一种UUV电池组智能化级联扩展架构及级联扩展方法与流程

本发明属于uuv电池控制技术领域，具体涉及一种uuv电池组智能化级联扩展架构及级联扩展方法。

背景技术：

近年来，以uuv(无人低速水下航行器)为主体的无人水下设备在军民领域水下应用中逐渐崭露头角；uuv是一种能够在水下长时间自主运动的智能化装备，它可以携带多种探测器、传感器等装备载荷，执行水下任务，比如：在民用领域的应用包括水下勘探、水下打捞、应急救援、科学考察、水下考古、辅助作业、管线铺设等。随着uuv执行任务的多样性日趋复杂，其水下工作时间及携带载荷的不确定性越来越大，那么随之而来的是对供电电池的要求越来越高，当uuv离开发射平台后，电池是uuv主要的能量来源，也是其自身动力系统及负载设备能否正常工作的主要影响因素；uuv电池决定着其整体性能的实现，也是其能否顺利执行长时间、大范围作业任务的前提。在新型电池出现之前，目前各类电池的能量密度已无法大幅提高，受自身携带有效载荷能力的限制，uuv也不可能无限制大幅增加携带电池组的数量，因此，对中小型uuv而言，若能根据水下任务和装备载荷用电量的要求，灵活配置电池容量或供电电压，就能有效增加uuv的水下续航时间，大幅提高uuv的作业效率。

目前，电池级联的研究均集中在电池保护电路、单体保护芯片、电池组电量均衡、电源管理系统等方向。常见电池组级联扩展形式一般可分为提高输出电压的串联形式和增大输出电流的并联形式两种，对自带电源变换装置的uuv而言，一般的扩展模式是采用并联方式提高电池容量或者是采用串联方式提高电池输出电压；由于电量平衡的需求，直接并联的方式会因不同电池组的内阻差异和各组电池之间的初始电压差，从而形成自放电回路，因此该方式对级联操作的先决条件要求较高，操作过程较为复杂，且安全性较差，同时扩展使用形式单一，不适合多套电池组的灵活配置，无法满足中小型uuv根据水下任务类型和装备载荷用电要求灵活配置电池容量或供电电压的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有电池组级联操作先决条件要求较高、操作过程较为复杂、安全性较差，同时扩展使用形式单一，不适合多套电池组的灵活配置的问题，而提供了一种uuv电池组智能化级联扩展架构及级联扩展方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种uuv电池组智能化级联扩展架构，其特殊之处在于：包括n个电池组，n为大于1的整数；

每个电池组包括电池芯体以及基于arm控制器且具备can总线通讯接口的监测管理电路；监测管理电路上设置有单向均衡电路和具有独立输出控制的固态开关；电池组的输出连接uuv载荷；n个电池组采用星形拓扑结构物理连接；

其中，监测管理电路用于采集电池芯体信息，并通过can总线与uuv控制系统连接；

uuv控制系统根据uuv作业时间及不同载荷设备的供电需求，通过控制n个固态开关的通断，改变电池组级联模式；

电池组物理连接后，当各监测管理电路检测电池组之间的电压差大于安全值时，单向均衡电路自动进行电量平衡，确保电池组级联的安全性。

进一步地，每个电池组与uuv控制系统之间签订电池组级联应用层通讯协议；所述电池组级联应用层通讯协议基于可自检及主从应答原则设计，电池组级联应用层通讯协议包含电池组can总线通讯协议和控制指令码表生成规范。

进一步地，所述电池组级联应用层通讯协议包括uuv控制系统给每个电池组发送的握手指令和自检指令、每个电池组给uuv控制系统发送的握手回复和自检结果、uuv控制系统给每个电池组发送的电池串并联输出指令和电池输出关断指令、以及每个电池组给uuv控制系统发送的电池组信息。

进一步地，所述uuv控制系统根据确定的电池组级联形式及电池组数量，通过can总线为每组电池分配id，并为每个电池组设定告警阈值；当超过告警阈值时，监测管理电路上报uuv控制系统并控制固态开关断开电池组输出。

进一步地，所述电池芯体的信息是指电压、电流、温度及电量；

所述告警阈值是指电压告警阈值、电流告警阈值、温度告警阈值及电量告警阈值。

进一步地，所述电池组级联模式采用uuv控制系统预设置或者由uuv操控系统通过uuv远程通信系统向uuv控制系统下达指令设定。

本发明还提供了一种采用上述uuv电池组智能化级联扩展架构的级联扩展方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)基于可自检及主从应答原则设计电池组级联应用层通讯协议，包含电池组can总线通讯协议和控制指令码表生成规范；

2)采用星型拓扑结构将n个电池组进行物理连接；

3)将各个电池组的监测管理电路通过can总线与uuv控制系统连接，并通过uuv控制系统接入uuv远程通信系统；

4)uuv控制系统为每个电池组分配id号；

5)uuv控制系统根据uuv作业时间及不同载荷设备的供电需求，生成电池组控制指令码表，以寻址位、状态位构成组合命令帧控制各电池组输出状态，实现设定或预置的电池组级联模式；

6)各监测管理电路收到uuv控制系统发出的自检指令后，自动检测各电池组之间的电压差，当电压差大于安全值时，通过单向均衡电路自动进行电量平衡；

7)uuv控制系统为每个电池组设定电压告警阈值、电流告警阈值、温度告警阈值以及电量告警阈值；

8)各电池组根据级联应用层通讯协议通过can总线自主上报电池芯体信息；

9)任务结束，受控或自动关闭各电池组输出，解除级联状态。

进一步地，步骤5)中，所述电池组级联模式包括全并联模式、部分并联模式、部分并联交替模式、全串联模式、部分串联模式、部分串联交替模式和串并联组合模式。

本发明的优点是：

本发明通过总线式通讯、自动id分配、自动压差检测及电量平衡、串并联自主切换等手段，可实现多组电池的安全、智能化级联扩展。本发明采用星形拓扑结构，控制方法简单，具备可适应任意扩展节点数量的控制指令码表生成规范，理论扩展节点可达128个，任意节点电池组故障诊断和故障隔离方便，扩展形式多样，可充分保障uuv电池组的使用安全性和扩展灵活性。

附图说明

图1为本发明中单电池组构成框图；

图2为本发明中电池组级联应用通讯协议中控制指令码表生成规范；

图3为本发明总电池组级联扩展架构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

8)如图1～图3所示，一种uuv电池组智能化级联扩展架构，包括n个电池组，n为大于1的整数；每个电池组包括电池芯体以及基于arm控制器且具备can总线通讯接口的监测管理电路；监测管理电路上设置有单向均衡电路以及具有独立输出控制的固态开关；电池组的输出连接uuv载荷；n个电池组采用图3所示星形拓扑结构物理连接；其中，监测管理电路用于采集电池芯体信息(电压、电流、温度、电量)，并通过can总线与uuv控制系统连接。针对电池组扩展形式及数量的不确定性，基于可自检及主从应答原则设计电池组级联应用层通讯协议，该协议包含电池组can总线通讯协议和控制指令码表生成规范；电池使用时，根据uuv作业时间及不同负荷功率设备的供电需求确定电池组级联形式及组数；电池组物理连接后，各监测管理电路自动检测电池组之间的电压差，当电压差大于安全值时，通过单向均衡电路自动进行电量平衡，确保级联安全性；uuv控制系统根据确定的级联形式及电池组数量，通过can总线为每组电池分配id，并为每组电池设定电压、电流、温度、电量告警阈值；生成电池组控制指令码表，以寻址位、状态位构成组合命令帧控制各电池组输出状态，实现设定或预置的电池组级联模式；uuv执行水下任务时，uuv操控系统可通过远程通信系统向控制系统下达指令，根据任务类型在线切换电池级联模式，也可由uuv控制系统预置设定；

电池组级联应用层通讯协议包括uuv控制系统给每个电池组发送的握手指令和自检指令、每个电池组给uuv控制系统发送的握手回复和自检结果、uuv控制系统给每个电池组发送的电池输出指令和电池输出关断指令、以及每个电池组给uuv控制系统发送的电池组信息。

以携带4组电池组的某型水下作业机器人为例：当该uuv执行高航速任务时，加装大推力推进器，通过uuv控制系统将四组电池组设置为硬并联模式(即全并联模式)，增大电池组输出功率(即输出电流)；当该uuv执行低速长航水下观测任务时，加装低功耗推进器，通过uuv控制系统采用次序放电将电池组设置为软并联模式(即部分并联交替模式)，增加电池组的放电时间；当该uuv加装高电压作业设备时，通过uuv控制系统将电池组设置为两两串联再并联模式(即串并联组合模式)，提高电池组输出电压，满足作业设备的用电需求；工作中，各组电池根据信息规范自动报告自身状态信息，任务结束时，受控或自动关闭电源输出。

本发明还提供了一种采用上述uuv电池组智能化级联扩展架构的级联扩展方法，包括以下步骤：

1)基于可自检及主从应答原则设计电池组级联应用层通讯协议，包含电池组can总线通讯协议和控制指令码表生成规范；

2)采用星型拓扑结构将n个电池组进行物理连接；

3)将各个电池组的监测管理电路通过can总线与uuv控制系统连接，并通过uuv控制系统接入uuv远程通信系统；

4)uuv控制系统为每个电池组分配id号；

5)uuv控制系统根据uuv作业时间及不同载荷设备的供电需求，生成电池组控制指令码表，以寻址位、状态位构成组合命令帧控制各电池组输出状态，实现设定或预置的电池组级联模式，即uuv控制系统预设置电池组级联模式，或者可根据各组电池状态及任务类型通过uuv远程通信系统传送uuv操控系统指令、控制系统在线设置电池组级联模式。

6)各监测管理电路收到uuv控制系统发出的自检指令后，自动检测各电池组之间的电压差，当电压差大于安全值时，通过单向均衡电路自动进行电量平衡；

7)uuv控制系统为每个电池组设定电压告警阈值、电流告警阈值、温度告警阈值以及电量告警阈值；

8)各电池组根据级联应用层通讯协议通过can总线自主上报电池芯体信息；

9)任务结束，受控或自动关闭各电池组输出，解除级联状态。

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公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。