航空電源電池管理系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電池管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及航空電源電池管理系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，其機(jī)載用電設(shè)備日益增多，航空電源電池管理系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)成為了關(guān)鍵。航空電源電池管理系統(tǒng)不僅是功能系統(tǒng)，也是重要的安全保障系統(tǒng)。由于 全電飛機(jī)的不斷發(fā)展，航空電源電池系統(tǒng)的重要性也將提升到一個(gè)新的高度。一個(gè)好的電 源電池管理系統(tǒng)不僅要對電池組的電壓電流進(jìn)行檢測，電池荷電狀態(tài)及健康狀態(tài)的估計(jì)， 電池的充放電均衡問題也成為研宄的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
[0003]目前，市場上主流的電源電池管理系統(tǒng)較之模擬電子式電池管理系統(tǒng)有了質(zhì)的飛 躍，但仍有種種不足，比如：測量的精確度和實(shí)時(shí)性還有待改善，測量的數(shù)據(jù)類型不夠完善， 有待與上位機(jī)界面連接，實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)可視化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出航空電源電池管理系統(tǒng)及其方法。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0006] 航空電源電池管理系統(tǒng)，包括主控制單元、監(jiān)控子單元和上位機(jī)；
[0007] 所述的主控制單元，包括主控制器模塊、充放電電壓測量模塊、充放電電流測量模 塊、過壓過流保護(hù)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、接觸器模塊、氣壓采集模塊和isoSPI轉(zhuǎn)換模塊；
[0008] 所述的監(jiān)控子單元有多個(gè)，各監(jiān)控子單元均包括子板控制模塊和溫度測量模塊；
[0009] 所述的充放電電壓測量模塊的輸入端連接航空電源的整體電池組兩端，充放電電 流測量模塊的輸入端連接航空電源的整體電池組的負(fù)載，充放電電壓測量模塊的輸出端和 充放電電流測量模塊的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過IIC 總線連接主控制器模塊的第一輸入端；所述的氣壓采集模塊的輸出端通過IIC總線連接主 控制器模塊的第二輸入端；所述的主控制器模塊的第一輸出端連接過壓過流保護(hù)模塊的輸 入端，過壓過流保護(hù)模塊的輸出端連接接觸器模塊的輸入端，接觸器模塊的輸出端連接航 空電源的整體電池組；所述的主控制器模塊通過CAN總線連接上位機(jī)；所述的各溫度測量 模塊的輸出端分別連接對應(yīng)的子板控制模塊的第一輸入端，各子板控制模塊的第二輸入端 連接對應(yīng)的單電池組兩端；所述的各子板控制模塊通過SPI總線連接isoSPI轉(zhuǎn)換模塊， isoSPI轉(zhuǎn)換模塊通過SPI總線連接主控制器模塊。
[0010] 該系統(tǒng)還包括電源單元，電源單元的輸入端連接航空電源的整體電池組，電源單 元的輸出端連接主控制器模塊的電源端；
[0011] 所述的電源單元，采用電壓隔離轉(zhuǎn)換器，用于將航空電源電池的電壓轉(zhuǎn)換為主控 制單元各模塊和監(jiān)控子單元各模塊所需電壓，為主控制單元各模塊和監(jiān)控子單元各模塊供 電。
[0012] 主控制器模塊，采用單片機(jī)，用于根據(jù)采集的航空電源的整體電池組的充電總電 壓值、整體電池組的放電總電壓值、整體電池組的充電總電流值、整體電池組的放電總電流 值和單電池組的單體電池電壓值進(jìn)行電壓、電流檢測，并發(fā)送控制信號至過壓過流保護(hù)模 塊；根據(jù)單電池組的單體電池的電壓值計(jì)算單電池組的單體電池的電壓偏差，并發(fā)送控制 信號至子板控制模塊；根據(jù)實(shí)時(shí)采集的航空電源的整體電池組的充電總電壓、整體電池組 的放電總電壓、整體電池組的充電總電流、整體電池組的放電總電流和整體電池組溫度值 進(jìn)行航空電源電池的SOC值和航空電源電池SOH值估算；將航空電源的整體電池組的充電 總電壓值、整體電池組的放電總電壓值、整體電池組的充電總電流值、整體電池組的放電總 電流值、整體電池組的外界大氣壓力值、各單電池組的溫度值、單電池組的單體電池的電壓 值、航空電源的SOC值和航空電源電池SOH值發(fā)送至上位機(jī)；
[0013] 所述的充放電電壓測量模塊，用于采集航空電源的整體電池組的充電總電壓和整 體電池組的放電總電壓，并傳送至A/D轉(zhuǎn)換模塊；充放電電壓測量模塊，包括放電電壓測量 電路和充電電壓測量電路；
[0014] 所述的放電電壓測量電路包括第一運(yùn)算放大器、第一隔離器和第二運(yùn)算放大器； 所述的第一運(yùn)算放大器的輸入端連接航空電源的整體電池組兩端，第一運(yùn)算放大器的輸出 端連接第一隔離器的輸入端，第一隔離器的輸出端連接第二運(yùn)算放大器的輸入端，第二運(yùn) 算放大器的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；
[0015] 所述的充電電壓測量電路包括第三運(yùn)算放大器、第二隔離器和第四運(yùn)算放大器； 所述的第三運(yùn)算放大器的輸入端連接航空電源的整體電池組兩端，第三運(yùn)算放大器的輸出 端連接第二隔離器的輸入端，第二隔離器的輸出端連接第四運(yùn)算放大器的輸入端，第四運(yùn) 算放大器的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。
[0016] 所述的充放電電流測量模塊，用于采集航空電源的整體電池組的充電總電流和整 體電池組的放電總電流，并傳送至A/D轉(zhuǎn)換模塊；充放電電流測量模塊，包括放電電流測量 電路和充電電流測量電路；
[0017] 所述的放電電流測量電路包括第五運(yùn)算放大器和第六運(yùn)算放大器；所述的第五運(yùn) 算放大器的輸入端連接航空電源的整體電池組負(fù)載，第五運(yùn)算放大器的輸出端連接第六運(yùn) 算放大器的輸入端，第六運(yùn)算放大器的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；
[0018] 所述的充電電流測量電路包括第七運(yùn)算放大器和第八運(yùn)算放大器；所述的第七運(yùn) 算放大器的輸入端連接航空電源的整體電池組負(fù)載，第七運(yùn)算放大器的輸出端連接第八運(yùn) 算放大器的輸入端，第八運(yùn)算放大器的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。
[0019]所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊，采用A/D轉(zhuǎn)換器，用于將采集的航空電源的整體電池組的充 電總電壓、放電總電壓、充電總電流和放電總電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的航空電源的整 體電池組的充電總電壓值、放電總電壓值、充電總電流值和放電總電流值通過IIC總線傳 送至主控制器模塊；
[0020] 所述的過壓過流保護(hù)模塊，用于根據(jù)接收主控制器模塊的控制信號，在航空電源 的整體電池組或單電池組的單體電池出現(xiàn)過壓、過流時(shí)，控制接觸器模塊的通斷，實(shí)現(xiàn)過壓 過流保護(hù)；過壓過流保護(hù)模塊，包括光電耦合器、第一三極管和第二三極管；
[0021] 所述的光電親合器的輸入端連接主控制器模塊的第一輸出端，光電親合器的第一 輸出端連接第一三極管的輸入端，光電耦合器的第二輸出端連接第二三級管的輸入端；第 一三極管的輸出端和第二三極管的輸出端分別連接接觸器模塊的輸入端。
[0022] 所述的氣壓采集模塊，采用氣壓傳感器，用于采集航空電源的整體電池組的外界 大氣壓力值，并傳送至主控制器模塊；
[0023] 所述的isoSPI轉(zhuǎn)換模塊，用于實(shí)現(xiàn)四線制的標(biāo)準(zhǔn)SPI和兩線制的標(biāo)準(zhǔn)SPI的相互 轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)主控制器模塊與多個(gè)子板控制模塊之間的通信；isoSPI轉(zhuǎn)換模塊，包括isoSPI 隔離式通信接口和以太網(wǎng)隔離變壓器；
[0024] 所述的isoSPI隔離式通信接口的輸入端通過SPI總線連接主控制器模塊，isoSPI 隔離式通信接口的輸出端連接隔離變壓器的輸入端，隔離變壓器的輸出端通過SPI總線連 接各個(gè)子板控制模塊。
[0025] 所述的子板控制模塊，采用電池組監(jiān)視器，用于采集航空電源的單電池組的單體 電池電壓值，將航空電源的單電池組的單體電池電壓值和航空電源的單電池組的溫度值傳 送至主控制器模塊；根據(jù)主控制器模塊控制信號對單電池組的單體電池進(jìn)行能量均衡控 制；
[0026] 所述的溫度測量模塊，采用熱敏電阻，用于采集航空電源的單電池組的溫度值，并 傳送至子板控制模塊；
[0027] 所述的接觸器模塊，用于控制航空電源電池與電池充電器的通斷和航空電源電池 與負(fù)載的通斷；接觸器模塊，包括兩個(gè)直流接觸器：充電直流接觸器和放電直流接觸器；
[0028] 所述的充電直流接觸器的輸入端和放電直流接觸器的輸入端連接過壓過流保護(hù) 模塊的輸出端，充電直流接觸器的輸出端連接航空電源電池的電池充電器，放電直流接觸 器的輸出端連接航空電源電池的負(fù)載。
[0029] 所述的上位機(jī)，用于顯示航空電源的整體電池組的充電總電壓值、整體電池組的 放電總電壓值、整體電池組的充電總電流值、整體電池組的放電總電流值、整體電池組的外 界大氣壓力值、各單電池組的溫度值、單電池組的單體電池的電壓值、航空電源電池的S0C 值和航空電源電池S0H值。
[0030] 采用航空電源電池管理系統(tǒng)進(jìn)行航空電源電池管理的方法，包括以下步驟：
[0031] 步驟1 :在航空電源電池工作過程中，充放電電壓測量模塊實(shí)時(shí)采集航空電源的 整體電池組的充電總電壓和放電總電壓，充放電電流測量模塊采集航空電源的整體電池組 的充電總電流和放電總電流，A/D轉(zhuǎn)換模塊將整體電池組的充電總電壓、放電總電壓、充電 總電流和放電總電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的航空電源的整體電池組的充電總電壓值、 放電總電壓值、充電總電流值和放電總電流值傳送至主控制器模塊；
[0032] 步驟2:氣壓采集模塊實(shí)時(shí)采集航空電源的整體電池組的外界大氣壓力值，并傳 送至主控制器模塊；
[0033] 步驟3:各溫度測量模塊采集航空電源的各單電池組的溫度值，并傳送至子板控 制豐吳塊；
[0034] 步驟4:各子板控制模塊采集對應(yīng)的航空電源的單電池組的單體電池電壓值，將 航空電源的單電池組的單體電池電壓值和航空電源的單電池組的溫度值傳送至主控制器 豐吳塊；
[0035] 步驟5:主控制器模塊根據(jù)采集的航空電源的整體電池組的充電總電壓值、整體 電池組的放電總電壓值、整體電池組的充電總電流值、整體電池組的放電總電流值和單電 池組的單體電池電壓值進(jìn)行電壓、電流檢測，并發(fā)送控制信號至過壓過流保護(hù)模塊控制接 觸器模塊的通斷，實(shí)現(xiàn)航空電源電池的過壓過流保護(hù)；
[0036] 步驟5. 1 :設(shè)定單電池組的單體電池的電壓上限閾值、單電池組的單體電池的電 壓下限閾值、整體電池組充放電總電壓上限閾值、整體電池組充放電總電壓下限閾值、整體 電池組充放電總電流上限閾值和整體電池組充放電總電流下限閾值；
[0037] 步驟5. 2:當(dāng)單電池組