CN113097580A - 一种基于边缘计算的警用划水板电池组 - Google Patents
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Abstract
一种基于边缘计算的警用划水板电池组,包括若干电池以及对各电池进行智能化管理的电池管理系统,电池管理系统连接上端服务器,所述的电池管理系统包括数据采集单元、边缘计算单元以及通信适配单元,所述的边缘计算单元分别与数据采集单元及通信适配单元连接,所述的数据采集单元进行电池信息采集,所述的边缘计算单元包括前端采样芯片及主控芯片,所述的前端采样芯片将电池信息进行数据处理后传输至主控芯片,所述的主控芯片根据数据处理结果以及电池电芯预设的保护值,进行告警及保护的判断处理。能就近提供最近端服务,产生更快的网络服务响应,让用户实时掌握整体的状态,同时也可以优化电芯的一致性以实现电池的高效率,延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于锂电池管理技术领域,具体涉及一种基于边缘计算的警用划水板电池组。
背景技术
随着人们生活水平的提高,大量户外运动项目需求大量增长。近几年江上、海上活动愈发受人关注,在涉水环境下,对于人员的安全性保障就显得十分有必要。警用划水板,相对于普通的海上巡逻艇,具备更优越的灵活性和复杂地形的通过性,能更加快速、有效地实施人员搜救活动。另外,在进行特种任务时,设备与设备间的信息交互方式与数据量,也是必须关注的要点。频繁地信息交互会降低行动的隐蔽性,因此优选地是将边缘端能处理的任务在本地完成以尽可能地降低信息发送量。 对于警用划水板,其动力能量的核心是锂电池,如何保证电池组的可靠性、控制的精确性以及信息交互的安全性是目前业内正在积极研发的。
在锂离子电池的运行过程中,电池管理系统(英文全称:Battery ManagementSystem,英文简称:BMS)通过对电池信息的全方位采集、准确的容量估算、科学的均衡管理以及快速响应的保护策略,实现电池成组后的智能化管理,以确保电池储能系统安全可靠的运行。
但是,目前市场上电池组的BMS功能相对比较单一,大部分都只能自己独立运行,没有集中管理及处理数据的能力。此外,还有另一种行业常规做法:基于云计算的控制,将各个分布式的点的信息集中起来,统一管理,由平台发送控制指令给每个设备,实现集中管理。云中心具有强大的处理性能,能够处理海量的数据,然而,将海量的数据传送到云中心成了一个难题。云计算模型的系统性能瓶颈在于网络带宽的有限性,传送海量数据需要一定的时间,云中心处理数据也需要一定的时间,这就会加大请求响应时间,尤其是现在物联网已经广泛应用于人们的日常生活中,一旦发现问题,如果处理的不及时或者不准确,会产生一定的安全隐患,导致用户体验变差。
鉴于上述已有技术,本申请人作了有益的设计,下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的警用划水板电池组,能够处理及传送海量数据,并且相应速度快,节省大量数据交互的时间。
本发明的目的是这样来达到的,一种基于边缘计算的警用划水板电池组,包括若干电池以及对各电池进行智能化管理的电池管理系统,各个电池通过电池管理系统连接上端服务器,其特征在于:所述的电池管理系统包括数据采集单元、边缘计算单元以及通信适配单元,所述的边缘计算单元分别与数据采集单元及通信适配单元连接,所述的数据采集单元进行电池信息采集,所述的边缘计算单元包括前端采样芯片及主控芯片,所述的前端采样芯片将电池信息进行数据处理后传输至主控芯片,所述的主控芯片根据数据处理结果以及电池电芯预设的保护值,进行告警及保护的判断处理,主控芯片还进行SOC估算及电芯平衡逻辑运行,所述的SOC估算用于明确电池使用边界,所述的电芯平衡逻辑运行用于均衡各个电池电芯的电压。
在本发明的一个具体的实施例中,所述的数据采集单元包括电压采集电路、电流采集电路以及工作温度采集电路。
在本发明的另一个具体的实施例中,所述的电压采集电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管Q1以及第一发光二极管LED1,所述的第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端共同连接所述的前端采样芯片,所述的第二电阻R2的另一端连接第一三极管Q1的基极,第一三极管Q1的发射极与第一电阻R1的另一端共同连接电池的正极,第一三极管Q1的集电极与第三电阻R3的一端及第四电阻R4的一端连接,第三电阻R3的另一端连接第一发光二极管LED1的正极,第一发光二极管LED1的负极与第四电阻R4的另一端共同连接电池的负极。
在本发明的又一个具体的实施例中,所述的温度采集电路包括热敏电阻RT、第五电阻R5以及第一电容C1,所述的热敏电阻RT为NTC热敏电阻,所述的第一电容C1的一端和第五电阻R5的一端共同连接所述的前端采样芯片,第五电阻R5的另一端连接热敏电阻RT的一端,热敏电阻RT的另一端及第一电容C1的另一端共同接地。
在本发明的再一个具体的实施例中,所述的电流采集电路包括第二电池C2、第三电容C3、第四电容C4、第六电阻R6以及第七电阻R7,所述的第三电容C3的一端与第二电容C2的一端及第六电阻R6的一端连接,第三电容C3的另一端与第二电容C4的一端及第七电阻R7的一端连接,第三电容C3的两端又分别连接至所述的前端采样芯片,第六电阻R6的另一端连接电池组的负极,第七电阻R7的另一端连接电池组的正极,第二电容C2的另一端及第四电容C4的另一端共同接地。
在本发明的还有一个具体的实施例中,还包括电芯平衡执行单元,所述的电芯平衡执行单元与主控芯片连接,通过主控芯片的电芯平衡逻辑运行的结果进行动作。
在本发明的进而一个具体的实施例中,所述的通信适配单元包括CAN通讯模块和Modbus通讯模块,用于所述的主控芯片与上端服务器之间的通信。
在本发明的更而一个具体的实施例中,所述的通信适配单元还包括网络通讯模块。
本发明由于采用了上述结构,与现有技术相比,具有的有益效果是:所述的电池管理系统包括完整的电池信息采集功能、高可靠性的告警保护、较低的带宽成本和延时,高精度的SOC估算以及主动式电芯电压均衡功能,电池管理系统基于边缘计算能就近提供最近端服务,应用程序在边缘侧发起,能够产生更快的网络服务响应,能让用户实时掌握整体的状态,满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求,同时也可以通过边缘端计算的逻辑控制,优化电芯的一致性以实现电池的高效率,延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图。
图2为本发明所述的电池管理系统的电连接框图。
图3为本发明所述的电压采集电路的电连接原理图。
图4为本发明所述的工作温度采集电路的电连接原理图。
图5为本发明所述的电流采集电路的电连接原理图。
图6为本发明所述的前端采样芯片的一实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述,但对实施例的描述不是对技术方案的限制,任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。
请参阅1和图2,本发明涉及一种基于边缘计算的警用划水板电池组,包括若干电池以及对各电池进行智能化管理的电池管理系统,各个电池通过电池管理系统连接上端服务器。所述的电池管理系统包括数据采集单元、边缘计算单元以及通信适配单元,所述的边缘计算单元分别与数据采集单元及通信适配单元连接。电池管理系统在靠近电池的一侧通过边缘计算技术就近提供近端服务。所述的数据采集单元进行电池信息采集,所述的边缘计算单元包括前端采样芯片及主控芯片,在本实施例中,所述的前端采样芯片采用了中颖电子的SH367309;所述的主控芯片采样新唐科技的M453。所述的前端采样芯片将电池信息进行数据处理后传输至主控芯片,所述的主控芯片根据数据处理结果以及电池电芯预设的保护值,进行告警保护的判断处理,主控芯片还进行SOC(state of charge荷电状态)估算及电芯平衡逻辑运行,所述的SOC估算用于明确电池使用边界,所述的电芯平衡逻辑运行用于均衡各个电池电芯的电压。
进一步地,请参阅图3至图6,所述的数据采集单元包括电压采集电路、电流采集电路以及工作温度采集电路。所述的电压采集电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管Q1以及第一发光二极管LED1。电压采集电路有多路,分别与各个电池电芯相对应。所述的第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端共同连接所述的前端采样芯片的VC1~VC10中的一个端口。该电路通过第一电阻R1由前端采样芯片直接进行AD采样,采样完成后输出高电平通过第二电阻R2驱动第一三极管Q1导通完成电芯平衡的功能。所述的温度采集电路包括热敏电阻RT、第五电阻R5以及第一电容C1,此处采用一NTC热敏电阻来作为温度传感器,该电路连接前端采样芯片的TS1端口。所述的电流采集电路包括第二电池C2、第三电容C3、第四电容C4、第六电阻R6以及第七电阻R7,该电路连接前端采样芯片的RS1、RS2端口。电流采集通过采集分流器两端电压差,经过RC滤波器后由前端采样芯片进行AD采样。实际应用时,电池管理系统通过设置电压采样线、温度侦测线和板载分流器采集电池组电压、工作温度以及当前电流的原始AD值,通过前端采样芯片对上述采集的数据进行处理,可以直接在本地得到实际电压、电流和温度值,这些数据通过对外接口进行数据的交互,同时也作为告警和保护的数据依据,降低了数据处理的带宽和延时。
进一步地,所述的告警保护是指所述的主控芯片根据前端采样芯片的数据处理结果以及按照电池电芯预先设定的各项保护值,通过边缘计算技术对电池进行充电过压、放电低压、放电低压、放电过流、电池高低温进行告警保护的判断处理(当实际采样值高于或低于设定值,则切断响应的充电回路/放电回路,从而达到保护电池的目的),不存在通讯延时,更快更及时地进行保护,能够有效保护电池不被损坏,提高安全和可靠性。
进一步地,通过所述的SOC估算得到电池剩余电量,可以给用户提供明确的电池使用边界,同时也可以给电池提供一定的保护,边缘计算技术同样提供了库伦积分+定电压点矫正的功能,保证了SOC的精度。根据数据处理计算得到的电流值和实时时钟功能可以实时计算当前充放电的功率,同样由数据处理单元积分计算为当前电池的Ah值,配合定点电压矫正功能能够有效的消除积分过程中带来的累计误差,达到对SOC估算的一个理想状态。SOC计算方案:根据实时采样的电流值乘以采样间隔,然后进行积分计算可以得到当前的电池状态值,只要初值正确,该值就是当前电池的剩余电量。在特定的电压点根据电池输出电压和电池内阻、电池电流,可以计算出电池电动势,根据该值可以进行SOC的矫正。
进一步地,还包括电芯平衡执行单元,所述的电芯平衡执行单元与主控芯片连接,通过主控芯片的电芯平衡逻辑运行的结果进行动作。众所周知,电池电芯在长期使用中必然会出现电芯电压不平衡的情况,此时就需要均衡各个电芯的电压。现有的被动式电压均衡时刻处于均衡状态平衡,效率低的同时还降低了电池的使用寿命,为解决上述问题,本实施例基于边缘计算技术以及电芯电压数据处理结果,采取了主动式的均衡技术,针对电芯电压超过电芯电压平均值一定程度的电芯进行主动式的放电(由硬件配合),仅对需要平衡的电芯进行均衡控制,平衡效率高且不会影响电池使用寿命。在本实施例中,所述的电压采集电路兼用作电芯平衡执行单元,采样的平衡逻辑:当采样电芯电压值高于最低电芯电压+20mV,则开启对应电池电芯的平衡,如附件电路所示,通过第二电阻R2驱动第一三极管Q1导通后,电芯通过第四电阻R4进行放电,当电压低于最低电芯电压+10mV,关闭对应电池的平衡。
进一步地,所述的通信适配单元包括CAN通讯模块和Modbus通讯模块,用于所述的主控芯片与上端服务器之间的通信,在此基础上还可以选配网络通讯模块。通信适配单元根据自定义的CAN协议和ModBus协议将计算结果给到上端服务器。
进一步地,所述的前端采样芯片还连接有数字量采集单元,主要用于输入开关机信号,所述的主控芯片还连接有数字量输出单元,主要用于例如LED显示和告警信号的输出。
所述的边缘计算单元能够在数据近端及时处理大量数据,节省了大量数据交互的时间,同时拥有数据交互能力,从而可以更灵活的运用在各种上层系统,在必要时可以直接从本地获取数据,不需要访问云端。
Claims (8)
1.一种基于边缘计算的警用划水板电池组,包括若干电池以及对各电池进行智能化管理的电池管理系统,各个电池通过电池管理系统连接上端服务器,其特征在于:所述的电池管理系统包括数据采集单元、边缘计算单元以及通信适配单元,所述的边缘计算单元
分别与数据采集单元及通信适配单元连接,所述的数据采集单元进行电池信息采集,所述的边缘计算单元包括前端采样芯片及主控芯片,所述的前端采样芯片将电池信息进行数据处理后传输至主控芯片,所述的主控芯片根据数据处理结果以及电池电芯预设的保护值,进行告警及保护的判断处理,主控芯片还进行SOC估算及电芯平衡逻辑运行,所述的SOC估算用于明确电池使用边界,所述的电芯平衡逻辑运行用于均衡各个电池电芯的电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的警用划水板电池组,其特征在于所述的数据采集单元包括电压采集电路、电流采集电路以及工作温度采集电路。
3.根据权利要求2所述的一种基于边缘计算的警用划水板电池组,其特征在于所述的电压采集电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管Q1以及第一发光二极管LED1,所述的第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端共同连接所述的前端采样芯片,所述的第二电阻R2的另一端连接第一三极管Q1的基极,第一三极管Q1的发射极与第一电阻R1的另一端共同连接电池的正极,第一三极管Q1的集电极与第三电阻R3的一端及第四电阻R4的一端连接,第三电阻R3的另一端连接第一发光二极管LED1的正极,第一发光二极管LED1的负极与第四电阻R4的另一端共同连接电池的负极。
4.根据权利要求2所述的一种基于边缘计算的警用划水板电池组,其特征在于所述的温度采集电路包括热敏电阻RT、第五电阻R5以及第一电容C1,所述的热敏电阻RT为NTC热敏电阻,所述的第一电容C1的一端和第五电阻R5的一端共同连接所述的前端采样芯片,第五电阻R5的另一端连接热敏电阻RT的一端,热敏电阻RT的另一端及第一电容C1的另一端共同接地。
5.根据权利要求2所述的一种基于边缘计算的警用划水板电池组,其特征在于所述的电流采集电路包括第二电池C2、第三电容C3、第四电容C4、第六电阻R6以及第七电阻R7,所述的第三电容C3的一端与第二电容C2的一端及第六电阻R6的一端连接,第三电容C3的另一端与第二电容C4的一端及第七电阻R7的一端连接,第三电容C3的两端又分别连接至所述的前端采样芯片,第六电阻R6的另一端连接电池组的负极,第七电阻R7的另一端连接电池组的正极,第二电容C2的另一端及第四电容C4的另一端共同接地。
6.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的警用划水板电池组,其特征在于还包括电芯平衡执行单元,所述的电芯平衡执行单元与主控芯片连接,通过主控芯片的电芯平衡逻辑运行的结果进行动作。
7.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的警用划水板电池组,其特征在于所述的通信适配单元包括CAN通讯模块和Modbus通讯模块,用于所述的主控芯片与上端服务器之间的通信。
8.根据权利要求7所述的一种基于边缘计算的警用划水板电池组,其特征在于所述的通信适配单元还包括网络通讯模块。
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