CN220210018U - 一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及海上风力技术领域，尤其涉及一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，包括ESP32控制模块、通信模块和电池监测模块；通信模块和电池监测模块分别与ESP32控制模块电连接；通过通信模块与上位机建立通讯连接，从而实现与远端的数据交互，通过ESP32控制模块实现对电源管理系统中的继电器开关模块的运行状态进行控制并且通过自带的近场通讯装置与邻近的船载平台建立通讯连接。采用基于ESP32的低功耗控制模块能够对多种发电、用电设施进行远程开关控制和用电情况监测。ESP32控制器带有的WIFI和蓝牙通信接口，能够直接在WIFI信号覆盖范围内的邻近船舶上进行对管理系统的稳定调试和设备监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及海上风力技术领域，尤其涉及一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块。
背景技术
基于海上平台上的观测系统主要有环境监测设备(如波浪观测、气象观测、环境观测设备等)、监控摄像头及安全报警装置等，以及用于海上风电平台上的运维辅助用电设施。目前这些设施的供电不直接通过依附的基础(如海上风机)进行供电，而是采用设备自带供电系统的方式进行供电，如海浪观测、气象观测目前一般采用自带太阳能发电、蓄电池蓄电的供电方式。然而，目前无法根据实际发电、用电情况对用电设施进行远程控制和监测。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，通过对电池进行监测，再反馈至远端，进而实现对用电设施进行远程控制和监测。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，包括ESP32控制模块、通信模块和电池监测模块；所述通信模块和电池监测模块分别与ESP32控制模块电连接；所述通信模块用于与上位机及云端建立通讯连接，所述ESP32控制模块用于与电源管理系统中的继电器开关模块电连接，所述ESP32控制模块集成有近场通讯装置且用于与邻近的船载平台建立通讯连接。
进一步的，所述电池监测模块包括电压电流监测模块和温度测量模块；
所述电压电流监测模块包括检测芯片U3，所述检测芯片U3与蓄电池电连接，所述检测芯片U3与ESP32控制模块电连接；
所述温度测量模块包括温度测量芯片U4，所述温度测量芯片U4与ESP32控制模块电连接；所述温度测量芯片U4的测量端对应蓄电池位置设置。
进一步的，所述电压电流监测模块还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和电容C3；所述检测芯片U3的型号为INA219B，所述检测芯片U3的第八引脚通过电阻R2接地，所述检测芯片U3的第八引脚通过电容C3接5V电源，所述检测芯片U3的第七引脚通过电阻R1接地，所述检测芯片U3的第七引脚通过电容C2接5V电源，所述检测芯片U3的第六引脚通过电阻R3接5V电源，所述检测芯片U3的第五引脚通过电阻R4接5V电源，所述检测芯片U3的第四引脚通过电容C1接地，所述检测芯片U3的第一引脚和第二引脚分别与蓄电池电连接并且所述检测芯片U3的第一引脚和第二引脚之间并联一电阻R5；
所述检测芯片U3的第五引脚和第六引脚分别与ESP32控制模块电连接。
进一步的，所述温度测量模块还包括电阻R6、电阻R7和电阻R8；
所述温度测量芯片U4的型号为MCP9808；所述温度测量芯片U4的第一引脚、第二引脚和第三引脚分别与ESP32控制模块电连接；
所述温度测量芯片U4的第五引脚通过电阻R6接地；所述温度测量芯片U4的第六引脚通过电阻R8接地；所述温度测量芯片U4的第七引脚通过电阻R7接地。
进一步的，还包括变压稳压模块，所述变压稳压模块与ESP32控制模块电连接。
进一步的，所述继电器开关模块包括光耦芯片U5、三极管Q1和继电器K；所述光耦芯片U5一端与ESP32控制模块电连接，所述光耦芯片U5另一端通过三极管Q1与继电器K电连接。
进一步的，所述光耦芯片U5另一端与三极管Q1的基极电连接，所述三极管Q1的集电极与继电器K电连接。
进一步的，所述继电器开关模块还包括电阻R9，所述光耦芯片U5一端通过电阻R9与ESP32控制模块电连接。
进一步的，所述继电器开关模块还包括电阻R10、电阻R11和二极管D1；所述光耦芯片U5另一端分别与电阻R10的一端和电阻R11的一端电连接，所述电阻R10的另一端与二极管D1的正极电连接，所述二极管D1的负极接地，所述电阻R11的另一端与三极管Q1的基极电连接。
进一步的，所述继电器开关模块还包括二极管D2；所述二极管D2并联于所述继电器K的两端，且所述二极管D2的正极与三极管Q1的集电极电连接，所述二极管D2的负极与VCC电源电连接。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，包括ESP32控制模块、通信模块和电池监测模块；所述通信模块和电池监测模块分别与ESP32控制模块电连接；通过通信模块与上位机建立通讯连接，从而实现与远端的数据交互，通过ESP32控制模块实现对电源管理系统中的继电器开关模块的运行状态进行控制并且通过自带的近场通讯装置与邻近的船载平台建立通讯连接。通过对电源管理系统中的电池进行监测再反馈至远端，以及采用基于ESP32的低功耗控制模块能够对多种发电、用电设施进行远程开关控制和用电情况监测。ESP32控制器带有的WIFI和蓝牙通信接口，避免了需要在平台上进行设备调试更新，能够直接在WIFI信号覆盖范围内的邻近船舶上进行对管理系统的稳定调试和设备监测。
附图说明
图1所示为本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块的ESP32控制模块的引脚图；
图2所示为本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块的通信模块的引脚图；
图3所示为本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块的电压电流监测模块的电路连接图；
图4所示为本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块的温度测量模块的电路连接图；
图5所示为本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块的继电器开关模块的电路连接图。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1至图5所示，本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，包括ESP32控制模块、通信模块和电池监测模块；所述通信模块和电池监测模块分别与ESP32控制模块电连接；所述通信模块用于与上位机建立通讯连接，所述ESP32控制模块用于与电源管理系统中的继电器开关模块电连接，所述ESP32控制模块集成有近场通讯装置且用于与邻近的船载平台建立通讯连接。
从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，包括ESP32控制模块、通信模块和电池监测模块；所述通信模块和电池监测模块分别与ESP32控制模块电连接；通过通信模块与上位机建立通讯连接，从而实现与远端的数据交互，通过ESP32控制模块实现对电源管理系统中的继电器开关模块的运行状态进行控制并且通过自带的近场通讯装置与邻近的船载平台建立通讯连接。通过对电源管理系统中的电池进行监测再反馈至远端，以及采用基于ESP32的低功耗控制模块能够对多种发电、用电设施进行远程开关控制和用电情况监测。ESP32控制器带有的WIFI和蓝牙通信接口，避免了需要在平台上进行设备调试更新，能够直接在WIFI信号覆盖范围内的邻近船舶上进行对管理系统的稳定调试和设备监测。
进一步的，所述电池监测模块包括电压电流监测模块和温度测量模块；
所述电压电流监测模块包括检测芯片U3，所述检测芯片U3与蓄电池电连接，所述检测芯片U3与ESP32控制模块电连接；
所述温度测量模块包括温度测量芯片U4，所述温度测量芯片U4与ESP32控制模块电连接；所述温度测量芯片U4的测量端对应蓄电池位置设置。
从上述描述可知，通过上述结构设计，实现对蓄电池的电压、电流以及环境温度的检测。
进一步的，所述电压电流监测模块还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和电容C3；所述检测芯片U3的型号为INA219B，所述检测芯片U3的第八引脚通过电阻R2接地，所述检测芯片U3的第八引脚通过电容C3接5V电源，所述检测芯片U3的第七引脚通过电阻R1接地，所述检测芯片U3的第七引脚通过电容C2接5V电源，所述检测芯片U3的第六引脚通过电阻R3接5V电源，所述检测芯片U3的第五引脚通过电阻R4接5V电源，所述检测芯片U3的第四引脚通过电容C1接地，所述检测芯片U3的第一引脚和第二引脚分别与蓄电池电连接并且所述检测芯片U3的第一引脚和第二引脚之间并联一电阻R5；
所述检测芯片U3的第五引脚和第六引脚分别与ESP32控制模块电连接。
从上述描述可知，检测芯片U3的型号为INA219B，将其第五引脚和第六引脚分别与ESP32控制模块电连接，实现检测控制以及数据反馈。
进一步的，所述温度测量模块还包括电阻R6、电阻R7和电阻R8；
所述温度测量芯片U4的型号为MCP9808；所述温度测量芯片U4的第一引脚、第二引脚和第三引脚分别与ESP32控制模块电连接；
所述温度测量芯片U4的第五引脚通过电阻R6接地；所述温度测量芯片U4的第六引脚通过电阻R8接地；所述温度测量芯片U4的第七引脚通过电阻R7接地。
从上述描述可知，温度测量芯片U4的型号为MCP9808，所述温度测量芯片U4的第一引脚、第二引脚和第三引脚分别与ESP32控制模块电连接，实现检测控制以及数据反馈。具体的，采用MCP9808的I2C接口与ESP32模块IO接口相连，添加适应的拉升电阻，该模块感热部分采用导热线、导热胶与电池外表面粘合。
进一步的，还包括变压稳压模块，所述变压稳压模块与ESP32控制模块电连接。
进一步的，所述继电器开关模块包括光耦芯片U5、三极管Q1和继电器K；所述光耦芯片U5一端与ESP32控制模块电连接，所述光耦芯片U5另一端通过三极管Q1与继电器K电连接。
从上述描述可知，通过上述电路设计，实现ESP32控制模块与继电器K的交互。
进一步的，所述光耦芯片U5另一端与三极管Q1的基极电连接，所述三极管Q1的集电极与继电器K电连接。
进一步的，所述继电器开关模块还包括电阻R9，所述光耦芯片U5一端通过电阻R9与ESP32控制模块电连接。
进一步的，所述继电器开关模块还包括电阻R10、电阻R11和二极管D1；所述光耦芯片U5另一端分别与电阻R10的一端和电阻R11的一端电连接，所述电阻R10的另一端与二极管D1的正极电连接，所述二极管D1的负极接地，所述电阻R11的另一端与三极管Q1的基极电连接。
进一步的，所述继电器开关模块还包括二极管D2；所述二极管D2并联于所述继电器K的两端，且所述二极管D2的正极与三极管Q1的集电极电连接，所述二极管D2的负极与VCC电源电连接。
请参照图1至图5所示，本实用新型的实施例一为：
海上附属物的风光互补用电系统主要包括支架及支持结构、小型风力发电机、太阳能发电板、蓄电池、风力发电机控制器、太阳能发电板控制器、逆变器、电源管理系统等。本方案是针对电源管理系统中的蓄电池端的边缘模块。
电源管理模块支持的小型风力发电机功率为200W-2KW范围，太阳能发电板功率为100W-1000W。风力发电机控制器用于实现风机的三相交流电整流后接入12V或24V蓄电池，并且同时用于实现蓄电池的过冲保护及风机自动刹车制动，一个控制器只能控制一个小型风力发电机。太阳能板控制器用于实现太阳能板和蓄电池的交互，用于蓄电池的过充保护，一个太阳能控制器可实现多个太阳能板控制。
电源管理系统主要包括：继电器开关模块、变压稳压模块、4G或NB-IOT通信模块、电池监测模块、ESP32控制模块等边缘端以及上位机等服务端。
电池监测模块由模数转换、二次电源变换、指令输出接口电路等组成，接受ESP32控制模块控制，实现电池状态数据采集；
继电器开关模块用于风电和光伏控制器和蓄电池的连接控制开关和用电设施等负载的控制开关，接受ESP32控制模块控制；
4G通信模块用于ESP32控制模块的通信拓展，用于将电池监测信号及继电器开关模块控制指令进行远程交互；
ESP32控制模块负责实现指令收发及控制处理功能。ESP32控制模块还包括WIFI及蓝牙通讯接口，通信模块以NB-IOT或4G方式与上位机或云端进行交互。
电源管理系统主要是实现多个继电器控制以及电池状态的监测。设备安装时，继电器模块是分布接线在已有的供电或用电设备的开关位置，并且接受电源管理系统的控制，系统边缘端与蓄电池并联，作为一个负载接入。除继电器外，其他模块集成为一体式的边缘模块，模块电路板外壳接地，安装于蓄电池保护箱内，但通讯模块天线为外置。
注意事项：当在已有设施上布放本系统时，需要注意分散的继电器开关模块接入时需要进行评估与调整，满足接入电路和本模块不冲突，边缘模块和分散继电器开关模块必须做好防水、防潮、防盐措施。
边缘模块控制流程：
在边缘模块的ESP32 MCU中写入了电池的实时电量计算、电量预测、预警程序，当出现预警程序中的紧急制动情况时，MCU控制特定的继电器开关模块进行电路通断控制。MCU将电池的实时、预测、预警制动情况通过板载或外置WIFI天线对在海上平台邻近的运维人员进行广播，当运维船舶靠近该边缘模块的WIFI信号范围内时，数据自动上传至该船舶端服务器。
本实用新型的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，包括ESP32控制模块、通信模块和电池监测模块；所述通信模块和电池监测模块分别与ESP32控制模块电连接；所述通信模块用于与上位机及云端建立通讯连接，所述ESP32控制模块用于与电源管理系统中的继电器开关模块电连接，所述ESP32控制模块集成有近场通讯装置且用于与邻近的船载平台建立通讯连接。其中，近场通讯装置为WIFI及蓝牙。
所述电池监测模块包括电压电流监测模块和温度测量模块；
所述电压电流监测模块包括检测芯片U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和电容C3；在本实施例中，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的阻值均为10KΩ，电阻R5的规格为0.1R，电容C1、电容C2和电容C3的容值均为1μF。
所述检测芯片U3与蓄电池电连接，所述检测芯片U3与ESP32控制模块电连接；具体的：
所述检测芯片U3的型号为INA219B，所述检测芯片U3的第八引脚(A1)通过电阻R2接地，所述检测芯片U3的第八引脚通过电容C3接5V电源，所述检测芯片U3的第七引脚(A0)通过电阻R1接地，所述检测芯片U3的第七引脚通过电容C2接5V电源，所述检测芯片U3的第六引脚(SDA)通过电阻R3接5V电源，所述检测芯片U3的第五引脚(SCL)通过电阻R4接5V电源，所述检测芯片U3的第四引脚(VS)通过电容C1接地，所述检测芯片U3的第三引脚(GND)接地，所述检测芯片U3的第一引脚(IN+)和第二引脚(IN-)分别与蓄电池电连接并且所述检测芯片U3的第一引脚和第二引脚之间并联一电阻R5；所述检测芯片U3的第五引脚和第六引脚分别与ESP32控制模块电连接。所述温度测量模块包括温度测量芯片U4、电阻R6、电阻R7和电阻R8，所述温度测量芯片U4与ESP32控制模块电连接；所述温度测量芯片U4的测量端对应蓄电池位置设置。在本实施例中，电阻R6、电阻R7和电阻R8的阻值均为10KΩ。
所述温度测量芯片U4的型号为MCP9808；所述温度测量芯片U4的第一引脚(SDA)、第二引脚(SCL)和第三引脚(ALERT)分别与ESP32控制模块电连接；所述温度测量芯片U4的第四引脚(GND)接地。
所述温度测量芯片U4的第五引脚(A2)通过电阻R6接地；所述温度测量芯片U4的第六引脚(A1)通过电阻R8接地；所述温度测量芯片U4的第七引脚(A0)通过电阻R7接地。
还包括变压稳压模块，所述变压稳压模块与ESP32控制模块电连接。
所述继电器开关模块包括光耦芯片U5、三极管Q1和继电器K；所述光耦芯片U5一端与ESP32控制模块电连接，所述光耦芯片U5另一端通过三极管Q1与继电器K电连接。
具体的，所述光耦芯片U5另一端与三极管Q1的基极电连接，所述三极管Q1的集电极与继电器K电连接。所述继电器开关模块还包括电阻R9，所述光耦芯片U5一端通过电阻R9与ESP32控制模块电连接。所述继电器开关模块还包括电阻R10、电阻R11和二极管D1；所述光耦芯片U5另一端分别与电阻R10的一端和电阻R11的一端电连接，所述电阻R10的另一端与二极管D1的正极电连接，所述二极管D1的负极接地，所述电阻R11的另一端与三极管Q1的基极电连接。所述继电器开关模块还包括二极管D2；所述二极管D2并联于所述继电器K的两端，且所述二极管D2的正极与三极管Q1的集电极电连接，所述二极管D2的负极与VCC电源电连接。
上述的继电器开关模块采用电磁继电器，主要包括信号输入端、电源接入端、负载接入端、二极管电路保护元件等，信号输入端接入ESP32控制模块，电路图如图5，该模块可根据实际需要进行4-8路继电器拓展或集成，也可单独分离使用。
变压稳压模块实现0-40V直流转5V稳压直流，并提供电压瞬态和电涌保护，过压和过流保护，采用机械方式固定散热片。
电池监测模块通常包括电压、电流测量电路、温度测量电路、通信接口(接入ESP32控制模块)。电压电流监测采用INA219B，将其I2C的SDA和SCL连接ESP32的IO。温度测量模块用于测量电池外环境温度，采用MCP9808的I2C接口与ESP32模块IO接口相连，添加适应的拉升电阻，该模块感热部分采用导热线、导热胶与电池外表面粘合。
ESP32控制模块内置WIFI和蓝牙，4G通讯模块的RXD、TXD与ESP32控制模块的TXD0、RXD0硬件串口连接；与继电器开关模块采用IO口进行通信控制；与SD卡存储采用SDIO/SD/MMC口连接，MCU采用ESP32 S3，也可采用其他适宜ESP32替代。
综上所述，本实用新型提供的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，包括ESP32控制模块、通信模块和电池监测模块；所述通信模块和电池监测模块分别与ESP32控制模块电连接；通过通信模块与上位机建立通讯连接，从而实现与远端的数据交互，通过ESP32控制模块实现对电源管理系统中的继电器开关模块的运行状态进行控制并且通过自带的近场通讯装置与邻近的船载平台建立通讯连接。通过对电源管理系统中的电池进行监测再反馈至远端，以及采用基于ESP32的低功耗控制模块能够对多种发电、用电设施进行远程开关控制和用电情况监测。ESP32控制器带有的WIFI和蓝牙通信接口，避免了需要在平台上进行设备调试更新，能够直接在WIFI信号覆盖范围内的邻近船舶上进行对管理系统的稳定调试和设备监测。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，包括ESP32控制模块、通信模块和电池监测模块；所述通信模块和电池监测模块分别与ESP32控制模块电连接；所述通信模块用于与上位机及云端建立通讯连接，所述ESP32控制模块用于与电源管理系统中的继电器开关模块电连接，所述ESP32控制模块集成有近场通讯装置且用于与邻近的船载平台建立通讯连接；
所述电池监测模块包括电压电流监测模块和温度测量模块；
所述电压电流监测模块包括检测芯片U3，所述检测芯片U3与蓄电池电连接，所述检测芯片U3与ESP32控制模块电连接；
所述温度测量模块包括温度测量芯片U4，所述温度测量芯片U4与ESP32控制模块电连接；所述温度测量芯片U4的测量端对应蓄电池位置设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，所述电压电流监测模块还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和电容C3；所述检测芯片U3的型号为INA219B，所述检测芯片U3的第八引脚通过电阻R2接地，所述检测芯片U3的第八引脚通过电容C3接5V电源，所述检测芯片U3的第七引脚通过电阻R1接地，所述检测芯片U3的第七引脚通过电容C2接5V电源，所述检测芯片U3的第六引脚通过电阻R3接5V电源，所述检测芯片U3的第五引脚通过电阻R4接5V电源，所述检测芯片U3的第四引脚通过电容C1接地，所述检测芯片U3的第一引脚和第二引脚分别与蓄电池电连接并且所述检测芯片U3的第一引脚和第二引脚之间并联一电阻R5；
所述检测芯片U3的第五引脚和第六引脚分别与ESP32控制模块电连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，所述温度测量模块还包括电阻R6、电阻R7和电阻R8；
所述温度测量芯片U4的型号为MCP9808；所述温度测量芯片U4的第一引脚、第二引脚和第三引脚分别与ESP32控制模块电连接；
所述温度测量芯片U4的第五引脚通过电阻R6接地；所述温度测量芯片U4的第六引脚通过电阻R8接地；所述温度测量芯片U4的第七引脚通过电阻R7接地。
4.根据权利要求1所述的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，还包括变压稳压模块，所述变压稳压模块与ESP32控制模块电连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，所述继电器开关模块包括光耦芯片U5、三极管Q1和继电器K；所述光耦芯片U5一端与ESP32控制模块电连接，所述光耦芯片U5另一端通过三极管Q1与继电器K电连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，所述光耦芯片U5另一端与三极管Q1的基极电连接，所述三极管Q1的集电极与继电器K电连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，所述继电器开关模块还包括电阻R9，所述光耦芯片U5一端通过电阻R9与ESP32控制模块电连接。
8.根据权利要求6所述的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，所述继电器开关模块还包括电阻R10、电阻R11和二极管D1；所述光耦芯片U5另一端分别与电阻R10的一端和电阻R11的一端电连接，所述电阻R10的另一端与二极管D1的正极电连接，所述二极管D1的负极接地，所述电阻R11的另一端与三极管Q1的基极电连接。
9.根据权利要求6所述的一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块，其特征在于，所述继电器开关模块还包括二极管D2；所述二极管D2并联于所述继电器K的两端，且所述二极管D2的正极与三极管Q1的集电极电连接，所述二极管D2的负极与VCC电源电连接。
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Publications (1)
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| CN220210018U true CN220210018U (zh) | 2023-12-19 |
Family
ID=89138242
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202320806763.XU Active CN220210018U (zh) | 2023-04-12 | 2023-04-12 | 一种用于海上平台附属物的电源管理系统的边缘模块 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-04-12 CN CN202320806763.XU patent/CN220210018U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
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