ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ТРЕХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ БАТАРЕЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

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.