CN111555430A - 一种能量与信息双向支持的移动电源装置及组网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量与信息双向支持的移动电源装置，所述装置包括光伏组件、蓄电池充电控制模块、蓄电池组、蓄电池放电控制模块、蓄电池状态获取模块和无线自组网模块；所述蓄电池充电控制模块的输入端与所述光伏组件相连接，所述蓄电池充电控制模块的输出端与所述蓄电池组的充电端相连接，所述蓄电池组的放电端与所述蓄电池放电控制模块相连接；所述蓄电池状态获取模块包括电池监测单元和MCU处理单元，所述电池监测单元与所述蓄电池组相连接，所述MCU处理单元的输入端与所述电池监测单元相连接，所述MCU处理单元的输出端与所述无线自组网模块相连接。所述移动电源装置在原有的供电基础上增加了通讯功能，满足信息交互的需求。

Description

一种能量与信息双向支持的移动电源装置及组网系统
技术领域
本发明涉及移动电源技术领域，尤其涉及一种能量与信息双向支持的移动电源装置及组网系统。
背景技术
在各类野外勘察作业、户外维修作业、大型会议展览等场合均需要使用移动电源作为供能装置，且通过另外搭建网络对移动电源的工作情况进行监控，但是在各个场景下均存在着网络与移动电源的交流盲区，会导致断电且断网无信号的情况发生，特别是在临时的施工场地或者会议展览场地，临时抢修工作将会消耗不少的人力与财力，严重影响各场合的工作进程。因此，在考虑移动电源可满足正常供电的情况下，还需要解决铺设网络的问题，以便于对移动电源的状态进行实时可视的监测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种能量与信息双向支持的移动电源装置及组网系统，所述移动电源装置同时具备供电与自组网通信功能，且提供多种网络接入功能，可对所述移动电源装置进行即时监测。
为了解决上述问题，本发明提出了一种能量与信息双向支持的移动电源装置，所述装置包括光伏组件、蓄电池充电控制模块、蓄电池组、蓄电池放电控制模块、蓄电池状态获取模块和无线自组网模块；
所述蓄电池充电控制模块的输入端与所述光伏组件相连接，所述蓄电池充电控制模块的输出端与所述蓄电池组的充电端相连接，所述蓄电池组的放电端与所述蓄电池放电控制模块相连接；
所述蓄电池状态获取模块包括电池监测单元和MCU处理单元，所述电池监测单元与所述蓄电池组相连接，所述MCU处理单元的输入端与所述电池监测单元相连接，所述MCU处理单元的输出端与所述无线自组网模块相连接。
可选的，所述蓄电池充电控制模块包括信号采集模块、DSP控制器、PWM信号发生模块、辅助电源和充电电路，且所述PWM信号发生模块包括充电信号控制单元和光伏信号控制单元；
所述辅助电源的输入端与所述光伏组件相连接，所述辅助电源的输出端与所述充电电路的输入端相连接，所述充电电路的输出端与所述蓄电池组的充电端相连接；
所述信号采集模块的输入端分别与所述辅助电源的输出端和所述蓄电池组的充电端相连接，所述信号采集模块的输出端与所述DSP控制器的输入端相连接，所述DSP控制器的输出端分别与所述充电信号控制单元的输入端和所述光伏信号控制单元的输入端相连接，所述充电信号控制单元的输出端与所述充电电路的控制端相连接，所述光伏信号控制单元的输出端与所述辅助电源的控制端相连接。
可选的，所述充电信号控制单元包括第一PWM信号发生电路和第二PWM信号发生电路；
所述第一PWM信号发生电路包括第一PI控制器和第一PWM调制器，所述第一PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第一PI控制器的输出端与所述第一PWM调制器的输入端相连接，所述第一PWM调制器的输出端与所述充电电路的控制端相连接；
所述第二PWM信号发生电路包括第二PI控制器、第三PI控制器和第二PWM调制器，所述第二PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第二PI控制器的输出端与所述第三PI控制器的输入端相连接，所述第三PI控制器的输出端与所述第二PWM调制器的输入端相连接，所述第二PWM调制器的输出端与所述充电电路的控制端相连接。
可选的，所述光伏信号控制单元为第三PWM信号发生电路；
所述第三PWM信号发生电路包括第四PI控制器和第三PWM调制器，所述第四PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第四PI控制器的输出端与所述第三PWM调制器的输入端相连接，所述第三PWM调制器的输出端与所述辅助电源的控制端相连接。
可选的，所述蓄电池放电控制模块包括降压稳压电路、整流滤波电路、逆变电路、电源转换电路、直流电源接口和交流电源接口；
所述降压稳压电路的输入端与所述蓄电池组的放电端相连接，所述降压稳压电路的输出端与所述整流滤波电路的输入端相连接，所述整流滤波电路的输出端分别与所述逆变电路的输入端和所述电源转换电路的输入端相连接，所述逆变电路的输出端连接所述交流电源接口，所述电源转换电路的输出端连接所述直流电源接口。
可选的，所述电池监测单元包括型号为DS2762的电池监测芯片。
可选的，所述无线自组网模块设置有多根定向天线，且所述多根定向天线的接线端分别与所述无线自组网模块连接。
可选的，所述无线自组网模块至少设置有串行接口、网络接口和USB接口，供外部设备通过其中一个接口与所述无线自组网模块相连接。
另外，本发明实施例还提供了一种无线通信组网系统，所述系统包括远程管理平台、公网服务器和至少两个移动电源装置；其中，
所述公网服务器用于发送组网广播消息；
所述移动电源装置用于根据所述组网广播消息与所述公网服务器建立无线连接，并发送电池状态信息至所述公网服务器；
所述远程管理平台用于获取所述公网服务器所接收到的所述电池状态信息，对所述移动电源装置进行监控。
在本发明实施例中，所述移动电源装置通过光伏组件作为内置蓄电池组的充电输入端，可提高设备的通用性与便捷性；所述移动电源装置提供有交流电压输出、直流电压输出等多种供电方式，可提高设备的实用价值；所述移动电源装置通过无线自组网模块以及多根定向天线，使得设备具有灵活的自组网通信功能，且配备有多种不同的网络接口，便于实行对所述移动电源装置的电池状态监测。
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作简单地介绍，显而易见的，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例公开的能量与信息双向支持的移动电源装置的结构组成示意图；
图2是本发明实施例公开的蓄电池充电控制模块的电路结构示意图；
图3是本发明实施例公开的无线通信组网系统的结构组成示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例中的能量与信息双向支持的移动电源装置的结构组成示意图。本发明实施例提供了一种能量与信息双向支持的移动电源装置，所述装置包括光伏组件、蓄电池充电控制模块、蓄电池组、蓄电池放电控制模块、蓄电池状态获取模块和无线自组网模块。
基本的，所述蓄电池充电控制模块的输入端与所述光伏组件相连接，所述蓄电池充电控制模块的输出端与所述蓄电池组的充电端相连接，所述蓄电池组的放电端与所述蓄电池放电控制模块相连接；所述蓄电池状态获取模块包括电池监测单元和MCU处理单元，所述电池监测单元与所述蓄电池组相连接，所述MCU处理单元的输入端与所述电池监测单元相连接，所述MCU处理单元的输出端与所述无线自组网模块相连接。
具体的，所述电池监测单元包括型号为DS2762的电池监测芯片，所述MCU处理单元采用型号为STM32F4的微控制器。在实施过程中，所述电池监测单元用于对所述蓄电池组的状态信息进行实时采集并输出至所述MCU处理单元，此时所述MCU处理单元用于根据所述无线自组网模块所使用到的通信协议对所述状态信息进行数据打包，其中所述状态信息包括所述蓄电池组的电压、电流、温度和电荷状态。
进一步的，图2示出了本发明实施例中的蓄电池充电控制模块的电路结构示意图，所述蓄电池充电控制模块包括信号采集模块、DSP控制器、PWM信号发生模块、辅助电源和充电电路，且所述PWM信号发生模块包括充电信号控制单元和光伏信号控制单元。其中，所述辅助电源的输入端与所述光伏组件相连接，所述辅助电源的输出端与所述充电电路的输入端相连接，所述充电电路的输出端与所述蓄电池组的充电端相连接，所述辅助电源用于对所述光伏组件的输出电压进行稳定调制，并通过充电电路为所述蓄电池组充电。
所述信号采集模块的输入端分别与所述辅助电源的输出端和所述蓄电池组的充电端相连接，所述信号采集模块的输出端与所述DSP控制器的输入端相连接，所述DSP控制器的输出端分别与所述充电信号控制单元的输入端和所述光伏信号控制单元的输入端相连接，所述充电信号控制单元的输出端与所述充电电路的控制端相连接，所述光伏信号控制单元的输出端与所述辅助电源的控制端相连接。其中，所述信号采集模块用于实时获取所述光伏组件的电信号和所述蓄电池组的电信号，并通过所述DSP控制器分别对两个电信号进行A/D转换以获取相应的数字信号，再利用所述PWM信号发生模块根据上述两个数字信号所包含的电流信号与电压信号对整个充电过程进行即时调整。
具体的，所述信号采集模块包括至少两个电压传感器、信号跟随模块和反向运算模块，且所述两个电压传感器与所述信号跟随模块相连接，所述信号跟随模块与所述反向运算模块相连接。其中一个电压传感器连接所述光伏组件的输出端，用于采集所述光伏组件的当前输出电压，另一个电压传感器连接所述蓄电池组的充电端，用于采集所述蓄电池组的当前输入电压，上述两个电压信号通过所述信号跟随模块的隔离作用，便于所述反向运算模块分别对其进行反向求和、反向放大等处理，并输出至所述DSP控制器进行信号辅助调整。
具体的，所述充电信号控制单元包括第一PWM信号发生电路和第二PWM信号发生电路。其中，所述第一PWM信号发生电路包括第一PI控制器和第一PWM调制器，所述第一PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第一PI控制器的输出端与所述第一PWM调制器的输入端相连接，所述第一PWM调制器的输出端与所述充电电路的控制端相连接。在本发明实施例中，所述第一PWM信号发生电路的工作原理为：所述第一PWM信号发生电路主要针对所述蓄电池组的放充比η进行调整，所述DSP控制器一方面采用PSO算法寻找所述蓄电池组的最优放充比η*，另一方面通过计算所述蓄电池组的输入电信号与所述光伏组件的输出电信号的比值来获取所述蓄电池组的当前放充比η，再由所述第一PI控制器根据所述最优放充比η*与所述当前放充比η的差异，驱动所述第一PWM调制器输出相应的PWM波形至所述充电电路。
所述第二PWM信号发生电路包括第二PI控制器、第三PI控制器和第二PWM调制器，所述第二PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第二PI控制器的输出端与所述第三PI控制器的输入端相连接，所述第三PI控制器的输出端与所述第二PWM调制器的输入端相连接，所述第二PWM调制器的输出端与所述充电电路的控制端相连接。在本发明实施例中，所述第二PWM信号发生电路的工作原理为：所述第二PWM信号发生电路主要针对所述蓄电池组的充电模式进行调整，当所述蓄电池组处于充电初期(恒流充电状态)时，基于所述蓄电池组的当前输入电压Ubat低于设定的充电电压Ubat *，所述第三PI控制器根据所述蓄电池组的当前输入电流Ibat与设定的充电电流Ibat *的差值，驱动所述第二PWM调制器输出相应的PWM波形至所述充电电路；反之，当所述蓄电池组处于充电末期(恒压充电状态)时，通过所述第二PI控制器根据所述蓄电池组的当前输入电压Ubat与所述设定的充电电压Ubat *的差值，驱动所述第二PWM调制器输出相应的PWM波形至所述充电电路。
具体的，所述光伏信号控制单元为第三PWM信号发生电路，所述第三PWM信号发生电路包括第四PI控制器和第三PWM调制器，所述第四PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第四PI控制器的输出端与所述第三PWM调制器的输入端相连接，所述第三PWM调制器的输出端与所述辅助电源的控制端相连接。在本发明实施例中，所述第三PWM信号发生电路的工作原理为：所述第三PWM信号发生电路主要针对所述光伏组件的输出电压Udc进行调整，所述第四PI控制器根据所述光伏组件的当前输出电压Udc与设定的供电电压Udc *的差值，驱动所述第三PWM调制器输出相应的PWM波形至辅助电源，以对所述充电电路的供电电压进行最优调整。
此外，所述充电电路包括两个拓扑结构相同且相互并联的Buck电路，如图2所示，第一Buck电路主要由开关管S1至开关管S6这六个开关管组成，第二Buck电路主要由开关管S7至开关管S12这六个开关管组成，通过上述的三个PWM信号发生电路所输出的PWM信号，控制所述充电电路中各个开关管的闭合时间，为所述充电电路指定最优的Buck电路拓扑结构，且具备实时调整的功能，有利于所述蓄电池组进行快速高效的充电，可保障所述蓄电池组的使用寿命。
进一步的，所述蓄电池放电控制模块包括降压稳压电路、整流滤波电路、逆变电路、电源转换电路、直流电源接口和交流电源接口。其中，所述降压稳压电路的输入端与所述蓄电池组的放电端相连接，所述降压稳压电路的输出端与所述整流滤波电路的输入端相连接，所述整流滤波电路的输出端分别与所述逆变电路的输入端和所述电源转换电路的输入端相连接，所述逆变电路的输出端连接所述交流电源接口，所述电源转换电路的输出端连接所述直流电源接口。
其中，所述降压稳压电路和所述整流滤波电路为基本的信号处理电路，可将所述蓄电池组所输出的波动电压转换为干净稳定的电压输出。为扩展本装置供电方式的多样化，提出所述逆变电路将所述蓄电池组输出的稳定电压逆变为220V交流电，此时交流设备可通过所述交流电源接口获取220V的供电电源；另外提出所述电源转换电路对所述蓄电池组输出的稳定电压转换低等级的直流电压，供直流设备通过所述直流电源接口进行取电，使得本装置具备良好的实用价值。
具体实施过程中，根据所述蓄电池组所输出的24V直流电压，所述电源转换电路包括LM2596S-12芯片和LM2596S-ADJ芯片，所述LM2596S-12芯片及其外围电路形成24V转12V的供电电路，所述LM2596S-ADJ芯片及其外围电路基于与所述LM2596S-12芯片的连接关系，形成12V转5V的供电电路。相应的，所述直流电源接口实际上包括24V电源接口、12V电源接口和5V电源接口，所述24V电源接口连接所述整流滤波电路的输出端，所述12V电源接口连接所述LM2596S-12芯片的输出端，所述5V电源接口连接所述LM2596S-ADJ芯片的输出端，此时直流设备可根据自身的充电规格选择一个接口进行蓄电。
本发明实施例考虑到对所述移动电源装置的集中管控，在所述移动电源装置的内部集成有一个所述无线自组网模块，功能相当于路由设备，且所述无线自组网模块设置有多根定向天线，所述多根定向天线的接线端分别与所述无线自组网模块连接，通过所述多根定向天线向空中发送电磁辐射，为所述移动电源装置的周围覆盖2.4G频段信号，供外部设备接入无线网络并直接对所述移动电源装置的电池状态信息进行管理。此外，所述移动电源装置上具备丰富的外部设备接口，即在所述无线自组网模块至少设置有串行接口、网络接口和USB接口，任意一个接口可作为其他通信设备的网络接入点，使得该设备基于与所述无线自组网模块的连接关系，获取所述移动电源装置的运行状态。需要说明的是，所述无线自组网模块由所述蓄电池组进行供电，使得所述移动电源装置完全脱离外部供电。
基于所述移动电源装置中所述无线自组网模块的设置，本发明实施例提供了一种无线通信组网系统，如图3所示，所述系统包括远程管理平台、公网服务器和至少两个移动电源装置。
基本的，所述公网服务器用于发送组网广播消息；所述移动电源装置用于根据所述组网广播消息与所述公网服务器建立无线连接，并发送电池状态信息至所述公网服务器；所述远程管理平台用于获取所述公网服务器所接收到的所述电池状态信息，对所述移动电源装置进行监控。
具体实施过程包括：(1)假设所述系统中包含有N个移动电源装置(N＞1)，且所述N个移动电源装置均处于工作状态，当所述公网服务器发送组网广播消息后，所述N个移动电源装置基于接收到的所述组网广播消息向所述公网服务器反馈信息，等待所述公网服务器为所述N个移动电源装置分配一个唯一的IP地址；(2)所述N个移动电源装置中的第n个移动电源装置基于内部的无线自组网模块对蓄电池组的电池状态信息进行存储打包形成数据包，且所述数据包携带有所述第n个移动电源装置的IP地址信息；(3)所述第n个移动电源装置通过自身的定向天线与距离最近的第n+1移动电源装置与第n-1个移动电源装置分别进行通信，并将所述数据包传输至所述第n+1移动电源装置和所述第n-1个移动电源装置，实现数据的双向传输；(4)所述第n+1移动电源装置与所述第n-1个移动电源装置按照步骤(3)的方法进行逐级通信与所述数据包的转送，直至传输至所述公网服务器中，以此形成自组无线局域网络区域覆盖；(5)所述公网服务器对接收到的数据包进行重复性筛选后，发送至所述远程管理平台进行数据监控；(6)所述远程管理平台根据所述公网服务器所提供的路由表对所述数据包进行解析，获取对应的所述第n个移动电源装置的电池状态信息并进行及时评估，便于作出后备应对措施。
在本发明实施例中，所述移动电源装置通过光伏组件作为内置蓄电池组的充电输入端，可提高设备的通用性与便捷性；所述移动电源装置提供有交流电压输出、直流电压输出等多种供电方式，可提高设备的实用价值；所述移动电源装置通过无线自组网模块以及多根定向天线，使得设备具有灵活的自组网通信功能，且配备有多种不同的网络接口，便于实行对所述移动电源装置的电池状态监测。
以上对本发明实施例所提供的一种能量与信息双向支持的移动电源装置及组网系统进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种能量与信息双向支持的移动电源装置，其特征在于，所述装置包括光伏组件、蓄电池充电控制模块、蓄电池组、蓄电池放电控制模块、蓄电池状态获取模块和无线自组网模块；
所述蓄电池充电控制模块的输入端与所述光伏组件相连接，所述蓄电池充电控制模块的输出端与所述蓄电池组的充电端相连接，所述蓄电池组的放电端与所述蓄电池放电控制模块相连接；
所述蓄电池状态获取模块包括电池监测单元和MCU处理单元，所述电池监测单元与所述蓄电池组相连接，所述MCU处理单元的输入端与所述电池监测单元相连接，所述MCU处理单元的输出端与所述无线自组网模块相连接。
2.根据权利要求1所述的移动电源装置，其特征在于，所述蓄电池充电控制模块包括信号采集模块、DSP控制器、PWM信号发生模块、辅助电源和充电电路，且所述PWM信号发生模块包括充电信号控制单元和光伏信号控制单元；
所述辅助电源的输入端与所述光伏组件相连接，所述辅助电源的输出端与所述充电电路的输入端相连接，所述充电电路的输出端与所述蓄电池组的充电端相连接；
所述信号采集模块的输入端分别与所述辅助电源的输出端和所述蓄电池组的充电端相连接，所述信号采集模块的输出端与所述DSP控制器的输入端相连接，所述DSP控制器的输出端分别与所述充电信号控制单元的输入端和所述光伏信号控制单元的输入端相连接，所述充电信号控制单元的输出端与所述充电电路的控制端相连接，所述光伏信号控制单元的输出端与所述辅助电源的控制端相连接。
3.根据权利要求2所述的移动电源装置，其特征在于，所述充电信号控制单元包括第一PWM信号发生电路和第二PWM信号发生电路；
所述第一PWM信号发生电路包括第一PI控制器和第一PWM调制器，所述第一PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第一PI控制器的输出端与所述第一PWM调制器的输入端相连接，所述第一PWM调制器的输出端与所述充电电路的控制端相连接；
所述第二PWM信号发生电路包括第二PI控制器、第三PI控制器和第二PWM调制器，所述第二PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第二PI控制器的输出端与所述第三PI控制器的输入端相连接，所述第三PI控制器的输出端与所述第二PWM调制器的输入端相连接，所述第二PWM调制器的输出端与所述充电电路的控制端相连接。
4.根据权利要求2所述的移动电源装置，其特征在于，所述光伏信号控制单元为第三PWM信号发生电路；
所述第三PWM信号发生电路包括第四PI控制器和第三PWM调制器，所述第四PI控制器的输入端与所述DSP控制器的输出端相连接，所述第四PI控制器的输出端与所述第三PWM调制器的输入端相连接，所述第三PWM调制器的输出端与所述辅助电源的控制端相连接。
5.根据权利要求1所述的移动电源装置，其特征在于，所述蓄电池放电控制模块包括降压稳压电路、整流滤波电路、逆变电路、电源转换电路、直流电源接口和交流电源接口；
所述降压稳压电路的输入端与所述蓄电池组的放电端相连接，所述降压稳压电路的输出端与所述整流滤波电路的输入端相连接，所述整流滤波电路的输出端分别与所述逆变电路的输入端和所述电源转换电路的输入端相连接，所述逆变电路的输出端连接所述交流电源接口，所述电源转换电路的输出端连接所述直流电源接口。
6.根据权利要求1所述的移动电源装置，其特征在于，所述电池监测单元包括型号为DS2762的电池监测芯片。
7.根据权利要求1所述的移动电源装置，其特征在于，所述无线自组网模块设置有多根定向天线，且所述多根定向天线的接线端分别与所述无线自组网模块连接。
8.根据权利要求7所述的移动电源装置，其特征在于，所述无线自组网模块至少设置有串行接口、网络接口和USB接口，供外部设备通过其中一个接口与所述无线自组网模块相连接。
9.一种无线通信组网系统，其特征在于，所述系统包括远程管理平台、公网服务器和至少两个移动电源装置；其中，
所述公网服务器用于发送组网广播消息；
所述移动电源装置用于根据所述组网广播消息与所述公网服务器建立无线连接，并发送电池状态信息至所述公网服务器；
所述远程管理平台用于获取所述公网服务器所接收到的所述电池状态信息，对所述移动电源装置进行监控。
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