直流电源系统、及其监控方法与流程

本发明属于直流电源
技术领域：
，尤其涉及一种支持故障诊断的直流电源系统、及其监控方法。
背景技术：
：海洋仪器装备中，负载形式多样，为保障长时间稳定运行，一般必须带有电源管理系统或直流供电单元。目前常见的形式为储能电池结合dc-dc变换器结构。其中，储能电池一般为不可充电的锂电池或者可多次充电的锂离子电池两种。不可充电的锂一次电池一般用于argo浮标、水下滑翔机等领域，电池成组后通过相应的dc-dc变换器得到仪器电路所需的电压等级，对整个电路进行供电，总供电功率较小。锂一次电池在放电完毕后，随设备抛弃或者回收至岸上或母船后抛弃。锂一次电池不仅经济性较差，处置不当甚至会造成一定的环境污染。由于锂一次电池是一次性使用，这类供电系统中并没有包含对电池、变换器或者负载的监测，因此无法获得供电系统本身工作状态、健康状态或者故障状态的准确信息。可多次充电的锂离子电池的优点是能量密度大、可大倍率放电、可重复充放电，目前主要用于各类无人船、rov、auv等电推进领域。第一类直流供电系统类似，电池成组后通过dc-dc变换器得到负载所需的电压，可提供中等功率的直流电源输出。这类直流电源系统一般会配备锂离子电池组保护、均衡和剩余容量(soc)估计电路，仅对锂离子电池的状态做出被动监测，且缺乏对整个电源系统内各变换器、负载状态的监测。因此这类系统也无法获得整个电源系统中各部件详细的工作状态、故障状态信息。第二类直流电源系统用于大型船舶、水面或水下平台的直流供电系统，一般是直流微网，与陆地直流微网的结构十分类似。这类直流电源系统中一般带有完善的继电保护、监测系统，但该直流电源系统一般为成品，用户难以根据需求自由增减功能，且由于其结构复杂、体积较大，难以直接用于一般海洋仪器装备中。而且，海洋仪器装备工作环境恶劣，其供电系统和各类负载极易出现故障。若电源故障不能及时定位、隔离，则会影响整个仪器装备的可靠性。因此，有必要研究一种带有故障诊断功能的直流供电系统，能够对电源系统内部各部件、储能电池、各类负载进行实时监控，并根据监控数据做出故障定位，主动进行故障隔离。技术实现要素：本发明在上述不足的基础上提供了一种直流电源系统、及其监控方法，采用该系统，能够对电源系统内部各部件、储能电池、各类负载进行实时监控，并根据监控数据做出故障定位，主动进行故障隔离。为了实现上述目的，本发明提供了一种直流电源系统，包括硬件部分，所述硬件部分包括外部储能电池组、上位机、开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元；所述开关电源单元包括开关电源模块、开关电源检测模块，所述开关电源模块用于将交流输入电源电压转换为直流输入母线电压，为直流电源系统供电；所述开关电源检测模块与所述开关电源模块连接，用于监控所述开关电源状态；所述外部储能电池组接入直流输入母线，用于稳定直流输入母线电压，并在所述开关电源模块故障时为直流电源系统供电；所述电源管理单元与所述开关电源单元、外部储能电池组、上位机、稳压与分流器单元连接；所述电源管理单元包括恒压限流dc-dc单元、辅助电源单元、主控单元；所述恒压限流dc-dc单元包括恒压限流dc-dc变换模块与恒压限流检测模块；所述开关电源模块通过所述恒压限流dc-dc变换模块连接至直流输入母线；所述恒压限流检测模块与所述恒压限流dc-dc变换模块连接，用于监控所述恒压限流dc-dc变换模块状态；所述辅助电源单元包括辅助电源模块与辅助电源检测模块，所述辅助电源模块连接至所述恒压限流dc-dc变换模块输出端，用于在所述开关电源模块与外部储能电池组故障时为所述电源管理单元、稳压与分流器单元供电；所述辅助电源检测模块与所述辅助电源模块连接，用于监控所述辅助电源模块状态；所述主控单元与所述开关电源检测模块、恒压限流检测模块、辅助电源检测模块、稳压与分流器单元连接，用于接收所述开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各检测模块采集的状态信息，进行故障诊断与隔离；所述稳压与分流器单元包括dc-dc稳压单元、分流器单元；所述dc-dc稳压单元包括至少一个电压等级的稳压dc-dc变换模块，各稳压dc-dc变换模块与所述电源管理单元连接，用于输出至少一个电压等级的直流稳压电源；所述分流器单元包括宽压输出分流器、至少一个稳压输出分流器；所述宽压输出分流器通过直流输入母线连接所述电源管理单元与外部宽压负载；各稳压dc-dc变换模块通过一个稳压输出分流器连接至外部负载。优选的，所述开关电源检测模块包括第一继电器、第一继电器驱动模块、第一电压电流测量模块、以及第一单片机模块；所述开关电源模块的直流输出端连接至第一继电器；所述第一继电器驱动模块连接所述第一单片机模块与所述第一继电器，用于控制所述第一继电器的通断；所述第一电压电流测量模块连接至所述开关电源模块的直流输出端，用于采集所述开关电源模块的输出电压、电流信息并传输至第一单片机模块。优选的，所述恒压限流检测模块包括第二电压电流测量模块、电流控制模块和第二单片机模块；所述恒压限流dc-dc变换模块通过所述第一继电器与所述开关电源模块输出端连接；所述第二电压电流测量模块连接所述恒压限流dc-dc变换模块输出端，用于采集所述恒压限流dc-dc变换模块的输出电压、电流信息并传输至第二单片机模块；所述电流控制模块连接所述第二单片机模块与所述恒压限流dc-dc变换模块，用于控制所述恒压限流dc-dc变换模块的限流值。优选的，所述辅助电源模块包括第一dc-dc变换模块、ups模块、第二dc-dc变换模块、内部储能电池组、黑启动开关；所述第一dc-dc变换模块接入直流输入母线，所述第一dc-dc变换模块输出端连接所述ups模块输入端，所述内部储能电池组连接所述ups模块输入端，所述ups模块输出端连接所述黑启动开关，所述黑启动开关输出端连接至所述第二dc-dc变换模块，所述第二dc-dc变换模块用于输出不同电压等级的辅助电源电压，为所述电源管理单元、稳压与分流器单元供电；所述辅助电源检测模块包括第三电压电流测量模块、第四电压电流测量模块、第五电压电流测量模块、以及第三单片机模块；所述第三电压电流测量模块连接所述第一dc-dc变换模块输出端，用于采集所述第一dc-dc变换模块的输出电压、电流信息并传输至所述第三单片机模块；所述第四电压电流测量模块连接所述内部储能电池组输出端，用于采集所述内部储能电池组的输出电压、电流信息并传输至所述第三单片机模块；所述第五电压电流测量模块连接所述黑启动开关输出端，用于采集所述黑启动开关的输出电压、电流信息并传输至所述第三单片机模块。优选的，所述电源管理单元还包括电池组均衡与保护单元；所述电池组均衡与保护单元包括保护均衡模块、第二继电器、第二继电器驱动模块、第四单片机模块、以及第六电压电流测量、第七电压电流测量模块；所述保护均衡模块接入所述外部储能电池组的中间抽头，用于检测单体电池电压、以及保护和均衡；所述保护均衡模块通过所述第二继电器接入直流输入母线；所述第二继电器驱动模块连接所述第二继电器与所述第四单片机模块，用于控制所述第二继电器的通断；所述第六电压电流测量模块连接所述保护均衡模块，用于采集所述保护均衡模块的输出电压、电流信息并传输至所述第四单片机模块；所述第七电压电流测量模块连接所述外部储能电池组的中间抽头，用于采集所述外部储能电池组的中间抽头电压并传输至所述第四单片机模块。优选的，所述主控单元包括fpga主控模块、can总线模块、串口驱动模块；所述can总线模块包括第一路can总线、第二路can总线；所述第一单片机模块、第二单片机模块、第三单片机模块、以及第四单片机模块通过所述第一路can总线连接所述fpga主控模块；所述fpga主控模块通过所述第二路can总线连接环境监测模块，所述环境监测模块包括多个用于监测外部环境信息的传感器；所述上位机通过所述串口驱动模块接入所述fpga主控模块。优选的，所述宽压输出分流器包括第五单片机模块、第六单片机模块、多个第八电压电流测量模块、mos管驱动电路、双mos管、保险丝、辅助电源接口和负载接口；连接直流输入母线的每路负载输出通过双mos管进行开关控制，各双mos管连接直流输入母线，再通过保险丝和负载接口接至外部宽压负载；所述mos管驱动电路连接所述第六单片机模块与各双mos管，用于控制各双mos管的开关状态；各保险丝输出端分别连接一个第八电压电流测量模块，用于采集每路负载输出的外部宽压负载的电压、电流信息，并传输至第五单片机模块；所述宽压输出分流器的辅助电源接口接至所述电源管理单元的辅助电源输出接口；所述宽压输出分流器通过所述第一路can总线与所述fpga主控模块连接。优选的，所述稳压输出分流器包括第七单片机模块、第八单片机模块、第九单片机模块、多个第九电压电流测量模块、第十电压电流测量模块、多个第十一电压电流测量模块、mos管驱动电路、双mos管、保险丝、理想二极管、辅助电源接口和负载接口；各稳压dc-dc变换模块串联一个理想二极管模块构成直流稳压母线，各稳压dc-dc变换模块输出端分别连接一个第九电压电流测量模块，用于采集各稳压dc-dc变换模块输出的电压、电流信息并传输至第七单片机模块，对各稳压dc-dc变换模块状态进行监控；所述第十电压电流测量模块连接所述直流稳压母线，用于采集直流稳压母线电压、电流信息，并传输至第七单片机模块；连接直流稳压母线的每路负载输出通过双mos管进行开关控制，各双mos管连接直流稳压母线，再通过保险丝和负载接口接外部负载；所述mos管驱动电路连接所述第八单片机模块与各双mos管，用于控制各双mos管的开关状态；各保险丝输出端分别连接一个所述第十一电压电流测量模块，用于采集每路负载输出的外部负载的电压、电流信息，对各外部负载状态进行监控，并传输至所述第九单片机模块；各稳压输出分流器的辅助电源接口接至所述电源管理单元的辅助电源输出接口；各稳压输出分流器通过第一路can总线与所述fpga主控模块连接。优选的，所述的直流电源系统进一步包括软件部分，所述软件部分包括底层单片机软件模块、中间层can总线通信模块、顶层fpga软件模块；所述单片机软件模块运行于所述开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各单片机模块，用于读取各电压电流测量模块中电压电流测量值，并根据各电压电流测量模块中电压电流测量值进行初步故障诊断与故障隔离；所述can总线通信模块运行于所述开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各单片机模块、以及所述fpga主控模块，用于各单片机模块与所述fpga主控模块之间进行通信；所述fpga软件模块运行于所述fpga主控模块中，用于对所述开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各检测模块采集的状态信息、环境监测模块的信息进行轮询与故障诊断，并根据故障诊断信息进行故障分级，对故障模块进行隔离。本发明还提供了一种直流电源系统监控方法，采用所述的直流电源系统，包括：闭合黑启动开关，系统上电工作，fpga主控模块轮询外部储能电池组、开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各部件状态信息；若检测到开关电源模块输出电压、电流在给定时间内输出未达到正常值时，记录开关电源故障，保持第一继电器断开；若检测到外部储能电池组电压或者某一单体电压不正常时，记录外部储能电池组故障并立即断开第二继电器；若开关电源模块正常，电池组不正常，则开启恒压限流dc-dc变换模块，同时设定限流值为最大值；若开关电源正常，电池组正常，则根据外部储能电池组电压，确定限流值，然后开启恒压限流dc-dc变换模块；根据开关电源模块和外部储能电池组的状态，确定直流电源系统的工作模式；若检测到直流输入母线电压正常，则开启宽压输出分流器的双mos管，输出直流宽压电源电压；同时，判断直流稳压母线是否正常，若直流稳压母线正常，则开启稳压输出分流器的双mos管，输出直流稳压电源电压；系统上电完成后，fpga主控模块持续监测直流电源系统的外部储能电池组、开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各部件的电压电流信息，并对工作模式进行判断，进行故障诊断与隔离。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明提出一种可用于系统故障诊断的直流电源系统，该系统采用了硬件模块化、软件层次化设计，具有故障诊断与隔离功能，提高了整个电源系统的可靠性和安全性。(1)本电源系统的主电路上有开关电源模块、恒压限流dc-dc变换模块、稳压dc-dc变换模块、辅助电源模块、外部储能电池组，只要按需增加或更换dc-dc稳压电源模块，即可扩展或更改输出电压等级，不必修改电源管理部分的结构。(2)本电源系统采用内部统一的can总线通信及层次化软件设计，将底层的单片机测量与控制、上层的fpga主控进行了分层，中间通过统一的can总线通信进行连接。软件层次化设计方法降低了系统扩展或者修改过程中，软件开发和通讯协议开发的难度。(3)本电源系统通过对各模块的输入输出电压、电流进行监测，利用一定的故障诊断算法对模块可能发生的故障类型进行判断、对故障进行定位，并利用继电器、模块使能开关等将故障模块进行隔离。同时，对外部负载的电压、电流进行实时监测，在负载设备掉电、短路等故障时，通过mos管及时关断故障设备，保障供电系统安全。(4)本电源系统还设置了辅助电源，主电路掉电情况下，使单片机模块、电压电流测量模块、mos驱动等监控模块能够正常运行，从而能够对主电路进行检测、诊断和控制。由于辅助电源的存在，整个电源系统可直接通过黑启动开关开启监控、完成故障诊断功能。附图说明图1为本发明的直流电源系统整体框图；图2为本发明直流电源系统的开关电源单元、电源管理单元详细结构框图；图3为本发明直流电源系统的开关电源单元、电源管理单元功能简图；图4为本发明直流电源系统的电压电流测量模块电路结构图；图5为本发明直流电源系统的继电器驱动电路原理图；图6为本发明直流电源系统电流控制模块电路结构；图7为本发明直流电源系统的can总线电路结构图；图8为本发明直流电源系统的稳压与分流器单元详细结构框图；图9为本发明的直流电源系统的双mos管及其驱动电路结构图；图10为本发明的直流电源系统的软件分层设计图；图11为本发明的直流电源系统的单片机模块软件流程图；图12为本发明的直流电源系统的fpga模块软件流程图；图13为本发明的直流电源系统的上电监控流程图。具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本发明方案，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地描述，显然，所描述的实施例是本发明部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。本发明面向海洋仪器装备的直流供电应用场景，提供了一种支持故障诊断的多电压等级直流电源系统，其基本功能是将交流电源转变为多种电压等级的直流电，并通过锂离子电池组储能，在交流电源故障时依然可以完成直流电输出。并且该直流电源系统具有故障诊断与隔离功能，通过监控内部各电力电子模块、电池组以及各负载的电压、电流和部分温度数据，对各电力电子模块、电池组以及各负载的故障进行初步诊断，并根据故障情况隔离故障部件，从而提高了整个电源系统的可靠性和安全性。本实施例提供的一种直流电源系统，包括硬件部分与软件部分。一、硬件设计：本实施例对于硬件部分采用模块化设计，参考图1-图9所示，图1为直流电源系统的整体框图，该硬件部分包括外部储能电池组、上位机、开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元。具体的：(1)对于开关电源单元，参考图2所示，开关电源单元具体包括开关电源模块、开关电源检测模块；开关电源检测模块与开关电源模块连接，用于监控开关模块的状态信息，其包括第一继电器、第一继电器驱动模块、第一电压电流测量模块、以及第一单片机模块。开关电源模块的直流输出端连接至第一继电器，开关电源模块用于将交流输入电源电压转换为直流输入母线电压，为直流电源系统供电。第一电压电流测量模块连接至开关电源模块的直流输出端，用于采集开关电源模块的输出电压、电流信息并传输至第一单片机模块，对开关电源模块的输出电压、电流进行实时监测。第一继电器驱动模块连接第一继电器与第一单片机模块，用于控制第一继电器的通断。本实施例中开关电源模块选用宽范围交流输入、48v直流输出的型号，输入交流电压范围96～264vac，输出最大电流为42a，输出最大功率为2016w，标称效率92％。第一电压电流测量模块中电流测量采用检流电阻结合电流检测专用运放，电压测量采用分压网络结合电压检测仪器运放，电流和电压的运放输出接入高精度单端ad模块，由spi接口接入单片机模块，参考图4所示。其中，电流检测专用运放放大倍数20倍；检流电阻、分压网络的设计视待测电流、电压范围而定；用于电压测量的电压检测仪器运放为高阻输入型，具体放大倍数视设计而定；ad模块选用高精度、多通道单端输入、spi接口型ads1256模块，方便与单片机模块通信。上述各部分所需的5v、±12v以及3.3v供电，由辅助电源单元提供。第一继电器驱动模块采用光耦隔离结合三极管驱动方式，基本电路结构如图5所示，图5显示了一种用于驱动12v继电器的传统方案，低电平有效，元件选型需根据具体设计进行调整。若使用多个开关电源并联输出方式，应进行电源线、控制接口连接，每个开关电源模块对应一个交流输入接口，所有开关电源模块直流输出接口连在一起，利用第一电压电流模块测量电压电流后，接至第一继电器。本实施例中还设置了外部储能电池组，外部储能电池组选用带诊断接口的24v锂离子电池组，参考图1、图2。外部储能电池组与开关电源组成双电源，外部储能电池组接入直流输入母线，用于稳定直流输入母线电压，并在开关电源模块故障时为直流电源系统供电。(2)对于电源管理单元，参考图1、图2、图3所示，电源管理单元与开关电源单元、外部储能电池组、上位机、稳压与分流器单元连接；电源管理单元包括恒压限流dc-dc单元、辅助电源单元、电池组均衡与保护单元、主控单元。其中：①进一步参考图2所示，恒压限流dc-dc单元包括恒压限流dc-dc变换模块、恒压限流检测模块。恒压限流检测模块与恒压限流dc-dc变换模块连接，用于监控恒压限流检测模块的状态，其包括第二电压电流测量模块、电流控制模块和第二单片机模块。开关电源模块通过第一继电器、恒压限流dc-dc变换模块连接至直流输入母线。第二电压电流测量模块连接恒压限流dc-dc变换模块输出端，用于采集恒压限流dc-dc变换模块的输出电压、电流信息并传输至第二单片机模块。电流控制模块连接第二单片机模块与恒压限流dc-dc变换模块，用于控制恒压限流dc-dc变换模块的限流值。本实施例中恒压限流dc-dc变换模块采用buck型，要求额定输入dc9～60v，输出dc3～56v可调，标称最大功率500w，标称效率97％，多个恒压限流dc-dc变换模块可以直接并联连接。为提高输出功率，可将恒压限流dc-dc变换模块的输出接口直接并联接入直流母线。恒压限流dc-dc变换模块接口包括电流外部控制信号接口、主芯片使能控制接口、输出电流信号接口、外部同步信号接口、扩频调制选择接口、主芯片使能接口、gnd接口。单个恒压限流dc-dc变换模块的输出电流可直接使用输出电流信号接口提供的输出电流信号，同输出电压一起接入第二电压电流测量模块，如图2所示。本实施例中通过恒压限流dc-dc变换模块的调节电位器rx1，将输出电压固定为电池组最高允许电压值。利用电流控制模块给电流外部控制信号接口控制电压，用于控制恒压限流dc-dc变换模块的限流值。每个恒压限流dc-dc变换模块均需要配备一路电流控制模块，每路电流控制模块采用da模块结合电压检测仪器运放，如图6所示。本实施例中电流控制模块的da模块选用16位高精度数模转换模块dac8552，输出电压为0～5v，电压检测仪器运放根据设计电流需求和电流外部控制信号接口公式，确定放大倍数，da模块及电压检测仪器运放供电由辅助电源提供。第二电压电流测量模块、电流控制模块接入第二单片机模块的spi接口，主芯片使能控制接口和主芯片使能接口接入第二单片机模块的数字io口。②进一步参考图2所示，本实施例中辅助电源单元接至恒压限流dc-dc变换模块输出端，用于在开关电源模块与外部储能电池组故障时为开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各单片机模块、各电压电流测量模块、各mos驱动等监控部件供电，使系统在开关电源模块与外部储能电池组故障时，能够正常运行。辅助电源单元包括辅助电源模块、辅助电源检测模块。其中辅助电源模块包括第一dc-dc变换模块、ups模块，黑启动开关、第二dc-dc变换模块、内部储能电池组；辅助电源检测模块包括第三电压电流测量模块、第四电压电流测量模块、第五电压电流测量模块、以及第三单片机模块。其中：第一dc-dc变换模块接入直流输入母线，第一dc-dc变换模块输出端连接ups模块输入端，内部储能电池组连接ups模块输入端，ups模块输出端连接黑启动开关，黑启动开关输出端接至第二dc-dc变换模块，第二dc-dc变换模块用于输出不同电压等级的辅助电源电压，为开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各监控部件提供供电电源电压。第三电压电流测量模块连接第一dc-dc变换模块输出端，用于采集所述第一dc-dc变换模块的输出电压、电流信息并传输至第三单片机模块，对第一dc-dc变换模块进行监控。第四电压电流测量模块连接内部储能电池组输出端，用于采集内部储能电池组的输出电压、电流信息并传输至第三单片机模块，对内部储能电池组进行监控。第五电压电流测量模块连接黑启动开关输出端，用于采集黑启动开关的输出电压、电流信息并传输至第三单片机模块。本实施例中辅助电源给整个直流电源系统的监测、控制和通讯电路供电。第一dc-dc变换模块选用24v输入、5v稳压输出30w型模块k240506，其输出由第三电压电流测量模块进行监控。ups模块选用多个mp2636电源管理模块并联构成，其输入电压范围为4.5～6.0v，输出稳压5v，电池接口兼容3.7v锂离子电池，最大充电电压为4.2v，总输出功率30w。内部储能电池组选用3.7v并联锂离子电池组设计容量10ah，其输出由第四电压电流测量模块进行监控。黑启动开关选用自锁型，其输出由第五电压电流测量模块进行监控。黑启动开关由2芯防水插头引出电源系统箱。第二dc-dc变换模块包括5v转3.3v、5v转12v和5v转±12v等模块，其中：5v转3.3v模块选用buck型第二dc-dc变换模块，5v转12v和5v转±12v模块选用boost型第二dc-dc变换模块。本实施例中第三电压电流测量模块、第四电压电流测量模块以及第五电压电流测量模块结构同第一电压电流测量模块，如图4所示，第三电压电流测量模块、第四电压电流测量模块以及第五电压电流测量模块接入第三单片机模块的spi接口。③进一步参考图2所示，本实施例的电源管理单元中还配置了电池组均衡与保护单元，电池组均衡与保护单元用于监控外部储能电池组状态，其包括保护均衡模块、第二继电器、第二继电器驱动模块、第四单片机模块、以及第六电压电流测量、第七电压电流测量模块。其中：保护均衡模块接入外部储能电池组的中间抽头，用于检测单体电池电压、以及保护和均衡。保护均衡模块通过第二继电器接入直流输入母线；第二继电器驱动模块连接第二继电器与第四单片机模块，用于控制第二继电器的通断。第六电压电流测量模块连接保护均衡模块，用于采集保护均衡模块的输出电压、电流信息并传输至第四单片机模块。第七电压电流测量模块连接外部储能电池组的中间抽头，用于采集外部储能电池组的中间抽头电压并传输至第四单片机模块。本实施例中保护均衡模块选用100a同口型，该模块需要接入外部储能电池组中间抽头，用于检测单体电池电压，用于保护和均衡。保护均衡模块具有过充、过放电压保护、过电流保护、短路保护和温控保护。保护均衡模块由第六电压电流测量模块进行监控，通过第二继电器接入直流电源系统的直流母线。第二继电器驱动与第一继电器驱动相同，均采用光耦隔离结合三极管驱动方式，如图5所示。带有诊断接口的外部储能电池组中间抽头v0～v8的电压由8路第七电压电流测量模块进行监控，该部分采用ltc6804芯片实现，通过spi接口与第四单片机模块连接。④进一步参考图2所示，本实施例的电源管理单元中还设置了主控单元，该主控单元包括fpga主控模块、can总线模块、双sd卡模块和串口驱动模块。其中：can总线模块包括第一路can总线、第二路can总线。开关电源单元的第一单片机模块与电源管理单元的第二单片机模块、第三单片机模块、第四单片机模块通过第一路can总线连接fpga主控模块。fpga主控模块通过第二路can总线连接环境监测模块，环境监测模块包括多个用于监测外部环境信息的传感器。上位机通过串口驱动模块接入fpga主控模块，双sd卡模块连接fpga主控模块。本直流电源系统还配置了环境监测模块与外部环境监测接口，凡是符合can总线通讯协议的外部环境监测模块均可以通过外部环境监测接口直接接入直流电源系统。用户可以根据电源应用环境自由配置环境监测模块的传感器类型，比如无人船应用可以搭载温湿度、振动和漏水传感器，水下应用可以搭载压力、漏水和温湿度传感器等。这些数据上传到fpga主控模块，可为本电源系统提供外部环境数据，这些外部环境数据在fpga主控模块与电源内部各模块部件、负载监控数据进行融合，可以进行更高级的故障定位、诊断甚至故障预测，通过关断输出等措施进行自我保护，或对相应负载进行断电保护。本实施例中fpga主控模块选用基于alteracycloneiv的自制核心板。can总线模块分为两路：所有单片机模块、分流器接口均通过can收发器接入第一路can总线中；外接的环境监测模块通过can收发器，利用4芯防水接头接入第二路can总线中，两路can总线电路结构如图7所示。串口驱动模块选用ttl转422串口模块，全双工模式，隔离输出，利用5芯防水插头连接到上位机。双sd卡模块为两个独立的spi接口sd卡电路，用于数据记录。(3)对于稳压与分流器单元，参考图1、图8所示，该稳压与分流器单元包括dc-dc稳压单元、分流器单元。dc-dc稳压单元包括至少一个电压等级的稳压dc-dc变换模块，各稳压dc-dc变换模块与电源管理单元连接，用于输出至少一个电压等级的直流稳压电源。分流器单元包括宽压输出分流器、至少一个稳压输出分流器；宽压输出分流器通过直流输入母线连接所述电源管理单元与外部宽压负载；各稳压dc-dc变换模块通过一个稳压输出分流器连接至外部负载。进一步参考图1、图8所示，由于海洋仪器装备的直流负载形式各样，因此直流电源系统需要根据电压需求进行扩展，因此本实施例中dc-dc稳压单元设置了多个电压等级的稳压dc-dc变换模块，本实施例中dc-dc稳压单元具体设置为多个24v稳压dc-dc变换模块、多个12v稳压dc-dc变换模块，共有三个电压等级：电池组宽压、24v和12v，每个等级的输出电压各通过一个分流器接入多个负载。本实施例中dc-dc稳压单元要求输出24v稳压电源和12v稳压电源，故选用两种电压等级的稳压dc-dc变换模块。选用标称输入电压15～40v，标称输出24v，标称最大电流30a的c242430模块构成24v稳压电源，24v稳压dc-dc变换模块数量根据负载需求而定。选用标称输入电压15～40v，标称输出12v，标称最大电流30a的c241230模块构成12v稳压电源，12v稳压dc-dc变换模块数量根据负载需求而定。上述各24v稳压dc-dc变换模块、12v稳压dc-dc变换模块的输入端接入直流输入母线，输出端接入各自的稳压输出分流器。需要注意的是，本发明若需要其它电压等级，则可按照负载功率，选用标称输入电压15～40v，相应输出电压、电流的稳压dc-dc变换模块构成稳压电源。进一步参考图8所示，本实施例中设置了宽压输出分流器与稳压输出分流器，其中稳压输出分流器还包括用于24v稳压电源的24v稳压输出分流器与用于12v稳压电源的12v稳压输出分流器。其中：宽压输出分流器用于将直流输入母线电压(即外部储能电池组输出电压)直接分配给多个外部宽压负载。稳压输出分流器用于将dc-dc稳压单元的各电压等级的稳压dc-dc变换模块进行输出并联，并将各电压等级的直流稳压电源分配至外部负载。具体的：①对于宽压输出分流器，进一步参考图8所示，宽压输出分流器包括第五单片机模块、第六单片机模块、mos管驱动电路、双mos管、保险丝、多个第八电压电流测量模块、辅助电源接口和负载接口。其中：连接直流输入母线的每路负载输出通过双mos管进行开关控制，各双mos管连接直流输入母线，再通过保险丝和负载接口接至外部宽压负载。mos管驱动电路连接第六单片机模块与各双mos管，用于控制各双mos管的开关状态。各保险丝输出端分别连接一个第八电压电流测量模块，用于采集每路负载输出的外部宽压负载的电压、电流信息，并传输至第五单片机模块，对各外部宽压负载状态进行监控。宽压输出分流器的辅助电源接口接至电源管理单元的辅助电源输出接口；宽压输出分流器通过所述第一路can总线与fpga主控模块连接。本实施例中宽压输出分流器输出的负载接口数需要根据外部宽压负载需求确定。每路输出相对独立，图8仅给出三路负载输出的结构图。各第八电压电流测量模块均通过spi总线接入第五单片机模块。保险丝与各电压电流测量模块的元件取值视设计输出功率而定。双mos管选用低导通内阻n沟道mos管两个直接并联构成，其驱动电路采用hige-side型，如图9所示。②对于稳压输出分流器，稳压输出分流器用于将dc-dc稳压单元的多个电压等级的稳压dc-dc变换模块输出进行并联。本实施例中提供了两种等级的稳压输出分流器，稳压输出分流器将24v或者12v稳压模块输出进行并联，并分配至相应外部负载。下面将对24v稳压电源的24v稳压输出分流器进行描述，12v稳压输出分流器结构与24v稳压输出分流器完全相同，本实施例中不再详述。进一步参考图8所示，稳压输出分流器包括第七单片机模块、第八单片机模块、第九单片机模块、mos管驱动电路、双mos管、保险丝、理想二极管、多个第九电压电流测量模块、第十电压电流测量模块、多个第十一电压电流测量模块、辅助电源接口和负载接口。由于稳压dc-dc变换模块不能直接并联，接入稳压输出分流器后，各稳压dc-dc变换模块输出端分别连接一个第九电压电流测量模块，用于采集各稳压dc-dc变换模块输出的电压、电流信息并传输至第七单片机模块，对各稳压dc-dc变换模块状态进行监控。各稳压dc-dc变换模块再串联一个理想二极管模块构成直流稳压母线(24v)；第十电压电流测量模块连接直流稳压母线(24v)，用于采集直流稳压母线(24v)电压、电流信息，并传输至第七单片机模块，对直流稳压母线(24v)进行监控。连接直流稳压母线(24v)的每路负载输出通过双mos管进行开关控制，各双mos管连接直流稳压母线(24v)，再通过保险丝和负载接口接外部负载；mos管驱动电路连接第八单片机模块与各双mos管，用于控制各双mos管的开关状态。各保险丝输出端分别连接一个第十一电压电流测量模块，用于采集每路负载输出的外部负载的电压、电流信息，对各外部负载状态进行监控，并传输至所述第九单片机模块。各稳压输出分流器的辅助电源接口接至电源管理单元的辅助电源输出接口；各稳压输出分流器通过第一路can总线与fpga主控模块连接。需要注意的是，本实施例中不同电压等级的稳压输出分流器的负载接口采用不同芯数的防水航插实现，用于防止用户意外接错导致的电源问题。本实施例中开关电源单元、电源管理单元、以及稳压与分流器单元的各单片机模块均采用stm32单片机。对于本实施例提供的直流电源系统，其外部接口共分为9类：(1)交流输入接口，与开关电源模块个数一致；(2)宽压负载供电接口，根据需求设计数量；(3)24v负载供电接口，根据需求设计数量；(4)12v负载供电接口，根据需求设计数量；(5)外部监测接口，根据需求设计数量；(6)电池组正负极接口，1个；(7)电池组诊断接口，1个；(8)外部通信接口，1个；(9)黑启动开关接口，1个。上述各接口均采用防水航插实现。二、软件设计：本发明中直流电源系统的软件采用分层化设计，参考图10-图12所示，软件部分包括底层单片机软件模块、中间层can总线通信模块、顶层fpga软件模块。具体的：(1)对于单片机软件模块，单片机软件运行于开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各单片机模块，负责读取各电压电流测量模块中ad值，写入电流控制模块da值，写入第一继电器驱动、第二继电器驱动、mos驱动控制信号，以及与各dc-dc变换模块进行通信。单片机软件主要包括读取电压电流测量值、初步故障诊断与隔离、发送控制命令、can通信等，流程如图11所示，流程图内具体代码，视各单片机模块所连接的模块而略有区别。例如图2所示的开关电源单元的第一单片机模块中，读取开关电源电压电流测量值为spi通信方式，同时还读取开关电源通信接口上关于开关电源状态的ttl数字量，若诊断发现电压异常则通过断开第一继电器等操作进行故障隔离，发送异常报告给上位机并关闭开关电源输出。而如图8所示的稳压输出分流器内第七单片机模块，仅利用spi接口读取电压电流测量值，没有发送控制信号的流程。单片机软件读取数值为轮询与应答式通信，各单片机模块循环测量所有连接模块的数值，进行数据平滑、储存并进行初步诊断。与fpga主控模块通信过程为应答式，由fpga主控模块发出请求通信帧，不同单片机模块上各传感器具有唯一地址，单片机模块根据地址判断是否响应并返回相应的数据。故障诊断信息为单向发送，仅由各单片机模块向fpga主控模块发送。发送控制信号为单向通信，由fpga主控模块向各单片机模块发送控制请求，各单片机模块根据控制命令操作相关模块。(2)can总线通信模块运行于开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各单片机模块、以及fpga主控模块，用于各单片机模块与fpga主控模块之间进行通信。本实施例中can总线通信基于伪modbus协议，将各类传感器数值、控制信号与fpga模块进行通信，数据帧格式如下表1：表1can通信协议数据帧格式设备地址功能代码数据地址数据格式crc校验1字节1字节2字节16字节2字节各字段定义如下表2：表2can通信协议数据帧各字段定义例如：fpga主控模块请求电源管理单元中辅助电源外部储能电池组电压、电流传感器的测量值，其报文如下：电源管理单元的第三单片机模块响应上一条报文，返回的数据如下：环境监测模块警告湿度异常(具体诊断结果为湿度值)，其报文如下：fpga主控模块向稳压输出分流器发出关闭第05号mos管的命令，其报文如下：(3)对于fpga软件模块，其运行于fpga主控模块中，用于对直流电源系统的外部储能电池组、开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各监控部件状态信息、内部各传感器信息以及环境监测模块的信息进行汇总、储存、故障诊断与隔离以及上位机通信，流程如图12所示。其中：本实施例中数据轮询采用表1和表2所示数据轮询方法实现，对直流电源系统内部所有传感器、部件状态信息以及所有环境监测模块的信息进行轮询和汇总。故障诊断与隔离采用模糊专家系统算法，根据各传感器数据及其物理意义，对电池组内各模块、部件以及外部环境可能出现的故障进行诊断，并根据故障程度进行分级，获得告警、故障信息，并利用继电器、mos管等开关器件，对故障模块进行隔离。若有严重故障出现，则fpga主控模块及时向上位机发送故障报警，并及时进行隔离。所有传感器原始数据、诊断数据以每5秒一次存入sd卡。同时将上述数据打包，通过串口驱动模块上传至上位机。由于本发明中直流电源系统中内置的辅助电源单元，整个直流电源系统可不依赖交流输入和外部储能电池组而独立运行。因此，用于控制辅助电源单元输出的黑启动开关，是整个系统的唯一启动开关。开启黑启动开关后，整个系统进行自检。因此，本发明根据上述的直流电源系统，还提供了一种直流电源系统监控方法，系统上电顺序与主电路诊断逻辑如图13所示，包括：闭合黑启动开关，系统上电工作，fpga主控模块轮询外部储能电池组、开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各部件状态信息；根据开关电源模块和外部储能电池组的状态，确定直流电源系统的工作模式，工作模式判断如表3所示。主电路中，开关电源模块接第一继电器常开触点、外部储能电池组接第二继电器常闭触点。若检测到开关电源模块输出电压、电流在给定时间内输出未达到正常值时，记录开关电源故障，保持第一继电器断开；若检测到外部储能电池组电压或者某一单体电压不正常时，记录外部储能电池组故障并立即断开第二继电器。上述判断在电源系统工作过程中循环进行。若开关电源模块正常，电池组不正常(即模式2)，则开启恒压限流dc-dc变换模块，同时设定限流值为最大值；若开关电源正常，电池组正常(即模式3)，则根据外部储能电池组电压，确定限流值，然后开启恒压限流dc-dc变换模块。根据表3所示的四种工作状态以及各电压、电流传感器测量数据，对直流母线、辅助电源、第一稳压输出分流器内24v直流母线和第二稳压输出分流器内12v直流母线工作状态进行判断，并依此决定是否开启各稳压输出分流器的双mos管向负载供电。若检测到直流输入母线电压正常，则开启宽压输出分流器的双mos管，输出直流宽压电源电压；同时，判断直流稳压母线是否正常，若直流稳压母线正常，则开启稳压输出分流器的双mos管，输出直流稳压电源电压。系统上电完成后，fpga主控模块持续监测直流电源系统的外部储能电池组、开关电源单元、电源管理单元、稳压与分流器单元的各部件的电压电流信息，并对工作模式进行判断，进行故障诊断与隔离。表3工作模式判断与直流母线状态综上，本发明提供的直流电源系统，提供了方便的硬件扩展与软设计，系统带有辅助电源，可在主电路掉电情况下，完成对电源系统本身的状态监控和通信功能。(1)本发明的直流电源系统的主电路上有开关电源、恒压限流dc-dc变换模块、稳压dc-dc变换模块、理想二极管模块、辅助电源，只要按需增加或更换稳压dc-dc变换模块，即可扩展或更改输出电压等级，不必修改电源管理部分的结构。每扩展一个电压等级，都需要配套分流器，新分流器上的监控信号可以直接连接到第一路can总线can1上，并根据表1和表2所示的通信协议定义新的设备地址即可。(2)本发明的直流电源系统内部软件采用分层式设计，将底层的单片机测量与控制、上层的fpga主控进行了分层，中间通过统一的can总线通信进行连接。这种设计方法降低了开发难度，亦有利于多人协同开发。开发者仅需关注各单片机模块与所连接的功能模块(如电压电流测量、继电器驱动等)之间的编程即可，不同单片机模块之间的具体程序虽有不同，但向fpga主控模块的通讯格式统一。由于can总线的可扩展性，若需要扩展分流器，则只需将分流器电路中的单片机模块接入第一路can总线can1中即可，若需要扩展外部环境监测模块，则只需将新的环境监测模块接入第二路can总线can2总线即可。无论单片机部分和外部环境监测模块如何扩展，fpga主控模块的程序不变，通讯部分基本无需改动，仅需要加入新的设备地址即可。(3)本发明的直流电源系统中通过对各个模块的输入输出电压、电流进行监测，利用一定的故障诊断算法对模块可能发生的故障类型进行判断、对故障进行定位，并利用继电器、模块使能开关等将故障模块进行隔离。同时，对外部负载的电压、电流进行实时监测，可给出负载设备掉电、短路等故障，并通过mos管及时关断故障设备，从而保障供电系统安全。监测数据、故障诊断结果均可通过fpga主控模块上传至上位机系统，并利用上位机系统实时显示和告警。(4)系统内置的辅助电源，在主电路掉电情况下也要正常运行，各单片机模块、各电压电流测量模块、mos驱动等监控模块能够正常运行，从而能够对主电路进行检测、诊断和控制。该辅助电源为在线式ups工作方式，主电路直流母线电压正常时，为电池组充电的同时为监控模块供电；当直流母线掉电时，该辅助电源无缝切换至电池供电，以保证监控模块的正常工作。辅助电源可保证系统监控部分的独立运行，在主电路故障时，依旧可以完成监测、诊断和通信功能，使得用户可在上位机直接监控到电源系统内部、负载以及环境监测模块的数据和诊断结果，提高了整个电源系统的可维护性，进而可以提高系统可靠性、降低维护成本。本发明的直流电源系统可进一步扩展成为整个海洋仪器装备的故障预测与健康管理(phm)平台。当前第1页1 2 3