Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики. Сущность полезной модели состоит в том, что в систему, запитанную от батареи и содержащую связанные по последовательному каналу связи через устройство гальванической развязки микроконтроллерные блоки управления накопителями, модулями и батареей, введен аппаратно-программный механизм автоматического присвоения идентификационных номеров блоков управления (адресов) на основе цепочек последовательно соединенных друг с другом в требуемом порядке идентификации блоков управления системы по входу и выходу разовых команд соответствующих микроконтроллеров через устройства гальванической развязки. Технический результат полезной модели состоит в автоматизации процесса присвоения идентификационных номеров (адресов) конструктивно привязанных к накопителям и батарейным модулям микроконтроллерных блоков управления системы.

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики.

Известна иерархическая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии [см. статью «Особенности построения аппаратуры контроля и защиты высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов» / труды НПП «ВНИИЭМ», 2011, Т.123, 4, с.29-34 авторов М.Ф.Ганзбург, А.И.Груздев, В.И.Трофименко (ОАО «АВЭКС»)].

Известная система на нижнем уровне управления содержит модули электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния, а также с устройствами выравнивания, коммутации, контроля и управления, связанными по последовательному каналу связи с модулем измерения тока и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, к бортовому зарядному устройству и внешним системам. Недостатком известной системы является большая трудоемкость ручной установки идентификационных номеров накопителей и модулей накопителей в аккумуляторной батарее, которая чревата трудно выявляемыми ошибками и особенно усугубляется для высоковольтных батарей, содержащих около 200 объектов идентификации.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данной полезной модели является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии по заявке РФ на полезную модель 2012132679 от 30.07.2012 г.

Известная трехуровневая иерархическая система, запитанная от батареи, состоит из микроконтроллерных блоков управления накопителями (БУН) на нижнем уровне управления, подключенных по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями (БУМ) накопителей на среднем уровне управления, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей (БУБ) верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством (БЗУ) и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи. Блоки управления БУН и БУМ системы содержат блоки задания идентификационных номеров накопителей и модулей соответственно, выполненные в виде микропереключателей или перемычек на соответствующих печатных платах.

Недостатком известной системы, выбранной в качестве прототипа, является большая трудоемкость ручной установки идентификационных номеров конструктивно привязанных к накопителям и батарейным модулям блоков управления БУН и БУМ, которая усугубляется большим количеством блоков управления в высоковольтной батарее и трудно выявляемыми ошибками в присвоении номеров в процессе функционирования системы.

Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача автоматизации процесса присвоения идентификационных номеров конструктивно привязанных к накопителям и батарейным модулям блоков управления иерархической системы.

Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерам связанных с клеммами модулей блоков управления модулями накопителей среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенного к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи.

Новым в предложенной системе является то, что в нее введен аппаратно-программный механизм автоматического присвоения идентификационных номеров блоков управления (адресов) на основе цепочек последовательно соединенных друг с другом в требуемом порядке идентификации блоков управления системы по входу и выходу разовых команд соответствующих микроконтроллеров через устройства гальванической развязки.

Технический результат заявленной полезной модели состоит в автоматизации присвоения идентификационных номеров (адресов) конструктивно привязанных к накопителям и батарейным модулям микроконтроллерных блоков управления системы.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленной системы.

Заявленная система запитана от батареи и содержит связанные с борнами «+» и «-» накопителей батареи блоки управления накопителями 1 нижнего уровня управления, микроконтроллеры 2 которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи 3 с гальванической развязкой 4 к соответствующим микроконтроллерам 5 связанных с клеммами «+» и «-» батарейных модулей блоков управления модулями накопителей 6 среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи 7 с гальванической развязкой 8 к микроконтроллеру 9 связанному с клеммами «+» и «-» батареи блока управления батареей 10 верхнего уровня управления, подключенного к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ (на чертеже не показаны) по последовательному каналу связи 11 с гальванической развязкой 12. Выход разовых команд микроконтроллера 9 блока управления батареей 10 через устройство гальванической развязки 13 подключен к входу разовых команд микроконтроллера 5 первого по порядку идентификации блока управления модулем 6, выходы разовых команд которого подключены через устройство гальванической развязки 14 к входу разовых команд микроконтроллера 2 первого по порядку идентификации блока управления накопителем 1 соответствующего батарейного модуля, а также через устройство гальванической развязки 15 к входу разовых команд микроконтроллера 5 второго по порядку идентификации блока управления модулем 6. Выход разовых команд микроконтроллера 2 первого по порядку идентификации блока управления накопителем 1 подключен через устройство гальванической развязки 16 с входом разовых команд микроконтроллера 2 второго по порядку идентификации в батарейном модуле блока управления накопителем 1 и т.д., образуя цепочку последовательно соединенных через устройство гальванической развязки по порядку идентификации микроконтроллеров 2 блоков управления накопителем 1 в каждом батарейном модуле, а также аналогичную цепочку микроконтроллеров 5 блоков управления модулем 6 в батарее.

Заявленная система работает следующим образом.

После включения системы и тестирования каналов 3, 7, 11 последовательной связи, осуществляемого блоком БУБ 10 для всех блоков БУМ 6 батареи и блоками БУМ 6 для всех блоков БУН 1 батарейных модулей, в случае обнаружения хотя бы одного микроконтроллера 2, 5 системы, не отвечающего мастеру канала по последовательному каналу связи, соответствующий блок БУМ выдает надлежащее сообщение в блок БУБ, а последний выдает сообщение об отказе системы. Далее человеком-оператором инициируется процедура автоматического присвоения адресов (идентификационных номеров) всем микроконтроллерам блоков управления системы. Микроконтроллер 9 блока БУБ 10 посылает разовую команду в первый по порядку идентификации блок БУМ 6 через устройство гальванической развязки 13, сопровождая ее выдачей по каналу последовательной связи 7 соответствующего адреса. Получив указанную разовую команду, микроконтроллер 5 блока БУМ 6 читает из канала связи 7 присланный адрес, запоминает его в энергонезависимой памяти и сообщает мастеру канала о присвоении адреса. После этого микроконтроллер 5 блока управления модулем 6 через устройство гальванической развязки 14 выдает разовую команду первому по цепочке блоку управления накопителем БУН 1, сопровождая ее адресом по каналу последовательной связи 3, а микроконтроллер 9 блока БУБ 10 выставляет в последовательный канал связи адрес следующего по порядку блока управления БУМ 6. После присвоения адреса микроконтроллеры блоков БУМ и БУН выставляют разовые команды следующим по порядку идентификации блокам БУМ, БУН по соответствующим цепочкам. Таким образом, присвоением адресов блоков БУН 1 батарейных модулей управляет соответствующий блок БУМ 6, а присвоением адресов блоков БУМ 6 управляет блок БУБ 10, адрес которого задается в конфигурационном файле микроконтроллера 9 блока БУБ 10 вместе с общим количеством модулей в батарее и накопителей в батарейном модуле. Информацию о числе накопителей в модуле микроконтроллер 9 передает микроконтроллерам 5 блоков БУМ 6 по последовательному каналу связи 7. Процедура автоматического присвоения адреса заканчивается тестированием межмодульного последовательного канала связи 7, которую проводит микроконтроллер 9 блока БУБ 10, и последовательных внутримодульных каналов связи 3, которую проводят микроконтроллеры 5 блоков БУМ 6, и сравнением результатов с данными конфигурационного файла микроконтроллера 9 блока БУБ 10. При несовпадении результатов контроля механизм автоматического присвоения адресов запускается повторно. При неудаче во второй попытке микроконтроллер 9 блока БУБ 10 выдает отказ системы по каналу связи 11 через устройство гальванической развязки 12. В качестве микроконтроллеров 12 блоков управления БУН 1 системы может быть выбран микроконтроллер MK10DX64VLH7 (Freescale), в качестве микроконтроллеров 5 блоков управления БУМ 6 системы может быть выбран микроконтроллер MK10DN512VLK10 (Freescale), в качестве микроконтроллера блока БУБ 10 - микроконтроллер семейства iMX6 (Freescale). Устройства гальванической развязки 4, 8, 12 могут быть реализованы на микросхеме ADM2483BRW, устройства гальванической развязки 13, 14, 15 и 16 на оптроне FODM8801A (Fairchild). В качестве последовательных каналов связи 3, 7, 11 могут быть выбраны RS485 или CAN.

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей батареи блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерам связанных с клеммами модулей блоков управления модулями накопителей среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенного к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи, отличающаяся тем, что в нее введен аппаратно-программный механизм автоматического присвоения идентификационных номеров блоков управления накопителями и модулями на основе цепочек последовательно соединенных друг с другом в требуемом порядке идентификации блоков управления системы по входу и выходу разовых команд соответствующих микроконтроллеров через устройства гальванической развязки.