一种海洋机器人电子设备不间断电源系统及故障处理方法与流程

本发明涉及一种海洋机器人领域，具体地说是一种海洋机器人电子设备不间断电源系统及故障处理方法。

背景技术：

传统水下机器人不间断电源供电方法为：在电子设备供电电源上通过二极管并联一电压稍低的应急电源(如电子设备供电电源电压为24VDC，应急电源电压为18～21.6VDC)，当电子设备供电电源故障时，应急电源自动为电子设备供电，保证电子设备正常运行。这种方法主要有以下局限性：

(1)应急电源不能进行充电，一般选择一次电池模块，使用后需更换；

(2)如应急电源启动，则海洋机器人将结束当前使命任务，进入应急处理模式(结束任务上浮至水面，发送无线电示位信息等待回收)，该航次任务失败。

(3)应急电源不能只能在供电电源故障时工作，不能作为调试电源使用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种海洋机器人电子设备不间断电源系统及其故障处理方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种海洋机器人电子设备不间断电源系统，包括：

主电源电池组，内部包括电池管理模块；连接主电源电池组输出控制开关，用于提供主动力电源；

主电源电池组输出控制开关，连接24V隔离DC/DC电源模块输入控制开关；用于在主电源电池组与24V隔离DC/DC电源模块之间形成供电电路；还连接控制计算机；用于在控制计算机的控制下通断；

24V隔离DC/DC电源输入控制开关，连接24V隔离DC/DC电源模块，用于接收主动力电源给24V隔离DC/DC电源模块；还连接控制计算机；用于在控制计算机的控制下通断；

24V隔离DC/DC电源模块，分别连接24V隔离DC/DC电源模块输入控制开关、用电设备、铅酸电池模块；用于将主动力电源转换为用电设备供电电源输出给用电设备、以及为铅酸电池模块充电；

铅酸电池模块，用于存储24V隔离DC/DC电源模块输出的电能、以及24V隔离DC/DC电源模块无供电电源输出时为用电设备提供电能；

空气开关，分别连接24V隔离DC/DC电源模块、铅酸电池模块；用于为铅酸电池模块提供输出短路保护，并将空气开关的通断状态反馈至24V隔离DC/DC电源模块；

控制计算机，通过CAN通讯网络分别连接主电源电池组内部的电池管理模块、24V隔离DC/DC电源模块；用于控制主电源电池组、24V隔离DC/DC电源模块工作。

所述24V隔离DC/DC电源模块包括：输入EMC模块、控制电路、斩波模块、主变压器、输出整流模块、蓄电池充电模块；所述输入EMC模块、斩波模块、主变压器、输出整流模块、蓄电池充电模块依次连接，控制电路分别连接斩波模块、蓄电池充电模块，输出整流模块分别连接用电设备、蓄电池充电模块，蓄电池充电模块连接铅酸电池模块；所述24V隔离DC/DC电源模块对输入的主动力电源进行滤波、斩波、整流处理输出用电设备供电电源，还用于通过蓄电池充电模块给铅酸电池模块充电。

所述输入EMC模块中包含共模、差模滤波器。

所述控制电路采用电流型谐振电源控制器。

所述斩波模块中的功率器件采用MOS管和推动电路。

所述输出整流模块中功率器件采用肖特基二极管、尖峰吸收电路。

所述蓄电池充电模块包括电池充电电路和电池接口电路；电池充电电路连接铅酸电池模块，用于控制充电电压、电流，从而实现恒流均充、恒压减流、降压浮充的三阶段充电；电池接口电路由直流继电器和大容量二极管组成，使24V隔离DC/DC电源模块无电压输出时，无延时地给用电设备提供电能。

所述24V隔离DC/DC电源模块输入控制开关为常闭开关；所述24V隔离DC/DC电源模块内部包括检测电路，用于接收空气开关反馈的通断状态，并在系统开机检测空气开关的通断。

所述空气开关为手动开关，自带反馈触点。

一种海洋机器人电子设备不间断电源故障处理方法，包括以下步骤：

S1：检测主电源电池组是否有输出，同时上报主电源电池组输出状态；若无输出，则表明主电源电池组故障；若有输出，则表明主电源电池组无故障；

S2：若主电源电池组无故障，则检测24V隔离DC/DC电源模块是否有输出；若有输出，则表明24V隔离DC/DC电源模块无故障；若无输出，则表明24V隔离DC/DC电源模块故障，同时24V隔离DC/DC电源模块上报故障字至控制计算机；若此时主电源电池组输出状态正常，则控制计算机通过24V隔离DC/DC电源输入控制开关重启24V隔离DC/DC电源模块；

S3：再次检测24V隔离DC/DC电源模块是否有输出；若有输出，则表明24V隔离DC/DC电源模块的故障消失；若无输出，则表明24V隔离DC/DC电源模块故障，24V隔离DC/DC电源模块上报故障字至控制计算机。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.免维护。本发明采用的铅酸电池模块并联在24V隔离DC/DC电源模块上，海洋机器人正常工作时即为铅酸电池模块充电。海洋机器人长期不使用时，断开铅酸电池模块输出手动开关，铅酸电池模块即与负载断开。铅酸电池模块不需进行充放电维护。

2.不需替换。传统的应急电源不能进行充电，一般选择一次电池模块，使用后需更换。铅酸电池使用后不需拆卸更换。

3.方便调试。在主电源电池组不上电情况下，铅酸电池模块可以为电子设备供电，进行设备调试。因为此时主电源电池组不上电，更能保证调试人员人身安全。

4.提高海洋机器人航次成功率。当24V隔离DC/DC电源模块误保护、误 动作无输出时，铅酸电池模块可以为电子设备供电，通过控制计算机重启24V隔离DC/DC电源模块，如故障消失，海洋机器人可以继续执行使命任务，提高海洋机器人的执行使命任务的成功率。

5.应用范围广。本发明装置不但可以应用于海洋机器人，还可以应用于其他自主运行水下设备。

附图说明

图1为本发明中海洋机器人电子设备不间断电源的总体结构示意图；

图2为本发明中24V隔离DC/DC电源模块工作原理示意图；

图3为本发明中海洋机器人的供电结构示意图；

图4为本发明中海洋机器人电子设备不间断电源故障处理方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明是一种海洋机器人电子设备不间断电源，它包括A主电源电池组(含电池管理系统)、B主电源电池组输出控制开关、C 24V隔离DC/DC电源模块、D 24V隔离DC/DC电源模块输入控制开关、E铅酸电池模块、F空气开关和G控制计算机构成。在系统正常工作情况下，主电源电池组正常输出且24V隔离DC/DC电源模块正常工作，为控制计算机供电，并为铅酸电池模块充电。当主电源电池组出现故障断电或24V隔离DC/DC电源模块出现故障无输出时，铅酸电池模块为控制计算机供电，保证电子设备的正常运行，同时24V隔离DC/DC电源模块将故障字通过CAN通讯网络上报控制计算机。控制计算机重启24V隔离DC/DC电源模块，如故障消失，则继续当前使命，否则结束使命。

铅酸电池模块的作用为在24V隔离DC/DC电源模块无输出时为电子设备供电，铅酸电池模块需满足以下条件：

铅酸电池模块输出电流、电压满足电子设备供电需求；

铅酸电池模块的输出功率容量决定了电子设备的工作时间，所以应满足海 洋机器人电子设备电源无输出情况下电子设备工作时间要求，即满足海洋机器人应急处理和等待回收的能源需求。在正常工作的情况下，24V隔离DC/DC电源模块为电子设备供电，并为铅酸电池模块充电，需保证铅酸电池模块的充电电流、充电电压不大于铅酸电池模块的充电电流和充电电压。

如图2所示，为24V隔离DC/DC电源模块原理示意图。它由输入EMC模块、控制电路、斩波模块、主变压器、输出整流模块、蓄电池充电模块构成。输入EMC模块中包含共模、差模滤波器，用以满足设备对电磁兼容性的要求；控制电路采用电流型谐振电源控制器，该控制器可以使电源工作在ZVS(零电压开关)状态，降低损耗、减小干扰；斩波模块中的功率器件采用MOS管，配合成熟的推动电路，可以使电源工作在较高的开关频率，从而减小了电源的体积；变压器作用为电压变换，采用高性能铁氧体材料绕制，在满足可靠性的前提下，保证小体积，低损耗；输出整流模块中功率器件采用肖特基二极管，导通压降低，损耗小，同时配合尖峰吸收电路再提高电路可靠性的同时，也降低了电路的电磁干扰。以上模块构成了隔离DC/DC电源模块的主电路，用来给设备以及通过蓄电池充电模块给铅酸电池模块充电。蓄电池充电模块由电池充电电路和电池接口电路组成，电池充电电路用来控制电池的充电电压、电流，从而实现恒流均充、恒压减流、降压浮充的三阶段充电，从而延长电池的使用寿命，电池接口电路由直流继电器和大容量二极管组成，保证在24V隔离DC/DC电源模块无电压输出时，瞬间无延时切入供电电路保证设备正常工作。

24V隔离DC/DC电源模块输入控制开关的作用是，当24V隔离DC/DC电源模块因设备保护无输出时，通过控制计算机控制开关通断，重启24V隔离DC/DC电源模块。为提高系统可靠性，该开关应选择常闭开关。

空气开关的作用为铅酸电池模块的输出短路保护，并且在系统不使用时断开铅酸电池模块输出，保证铅酸电池模块不过放电。空气开关的工作电流应大于电池组正常工作输出电流。空气开关为手动开关，自带反馈触点，空气开关的通断状态反馈至24V隔离DC/DC电源模块的检测电路，在海洋机器人开机检 测时可以查看空气开关通断。

一般来说，海洋机器人的供电结构如图3所示。主电源电池组为海洋机器人提供主动力电源，主动力电源的电压一般为几十伏到几百伏不等，24V隔离DC/DC电源模块将主动力电源转换为电子设备供电电源，一般为直流24伏。主动力电源还为推进电机控制器提供能源动力。一般情况下，当24V隔离DC/DC电源模块无输出时，铅酸电池模块为电子设备供电，海洋机器人进入应急处理模式，停止当前使命任务。因为24V隔离DC/DC电源模块无输出的可能原因有24V隔离DC/DC电源模块损坏、24V隔离DC/DC电源模块误保护多种情况，所以控制计算机重启24V隔离DC/DC电源模块可能消除故障，可以提高海洋机器人处理故障的能力和执行使命任务的成功率。

以上述典型供电结构的海洋机器人为例，说明一种海洋机器人电子设备不间断电源故障处理流程，方法流程图如图4所示。24V隔离DC/DC电源模块实时监测自身工作状态，当24V隔离DC/DC电源模块无电压输出时，上报故障字至控制计算机。如果此时电池管理系统上报电池组输出正常，控制计算机通过24V隔离DC/DC电源模块输入控制开关重启24V隔离DC/DC电源模块。如24V隔离DC/DC电源模块输出正常(故障字消失)，则海洋机器人继续执行使命，否则停止执行使命，进入应急处理模式，等待回收海洋机器人。