一种半潜式无人潜器智能电源管理系统及方法与流程

本发明属于半潜式无人潜器技术领域，具体涉及一种半潜式无人潜器智能电源管理系统及方法。

背景技术：

无人潜器具有运行成本低、使用灵活方便等特点，广泛应用于海洋监测、资源调查等领域。无人潜器多数采用电力驱动，能源来自于携带的电池组。使用锂电池组作为能源，能量密度高，寿命长，输出功率大，但是在使用时易于过放，导致电芯损坏。当电池组电量过低或出现故障时，会导致无人潜器上设备无法正常工作，通信失联，引发载体丢失的事故。为保证半潜式无人潜器的作业安全，需要设计一种智能电源管理系统以应对电池组故障。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种半潜式无人潜器智能电源管理系统。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括功率/电压监测模块、无线通讯模块、智能控制器模块、太阳能电池模块、必要负载、稳压模块、锂电池组模块、电池切换模块、超级电容模块、非必要负载以及恒功率充电模块；所述的锂电池组输出接口与功率/电压监测模块的检测输入端和电池切换模块的电源输入接口连接；所述的功率/电压监测模块的数字信号输出端连接至智能控制器模块；所述的电池切换模块的电源输出端与恒功率充电模块的输入端连接，电池切换模块的控制端口连接至智能控制器模块；所述的恒功率充电模块的输出端连接至超级电容模块的输入端及非必要负载的供电端，恒功率充电模块的功率控制端连接至智能控制器模块；所述的超级电容模块的输出端分别与稳压模块的输入端及非必要负载的输入端连接；所述的必要负载的供电端分别通过大功率二极管与稳压模块的输出端及太阳能电池模块的输出端连接；所述的无线通信模块与智能控制器模块连接。

本发明还可以包括：

所述的稳压模块的电压高于太阳能电池模块的电压；当正常供电时，太阳能电池模块侧的大功率二极管截止，稳压模块侧的大功率二极管导通，此时由稳压模块向必要负载供电；当切断锂电池组模块供电且超级电容模块电量使用完毕时，太阳能电池模块侧电压高于稳压模块侧电压，太阳能电池模块侧的大功率二极管导通，稳压模块侧的大功率二极管截止，此时太阳能电池模块为必要负载供电。

本发明的目的还在于提供一种半潜式无人潜器智能电源管理方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：构建半潜式无人潜器智能电源管理系统；

所述的半潜式无人潜器智能电源管理系统包括功率/电压监测模块、无线通讯模块、智能控制器模块、太阳能电池模块、必要负载、稳压模块、锂电池组模块、电池切换模块、超级电容模块、非必要负载以及恒功率充电模块；所述的锂电池组输出接口与功率/电压监测模块的检测输入端和电池切换模块的电源输入接口连接；所述的功率/电压监测模块的数字信号输出端连接至智能控制器模块；所述的电池切换模块的电源输出端与恒功率充电模块的输入端连接，电池切换模块的控制端口连接至智能控制器模块；所述的恒功率充电模块的输出端连接至超级电容模块的输入端及非必要负载的供电端，恒功率充电模块的功率控制端连接至智能控制器模块；所述的超级电容模块的输出端分别与稳压模块的输入端及非必要负载的输入端连接；所述的必要负载的供电端分别通过大功率二极管与稳压模块的输出端及太阳能电池模块的输出端连接；所述的无线通信模块与智能控制器模块连接；

步骤2：开始电源监测，无线通讯模块与上位机进行无线连接；上位机设置当前电压阈值和功率阈值，智能控制器模块发送当前电源数据；在半潜式无人潜器运行过程中，智能控制器模块持续进行整船功率监测以及电源电压监测；

步骤3：判断当前电源电压是否小于上位机设置的电压阈值；若当前电源电压小于上位机设置的电压阈值，则智能控制器模块利用多路adc对功率/电压监测模块进行多路数据读取，定位电力不足的锂电池组位置，切断其电源供应；

步骤4：判断当前功率是否小于上位机设置的功率阈值；若当前功率小于上位机设置的功率阈值，则打开超级电容模块的开关，进行功率补偿；

步骤5：若定位锂电池组全部电压不足或功率补偿后整船功率仍旧不足，则智能控制器模块控制电池切换模块切断锂电池组供电，停止非必要负载的工作，并且通过无线通讯模块向上位机持续发送带有坐标信息的求救信号，等待救援；若整船功率监测以及电源电压监测正常，则返回步骤3进行下一轮监测。

本发明的有益效果在于：

本发明的半潜式无人潜器智能电源管理系统与程序软件相结合，实现在保证长时间续航的前提下，自动选择太阳能电池或锂电池组作为主电源进行配置，并且可监测锂电池组电量情况，在某一电池组电量耗尽情况下，自动切换充足电量的电池组。本发明在遭遇恶劣天气时通过上位机进行电源切换，使用超级电容为系统提供额外的功率补偿；具有远程监控功能，操作人员无需在现场就可实现对电源系统的全程管理，给操作人员更加灵活的空间，极大提高了半潜式无人潜器作业的安全性。

附图说明

图1是本发明的半潜式无人潜器智能电源管理系统整体结构框图。

图2是本发明的半潜式无人潜器智能电源管理系统的锂电池电源控制策略流程图。

图3是本发明的半潜式无人潜器智能电源管理系统对必要负载供电原理图。

图4是本发明的半潜式无人潜器智能电源管理系统的布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明设计了一种半潜式无人潜器智能电源管理系统，包括功率/电压监测模块、无线通讯模块、智能控制器模块、太阳能电池模块、必要负载、稳压模块、锂电池组模块、电池切换模块、超级电容模块、非必要负载以及恒功率充电模块。通过功率/电压监测模块对半潜式无人潜器功率进行实时监测，并且可以针对功率进行智能控制与切换。在电池损坏或电量耗尽的情况下通过电池切换模块切断电池的供电保护电池组不被过量放电所损坏，并且通过太阳能电池模块为必要负载供电。在遭遇恶劣海况等情况时通过上位机进行电源切换，使用超级电容为系统提供额外的功率补偿。本发明极大提高了半潜式无人潜器作业的安全性。

如图1所示为一种半潜式无人潜器智能电源管理系统的组成与连接图，其中实线为供电连接，虚线为数据、控制连接。如图4所示为一种半潜式无人潜器智能电源管理系统的布局位置图。

一种半潜式无人潜器智能电源管理系统，包括：锂电池组模块1，功率/电压监测模块2，电池切换模块3，恒功率充电模块4，超级电容模块5，非必要负载6，稳压模块7，大功率功率二极管8，必要负载9，太阳能电池模块10，大功率二极管11，无线通讯模块12，智能控制器模块13。锂电池组输出接口与功率/电压监测模块的检测输入端和电池切换模块的电源输入接口相连接，功率/电压监测模块数字信号输出端连接到智能控制器模块；电池切换模块的电源输出端与恒功率充电模块的输入端连接，电池切换模块的控制端口与智能控制器模块相连接；恒功率充电模块的输出端连接至超级电容模块的输入端以及非必要负载的供电端，恒功率充电模块的功率控制端与智能控制器模块相连接；超级电容模块的输出端连接到稳压模块的输入端，超级电容模块的输出端直接连接非必要负载的输入端；稳压模块的输入端通过大功率二极管连接到必要负载的供电端；太阳能电池模块的输出端通过大功率二极管连接到必要负载的供电端；无线通信模块通过ttl232连接到智能控制器模块处。

功率/电压监测模块中，功率检测具有数字电流、电压、功率监视器,其获取到的电压，电流，功率信息，送回低功耗智能控制器模块。恒功率充电模块为可设定最大功率和限制功率功能的模块，恒功率充电模块用于以恒定功率为超级电容充电。

无线通讯模块用于与上位机的监控端无线通讯。功耗智能控制器采用arm单片机，含有相关智能控制程序。必要负载为半潜式无人潜器系统中相应的传感器、智能控制器模块和具有和上位机通讯必要信息功能的模块等除非必要负载的必要器件。非必要负载为功率较大的、动力与姿态和航向控制相关的动力部件。

稳压模块具有向除必要负载外稳压供电功能，且电压略高于太阳能电池模块电压。锂电池组模块采用多块锂电池并联组成。电池切换模块采用用大功率继电器进行切换超级电容模块多颗大容量法拉电容以及超级电容均压板组成的电容模组。太阳能电池模块为具有在具有足够阳光时能够储能和切断锂电池侧供电时向必要负载供电功能的太阳能电池模组。大功率二极管具有能够导通必要负载所需要的额定电流以及较低电压下降的特性。

当正常供电时由于稳压电源侧电压高于太阳能电池侧电压，太阳能电池侧大功率二极管截止、稳压模块侧二极管导通，此时由稳压模块向必要负载供电。当切断锂电池供电且超级电容模块电量使用完毕时，由于太阳能电池侧电压高于稳压模块侧电压，由于两侧均通过大功率二极管连接至必要负载，所以此时太阳能电池模块侧的大功率二极管导通、稳压模块侧的大功率二极管截止，此时必要负载为太阳能电池模块为必要负载供电。

如图2所示为基于半潜式无人潜器智能电源管理系统的一种半潜式无人潜器智能电源管理方法，具体包括以下步骤：

步骤1：构建半潜式无人潜器智能电源管理系统；

步骤2：开始电源监测，无线通讯模块与上位机进行无线连接；上位机设置当前电压阈值和功率阈值，智能控制器模块发送当前电源数据；在半潜式无人潜器运行过程中，智能控制器模块持续进行整船功率监测以及电源电压监测；

步骤3：判断当前电源电压是否小于上位机设置的电压阈值；若当前电源电压小于上位机设置的电压阈值，则智能控制器模块利用多路adc对功率/电压监测模块进行多路数据读取，定位电力不足的锂电池组位置，切断其电源供应；

步骤4：判断当前功率是否小于上位机设置的功率阈值；若当前功率小于上位机设置的功率阈值，则打开超级电容模块的开关，进行功率补偿；

步骤5：若定位锂电池组全部电压不足或功率补偿后整船功率仍旧不足，则智能控制器模块控制电池切换模块切断锂电池组供电，停止非必要负载的工作，并且通过无线通讯模块向上位机持续发送带有坐标信息的求救信号，等待救援；若整船功率监测以及电源电压监测正常，则返回步骤3进行下一轮监测。

上位机指装有监控软件以及连接无线通讯接收端的的通用终端或专用设备，通用终端包括手机、电脑等。

如图3所示，半潜式无人潜器智能电源管理系统的必要负载由稳压模块与太阳能电池模块供电，并且在不同电池状态下进行切换：

(1)电池正常状态时，锂电池组正常供电，此时稳压模块电压u2高于太阳能电池模块电压u1，此时大功率二极管ⅰ截止，大功率二极管ⅱ导通。必要负载由稳压模块通路t2供电。

(2)电池异常状态时，锂电池组停止供电，此时稳压模块电压u2低于太阳能电池模块电压u1，此时大功率二极管ⅰ导通，大功率二极管ⅱ截止。必要负载由太阳能电池模块通路t1供电。

电压阈值和功率阈值的关键参数由用户设定，该系统电源切换、电池组开启关闭等由智能控制器和硬件电路自动完成，降低了在电源切换过程中可能会被断电的风险。同时超级电容模组为半潜式无人潜器在极端情况下提供额外功率，对电池能够更好的保护。

实施例1：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种针对半潜式无人潜器的智能电池管理方案，既能对电池电量以及状态监控和保护，又能针对锂电池在电量耗尽的情况时对状态数据以及传感器的正常工作保护。利用超级电容模组能够对特殊情况需要极大耗电时进行功率补偿以及电池的保护。

为解决上述现有的技术问题，本发明采用如下方案：一种半潜式无人潜器智能电源管理系统，包括功率/电压监测模块，无线通讯模块，智能控制器模块，太阳能电池模块，必要负载，稳压模块，锂电池组模块，电池切换模块，超级电容模块，非必要负载以及恒功率充电模块。其中智能控制器负责对功率/电压监测模块、必要负载中的传感器进行数据读取，对电池切换模块、恒功率充电模块等模块进行控制，并通过无线通讯模块向上位机进行通讯。

锂电池组输出接口与功率/电压监测模块的检测输入端和电池切换模块的电源输入接口相连接，功率/电压监测模块数字信号输出端连接到智能控制器模块；电池切换模块的电源输出端与恒功率充电模块的输入端连接，电池切换模块的控制端口与智能控制器模块相连接；恒功率充电模块的输出端连接至超级电容模块的输入端以及非必要负载的供电端，恒功率充电模块的功率控制端与智能控制器模块相连接；超级电容模块的输出端连接到稳压模块的输入端和非必要负载的输入端；稳压模块的输入端以及太阳能电池模块的输出端连接到必要负载的供电端；无线通信模块通过ttl232电平连接到智能控制器模块处。

一种半潜式无人潜器智能电源管理方法，包括以下步骤：

步骤一：将功率/电压监测模块的输入端连接至半潜式无人潜器锂电池组，同时将半潜式无人潜器锂电池组的输出端与功率/电压监测模块测量输入端相连，功率/电压监测模块测量输出端与电池切换模块的电源输入端相连。

步骤二：将功率/电压监测模块的信号输出端与智能控制器模块通过ttl232连接，并且将电池切换模块的电源输出端与恒功率充电模块的输入端经由大电流二极管连接；电池切换模块的控制端与智能控制器的电池切换控制接口相连，恒功率充电模块的功率设定接口与智能控制器的功率控制接口相连。

步骤三：将智能控制器的通讯接口通过无线通讯模块的信号输入端进行连接。

步骤四：将恒功率充电模块的输出端与超级电容模块的供电端以及非必要负载的供电端进行连接。

步骤五：超级电容的供电端直接与非必要负载相连，超级电容的供电端连接至稳压模块的输入端。

步骤六：太阳能电池的输出端通过大电流二极管与稳压模块的输出端通过大电流二极管以及必要负载的供电端进行连接。必要负载供电端与所有除非必要负载的供电端相连接。

步骤七：将锂电池组的负极，充电模块输入端负极接至同侧地平面，此处记为gnd_1。将恒功率充电模块输出端负极，超级电容模块负极，功率/电压监测模块负极，智能控制器模块等剩余模块的负极接入同一侧地平面，此处记为gnd_2。

步骤八：开始电源监测，无线通讯模块与上位机进行无线连接。

步骤九：上位机设置当前电源电压阈值，智能控制器模块发送当前电源数据。

步骤九：在半潜式无人潜器运行过程中，智能控制器模块持续进行整船功率监测以及电源电压监测。

步骤十：判断当前电源电压是否小于上位机所设阈值。判断当前功率是否小于所设阈值，如果是则转入步骤十一，否则转入步骤九。

步骤十一：如果电压小于所设阈值，智能控制器模块利用多路adc对电压监测模块进行多路数据读取，定位电力不足的锂电池组位置，切断其电源供应。如果功率小于所设阈值，

打开超级电容开关，进行功率补偿。若定位锂电池组全部电压不足或功率补偿后整船功率仍旧不足，则转入步骤十二，否则返回步骤九，

步骤十二：智能控制器模块控制电池切换模块切断锂电池组供电，停止非必要负载的工作，并且通过无线通讯模块向上位机持续发送带有坐标信息的求救信号，等待救援。

所述的步骤九至步骤十中的控制与执行具体过程为：

(1)智能控制器定时读取功率/电压检测模块实时测量结果，包括：锂电池组的实时电压、电流、功率；

(2)智能控制器定时通过无线传输模块向上位机发送实时的功率/电压检测模块测量结果，并且智能控制器将读取的参数与上位机设定参数相比较，判断是否存在异常状况以及上位机强制行驶指令，如果存在异常状况且上位机未发送强制行驶指令则执行下一步，否则返回上一步；

(3)根据电池组存在的状况，智能控制器定时通过无线传输模块向上位机发送异常状况的信息，并且通过控制与电池切换模块的控制端口断开大功率继电器，使电池停止向外部分供电；

(4)如果监测端的人员判断锂电池组状况能够使半潜式无人潜器返回则可以通过上位机向半潜式无人潜器发送强制行驶指令。

本发明电源管理系统与程序软件相结合，实现在保证长时间续航的前提下，自动选择太阳能电池或锂电池组作为主电源进行配置，并且可监测锂电池组电量情况，在某一电池组电量耗尽情况下，自动切换充足电量的电池组；本发明在遭遇恶劣天气时通过上位机进行电源切换，使用超级电容为系统提供额外的功率补偿；具有远程监控功能，操作人员无需在现场就可实现对电源系统的全程管理，给操作人员更加灵活的空间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。