温度采集电路以及电压采样电路；电池组通过电源管理芯片向AD转换模块以及数据采集电路中的温度采集电路供电；所述温度采集电路包括温度采集芯片，所述温度采集芯片的型号为MAX6610，温度采集芯片的参考电压输出端与AD转换模块的参考电压输入端连接，温度采集芯片的参考电压是指零点电压（采集温度为0℃时，温度采集芯片输出的电压信号）温度采集芯片的温度信号输出端与AD转换模块的第一信号输入端连接，AD转换模块的第一信号输出端向上位机发送温度信号；所述电压采样电路包括如图2所示的分压电路，分压电路的分压比为19.84，电池组通过分压电路降压后向AD转换模块的第二信号输入端输入采样电压，AD转换模块的第二信号输出端向上位机发送电压采样信号。
本具体实施方式中，所述AD转换模块为具有两路AD转换功能的MAX1086芯片；所述AD转换模块依次通过施密特触发器、光电隔离电路连接到上位机；所述电源管理芯片还分别给施密特触发器与光电隔离电路供电；AD转换模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与施密特触发器的信号输入端连接；AD转换模块的使能端与施密特触发器的信号输出端连接；所述光电隔离电路包括第一光电隔离器、第二光电隔离器与第三光电隔离器，所述第一光电隔离器、第二光电隔离器与第三光电隔离器均为A4504芯片；施密特触发器分别通过第一光电隔离器、第二光电隔离器向上位机转发温度信号、电压采样信号；施密特触发器通过第三光电隔离器向AD转换模块转发上位机下发的片选信号。
采用本具体实施方式中的电池状态监测系统的对电池状态的监测过程如下：每两次监测的间隔时间为100ms，每次监测读取16组数据，前8组为电池电压数据，后8组为电池温度数据，施密特触发器会对AD转换模块发来的每组数据进行取反后上传给上位机。
单个电池组的电压采样的波形图如图3所示，图中从上到下依次为上位机的SCLK时钟信号、AD模块的第一数字输出信号DOUT、AD转换模块启动信号CNVST，对图中波形取反后结果为1100100100，然后输入给上位机，上位机进行相关运算得到采样电压为2.0425v，再乘以分压比，得到电池组的电压为40.52v。
单个电池组的温度采集结果的波形图，如图4所示，图中从上到下依次为上位机的时钟信号SCLK、AD模块的第二数字信号输出DOUT、AD转换模块启动信号CNVST，对图中波形取反后结果为0111011011，然后输入给上位机，上位机进行相关运算得到电池组温度为43.75℃。
如图5所示，本具体实施方式中，每个电池组分别通过各自的调压电路进行过压保护；所述调压电路包括与电池组中各个电池单元一一对应的稳压芯片；所述稳压芯片的型号为AZ4318；所述稳压芯片的阳极输入端ANODE与电池的正极相连，稳压芯片的阴极输出端CATHODE与电池的负极相连，从而使得稳压芯片与电池形成调压点，当电池正极输出电压超过稳压芯片的工作电压时，稳压芯片工作，使得调压点的电压下降，从而实现对电池组的过压保护。根据AZ431B的芯片要求，阴极输出端CATHODE与参考电压端REF通过并压电阻相连，参考电压为2.5v，以其中之一为例，则稳压芯片工作电压Vstart的计算公式为：Vstart=(R25+R26)/R26*2.5=(30.9+51)/51*2.5=4.015v。
当电池的电压超过稳压芯片工作电压4.015v时，稳压芯片工作，将稳压芯片与电池形成的调压点的电压降到4.015v以下，从而保证电池组的电压最大不能超过40.015v，从而起到过压保护的作用。
本具体实施方式中，所述上位机为DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器采用SPI通信总线与光电隔离电路进行双向通信。SPI通信总线只占用4根线：数据输入总线、数据输出总线、时钟总线以及片选总线，能够大大节约芯片管脚，节省布局空间；并且SPI通信总线采用的SPI通信协议具有高速、全双工、同步通信的优点，再加上DSP数字信号处理器的运输速度高，大大提高整个电池状态监测系统的监测效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种风电变桨系统的电池状态监测系统，其特征在于：包括上位机与n个电池组，每个电池组由m个电池单元串联组成，每个电池单元由x个电池并联组成；每个电池组均连接有对应的数据采集电路，各个数据采集电路分别通过各自的AD转换模块与上位机进行数据传输；所述上位机能够向各个AD转换模块的使能端发送片选信号，AD转换模块能够在接收片选信号后产生使能信号，从而将对应数据采集电路的采集到的数据发送给上位机；所述数据采集电路包括温度采集芯片以及电压采样电路；电池组通过电源管理芯片向AD转换模块以及温度采集芯片供电；所述温度采集芯片的参考电压输出端与AD转换模块的参考电压输入端连接，温度采集芯片的温度信号输出端与AD转换模块的第一信号输入端连接，AD转换模块的第一信号输出端向上位机发送温度信号；所述电压采样电路包括分压电路，电池组通过分压电路降压后向AD转换模块的第二信号输入端输入采样电压，AD转换模块的第二信号输出端向上位机发送电压采样信号。
2.根据权利要求1所述的风电变桨系统的电池状态监测系统，其特征在于：所述AD转换模块依次通过施密特触发器、光电隔离电路连接到上位机；所述电源管理芯片还分别给施密特触发器与光电隔离电路供电；AD转换模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与施密特触发器的信号输入端连接；AD转换模块的使能端与施密特触发器的信号输出端连接；所述光电隔离电路包括第一光电隔离器、第二光电隔离器与第三光电隔离器；施密特触发器分别通过第一光电隔离器、第二光电隔离器向上位机转发温度信号、电压采样信号；施密特触发器通过第三光电隔离器向AD转换模块转发上位机下发的片选信号。
3.根据权利要求2所述的风电变桨系统的电池状态监测系统，其特征在于：所述上位机为DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器采用SPI通信总线与光电隔离电路进行双向通信。
4.根据权利要求2所述的风电变桨系统的电池状态监测系统，其特征在于：所述第一光电隔离器、第二光电隔离器与第三光电隔离器均为A4504芯片。
5.根据权利要求1所述的风电变桨系统的电池状态监测系统，其特征在于：每个电池组分别通过各自的调压电路进行过压保护；所述调压电路包括与电池组中各个电池单元一一对应的稳压芯片；所述稳压芯片的阳极输入端与电池的正极相连，稳压芯片的阴极输出端与电池的负极相连，从而使得稳压芯片与电池形成调压点，当电池正极输出电压超过稳压芯片的工作电压时，稳压芯片工作，使得调压点的电压下降，从而实现对电池组的过压保护。
6.根据权利要求5所述的风电变桨系统的电池状态监测系统，所述稳压芯片的型号为AZ431B。
7.根据权利要求1所述的风电变桨系统的电池状态监测系统，其特征在于：所述AD转换模块为具有两路AD转换功能的MAX1086芯片。
8.根据权利要求1所述的风电变桨系统的电池状态监测系统，其特征在于：所述温度采集芯片的型号为MAX6610。
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