一種無線自組網電池信息採集模塊的製作方法

2024-04-12 18:54:05

1.本發明涉及電池管理領域，尤其涉及一種無線自組網電池信息採集模塊。


背景技術：

2.隨著電池行業的高速發展，電池管理系統（battery mange system，bms）在新能源汽車、工業控制、軌道交通等領域的使用日漸普及。
3.bms電池管理系統，俗稱電池保姆或電池管家，主要用於管理及維護可再充電電池或電池組，延長電池的使用壽命，監控電池運行狀態。傳統bms電池管理系統採用一個主板和多個從板的有線通信設計，造成bms電池管理系統中電池信息採集電路設計較為複雜，拆裝不便。


技術實現要素：

4.本發明實施例提供一種無線自組網電池信息採集模塊，以解決bms電池管理系統中電池信息採集電路複雜，拆裝不便的問題。
5.為了解決上述技術問題，本發明實施例是這樣實現的：本發明實施例提供了一種無線自組網電池信息採集模塊，應用於bms電池管理系統，該電池信息採集模塊包括：電源單元、通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元、採集及被動均衡單元和電池監測管理單元；電源單元，採用dc-dc mt2445晶片控制，用於對輸入電壓降壓後分別給通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元和電池監測管理單元供電；通信單元，用於通過無線射頻信號與上位機進行通信；系統報警單元，用於監測電池信息採集模塊電壓，在過壓或欠壓的情況下進行電路保護；模擬信號監測單元，通過模擬信號採集埠監測電池總壓、電池溫度、模塊電流信息；電池監測管理單元，採用主控晶片mt9803mr控制，分別與電源單元、通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元、採集及被動均衡單元連接，用於監測電池信息採集模塊的各項參數，並控制無線自組網電池信息採集模塊的運行；採集及被動均衡單元，用於根據電池監測管理單元的指令，進行信息採集或電路均衡操作；其中，該上位機包括：bms電池管理系統，以及該bms電池管理系統控制下的除該電池信息採集模塊之外的其他電池信息採集模塊。
6.可選的，採集及被動均衡單元，單獨採用12節電池供電；12節電池的輸入通過rc濾波電路與電池監測管理單元的c1埠至c12埠連接；當採集及被動均衡單元接收到電池監測管理單元發送的採集電壓指令時，採集及被動均衡單元採集c1埠至c12埠的輸入電壓。
7.可選的，通信單元，包括：can通信單元、射頻單元和射頻驅動電路；can通信單元收發晶片選用tja1051；在tja1051晶片中，can_h端和can_l端之間併入一個阻值為120ω的終端電阻， can_h端、can_l端與bms電池管理系統的外部接口連接，can_tx端、can_rx端與主控晶片mt9803mr的can外設埠連接；射頻驅動電路，基於can通信單元，驅動射頻單元發送信號與
上位機進行通信。
8.可選的，電池監測管理單元，採用mt9803mr主控晶片控制；主控晶片mt9803mr的2、3、4、5、6引腳分別接1mω的電阻上拉至調整電壓vreg，保證採集及被動均衡單元正常採集；主控晶片mt9803mr的53引腳接10ω的電阻和100nf的電容，用於穩壓及濾波；主控晶片mt9803mr的28腳分別接1uf的電容、10pf的電容，主控晶片mt9803mr的29腳接1uf的電容，均用於射頻供電穩壓；主控晶片mt9803mr的s1端至s12端為均衡控制埠，依次與採集及被動均衡單元的第一pmos管q1至第十二pmos管q12對應連接。
9.可選的，當電池過充電時，主控晶片mt9803mr控制採集及被動均衡單元導通第一pmos管q1至第十二pmos管q12；當電池出現過壓或欠壓時，主控晶片mt9803mr控制電池監測管理單元關斷第一pmos管q1至第十二pmos管q12。
10.可選的，電池監測管理單元，包括：主控晶片mt9803mr，以及與主控晶片mt9803mr連接的外部晶振、復位電路、jtag接口、系統狀態顯示電路；復位電路採用上拉電阻將復位管腳的電平上拉到vcc，主控晶片mt9803mr實時監測vcc電平； jtag接口使用swd模式，可接入vcc、swdio、swclk、gnd信號；系統狀態顯示電路通過控制主控晶片mt9803mr 的gpio管腳輸出高低電平來控制led燈。
11.可選的，模擬信號監測單元，通過模擬信號採集埠採集電池總壓和模塊電流，並接入至主控晶片mt9803mr的比較器接口；當電池信息採集模塊發生過壓或過流時，主控晶片mt9803mr的比較器輸出變低，主控晶片mt9803mr控制系統報警單元報警，並關閉電源單元的輸入。
12.可選的，電源單元，包括：dc-dc mt2445晶片、ldo ht7533晶片、防反接二極體d1、電容若干、電阻若干；電源單元的輸入為電池電壓v+，經過dc-dc mt2445晶片一次降壓輸出為5v；再經ldo ht7533再次降壓輸出為3.3v；電源單元用於對輸入電壓降壓後分別給通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元和電池監測管理單元供電；其中，電源單元的輸入端連接防反接二極體d1，在防反接二極體d1和dc-dc mt2445晶片之間依次連接10uf的電容c21、1uf的電容c22、100nf的電容c23用於濾波， dc-dc mt2445晶片降壓輸出端依次連接100nf 的電容c36、10uf的電容c37、10uf的電容c38用於穩壓。
13.本發明的有益效果：一方面，本發明實施例提供的無線自組網電池信息採集模塊包括通信單元，該通信單元能夠在主控晶片mt9803mr的控制下通過無線射頻信號與上位機進行通信（即各個電池信息採集模塊構成一個無線自組網），從而避免了傳統bms電池管理系統採用有線通信導致的採集電路複雜，拆裝不便的問題。
14.另一方面，本發明實施例提供的無線自組網電池信息採集模塊使用主控晶片mt9803mr控制各個模塊的運行，mt9803mr具有體積小、性能高等特點，可以有效減少整個池信息採集模塊的體積，精簡電路，避免材料浪費，進而為客戶達到節約成本的目的。
附圖說明
15.圖1為一種bms電池管理系統的自組網示意圖；圖2為一種無線自組網電池信息採集模塊示意圖；
圖3為一種電源單元的電源電路；圖4為一種can通信電路中晶片的連接示意圖；圖5為一種無線自組網電池信息採集模塊的射頻數據發送流程圖；圖6為一種主控晶片mt9803mr的連接示意圖；圖7為一種採集及被動均衡單元的電路；圖8為一種模擬信號監測單元的部分電路圖。
具體實施方式
16.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
17.本文中術語「和/或」，是一種描述關聯對象的關聯關係，表示可以存在三種關係，例如，a和/或b，可以表示：單獨存在a，同時存在a和b，單獨存在b這三種情況。本文中符號「/」表示關聯對象是或者的關係，例如a/b表示a或者b。
18.本發明的說明書和權利要求書中的術語「第一」和「第二」等是用於區別不同的對象，而不是用於描述對象的特定順序。例如，第一閾值和第二閾值等是用於區別不同的閾值，而不是用於描述閾值的特定順序。
19.在本發明實施例中，「示例性的」或者「例如」等詞用於表示作例子、例證或說明。本發明實施例中被描述為「示例性的」或者「例如」的任何實施例或設計方案不應被解釋為比其它實施例或設計方案更優選或更具優勢。確切而言，使用「示例性的」或者「例如」等詞旨在以具體方式呈現相關概念。
20.在本發明實施例的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是指兩個或者兩個以上，例如，多個元件是指兩個或者兩個以上的元件等。
21.本發明實施例提供的一種無線自組網電池信息採集模塊，適用於由多個電池組構成的bms電池管理系統中，每個電池組具有一個獨立的採集模塊的場景中。
22.圖1示出了一種bms電池管理系統的自組網示意圖。如圖1所示，bms電池管理系統包括：一個電池控制單元（battery control unit，bcu）（即主板）和若干個採集模塊構成，而每個採集模塊均具有一個獨立的控制晶片（即從板，例如，本技術提供的電池信息採集模塊採用的從板為mt9803mr）。本技術提供的電池信息採集模塊可以為圖1中的採集模塊1、採集模塊2、採集模塊3、採集模塊4、採集模塊5、採集模塊6中的一個或多個。各個採集模塊相互構成一個自組網系統，每個採集模塊有且只有唯一的識別地址，從而各個採集模塊之間可以通過無線射頻進行信息傳輸，且在每個模塊的信道中加入濾波抗幹擾，從而有效保證信息傳輸的準確性。
23.如圖2所示，本發明實施例提供一種無線自組網電池信息採集模塊示意圖，應用於bms電池管理系統，該電池信息採集模塊包括：電源單元、通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元、採集及被動均衡單元和電池監測管理單元；電源單元，採用dc-dc mt2445晶片控制，用於對輸入電壓降壓後分別給通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元和電池監測管理單元供電；通信單元，用於通過無線射頻信號與上位機進行通信；系統報警單元，用
於監測電池信息採集模塊電壓，在過壓或欠壓的情況下進行電路保護；模擬信號監測單元，通過模擬信號採集埠監測電池總壓、電池溫度、模塊電流信息；電池監測管理單元，採用主控晶片mt9803mr控制，分別與電源單元、通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元、採集及被動均衡單元連接，用於監測電池信息採集模塊的各項參數，並控制無線自組網電池信息採集模塊的運行；採集及被動均衡單元，用於根據電池監測管理單元的指令，進行信息採集或電路均衡操作。
24.其中，上位機包括：bms電池管理系統，以及該bms電池管理系統控制下的除該電池信息採集模塊之外的其他電池信息採集模塊。
25.可選的，電池信息採集模塊的各項參數包括：電源單元的供電參數（如供電電壓）、通信單元的數據交互參數、系統報警單元的監測參數（如監測電壓是否達到報警條件）、模擬信號監測單元的參數（如模擬信號採集埠監測電池總壓、電池溫度、模塊電流信息）、電池監測管理單元的參數（如監測的電壓信號，發送控制信號等）、採集及被動均衡單元的參數（如發送信息採集指令、發送電路均衡操作指令）等。
26.控制無線自組網電池信息採集模塊的運行是指電池監測管理單元通過主控晶片mt9803mr分別控制各個單元的運行，進而控制整個無線自組網電池信息採集模塊的運行。
27.需要說明的是，上述主控晶片mt9803mr是一款小體積、高性能、多功能的電池監視晶片，具有高整合度、高抗幹擾、高可靠性的特點。mt9803mr最多可支持12路電池電壓採集，解析度為1.5mv，13ms內完成所有電壓轉換。內部集成cortexm0 32位微控制器，主頻最高可達96mhz，此外，該晶片還包含了豐富的外設功能，支持spi，i2c，can通信等。
28.可選的，圖3示出了一種電源單元的電源電路，如圖3所示，電源單元，包括：dc-dc mt2445晶片、ldo ht7533晶片、防反接二極體d1、電容若干、電阻若干。電源單元的輸入為電池電壓v+，經過dc-dc mt2445晶片一次降壓輸出為5v；再經ldo ht7533再次降壓輸出為3.3v；電源單元用於對輸入電壓降壓後分別給通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元和電池監測管理單元供電。
29.其中，電源單元的輸入端連接防反接二極體d1，在防反接二極體d1和dc-dc mt2445晶片之間依次連接10uf的電容c21、1uf的電容c22、100nf的電容c23用於濾波， dc-dc mt2445晶片降壓輸出端依次連接100nf的電容c36、10uf的電容c37、10uf的電容c38用於穩壓。
30.具體的，如圖3所示，輸入為電池電壓v+，輸出為5v。電感l4與mt2445的1腳連接，電源上電時存儲能量，電源斷電時釋放能量。d1為防反接二極體，電容c21、電容c22、電容c23用於濾除雜波，dc-dc降壓輸出端應依次連接電容c36、電容c37、 電容c38用於穩壓。ldo ht7533晶片，將5v電壓轉換成3.3v為通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元和電池監測管理單元中各個晶片供電。
31.需要說明的是，上述3.3v的輸出電壓是由通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元和電池監測管理單元的供電需求和電路設計所決定的，具體可以根據實際使用需求進行微調。
32.可以理解的是，由於電源單元的電路使用採用兩層降壓設計，分別使用dc-dc mt2445晶片和ldo ht7533晶片控制，因此可以有效保證輸出電壓為穩定的3.3v，從而保證給通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元和電池監測管理單元供電提供穩定的工作
電壓。
33.可選的，通信單元包括：can通信單元、射頻單元和射頻驅動電路；can通信單元收發晶片選用tja1051；在tja1051晶片中，can_h端和can_l端之間併入一個阻值為120ω的終端電阻，can_h端、can_l端與bms電池管理系統的外部接口連接，can_tx端、can_rx端與主控晶片mt9803mr的can外設埠連接；射頻驅動電路基於can通信單元驅動射頻單元發送信號與上位機進行通信。
34.示例性的，圖4示出了一種can通信電路中晶片的連接示意圖。如圖4所示，can通信單元收發晶片可選用tja1051晶片，其中，can_h和can_l晶片併入120ω的終端電阻（圖4中的電阻r79），can_tx、can_rx分別與主控mt9803mr的can外設埠連接，can_h與can_l與外部埠連接。
35.可選的，本技術還可以使用uart通信單元與上位機通信。具體的，主控晶片mt9803mr的uart通信接口是具有串口通信功能的gpio 0.4和gpio 0.5，可分別與rs232 usb轉串口通信的tx、rx連接。串口線另一端的usb與pc機連接，並通過相應的軟體模塊即可完成與上位機的通信。
36.具體的，無線自組網電池信息採集模塊可以包括：電源單元、電池監測管理單元、can通訊單元、uart通信單元（即通信單元包括：can通訊單元和uart通信單元兩部分）、系統報警單元、模擬信號監測單元、採集及被動均衡單元和電池監測管理單元。其中，電源單元輸入為電池電壓v+，輸出為3.3v為整個模塊晶片供電。電池監測管理單元中的主控晶片mt9803mr是採集模塊的核心，其主要功能為：為整個採集模塊提供控制邏輯，採集電池電壓總壓、電池溫度，射頻發送接收數據等。當採集模塊上電，主控晶片mt9803mr可控制單元中射頻會立刻對頻，在2s內對頻成功，會向電池控制單元bcu發送0x11，0xff數據包。若對頻失敗，採集模塊會顯示報警指示，提示用戶對頻失敗不能進行通信，而uart單元和can通信單元可通過對應的主線及射頻電路與上位機進行數據交互。
37.需要說明的是，上述通信單元可以使用can通信單元和射頻單元或者uart通信單元和射頻單元完成。其中，can通信單元和uart通信單元的功能相似，用於實現該電池信息採集模塊與該bms電池管理系統的通信；而射頻單元可以實現各個電池信息採集模塊之間的相互通信。而整個通信網絡為一個大的無線自組網系統，各個通信設備之間可以互為上位機。也就是說，上位機包括：bms電池管理系統，以及該bms電池管理系統控制下的除該電池信息採集模塊之外的其他電池信息採集模塊。
38.可選的，本技術無線射頻傳輸採用雙向確認（acknowledge character，ack）和循環冗餘校驗（cyclic redundancy check，crc）機制，確保數據傳輸準確無誤，同時實時監測射頻丟包率，調整發射功率。
39.示例性的，圖5示出了本技術提供的一種無線自組網電池信息採集模塊的射頻數據發送流程圖。如圖5所示，採集模塊上電後開始工作，射頻單元與電池控制單元bcu進行對頻。若對頻失敗，設備界面顯示「射頻指示錯誤」或「接收失敗」等提示用戶進行手動操作；若對頻成功後，設備界面顯示射頻握手成功，電池信息採集模塊可通過自組網與電池控制單元bcu、其他電池信息採集模塊進行通信（可相互收發數據）。具體的，在發送數據時，可以採用「幀頭+數據+校驗+結束位」的預設格式進行發送。其中，幀頭為0xaa或0xbb；校驗位是crc校驗計算出的值；結束位為0xff或0xfe；數據位為0x0c（12節電池信息）、0x0d（6個溫度信
息）、0x0e（18個系統信息）中的至少一項。數據發送後會等待接收ack確認，如果接收到ack則說明數據發送成功。
40.需要說明的是，圖5中的丟包閾值為一個預設值，用戶也可自行設定。當系統記錄的丟包數量達到該丟包閾值的情況下，系統會依次調整發射功率，直至該丟包率下降到丟包閾值以下，或發射功率達到最大值。具體調整方法為：從1dbm至9dbm依次上升，每次上升1dbm，最大值為9dbm。
41.可以理解的是，由於本技術的無線射頻傳輸採用雙向ack加crc校驗機制，確保數據傳輸準確無誤，同時實時監測射頻丟包率，調整發射功率，因此本技術的電池信息採集模塊可通過自組網與電池控制單元bcu、其他電池信息採集模塊進行通信。
42.可選的，圖6示出了一種主控晶片mt9803mr的連接示意圖，如圖6所示，電池監測管理單元，採用mt9803mr主控晶片控制；該主控晶片mt9803mr的2、3、4、5、6引腳分別接1mω的電阻（分別為圖6中的電阻r56、r55、r54、r53、r52）上拉至調整電壓vreg，保證採集及被動均衡單元正常採集；主控晶片mt9803mr的53引腳接10ω的電阻（圖6中的電阻r73）和100nf的電容（圖6中的電容c44），用於穩壓及濾波；主控晶片mt9803mr的28腳分別接1uf的電容（圖6中的電容c31）、10pf的電容（圖6中的電容c32），主控晶片mt9803mr的29腳接1uf的電容（圖6中的電容c3），均用於射頻供電穩壓；主控晶片mt9803mr的s1端至s12端為均衡控制埠，依次與採集及被動均衡單元的第一pmos管q1至第十二pmos管q12對應連接（可參見圖7）。
43.可選的，電池監測管理單元，包括：主控晶片mt9803mr，以及與主控晶片mt9803mr連接的外部晶振、復位電路、jtag接口、系統狀態顯示電路；復位電路採用上拉電阻將復位管腳的電平上拉到vcc，主控晶片mt9803mr實時監測vcc電平； jtag接口使用swd模式，可接入vcc、swdio、swclk、gnd信號；系統狀態顯示電路通過控制主控晶片mt9803mr的gpio管腳輸出高低電平來控制led燈。
44.可選的，上述外部晶振採用頻率在30mhz以下的石英晶體，用於拉低電池監測管理單元電路的振蕩頻率。
45.可選的，如圖7所示，採集及被動均衡單元單獨採用12節標準電池供電；12節電池的輸入電壓通過rc濾波電路與電池監測管理單元的c1埠至c12埠連接；當採集及被動均衡單元接收到電池監測管理單元發送的採集電壓指令時，採集及被動均衡單元採集c1埠至c12埠的輸入電壓。
46.可選的，如圖7所示，當電池過充電時，主控晶片mt9803mr控制採集及被動均衡單元導通第一pmos管q1至第十二pmos管q12；當電池出現過壓或欠壓時，主控晶片mt9803mr控制電池監測管理單元關斷第一pmos管q1至第十二pmos管q12。
47.示例性的，圖7示出了一種採集及被動均衡單元的電路，採集及被動均衡單元採用獨立的12節電池供電，12節電池的輸入通過rc濾波電路與主控晶片mt9803mr的電池監測輸入c1至c12連接，主控晶片mt9803mr發送採集電壓指令後，晶片採集c1至c12輸入電壓。主控晶片mt9803mr發送電池均衡指令，打開第一pmos管q1至第十二pmos管q12進行放電，其中，電阻r1至r24為均衡電阻。放電通路以第9節電池為例，如圖7所示，電路導通順序依次為：bat9引腳、保險f2、第九pmos管q9、第十八電阻r18、第十七電阻r17、保險f8、bat8引腳。其中，保險f1至f12，vd1至vd12為瞬變電壓抑制二極體（transient voltage suppressor，tvs）保護電路，防止尖峰電壓損壞電路。
48.可以理解的是，由於主控晶片mt9803mr控制採集及被動均衡單元導通第一pmos管q1至第十二pmos管q12，能夠實現電池均衡功能，防止尖峰電壓損壞電路；而主控晶片mt9803mr控制電池監測管理單元關斷第一pmos管q1至第十二pmos管q12，可進行快速關斷保護。因此，採集及被動均衡單元不僅能夠依據主控晶片mt9803mr的指令進行信息採集，還可以實現電路均衡保護，防止過充電、過壓、欠壓等特殊情況對電池和採集模塊電路造成破壞。
49.可選的，模擬信號監測單元，通過模擬信號採集埠採集電池總壓和模塊電流，並接入至主控晶片mt9803mr的比較器接口；當電池信息採集模塊發生過壓或過流時，主控晶片mt9803mr的比較器輸出變低，主控晶片mt9803mr控制系統報警單元報警，並關閉電源單元的輸入。即當發生過壓過流時，mt9803mr的比較器輸出變低，記錄報警，關閉v+電源。
50.示例性的，圖8示出了一種模擬信號監測單元的部分電路圖，如圖8所示，vdd_mcu為5v連接10k歐姆電阻和10k ntc電阻到地。主控晶片mt9803mr的adc通道採集電阻分壓值，最終轉換為電池溫度，系統可通過模擬信號採集埠監測電池溫度信息。
51.可以理解的是，主控晶片mt9803mr可以通過模擬信號監測單元可監測電池總壓、電池溫度、模塊電流信息，從而方便根據實時數據完成控制。
52.本發明實施例提供了一種無線自組網電池信息採集模塊，應用於bms電池管理系統，該電池信息採集模塊包括：電源單元、通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元、採集及被動均衡單元和電池監測管理單元；電源單元，採用dc-dcmt2445晶片控制，用於對輸入電壓降壓後分別給通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元和電池監測管理單元供電；通信單元，用於通過無線射頻信號與上位機進行通信；系統報警單元，用於監測電池信息採集模塊電壓，在過壓或欠壓的情況下進行電路保護；模擬信號監測單元，通過模擬信號採集埠監測電池總壓、電池溫度、模塊電流信息；電池監測管理單元，採用主控晶片mt9803mr控制，分別與電源單元、通信單元、系統報警單元、模擬信號監測單元、採集及被動均衡單元連接，用於監測電池信息採集模塊的各項參數，並控制無線自組網電池信息採集模塊的運行；採集及被動均衡單元，用於根據電池監測管理單元的指令，進行信息採集或電路均衡操作；其中，該上位機包括：bms電池管理系統，以及該bms電池管理系統控制下的除該電池信息採集模塊之外的其他電池信息採集模塊。通過該電池信息採集模塊有如下優點：一方面，本發明實施例提供的無線自組網電池信息採集模塊包括通信單元，該通信單元能夠在主控晶片mt9803mr的控制下通過無線射頻信號與上位機進行通信（即各個電池信息採集模塊構成一個無線自組網），從而避免了傳統bms電池管理系統採用有線通信導致的採集電路複雜，拆裝不便的問題。另一方面，本發明實施例提供的無線自組網電池信息採集模塊使用主控晶片mt9803mr控制各個模塊的運行，mt9803mr具有體積小、性能高等特點，可以有效減少整個池信息採集模塊的體積，精簡電路，避免材料浪費，進而為客戶達到節約成本的目的。
53.以上給出的實施例是實現本發明較優的例子，本發明不限於上述實施例。本領域的技術人員根據本發明技術方案的技術特徵所做出的任何非本質的添加、替換，均屬於本發明的保護範圍。