CN213243562U - 一种智慧家庭生活管理系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及电池管理系统（BMS）、智能家居和无线通信领域，具体为一种智慧家庭生活管理系统，该系统包括BMS智能管理设备、无线通信设备、PCS设备、家庭设备接入模块、家居设备、云服务器和APP终端设备；BMS智能管理设备包括电池模块、电池采集保护模块和智能集中控制器，家庭设备接入模块包括家庭网关和模块接入设备；家居设备包括智能家居和非智能家居；该系统实现家庭安全稳定供电、错峰充放电、对家庭用电智能分析控制、每一组电池多级多样智能保护和预警、电池容量智能分析计算、电池健康状态的智能分析的同时，解决家庭设备的无缝接入，将信息传输到统一平台，并对设备进行实时监视、控制和智能分析，可以打造真正的智慧家庭生活。

Description

一种智慧家庭生活管理系统
技术领域
本实用新型涉及电池管理系统(BMS)、智能家居和无线通信领域，具体为一种智慧家庭生活管理系统。
背景技术
随着科学技术的进步和经济的快速发展，新能源技术正在迅速的革新，同时人们对生活质量的需求也日益增高，如今，BMS作为太阳能储能设备、风能储能设备和不间断电源等多种方式融入到越来越多的家庭生活中，特别是在电力供应不足和电力覆盖区域低的国家；近年来，很多智能化家庭设备得到了快速发展，人们对整体家庭智慧化生活要求也越来越强烈。
智能化家庭设备种类繁多，相互兼容性差，没有统一的接入网关设备，难以在统一平台上进行监控和操作，BMS设备针对家庭的应用，主要针对错峰充放电，相对智能化不高，特别是将BMS设备和家庭设备智能化连接，打造成智慧家庭设备更少。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种智慧家庭生活系统，实现家庭安全稳定供电、错峰充放电、对家庭用电智能分析控制、每一组电池多级多样智能保护和预警、电池容量智能分析计算、电池健康状态的智能分析的同时，解决家庭设备的无缝接入，将信息传输到统一平台，并对设备进行实时监视、控制和智能分析，可以打造真正的智慧家庭生活。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种智慧家庭生活管理系统，包括BMS智能管理设备、无线通信设备、PCS 设备、家庭设备接入模块、家居设备、云服务器和APP终端设备；所述BMS智能管理设备包括电池模块、电池采集保护模块和智能集中控制器；所述家庭设备接入模块包括家庭网关和模块接入设备；所述家居设备包括智能家居和非智能家居；
所述电池模块与电池采集保护模块有线连接，电池模块之间根据需要或并联或串联，电池采集保护模块与智能集中控制器有线连接，智能集中控制器无线连接家庭网关、模块接入设备和无线通信设备，所述智能家居通过家庭网关接入到 BMS智能管理设备联网，非智能家居通过模块接入设备接入到BMS智能管理设备联网，所述无线通信设备与云端服务器无线连接，云端服务器与APP终端设备无线连接，智能集中控制器与PCS设备一端有线连接，PCS设备的另一端连接电池模块。
所述电池模块，包括电池PACK组和电池硬件保护电路，电池组根据所需电压和容量选择电池数量和连接方式，并且与PCS设备连接，实现电池充放电功能；电池硬件保护电路，有过压、过流、过温、短路和漏电保护，实现电池硬件保护功能。
所述电池采集保护模块，是对每一组电池模块单体电压、总体电压、温度、电流等电池基本信息进行数据采集，并且具备每一组电池模块硬件保护电路和导通控制电路，使其具有选择连接电池模块和跨接下一组电池模块的功能，使得电池模块连接独立。通过isoSPI总线，采用菊花链模式将每一组电池采集保护装置连接。
所述家庭网关，通过LORA方式，提出FxLink协议，将家庭设备接入到BMS 智能管理设备联网；所述模块接入设备，非智能设备可以通过入网模块接入。
所述智能集中控制器，具体功能如下：
(1)采集电池组信息：通过isoSPI总线，与所有的电池采集保护模块通信、控制，完成采集所有电池组的单体电压、总体电压、温度、电流等电池基本信息、过压、过流、过温、短路和漏电的保护信息和采集芯片温度、模拟电源电压、数字电源电压、采集基准电压、单体电压欠过压硬保护信息；
(2)采集BMS装置信息：通过NTC电路，采集BMS装置外部和内部环境的温度(可支持8路采集)；通过霍尔电流传感器，采集装置工作的电流值；通过绝缘电路，采集家庭供电电路的绝缘值；通过隔离输入电路，采集开关BMS装置箱体、控制充放电反馈和BMS工作中反馈的信息值；
(3)智能控制电池充放电：通过CAN总线与PCS设备交互通信，在收到充放电命令后，自动检测BMS和充放电路设备的状态，核对所有状态符合工作条件后，开启充放电；控制充放电方式有手动操作、语音操作、智能操作和远程操作：
①手动操作：在按键和显示屏上对应操作；
②语音操作：通过语音识别和语音合成技术进行信息判断和智能对话，做出相对应操作；
③智能操作：将实时检测的设备信息、家庭平常用电习惯、情景模式信息、家居设备信息和供电方式信息相结合，通过不断培养和人为修正学习算法，智能开启充放电，比如停电切换供电、根据实时电量错峰充放电、家庭用电高峰期时段提前充电和家庭供电不足切换供电等功能；
④远程操作：可以通过APP终端或者服务器对设备相应操作；
(4)多级多样智能保护和预警：通过采集、反馈设备和电池类型自身属性信息，智能对设备实时保护和预警，有单体过压、单体欠压、总体过压、总体欠压、充电过流、放电过流、充电过温、充电欠温、放电过温、放电欠温、电池压差过大、温差过大、SOC过低、电池开路、外部过温、外部欠温、绝缘异常、网络状态、各个子设备连接故障，其中保护和预警根据设备和电池属性都有4级保护和预警，用户通过APP终端或者显示屏进行设置，同时一些保护和预警设备会智能调节，比如充电过温设备会根据温度上升的速度自动选择等级，上升速度超过阈值提升等级，上升小于阈值降低等级；
(5)电池容量智能分析计算：采用安时积分法、查表修正和温度补偿算法相结合，精确计算SOC，误差精度≤3％；通过每次充放电和电池容量历史变化信息，根据SOC的变化智能修正电池容量；
(6)电池健康状态的智能分析：根据电池类型、电池容量、充放电次数、采用充放电截止数据、历史工作环境温度、电池内阻估算的参数，对电池目前健康状态分析判断；
(7)家庭用电智能分析控制：可对家庭总体用电和进入BMS家庭网络的家居设备的历史用电频率、时间、电量结合设备信息智能分析，对保护和预警提供有效信息；根据设备种类可在本地显示屏、服务器和APP终端设备上查看，也可以对设备进行智能监控、操作和保护，比如APP终端查看设备状态、远程设备根据设置情景模式启停和设备漏电保护；
(8)本地大容量数据存储：对BMS装置的工作信息、通信交互信息、状态信息进行存储，支持USB和SD卡存储，目前最大存储容量为256G；
(9)实时显示和控制BMS智能管理设备信息：具体可以在显示屏、服务器网页和APP终端设备上查看BMS装置的实时工作数据、工作状态、电池组详细信息、当前设备配置信息、家居子设备信息、统计信息和历史记录，也可以对设备进行控制、设置设备的工作状态；
(10)与家庭网关交互：通过CAN总线，与家庭网关通信交互，实现了家居设备与BMS智能管理设备交互；
(11)与服务器交互：通过WIFI、4G或者5G的方式，采用UIP与服务器信息交互，将BMS智能管理设备信息、家居设备信息上传，同时服务器也通过此方式将配置、控制、远程升级数据信息下发。
与现有技术相比，本实用新型取得的有益效果：智慧家庭生活的电池管理系统实现了家庭智能安全稳定供电、智能电池充放电、错峰充放电、家庭用电智能分析控制、多级多样智能保护和预警、电池容量智能计算、电池健康状态的智能分析的BMS功能，同时提供了FxLink协议，实现了家庭设备的无缝接入，通过平台、APP终端设备对BMS装置和家庭设备进行实时监视、控制和智能分析。
附图说明
图1为系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。
如图1，一种智慧家庭生活管理系统，包括储能装置、智慧家庭装置和远程管理装置。
储能装置包括BMS装置、PCS设备、太阳能电池板和家庭供电控制器。
BMS装置包括电池模块、电池采集保护模块和智能集中控制器。
智慧家庭装置包括家庭网关、家庭设备入网模块、水表、环境监测设备、空调、热水器、窗帘、照明等家庭终端设备。
远程管理装置包括无线通信模块、云服务器和APP终端设备。
电池模块与电池采集保护模块有线连接，电池模块之间并联；电池模块选择磷酸铁锂电池，每组模块最多12串，每一串电池有电压采集，两端和中间分别设置3路温度采集，每组模块设有过压、过流、过温、短路和漏电硬件保护，每组电池模块具有单独保护功能，将所有电池组并联，电源与PCS设备连接，完成充放电线路。
电池采集保护模块与智能集中控制器有线连接；电池采集保护模块与电池模块一一对应，对电池模块的单体电压、总体电压、温度、电流等电池基本信息数据采集和电池模块硬件保护电路反馈点采集，通过控制继电器选择连接电池模块和跨接下一组电池模块，使得电池模块连接独立，每个电池采集保护模块通过 isoSPI总线，采用菊花链模式连接，最后接入智能集中控制器。
智能集中控制器无线连接家庭网关，家庭网关无线接入水表、环境监测设备、空调、热水器、窗帘、照明等家庭终端设备；家庭网关采用LORA无线方式，载波频率选择863MHz、868MHz、和873MHz三个频点作为跳频选择，这样不仅增强了抗干扰能力，而且增加了可接入节点数量，基带符号率为50Kbps。采用FxLink 协议与家庭子设备通信，对设备信息解析，通过CAN总线，选择250Kbps速率将设备信息值传输到智能集中控制器。
智能集中控制器无线连接无线通信模块，无线通信模块与云端服务器无线连接，云端服务器与APP终端设备无线连接；无线通信模块设计在智能集中控制器上，可以选择WIFI、4G或者5G的方式，采用UIP与服务器信息交互，将BMS 装置信息、家居设备信息上传，同时服务器通过此方式将配置、控制、远程升级数据信息下发。
智能集中控制器与PCS设备一端有线连接，PCS设备的另一端连接电池模块， PCS设备通过CAN总线与智能集中控制器交互，实现家庭电力或者光伏发电转换成稳定直流电给电池充电和电池电源转变成220V交流电给家庭供电的功能。
智能集中控制器是系统的核心部分，具体功能如下：
(1)电池充放电：控制充放电方式有手动操作、语音操作、智能操作和远程操作四种方式，在收到命令后，自动检测BMS和充放电路设备的状态，核对所有状态符合工作条件后，开启充放电。
①手动操作有按键和屏幕操作两种方式，按键通过5V干接点接入智能集中控制器，通过检测电压的变化控制开启关闭充放电；触摸屏与智能集中控制器通过UART连接，波特率为115200bps，触碰控制按键，智能集中控制器收到相应的操作数据，控制开启关闭充放电。
②语音操作：通过语音识别和语音合成技术进行信息判断和智能对话，做出相对应操作；
③智能操作：将实时检测的设备信息、家庭平常用电习惯、情景模式信息、家居设备信息和供电方式信息相结合，通过不断培养和人为修正学习算法，智能开启充放电，比如停电切换供电、根据实时电量错峰充放电、家庭用电高峰期时段提前充电和家庭供电不足切换供电等功能；
④远程操作：可以通过APP终端(手机、平板电脑)对设备相应操作。
(2)多级多样智能保护和预警：通过采集、反馈设备和电池类型自身属性信息，智能对设备实时保护和预警，有单体过压、单体欠压、总体过压、总体欠压、充电过流、放电过流、充电过温、充电欠温、放电过温、放电欠温、电池压差过大、温差过大、SOC过低、电池开路、外部过温、外部欠温、绝缘异常、网络状态、各个子设备连接故障，其中保护和预警根据设备和电池属性都有4级预警，用户通过APP终端或者显示屏进行设置，同时一些保护和预警设备会智能调节，比如充电过温设备会根据温度上升的速度自动选择等级，上升速度超过阈值提升等级，上升小于阈值降低等级。
不同电池有不同的阈值，不同的工作状态检测不同的保护和预警类型，比如开启充电不需要检测单体欠压、总体欠压和SOC过低；在开启充放电时，如果温度过低，则不开启冷却设备，下表是磷酸铁锂电池监控阈值：
告警类型 恢复值 1级阈值 2级阈值 3级阈值 4级阈值 持续时间(s)
单体过压(mV) 3350 3600 3630 3690 3750 4
单体欠压(mV) 3200 3020 2900 2800 2700 4
总压过压(0.01V) N*335 N*360 N*363 N*369 N*375 4
总压欠压(0.01V) N*320 N*302 N*290 N*280 N*270 4
充电过流(A) --- 0.8C 0.9C 0.95C 1C 8
放电过流(A) --- 1.5C 1.7C 1.8C 2C 8
充电过温(℃) 40 42 43 44 45 4
充电欠温(℃) 5 4 3 2 0 4
放电过温(℃) 55 56 58 60 65 4
放电欠温(℃) -15 -15 -16 -18 -20 4
压差过大(mV) 80 120 160 --- ---
温差过大(℃) 10 10 15 20 --- 4
SOC过低(％1) 15 15 10 5 2 4
(3)电池剩余电量(SOC)精确计算：采用电流安时积分法、查表修正和温度补偿算法相结合，精确计算SOC，误差精度≤3％。
采用了区间放大电路结合抽取积分梳状滤波器(CIC)和加权平滑滤波的算法，有效的解决电流采样中出现的信号波动、信号扰强、信号温漂等不稳定问题，电流测量精度在±(0.2％FS+0.5％RD)，在采样率为50KHZ的情况下，滤波计算速度快，实时性高，滞后时间≤4ms。
通过每次充放电和电池容量历史变化信息，根据SOC的变化智能修正电池容量。
(4)电池健康状态智能分析：根据电池类型、电池剩余容量、充放电次数、通过充放电截止数据、历史工作环境温度、电池内阻估算的参数，对电池目前健康状态分析判断。
电池健康值SOH计算如式1：
SOH＝电池剩余容量/电池额定容量 (1)
目前，根据磷酸铁锂电池的特性，SOH值作为判断健康状态的确定条件，当 SOH≥80％为健康状态；当80％＞SOH≥60％为亚健康状态；当60％＞SOH≥45％为预警状态；当SOH＜45％为不健康状态；其余参数目前做出的智能分析只作为参考值。
(5)自动切换电池模块：安装电池模块会配备1-3组备用电池模块，根据电池模块的预警和故障、健康状况和寿命，选择寿命相近的电池模块工作，这样也不会因为个别电池模块出现故障影响BMS工作。
(6)语音控制：采用LD3320语音识别模块分别对设备名称和执行操作指令对比，采用DWT算法提高识别率，在95％以上，可以通过人工录入命令语音(最多50条)，目前只支持普通话语音交互，在工作中，可以对录入命令的BMS和家庭设备语音控制。
(7)显示和设置功能：可以在显示屏、服务器网页和APP终端设备上查看 BMS装置的实时工作数据、工作状态、电池组详细信息、当前设备配置信息、家居子设备信息、统计信息和历史记录，也可以对设备进行控制、设置设备的工作状态。
(8)数据存储：对BMS装置的工作信息、通信交互信息、状态信息进行存储，采用USBOTG原理对设备USB存储；采用FATFS原理对SD卡存储，目前最大存储容量为256G。
(9)家庭设备智能管理控制：家居设备可以通过家庭网关接入BMS，家居设备接入包括直接接入和通过接入模块接入两种方式，直接接入设备需要符合 FxLink协议，非智能设备可以通过入网模块接入，本实例中包括了以下设备：
①智能水表：实时将阀门开关状态、流量、转速信息上传，系统可对总体家庭用水信息统计分析和对水表开关阀门控制，并且具有水表故障和漏水告警；
②智能环境监测设备：包括温度检测、湿度检测、PM2.5检测和甲醛浓度检测，实时信息显示在APP终端设备上，可设置告警值和告警操作，比如温度、湿度过高告警，可开启空调；PM2.5和甲醛浓度告警，可开启净化器；
③智能空调：将实时工作状态、温度、电流和电压信息上传，系统也可对空调实时控制；
④智能热水器：将实时工作状态、水温、电流和电压信息上传，系统也可对热水器实时控制；
⑤窗帘、照明等非智能设备：对非智能不具有接入家庭网关的设备，可以通过入网模块接入，入网模块具备电源开关功能，可查询和控制设备的开关状态。
家庭设备进入BMS后，可以通过显示屏、APP终端设备查看状态、智能分析结果、统计结果，并且可以人工操作和语音命令方式实时有效控制；在APP 终端设备上，可以设置情景模式对设备分类操作，目前支持设置50种组合，比如回家模式，可设置打开空调、不同的照明设施和关闭巡检摄像头设备。
(10)家庭用电智能分析控制：可对家庭总体用电和进入BMS家庭网络的家居设备的历史用电频率、时间、电量结合设备信息智能分析，对保护和预警提供有效信息。根据设备种类可在本地显示屏、服务器和APP终端设备上查看，也可以对设备进行智能监控、操作和保护，比如APP终端查看设备状态、远程设备根据设置情景模式启停和设备漏电保护。

Claims (5)

1.一种智慧家庭生活管理系统，其特征在于，包括BMS智能管理设备、无线通信设备、PCS设备、家庭设备接入模块、家居设备、云服务器和APP终端设备；所述BMS智能管理设备包括电池模块、电池采集保护模块和智能集中控制器；所述家庭设备接入模块包括家庭网关和模块接入设备；所述家居设备包括智能家居和非智能家居；
所述电池模块与电池采集保护模块有线连接，电池模块之间根据需要或并联或串联，电池采集保护模块与智能集中控制器有线连接，智能集中控制器无线连接家庭网关、模块接入设备和无线通信设备，所述智能家居通过家庭网关接入到BMS智能管理设备联网，非智能家居通过模块接入设备接入到BMS智能管理设备联网，所述无线通信设备与云端服务器无线连接，云端服务器与APP终端设备无线连接，智能集中控制器与PCS设备一端有线连接，PCS设备的另一端连接电池模块。
2.根据权利要求1所述的一种智慧家庭生活管理系统，其特征在于，所述电池模块，包括电池PACK组和电池硬件保护电路，电池组根据所需电压和容量选择电池数量和连接方式，并且与PCS设备连接，实现电池充放电功能；电池硬件保护电路，有过压、过流、过温、短路和漏电保护，实现电池硬件保护功能。
3.根据权利要求1所述的一种智慧家庭生活管理系统，其特征在于，所述电池采集保护模块包括电池模块硬件保护电路和导通控制电路，使其具有选择连接电池模块和跨接下一组电池模块的功能，使得电池模块连接独立，通过isoSPI总线，采用菊花链模式将每一组电池采集保护装置连接。
4.根据权利要求1所述的一种智慧家庭生活管理系统，其特征在于，所述家庭网关，通过LORA方式，提出FxLink协议，将家庭设备接入到BMS智能管理设备联网；所述模块接入设备，非智能设备可以通过入网模块接入。
5.根据权利要求1所述的一种智慧家庭生活管理系统，其特征在于，所述智能集中控制器通过isoSPI总线，与所有的电池采集保护模块通信、控制，完成采集所有电池组的单体电压、总体电压、温度、电流电池基本信息、过压、过流、过温、短路和漏电的保护信息和采集芯片温度、模拟电源电压、数字电源电压、采集基准电压、单体电压欠过压硬保护信息。
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