一种电源管理系统及方法

技术领域

本发明电源管理技术领域，尤其涉及一种电源管理系统及方法。

背景技术

随着社会发展的需要和用能设备应用领域的扩大，人们对用能设备的要求也越来越高。用能设备的电源管理系统在续航性能上起着决定性的作用。

然而，有时需要用能设备在-40℃的低温环境中应用。一方面，由于用能设备在-40℃的低温环境下放电电压和电流不能满足电子设备正常启动和工作，使得电源系统的性能会受到限制。另一方面，现有的用能设备在待机未关机的情况下不会对电源系统进行管理，造成了电池的电量耗尽和电池电芯受损，用能设备下次不能正常启动工作的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电源管理系统及方法，用于提高电源管理系统在-40℃的低温环境中的性能，保证机器人在-40℃条件下的正常工作。

第一方面，本发明提供了一种电源管理系统，用于向用能设备供电，所述电源管理系统包括：储能电池、电容组件、第一可控开关、第二可控开关以及与所述第一可控开关和所述第二可控开关连接的控制器，所述第一可控开关和所述第二可控开关并联在所述储能电池的第一电极上，所述第一可控开关和所述第二可控开关分别通过所述电容组件与所述储能电池的第二电极连接；

所述控制器用于在所述用能设备处在无法启动状态时，控制所述第一可控开关闭合，所述第二可控开关断开，使得所述储能电池通过所述第一可控开关向所述电容组件充电；在所述电容组件达到满电状态时，控制所述第一可控开关断开，所述第二可控开关闭合，使得所述电容组件通过所述第二可控开关向所述储能电池放电。

与现有技术相比，本发明提供的电源管理系统，包括储能电池、电容组件、第一可控开关、第二可控开关以及与第一可控开关和第二可控开关连接的控制器，第一可控开关和第二可控开关并联在储能电池的第一电极上，第一可控开关和第二可控开关分别通过电容组件与储能电池的第二电极连接。由于电容组件可在几秒钟内充电，并可承受几乎无限的充电周期，因此，控制器可以控制第一可控开关闭合，控制第二可控开关断开，使得储能电池和电容组件通过第一可控开关导通，从而利用储能电池向电容组件快速充电，从而使得电容组件快速达到满电状态。当需要对储能电池进行充电时，可以利用控制器控制第一可控开关断开、第二可控开关闭合，使得储能电池和电容组件通过第二可控开关导通，由于电容组件具有在低温下能瞬间高功率放电的特性，因此，可以利用电容组件通过第二可控开关向储能电池放电，从而可以补偿电池低温输出能力的不足，保证了机器人在-40℃条件下的正常工作。

由上可见，本发明是实施例的电源管理系统可以提高电源管理系统在-40℃的低温环境中的性能，保证了机器人在-40℃条件下的正常工作。

第二方面，本发明实施例提供了一种电源管理方法，应用第一方面所述的电源管理系统，所述方法包括：

控制器在所述用能设备处在无法启动状态时，控制所述第一可控开关闭合，所述第二可控开关断开，使得所述储能电池通过所述第一可控开关向所述电容组件充电；

控制器在所述电容组件达到满电状态时，控制所述第一可控开关断开，所述第二可控开关闭合，使得所述电容组件通过所述第二可控开关向所述储能电池放电。

与现有技术相比，本发明提供的电源管理方法的有益效果与上述第一方面所述的电源管理系统的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的电源管理系统的电路图。

附图标记：

100-储能电池，200-电容组件，300-第一可控开关，400-第二可控开关，500-控制器，600-第一检测器，700-负载，800-第二检测器，900-第三可控开关，1000-自复位开关，1100-光耦电压转换模块，1110-二极管，1120-光耦继电器，1130-直流电流转换器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

随着社会发展的需要和用能设备应用领域的扩大，人们对用能设备的要求也越来越高。用能设备的电源管理系统在续航性能上起着决定性的作用。

然而，有时需要用能设备在-40℃的低温环境中应用。一方面，现有的智能机器人大多采用电池作为能源的驱动方式，且需要低温-40℃条件下启动，由于电池的低温特性，市场上低温电池在低温-40℃条件下放电电压和电流受到限制，限制了机器人主控板、驱动器和电机在低温环境下的正常启动，影响产品的功能。另一方面，现有的用能设备在待机未关机的情况下不会对电源系统进行管理，造成了电池的电量耗尽和电池电芯受损，用能设备下次不能正常启动工作的问题。由于机器人电源开关目前选用的是自锁开关，在机器人使用过程中，如果操作者忘记关闭电源开关，用电设备持续耗电会导致机器人的电池能量持续消耗，影响电池的性能，降低机器人的续航性能，甚至还会影响下次操作任务的执行。

针对上述问题，本发明实施例提供一种电源管理系统及方法，该电源管理系统用于向用能设备供电，以解决用能设备在-40℃的低温环境下放电电压和电流不能满足电子设备正常启动和工作，且用能设备在待机未关机的情况下不会自动断电造成电池的电量耗尽和电池电芯受损的问题。一方面，提高了电源管理系统在-40℃的低温环境中的性能，保证了机器人在-40℃条件下的正常工作。另一方面，使得用能设备在待机未关机的情况下可以对电源系统进行管理，避免了电池的电量耗尽和电池电芯受损，从而可以使用能设备下次正常启动工作。应理解，该用能设备可以为机器人、电动车或其它电子用能设备，此处不做限定。下文中本发明实施例具体以机器人为例进行举例说明。

图1示出了本发明示例性实施例的电源管理系统的电路图。如图1所示，本发明示例性实施例提供的电源管理系统包括储能电池100、电容组件200、第一可控开关300、第二可控开关400以及与第一可控开关300和第二可控开关400连接的控制器500，第一可控开关300和第二可控开关400并联在储能电池100的第一电极上，第一可控开关300和第二可控开关400分别通过电容组件200与储能电池100的第二电极连接。储能电池100可以为48V电池。

示例性的，上述控制器500可以为FPGA(Field-Programmable Gate Array)芯片。FPGA芯片是现场可编程门阵列，是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路。从FPGA内部结构来看，其主要包括：可编程输入/输出单元(I/O)、可编程逻辑块(LC)、完整的时钟管理(CMT)、嵌入块式RAM(BRAM)、布线资源、内嵌的底层功能单元和专用硬件模块等。FPGA芯片的独特优势在于其灵活性，即随时可以改变芯片功能。

上述电容组件200可以为超级电容组件，超级电容组件可以由多个超级电容单元串联、并联或者串联和并联相接合的方式组成，具体选择串联、并联还是串联和并联相接合的方式，可以根据实际需要进行设置，此处不做限定。超级电容单元可以为0.1uF/5V超级电容。

上述第一电极可以定义为储能电池100的正极或负极，当第一电极为储能电池100的正极，则可以将第二电极定义为储能电池100的负极。当第一电极为储能电池100的负极，则可以将第二电极定义为储能电池100的正极，此处不做限定。

上述第一可控开关300和第二可控开关400可以为继电器，第一可控开关300可以具有触点1和触点2，触点1与储能电池100的第二电极导通，触点2与储能电池100的第一电极导通。

示例性的，当在低温-40℃条件下电池的性能受到限制，上述用能设备处在无法启动状态时，控制器500可以控制第一可控开关300闭合(即第一可控开关300吸合在2触点上)，控制第二可控开关400断开，使得储能电池100和电容组件200通过第一可控开关300导通，从而利用储能电池100向电容组件200快速充电，使得电容组件200快速达到满电状态。当需要对储能电池100进行充电时，可以利用控制器500控制第一可控开关300断开、第二可控开关400闭合，使得储能电池100和电容组件200通过第二可控开关400导通，由于电容组件200具有在低温下能瞬间高功率放电的特性，因此，可以利用电容组件200通过第二可控开关400向储能电池放电，从而可以补偿电池低温输出能力的不足，保证了机器人在-40℃条件下的正常启动。

在一种可实现的方式中，如图1所示，本发明实施例的电源管理系统还包括第一检测器600，第一检测器600与电容组件200并联，控制器500与第一检测器600电连接，第一检测器600用于检测电容组件200的电学参数。应理解，第一检测器600可以为并联在电容组件200上的一个电压检测器，也可以为与多个超级电容单元分别连接的多个电压检测单元。当第一检测器600为并联在电容组件200上的一个电压检测器，该电压检测器用于检测电容组件的电学参数。当第一检测器600为与多个超级电容单元分别连接的多个电压检测单元，每个电压检测单元用于检测与其连接的超级电容单元的电学参数。本发明实施例通过在多个超级电容单元上分别连接电压检测单元，可以保证每个超级电容单元充电不会超压，放电不会欠压，实时保护电容的有效性。

示例性的，当机器人不上电的时候第一可控开关300的触点2处于常开状态，触点1为常闭状态。当机器人上电后，通过控制器(FPGA)发送指令信号吸合第一可控开关300的触点2，这时可以实现给超级电容充电，超级电容充满电后FPGA发送指令信号吸合第二可控开关400，这时超级电容与储能电池100形成并联回路。从而在低温-40℃环境中电池输出能量不能保证机器人驱动器启动运行时超级电容会给驱动器补能，保证驱动器的正常启动。

具体实施时，上述电容组件或超级电容单元的电学参数可以为充电电压和放电电压。当上述电容组件200的电学参数确定的充电电压超过预设充电电压时，控制器500可以向第一可控开关300和第二可控开关400发送指令，从而可以控制第一可控开关300断开，控制第二可控开关400闭合，使得电容组件200可以通过第二可控开关400向储能电池100放电。从而可以确保电容组件200对储能电池100进行充电时不会超压。

当上述电容组件200的电学参数确定的放电电压超过预设放电电压时，控制器500可以向第一可控开关300和第二可控开关400发送指令，从而可以控制第一可控开关300闭合，控制第二可控开关400打开，使得电容组件200可以通过第二可控开关400向电容组件200充电。从而可以确保电容组件200对储能电池100进行放电时不会欠压，进而可以保证低温情况下，储能电池100可以利用了超级电容在低温下能瞬间高功率放电的特性，得到电容组件200的电能，从而可以补偿电池低温输出能力的不足，保证了机器人在-40℃条件下的正常工作。

示例性的，上述超级电容组件的安装也是选用了搭楼式的安装结构，因此，可以适应多种工况，是的安装更加方便。

本发明实施例给每一个超级电容并联一个电压检测器实时监测，并能反馈给控制器(即FPGA模块)，给超级电容增加自诊断功能，实现了对电容充放电进行智能管理，保证它的性能处于最优状态。

在一种可选的方式中，如图1所示，本发明实施例的电源管理系统还包括负载700，负载700与第一可控开关300串联。应理解，该负载700为预充和泄放电阻。可以保护电源管理系统不会因为过流产热而粘连损坏，避免了导通瞬间超级电容产生短路的风险，从而保护了电池。在关机掉电情况下第一可控开关300的触点1吸合，可以通过负载700消耗超级电容内部的能量，确保超级电容不带电，保护了操作者的安全。

在一种可实现的方式中，如图1所示，本发明实施例的电源管理系统还包括第二检测器800，第二检测器800与储能电池100并联，控制器500与第二检测器800电连接，控制器500用于接收储能电池100的电能输出参数，基于储能电池100的电能输出参数确定用能设备的状态。应理解，该第二检测器800为电压和电流检测器，电能输出参数包括储能电池100的输出电压和储能电池100的输出电流。当第二检测器800与储能电池100并联时，第二检测器800可以检测储能电池100向用能设备输出的电能输出参数。

在一种示例中，上述控制器500用于基于储能电池100的电能输出参数确定储能电池100的输出电流。例如：若基于储能电池100的电能输出参数确定的输出电流小于预设输出电流时，确定用能设备的状态为待机状态。若基于储能电池100的电能输出参数确定的输出电流大于或等于预设输出电流时，确定用能设备的状态为工作状态。

示例性的，上述预设输出电流为用能设备的驱动器启动时所需要的最低电流值，当储能电池100的输出电流小于该预设输出电流且大于零时，则可以确定用能设备的状态为待机状态。当储能电池100的输出电流大于或等于该预设输出电流时，则可以确定用能设备的状态为工作状态。应理解，该预设电流值可以提前储存在控制器中。

在一种可选方式中，如图1所示，电源管理系统还包括与储能电池100串联的第三可控开关900，第三可控开关900与控制器500电连接，第三可控开关900还与用能设备连接，若用能设备的状态为待机状态，则当判断出用能设备的状态为待机状态后一定时间内，控制器500还用于在预设时长内向第三可控开关900发送断开指令，控制第三可控开关900处在断开状态。其中，一定时间可以根据使用环境提前设定，预先存储在控制器500中。第三可控开关900也可以为继电器。

应理解，当机器人需要工作时，上述控制器500可以向第三可控开关900发送闭合质量，使得第三可控开关900导通用能设备(如机器人的驱动器)与储能电池100，从而利用储能电池100向机器人的驱动器传输电能，进而利用电能启动机器人。当机器人处于待机状态时，上述控制器500可以进行内部晶振倒计时关机，在预设时长内控制器500向第三可控开关900发送断开指令，从而使得用能设备(如机器人的驱动器)与储能电池100断开，进而使得机器人断电。因此，通过自动关机可以减少电能的损耗，提高了储能电池100的续航能力，延长了储能电池100的使用寿命。其中，预设时长为预先设置在控制器500内的时长，具体可以根据实际需要设定。

示例性的，由于上述电能输出参数包括储能电池100的输出电压，上述控制器还用于基于储能电池100的电能输出参数确定储能电池的输出电压，若储能电池100的电能输出参数确定的输出电压小于预设输出电压时，控制器500还用于控制第三可控开关900处在断开状态。预设输出电压为保护电压下限即最低保护电压值，当储能电池100的输出电压低于该预设输出电压时，则控制器500可以向第三可控开关900发送断开指令，从而可以避免储能电池100过放，保护了储能电池的电芯，延长了储能电池的使用寿命。应理解，该预设电压值可以提前储存在控制器中。

在一种可实现的方式中，如图1所示，本发明实施例的电源管理系统还包括自复位开关1000，自复位开关1000与储能电池100串联，第三可控开关900与自复位开关1000并联，第三可控开关900和自复位开关1000分别与控制器500电连接，自复位开关1000用于控制第三可控开关900进行导通。应理解，自复位开关1000用于控制控制器500的连通和断开，当自复位开关1000按下上电时，可以将控制器500接通，从而利用控制器500向第三可控开关900发送闭合指令，使得第三可控开关900与储能电池100导通，进而利用储能电池100向用能设备如机器人进行供电，使得机器人开始工作。

在一种可选的方式中，如图1所示，本发明实施例的电源管理系统还包括光耦电压转换模块1100，光耦电压转换模块1100用于转换储能电池100的输出电压，若储能电池100的输出电压高于预设电压，则按下自复位开关900，自复位开关900可以控制储能电池100通过光耦电压转换模块1100进行电压转换。应理解，预设电压为实际向用能设备如机器人的输出电压，当储能电池100的输出电压大于实际用能设备所需的电压，则可以利用光耦电压转换模块1100将储能电池100的输出电压转换为实际所需的电压值。

示例性的，如图1所示，上述光耦电压转换模块1100包括与自复位开关900连通的二极管1110以及与自复位开关900连通的光耦继电器1120，光耦继电器1120还与控制器电连接。二极管1110还与控制器500电连接。自复位开关900与光耦继电器1120之间还连接由负载R，光耦继电器1120与控制器之间连接有负载R，第三可控开关900与控制器500之间还连接有直流电流转换器1130。

上述电源通断方式也可以利用mos管替代继电器的使用，可以根据具体情况进行选用，此处不做限定。

在一种可实现的方式中，本发明实施例还提供了一种电源管理方法。本发明实施例的电源管理方法包括：控制器500在用能设备处在无法启动状态时，控制第一可控开关300闭合、第二可控开关400断开，使得储能电池100通过第一可控开关300向电容组件200充电。控制器500在电容组件200达到满电状态时，控制第一可控开关300断开，第二可控开关400闭合，使得电容组件200通过第二可控开关400向储能电池100放电。因此，可以利用电容组件通过第二可控开关向储能电池放电，从而可以补偿电池低温输出能力的不足，保证了机器人在-40℃条件下的正常工作。

示例性的，上述方法还包括：控制器500在电容组件200的电学参数确定的充电电压超过预设充电电压时，控制第一可控开关300断开，第二可控开关400闭合，使得电容组件200通过第二可控开关400向储能电池100放电。控制器500在电容组件200的电学参数确定的放电电压超过预设放电电压时，控制第一可控开关300闭合，第二可控开关400打开，使得储能电池100通过第一可控开关300向电容组件200充电。

本发明实施例提供了一种电源管理系统及方法，低温采用超级电容补能的供应方式，有效的解决了电池低温-40℃条件下不能满足机器人动力系统启动的性能。可判断机器人是否处于待机未关机状态，可实现电源智能监测、智能判断和智能关断电源的效果。选用自复位开关和继电器执行断电节能命令，自恢复式开关、继电器和FPGA芯片的设计，使用成本低，效果明显，彻底地解决了机器人待机未关机电池未关断情况下的持续耗电。还可以实时采样12V/24V/48V电路的电流和电压数据用来采集各路输出电压、电流数据，并进行存储。保证了机器人待机未关机状态下不会对电池造成过放，保护了电池性能，确保了机器人整体的续航功能。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明的意图包括这些改动和变型在内。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。