用于海洋观探测浮标的能源管理系统的制作方法

本发明属于浮标能源技术领域，尤其涉及一种用于海洋观探测浮标的能源管理系统。

背景技术：

海洋物理参数的测量需求加快了海洋仪器设备的发展，目前已经发展出针对各类海洋观探测需求的平台，例如固定平台(浅标等)、移动平台(auv、滑翔机、argo、无人机、漂流浮标等)、海底接驳基站等。在新平台和新技术迅速发展的同时，能源的瓶颈问题越来越突出，已成为制约海洋仪器设备连续观测的首要问题。海洋仪器设备/平台可利用的能源形式主要有两类：一次能源和二次能源。一次能源为搭载一次性高能量电池，如亚硫酰氯锂电池，能源总量固定，无法自行进行能源补充，整机的工作模式会受能源的限制，通常寿命较短，一般不超过一年，需要回收后更换电池才继续使用；二次能源为搭载可充电的高效电池，同时配合能源回收装置(如太阳能电池、风力发电机和波浪能发电机等)，可自行进行能源补充，整机工作模式可以灵活配置，通常寿命较长，可长期连续观测，但体积、重量会较大。

目前，小型多参数海洋观探测浮标的能源供给方式同时兼顾上述两种类型，满足简单短时间任务要求的小型浮标可以采用一次能源的方式，而对于复杂长时间的连续在位观测要求，同时搭载多种类型传感器，则必须选择二次能源的方式。通过搭载太阳能电池板或波浪能发电机、充放电控制器以及高能锂电池的方案，可以实现能源的持续回收和高效利用，但现有小型多参数浮标搭载的能源模块通常无法实现动态分配负载用电和有效的管理监测能源，导致工作时间不能达标，同时可靠性较差。

技术实现要素：

本发明针对上述的能源管理不精确、利用率低以及可靠性差等技术问题，提出一种用于海洋观探测浮标的能源管理系统，具有能源利用率和可靠性高的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种海洋观探测浮标的能源管理系统，包括用于充放电管理的充放电控制器，负载，以及用于储存电能并给所述负载供电的电池，其中，所述充放电控制器分别与所述负载、所述电池连接；所述系统还包括连接于所述充放电控制器和所述负载之间的mosfet，与所述负载连接用于监测所述负载耗电功率的能耗监测模块，与所述电池连接用于监控所述电池电量的电量监测模块，以及用于控制所述mosfet通断的微控制器，所述微控制器分别与所述mosfet、所述能耗监测模块、所述电量监测模块通讯连接。

作为优选，所述负载包括搭载于浮标体上的传感器，所述mosfet与所述传感器之间还连接有短路保护模块，所述短路保护模块包括延时上电电路、钳位电路、一级mosfet、二级mosfet和三级mosfet；所述延时上电电路连接所述mosfet，所述三级mosfet连接所述传感器，所述钳位电路、所述一级mosfet并联连接于所述延时上电电路和所述三级mosfet之间，所述二级mosfet分别连接所述钳位电路和所述传感器。

作为优选，所述电量监测模块包括温度检测单元、电流检测单元和电压检测单元，所述温度检测单元、所述电流检测单元和所述电压检测单元通过处理单元与所述微控制器通讯连接，所述处理单元用于根据所述温度检测单元、所述电流检测单元和所述电压检测单元的测量值计算电池电量。

作为优选，还包括与所述充放电控制器连接的备用电源，所述备用电源分别与所述电量监测模块、所述负载和所述微控制器连接，当所述电量监测模块监测到所述电池的电量严重不足时，微控制器控制所述备用电源开启。

作为优选，所述系统还包括用于将电源电压变换出各个所述负载需求电压并给所述负载供电的dc-dc模块，以及用于限压限流的pptc，所述充放电控制器、所述dc-dc模块、所述pptc、所述mosfet顺次串联，所述dc-dc模块与所述微控制器通信连接。

作为优选，所述系统还包括用于在所述负载异常时隔离所述负载的隔离电源，所述充放电控制器、所述隔离电源、所述mosfet顺次串联。

作为优选，所述充放电控制器为mppt充放电控制器。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本能源管理系统供电模式为电池或太阳能通过充放电控制器向负载供电，通过在充放电控制器与负载之间连接mosfet，负载的供电都是可以通过mosfet控制的，按需供电和按工作模式供电，以实现能源动态分配和管理；例如，当某个负载发生故障时，通过控制连接该负载的mosfet切断该部分电源以进行故障隔离，不会影响整个系统的运行，或者当系统能源储备低于安全阈值时，可以通过控制mosfet切断负载供电；通过能耗监测模块对各负载用电情况进行监控，微控制器可以通过对负载的监控用电情况调整各负载的工作模式，以实现系统能源的有效管理和高效利用，例如，当能耗监测模块采集到某负载用电异常，可以通过控制mosfet切断此部分的电源供应；通过电量监测模块可以精确跟踪电池电量的变化，为系统能源分配和高效运行提供保障。

2、本能源管理系统通过在负载的供电电路上连接短路保护模块，在传感器负载发生短路时可以起到保护传感器和电源的作用，传感器处于正常状态时，电源经过延时上电电路后，导通一级mosfet，同时钳位电路会关断二级mosfet并导通三级mosfet，传感器获得电源供电。当传感器端发生电源短路故障时，短路保护模块中的钳位电路驱动二级mosfet导通和三级mosfet关断，传感器端与电源被分隔开，同时通过二级mosfet接地，消除电势差，保护传感器。另外，此短路保护模块还有防电流倒灌功能，最大限度的保护系统的正常工作。

3、本能源管理系统还设置有备用电源，当锂电池的电压低于安全电压设定值的下限时，系统随即切入备用电源，同时切除锂电池，由备用电源进行供电。锂电池通过太阳能电池板进行能源补充，当电池电压恢复至安全电压上限时，切断备用电源，锂电池重新接入进行系统供电。

4、本能源管理系统通过在充放电控制器和负载之间连接隔离电源，以进行物理电气隔离，当负载损坏(电源短路)后，隔离电源可以隔离用电设备，同时告知系统及时切断此处的电源，保护整个系统的正常工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供用于海洋观探测浮标的能源管理系统的原理图；

图2为本发明所提供用于海洋观探测浮标的能源管理系统中短路保护模块的原理图；

图3为本发明所提供用于海洋观探测浮标的能源管理系统中电量监测模块的原理图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1所示，一种海洋观探测浮标的能源管理系统，包括充放电控制器、12v锂电池、负载，充放电控制器用于充放电管理，12v锂电池用于储存电能并给所述负载供电，太阳能电池板的输出电量需要进行合理分配，当日照充足时，太阳能电池板输出功率较大，输出的能量一部分直接供给后端负载使用，一部分通过充放电控制器对锂电池充电；当日照微弱或者夜晚条件下，通过电池对后端负载供电，同时防止锂电池电量倒灌太阳能电池板；在充放电控制器与负载之间串联mosfet，mosfet与微控制器通讯连接，微控制器通过控制mosfet的通断来实现对负载的供电管理。

本能源管理系统供电模式为电池或太阳能通过充放电控制器向负载供电，通过在充放电控制器与负载之间连接mosfet，负载的供电都是可以通过mosfet控制的，按需供电和按工作模式供电，以实现能源分配管理；例如，当某个负载发生故障时，通过控制连接该负载的mosfet切断该部分电源以进行故障隔离，不会影响整个系统的运行，或者当系统能源储备低于安全阈值时，可以通过控制mosfet切断负载供电。

本系统还包括能耗监测模块，能耗监测模块与负载连接，用于监测负载的耗电功率，同时能耗监测模块与微控制器通讯连接，微控制器根据能耗监测模块的信号实现对负载用电的监控。

本系统通过能耗监测模块对各负载用电情况进行监控，微控制器可以通过对负载的监控用电情况调整各负载的工作模式，以实现系统能源的有效管理，例如，当采集到某负载用电异常，可以通过控制mosfet切断此部分的电源供应。

参见图3所示，本系统还包括电量监测模块，电量监测模块与锂电池连接，用于监控所述电池电量，电量监测模块包括温度检测单元、电流检测单元和电压检测单元，温度检测单元、电流检测单元和电压检测单元通过处理单元与微控制器通讯连接，处理单元用于根据温度检测单元、电流检测单元和电压检测单元的测量值计算电池电量。

本能源管理系统通过电量监测模块，对锂电池的输入电压、电流和电池温度进行测量，经过处理单元对累积电量计算，通过通讯接口告知主控系统，可以精确跟踪电池电量的变化，为系统能源分配提供保障。

具体地，负载包括但不局限于图示中的各类传感器、气象站、gps、wifi、声学模块和电磁模块。由于各个负载所需要的供电电压不同，在本实施例中，通过dc-dc模块将电源电压转变为各负载所需要的供电电压，从太阳能充放电控制器出来的能量，首先经过pptc(限流、限压)后进入第一级dc-dc模块，将不稳定的电压转换成恒定的12v电源，然后将12v电源转换成5v和3.3v电源，供给传感器和微控制器。各级dc-dc模块都具备故障隔离、自恢复和i2c通讯接口，工作状态可实时传送给微控制器。

供给较大功率声学模块和电磁模块的12v电源，需要经过隔离电源，声学模块和电磁模块进行物理电气隔离后才能使用，即从太阳能充放电控制器出来的能量，经过pptc(限流限压)后进入隔离电源为负载供电，当负载损坏(电源短路)后，隔离电源可以隔离设备，同时告知微控制器及时切断此处的电源，保护整个系统的正常工作。

小型漂流浮标上搭载的各类传感器都直接与外界海水或者空气接触，在长期运行过程中，存在传感器器件损坏或者漏水的风险，可能会造成传感器供电短路的情况，由于海水的导电性较好，长时间运行会浪费大量的电能，严重的话会造成控制电路器件损坏或者电压转换芯片损坏等问题，为了解决此问题，本发明提供了进一步地构思：参见图1、图2所示，在mosfet与传感器之间串联短路保护模块，短路保护模块包括延时上电电路、钳位电路、一级mosfet、二级mosfet和三级mosfet，延时上电电路连接电源侧的mosfet，三级mosfet连接传感器，钳位电路、一级mosfet并联连接于延时上电电路和三级mosfet之间，二级mosfet分别连接钳位电路和传感器。正常状态时，电源经过延时上电电路后，导通一级mosfet,同时钳位电路会关断二级mosfet并导通三级mosfet，传感器获得电源供电。当传感器端发生电源短路故障时，短路保护模块中的钳位电路驱动二级mosfet导通和三级mosfet关断，传感器端与电源被分隔开，同时通过二级mosfet接地，消除电势差，保护传感器。另外，此短路保护模块还有防电流倒灌功能，最大限度的保护系统。

传统小型漂流浮标体的电源系统为单电池供电且无备用电池，当电池发生突发应急情况时不能继续工作，无法将自身的状态发送回岸站控制室。为解决此问题，本发明提供了进一步地构思：本系统还包括备用电源，备用电源分别与充放电控制器、电量监测模块、负载和微控制器连接。当电量监测模块监测到电池的电量严重不足时，微控制器控制备用电源开启。电量监测模块对锂电池情况进行不间断测量，当锂电池的电压突然低于安全电压设定值的下限时，通过rs232接口迅速告知微控制器，微控制器随即切入备用电源，同时切除锂电池，由备用电源进行供电，但备用电源电量较小，仅能维持小型漂流浮标体1天的工作，微控制器会通过电量监测模块定时对锂电池进行检测，如果锂电池可以通过太阳能电池板充电，恢复安全电压上限，则切回锂电池供电模式，备用电源空闲；如果故障无法排除，将通过通讯模块及时告知岸站错误情况。

具体地，太阳能电池板输出功率并不是固定的，受很多因素影响(光照强度、倾斜角度和温度等)，想要获得太阳能电池板的最大输出功率，需要对最大功率点进行跟踪(mppt)，本发明的充放电控制器为mppt充放电控制器，mppt充放电控制器的功能包括给太阳能电池最大功率点跟踪、电池充放电管理、过流和过压保护、防过充和防过放、电压和电流检测、输入电流限制等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。