CN204967310U - 轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，包括第一测量板、第二测量板、第三测量板、第四测量板、第五测量板、第六测量板、第七测量板、第八测量板、第九测量板、第十测量板、第十一测量板、第十二测量板、第十三测量板、第十四测量板、第十五测量板、主控板和电池综合监控***；该***可以将电池组进行15组级联在一起，电池组总电压可以达到576V，轮胎式集装箱龙门起重机混合动力提供驱动力，***还应具有过压、欠压、过流、电池过热等保护功能，且通过电压与对应剩余容量的对应关系，实时监测电池剩余容量。

Description

轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***

技术领域

本实用新型涉及一种轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，实现15组电池箱级联充电过程均衡管理，以延长电池使用寿命。

背景技术

轮胎式集装箱龙门起重机(简称“RTGC”)是集装箱堆场装卸作业的关键装备，其灵活的装卸特性深受用户欢迎，但大量的燃油消耗和物料下降过程中的能量浪费一直成为这种设备急需解决的难题。

采用混合动力将是港口起重设备的主要研究方向之一，研究具有良好的工作稳定性的混合动力，可通过快速充电和能量反馈技术提高RTGC的节能效果，既达到了节能，并且兼顾到起重设备转场的灵活性，以及后续维护的便捷性，具有广阔的市场空间及前景。轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***的研究源于电动汽车的技术，并且伴随电动汽车技术的发展而发展，而电动汽车目前使用的电池，均是采用2到3组(一组均由12节锂电池串联构成的电池箱)电池箱级联后为电动汽车提供驱动的电能。而轮胎式集装箱龙门起重机由于起吊集装箱，要求电机驱动力应该是电动汽车驱动力的几倍，所以传统的电动汽车电池管理***已不能满足轮胎式集装箱龙门起重机电池管理***的需求。

为此，本实用新型提出一种轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，该***可以将电池组进行15组级联在一起，电池组总电压可以达到576V，轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***还应具有过压、欠压、过流、电池过热等保护功能，且通过电压与对应剩余容量的对应关系，实时监测电池剩余容量。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，如何采用15组电池级联方式获得高电压，并利主动或被动均衡方式，实现对180节电池充电过程均衡控制，对延长电池使用寿命具有重要的意义。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，包括第一测量板、第二测量板、第三测量板、第四测量板、第五测量板、第六测量板、第七测量板、第八测量板、第九测量板、第十测量板、第十一测量板、第十二测量板、第十三测量板、第十四测量板、第十五测量板、主控板和电池综合监控***；第一测量板、第二测量板、第三测量板、第四测量板、第五测量板、第六测量板、第七测量板、第八测量板、第九测量板、第十测量板、第十一测量板、第十二测量板、第十三测量板、第十四测量板和第十五测量板之间通过级联方式连接在一起；主控板与第十五测量板通过级联口连接在一起；主控板与电池综合监控***通过CAN总线接口连接。

测量板包括测量板包括12节锂电池串联构成的电池组、供电隔离电路、IPA接口、IPB接口、第一以太网隔离变压器、第二以太网隔离变压器、主测量芯片、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器；12节锂电池串联构成的电池组与主测量芯片对应接口连接；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器输出端分别与与主测量芯片对应接口连接；第一以太网隔离变压器的输出端与主测量芯片对应接口连接；第一以太网隔离变压器的输入端与IPA接口连接；第二以太网隔离变压器的输出端与主测量芯片对应接口连接；第二以太网隔离变压器的输入端与IPB接口连接；供电隔离电路的输入端与12节锂电池串联构成的电池组连接，供电隔离电路的输出端与主测量芯片的电源端连接。

主控板包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、钥匙开关电路、CAN总线接口电路、以太网接口电路、时钟电路、电源电路、主控板CPU、平衡指示灯电路、正常指示灯电路、第一继电器输出电路、第二继电器输出电路、SD卡存储电路、液晶显示电路、按键电路、看门狗电路；第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器的输出端分别与主控板CPU的A/D端连接；钥匙开关电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接；CAN总线接口电路与主控板CPU的通信口连接；以太网接口电路与主控板CPU的通信口连接；时钟电路的输出口与主控板CPU的I/O口连接；电源电路与主控板CPU的电源端连接；平衡指示灯电路、正常指示灯电路、第一继电器输出电路、第二继电器输出电路的输入端分别与主控板CPU的I/O口连接；SD卡存储电路的输入端与主控板CPU的I/O口连接；液晶显示电路的输入端与主控板CPU的I/O口连接；按键电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接；看门狗电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接。

电池综合监控***包括PLC、电池管理***软件；电池管理***软件嵌入在PLC中；电池管理***软件包括电池状态监测、电池优化控制、电池信息处理；电池状态监测包括电池电压检测、电池电流检测、电池温度检测、电池电荷状态估计、电池健康状态估计；电池优化控制包括电池均衡控制、电池充放电安全控制、温度控制；电池信息处理包括历史信息存储与显示、***内部信息通信、***与外部信息交互。

主测量芯片采用LTC6804-1；主测量芯片可以测量12节锂电池单节电池电压和12节电池总电压，也可以测量12节锂电池四点温度；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器均为热敏电阻；第一以太网隔离变压器、第二以太网隔离变压器均采用HR601860；单节锂电池电压为3.2V。

第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器均采用霍尔电流传感器ACS770LCB-050B；时钟电路采用DS1302；CAN总线接口电路采用CTM8251T；看门狗电路采用TPL5010；主控板CPU采用PIC18F66K80(2)；电源电路采用220VAC输入12VDC输出的开关电源再经降压后输出5VDC和3.3VDC，为主控板提供工作电源。

电池均衡控制包括主动均衡控制和被动均衡控制；主动均衡控制方案是：每个单体对应的电路子结构形如Buck-Boost电路，当***检测到第i个单体电压高于平均电压时，就控制其对应的开关导通，则此单体放电，放出的能量存储于与单体并联的储能元件中；开关断开后，i中的电能会充入i+1，i+2…n(n为总单体数目)，还有一部分电能会存储于电容中，由于处于续流回路，电流会对当电容电压达到预设最高值时控制导通，这样i中的能量又转移回到i中，端电压下降，当电容电压低于预设的最低值时控制断开，i中的能量即可回馈到电池组；被动均衡控制方案是：由开关管控制功率电阻放电，电池均衡速度快；电池充放电均衡控制过程，测量板负责单节电池的管理，实时监视每节电池的电压，并且在收到主控板的通信信号后对电池电压进行均衡，测量板与主控板之间采用IPA总线通讯，每当主控板要求数据时，测量板将采集回来的数据发回主控板，由主控板对数据进行分析和处理。

本实用新型的积极效果是：由于轮胎式集装箱龙门起重机混合动力在电池使用过程中存在双向电流流向，即在使用过程中存在往复充放电现象，这样给传统的SOC计量方式计量带来困难，因此，本实用新型利用3个独立不同档位的电流互感器，并借助电压和剩余容量对应的曲线关系，解决了轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池在电流出现往复波动时电池剩余电量的计量问题；为了提高***的维护性，将实时采集数据记录在SD存储卡上，进行工作状态追踪；还可以通过外部网络进行远程状态诊断和维护。

附图说明

图1为实施例1的轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***原理结构图。

图2为实施例1的测量板原理结构图。

图3为实施例1的主控板原理结构图。

图4为实施例1的电池综合监控***原理框图。

图5为实施例1的电池主动均衡原理图。

图6为实施例1的电池被动均衡原理图。

图7为实施例1的供电隔离电路原理图。

图8为实施例1的LTC6804-1引脚接口图。

图9为实施例1的测量板电池均衡控制流程图。

具体实施方式

如附图1所示，一种轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，包括第一测量板、第二测量板、第三测量板、第四测量板、第五测量板、第六测量板、第七测量板、第八测量板、第九测量板、第十测量板、第十一测量板、第十二测量板、第十三测量板、第十四测量板、第十五测量板、主控板和电池综合监控***；第一测量板、第二测量板、第三测量板、第四测量板、第五测量板、第六测量板、第七测量板、第八测量板、第九测量板、第十测量板、第十一测量板、第十二测量板、第十三测量板、第十四测量板和第十五测量板之间通过级联方式连接在一起；主控板与第十五测量板通过级联口连接在一起；主控板与电池综合监控***通过CAN总线接口连接。

如附图2所示，测量板包括测量板包括12节锂电池串联构成的电池组、供电隔离电路、IPA接口、IPB接口、第一以太网隔离变压器、第二以太网隔离变压器、主测量芯片、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器；12节锂电池串联构成的电池组与主测量芯片对应接口连接；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器输出端分别与与主测量芯片对应接口连接；第一以太网隔离变压器的输出端与主测量芯片对应接口连接；第一以太网隔离变压器的输入端与IPA接口连接；第二以太网隔离变压器的输出端与主测量芯片对应接口连接；第二以太网隔离变压器的输入端与IPB接口连接；供电隔离电路的输入端与12节锂电池串联构成的电池组连接，供电隔离电路的输出端与主测量芯片的电源端连接。

如附图3所示，主控板包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、钥匙开关电路、CAN总线接口电路、以太网接口电路、时钟电路、电源电路、主控板CPU、平衡指示灯电路、正常指示灯电路、第一继电器输出电路、第二继电器输出电路、SD卡存储电路、液晶显示电路、按键电路、看门狗电路；第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器的输出端分别与主控板CPU的A/D端连接；钥匙开关电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接；CAN总线接口电路与主控板CPU的通信口连接；以太网接口电路与主控板CPU的通信口连接；时钟电路的输出口与主控板CPU的I/O口连接；电源电路与主控板CPU的电源端连接；平衡指示灯电路、正常指示灯电路、第一继电器输出电路、第二继电器输出电路的输入端分别与主控板CPU的I/O口连接；SD卡存储电路的输入端与主控板CPU的I/O口连接；液晶显示电路的输入端与主控板CPU的I/O口连接；按键电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接；看门狗电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接。

如附图4所示，电池综合监控***包括PLC、电池管理***软件；电池管理***软件嵌入在PLC中；电池管理***软件包括电池状态监测、电池优化控制、电池信息处理；电池状态监测包括电池电压检测、电池电流检测、电池温度检测、电池电荷状态估计、电池健康状态估计；电池优化控制包括电池均衡控制、电池充放电安全控制、温度控制；电池信息处理包括历史信息存储与显示、***内部信息通信、***与外部信息交互。

主测量芯片采用LTC6804-1，如附图8所示；主测量芯片可以测量12节锂电池单节电池电压和12节电池总电压，也可以测量12节锂电池四点温度；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器均为热敏电阻；第一以太网隔离变压器、第二以太网隔离变压器均采用HR601860；单节锂电池电压为3.2V。

第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器均采用霍尔电流传感器ACS770LCB-050B；时钟电路采用DS1302；CAN总线接口电路采用CTM8251T；看门狗电路采用TPL5010；主控板CPU采用PIC18F66K80(2)；电源电路采用220VAC输入12VDC输出的开关电源再经降压后输出5VDC和3.3VDC，为主控板提供工作电源。

电池均衡控制包括主动均衡控制和被动均衡控制；主动均衡控制方案如附图5所示，每个单体对应的电路子结构形如Buck-Boost电路，当***检测到第i个单体电压高于平均电压时，就控制其对应的开关导通，则此单体放电，放出的能量存储于与单体并联的储能元件中；开关断开后，i中的电能会充入i+1，i+2…n(n为总单体数目)，还有一部分电能会存储于电容中，由于处于续流回路，电流会对当电容电压达到预设最高值时控制导通，这样i中的能量又转移回到i中，端电压下降，当电容电压低于预设的最低值时控制断开，i中的能量即可回馈到电池组。

被动均衡控制方案，如附图6所示，由开关管控制功率电阻放电，电池均衡速度快。

供电隔离电路，如附图7所示，采用Linear公司的LT8300反激式变换器芯片，它可以将最大100V的直流输入转化最大150V/260mA的直流输出。LTC6804-1的供电电压必须高于12节电池组的最高电压，本次采用的是3.2V的锂离子电池，所以设置52V的供电电压满足正常工作的需要，另外LTC6804-1还有一路5V工作电压用于满足与其它电路电平的兼容性工作。使用一个NPN管进行电压选取，当LTC6804-1休眠时，DRIVE引脚不工作，VREG引脚电压为零；当LTC6804-1工作时，DRIVE引脚工作，产生一个5.6V的电压，经NPN管后在VREG引脚输出5.2V的电压，保证电平兼容性。

如附图9所示，电池充放电均衡控制过程，测量板负责单节电池的管理，实时监视每节电池的电压，并且在收到主控板的通信信号后对电池电压进行均衡，测量板与主控板之间采用IPA总线通讯，每当主控板要求数据时，测量板将采集回来的数据发回主控板，由主控板对数据进行分析和处理。

Claims (7)

1.轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，其特征在于：包括第一测量板、第二测量板、第三测量板、第四测量板、第五测量板、第六测量板、第七测量板、第八测量板、第九测量板、第十测量板、第十一测量板、第十二测量板、第十三测量板、第十四测量板、第十五测量板、主控板和电池综合监控***；第一测量板、第二测量板、第三测量板、第四测量板、第五测量板、第六测量板、第七测量板、第八测量板、第九测量板、第十测量板、第十一测量板、第十二测量板、第十三测量板、第十四测量板和第十五测量板之间通过级联方式连接在一起；主控板与第十五测量板通过级联口连接在一起；主控板与电池综合监控***通过CAN总线接口连接。

2.根据权利要求1所述的轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，其特征在于：测量板包括12节锂电池串联构成的电池组、供电隔离电路、IPA接口、IPB接口、第一以太网隔离变压器、第二以太网隔离变压器、主测量芯片、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器；12节锂电池串联构成的电池组与主测量芯片对应接口连接；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器输出端分别与与主测量芯片对应接口连接；第一以太网隔离变压器的输出端与主测量芯片对应接口连接；第一以太网隔离变压器的输入端与IPA接口连接；第二以太网隔离变压器的输出端与主测量芯片对应接口连接；第二以太网隔离变压器的输入端与IPB接口连接；供电隔离电路的输入端与12节锂电池串联构成的电池组连接，供电隔离电路的输出端与主测量芯片的电源端连接。

3.根据权利要求1所述的轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，其特征在于：主控板包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、钥匙开关电路、CAN总线接口电路、以太网接口电路、时钟电路、电源电路、主控板CPU、平衡指示灯电路、正常指示灯电路、第一继电器输出电路、第二继电器输出电路、SD卡存储电路、液晶显示电路、按键电路、看门狗电路；第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器的输出端分别与主控板CPU的A/D端连接；钥匙开关电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接；CAN总线接口电路与主控板CPU的通信口连接；以太网接口电路与主控板CPU的通信口连接；时钟电路的输出口与主控板CPU的I/O口连接；电源电路与主控板CPU的电源端连接；平衡指示灯电路、正常指示灯电路、第一继电器输出电路、第二继电器输出电路的输入端分别与主控板CPU的I/O口连接；SD卡存储电路的输入端与主控板CPU的I/O口连接；液晶显示电路的输入端与主控板CPU的I/O口连接；按键电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接；看门狗电路的输出端与主控板CPU的I/O口连接。

4.根据权利要求1所述的轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，其特征在于：电池综合监控***包括PLC、电池管理***软件；电池管理***软件嵌入在PLC中；电池管理***软件包括电池状态监测、电池优化控制、电池信息处理；电池状态监测包括电池电压检测、电池电流检测、电池温度检测、电池电荷状态估计、电池健康状态估计；电池优化控制包括电池均衡控制、电池充放电安全控制、温度控制；电池信息处理包括历史信息存储与显示、***内部信息通信、***与外部信息交互。

5.根据权利要求2所述的轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，其特征在于：主测量芯片采用LTC6804-1；主测量芯片可以测量12节锂电池单节电池电压和12节电池总电压，也可以测量12节锂电池四点温度；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器均为热敏电阻；第一以太网隔离变压器、第二以太网隔离变压器均采用HR601860；单节锂电池电压为3.2V。

6.根据权利要求3所述的轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，其特征在于：第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器均采用霍尔电流传感器ACS770LCB-050B；时钟电路采用DS1302；CAN总线接口电路采用CTM8251T；看门狗电路采用TPL5010；主控板CPU采用PIC18F66K80(2)；电源电路采用220VAC输入12VDC输出的开关电源再经降压后输出5VDC和3.3VDC，为主控板提供工作电源。

7.根据权利要求4所述的轮胎式集装箱龙门起重机混合动力电池管理***，其特征在于：电池均衡控制包括主动均衡控制和被动均衡控制；主动均衡控制方案是：每个单体对应的电路子结构形如Buck-Boost电路，当***检测到第i个单体电压高于平均电压时，就控制其对应的开关导通，则此单体放电，放出的能量存储于与单体并联的储能元件中；开关断开后，i中的电能会充入i+1，i+2...n，n为总单体数目，还有一部分电能会存储于电容中，由于处于续流回路，电流会对当电容电压达到预设最高值时控制导通，这样i中的能量又转移回到i中，端电压下降，当电容电压低于预设的最低值时控制断开，i中的能量即可回馈到电池组；被动均衡控制方案是：由开关管控制功率电阻放电，电池均衡速度快；电池充放电均衡控制过程，测量板负责单节电池的管理，实时监视每节电池的电压，并且在收到主控板的通信信号后对电池电压进行均衡，测量板与主控板之间采用IPA总线通讯，每当主控板要求数据时，测量板将采集回来的数据发回主控板，由主控板对数据进行分析和处理。