一种无线自组网电池信息采集模块的制作方法

1.本发明涉及电池管理领域，尤其涉及一种无线自组网电池信息采集模块。


背景技术：

2.随着电池行业的高速发展，电池管理系统（battery mange system，bms）在新能源汽车、工业控制、轨道交通等领域的使用日渐普及。
3.bms电池管理系统，俗称电池保姆或电池管家，主要用于管理及维护可再充电电池或电池组，延长电池的使用寿命，监控电池运行状态。传统bms电池管理系统采用一个主板和多个从板的有线通信设计，造成bms电池管理系统中电池信息采集电路设计较为复杂，拆装不便。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种无线自组网电池信息采集模块，以解决bms电池管理系统中电池信息采集电路复杂，拆装不便的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明实施例是这样实现的：本发明实施例提供了一种无线自组网电池信息采集模块，应用于bms电池管理系统，该电池信息采集模块包括：电源单元、通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元、采集及被动均衡单元和电池监测管理单元；电源单元，采用dc-dc mt2445芯片控制，用于对输入电压降压后分别给通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元和电池监测管理单元供电；通信单元，用于通过无线射频信号与上位机进行通信；系统报警单元，用于监测电池信息采集模块电压，在过压或欠压的情况下进行电路保护；模拟信号监测单元，通过模拟信号采集端口监测电池总压、电池温度、模块电流信息；电池监测管理单元，采用主控芯片mt9803mr控制，分别与电源单元、通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元、采集及被动均衡单元连接，用于监测电池信息采集模块的各项参数，并控制无线自组网电池信息采集模块的运行；采集及被动均衡单元，用于根据电池监测管理单元的指令，进行信息采集或电路均衡操作；其中，该上位机包括：bms电池管理系统，以及该bms电池管理系统控制下的除该电池信息采集模块之外的其他电池信息采集模块。
6.可选的，采集及被动均衡单元，单独采用12节电池供电；12节电池的输入通过rc滤波电路与电池监测管理单元的c1端口至c12端口连接；当采集及被动均衡单元接收到电池监测管理单元发送的采集电压指令时，采集及被动均衡单元采集c1端口至c12端口的输入电压。
7.可选的，通信单元，包括：can通信单元、射频单元和射频驱动电路；can通信单元收发芯片选用tja1051；在tja1051芯片中，can_h端和can_l端之间并入一个阻值为120ω的终端电阻， can_h端、can_l端与bms电池管理系统的外部接口连接，can_tx端、can_rx端与主控芯片mt9803mr的can外设端口连接；射频驱动电路，基于can通信单元，驱动射频单元发送信号与
上位机进行通信。
8.可选的，电池监测管理单元，采用mt9803mr主控芯片控制；主控芯片mt9803mr的2、3、4、5、6引脚分别接1mω的电阻上拉至调整电压vreg，保证采集及被动均衡单元正常采集；主控芯片mt9803mr的53引脚接10ω的电阻和100nf的电容，用于稳压及滤波；主控芯片mt9803mr的28脚分别接1uf的电容、10pf的电容，主控芯片mt9803mr的29脚接1uf的电容，均用于射频供电稳压；主控芯片mt9803mr的s1端至s12端为均衡控制端口，依次与采集及被动均衡单元的第一pmos管q1至第十二pmos管q12对应连接。
9.可选的，当电池过充电时，主控芯片mt9803mr控制采集及被动均衡单元导通第一pmos管q1至第十二pmos管q12；当电池出现过压或欠压时，主控芯片mt9803mr控制电池监测管理单元关断第一pmos管q1至第十二pmos管q12。
10.可选的，电池监测管理单元，包括：主控芯片mt9803mr，以及与主控芯片mt9803mr连接的外部晶振、复位电路、jtag接口、系统状态显示电路；复位电路采用上拉电阻将复位管脚的电平上拉到vcc，主控芯片mt9803mr实时监测vcc电平； jtag接口使用swd模式，可接入vcc、swdio、swclk、gnd信号；系统状态显示电路通过控制主控芯片mt9803mr 的gpio管脚输出高低电平来控制led灯。
11.可选的，模拟信号监测单元，通过模拟信号采集端口采集电池总压和模块电流，并接入至主控芯片mt9803mr的比较器接口；当电池信息采集模块发生过压或过流时，主控芯片mt9803mr的比较器输出变低，主控芯片mt9803mr控制系统报警单元报警，并关闭电源单元的输入。
12.可选的，电源单元，包括：dc-dc mt2445芯片、ldo ht7533芯片、防反接二极管d1、电容若干、电阻若干；电源单元的输入为电池电压v+，经过dc-dc mt2445芯片一次降压输出为5v；再经ldo ht7533再次降压输出为3.3v；电源单元用于对输入电压降压后分别给通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元和电池监测管理单元供电；其中，电源单元的输入端连接防反接二极管d1，在防反接二极管d1和dc-dc mt2445芯片之间依次连接10uf的电容c21、1uf的电容c22、100nf的电容c23用于滤波， dc-dc mt2445芯片降压输出端依次连接100nf 的电容c36、10uf的电容c37、10uf的电容c38用于稳压。
13.本发明的有益效果：一方面，本发明实施例提供的无线自组网电池信息采集模块包括通信单元，该通信单元能够在主控芯片mt9803mr的控制下通过无线射频信号与上位机进行通信（即各个电池信息采集模块构成一个无线自组网），从而避免了传统bms电池管理系统采用有线通信导致的采集电路复杂，拆装不便的问题。
14.另一方面，本发明实施例提供的无线自组网电池信息采集模块使用主控芯片mt9803mr控制各个模块的运行，mt9803mr具有体积小、性能高等特点，可以有效减少整个池信息采集模块的体积，精简电路，避免材料浪费，进而为客户达到节约成本的目的。
附图说明
15.图1为一种bms电池管理系统的自组网示意图；图2为一种无线自组网电池信息采集模块示意图；
图3为一种电源单元的电源电路；图4为一种can通信电路中芯片的连接示意图；图5为一种无线自组网电池信息采集模块的射频数据发送流程图；图6为一种主控芯片mt9803mr的连接示意图；图7为一种采集及被动均衡单元的电路；图8为一种模拟信号监测单元的部分电路图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.本文中术语“和/或”，是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。本文中符号“/”表示关联对象是或者的关系，例如a/b表示a或者b。
18.本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一阈值和第二阈值等是用于区别不同的阈值，而不是用于描述阈值的特定顺序。
19.在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
20.在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或者两个以上，例如，多个元件是指两个或者两个以上的元件等。
21.本发明实施例提供的一种无线自组网电池信息采集模块，适用于由多个电池组构成的bms电池管理系统中，每个电池组具有一个独立的采集模块的场景中。
22.图1示出了一种bms电池管理系统的自组网示意图。如图1所示，bms电池管理系统包括：一个电池控制单元（battery control unit，bcu）（即主板）和若干个采集模块构成，而每个采集模块均具有一个独立的控制芯片（即从板，例如，本技术提供的电池信息采集模块采用的从板为mt9803mr）。本技术提供的电池信息采集模块可以为图1中的采集模块1、采集模块2、采集模块3、采集模块4、采集模块5、采集模块6中的一个或多个。各个采集模块相互构成一个自组网系统，每个采集模块有且只有唯一的识别地址，从而各个采集模块之间可以通过无线射频进行信息传输，且在每个模块的信道中加入滤波抗干扰，从而有效保证信息传输的准确性。
23.如图2所示，本发明实施例提供一种无线自组网电池信息采集模块示意图，应用于bms电池管理系统，该电池信息采集模块包括：电源单元、通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元、采集及被动均衡单元和电池监测管理单元；电源单元，采用dc-dc mt2445芯片控制，用于对输入电压降压后分别给通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元和电池监测管理单元供电；通信单元，用于通过无线射频信号与上位机进行通信；系统报警单元，用
于监测电池信息采集模块电压，在过压或欠压的情况下进行电路保护；模拟信号监测单元，通过模拟信号采集端口监测电池总压、电池温度、模块电流信息；电池监测管理单元，采用主控芯片mt9803mr控制，分别与电源单元、通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元、采集及被动均衡单元连接，用于监测电池信息采集模块的各项参数，并控制无线自组网电池信息采集模块的运行；采集及被动均衡单元，用于根据电池监测管理单元的指令，进行信息采集或电路均衡操作。
24.其中，上位机包括：bms电池管理系统，以及该bms电池管理系统控制下的除该电池信息采集模块之外的其他电池信息采集模块。
25.可选的，电池信息采集模块的各项参数包括：电源单元的供电参数（如供电电压）、通信单元的数据交互参数、系统报警单元的监测参数（如监测电压是否达到报警条件）、模拟信号监测单元的参数（如模拟信号采集端口监测电池总压、电池温度、模块电流信息）、电池监测管理单元的参数（如监测的电压信号，发送控制信号等）、采集及被动均衡单元的参数（如发送信息采集指令、发送电路均衡操作指令）等。
26.控制无线自组网电池信息采集模块的运行是指电池监测管理单元通过主控芯片mt9803mr分别控制各个单元的运行，进而控制整个无线自组网电池信息采集模块的运行。
27.需要说明的是，上述主控芯片mt9803mr是一款小体积、高性能、多功能的电池监视芯片，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性的特点。mt9803mr最多可支持12路电池电压采集，分辨率为1.5mv，13ms内完成所有电压转换。内部集成cortexm0 32位微控制器，主频最高可达96mhz，此外，该芯片还包含了丰富的外设功能，支持spi，i2c，can通信等。
28.可选的，图3示出了一种电源单元的电源电路，如图3所示，电源单元，包括：dc-dc mt2445芯片、ldo ht7533芯片、防反接二极管d1、电容若干、电阻若干。电源单元的输入为电池电压v+，经过dc-dc mt2445芯片一次降压输出为5v；再经ldo ht7533再次降压输出为3.3v；电源单元用于对输入电压降压后分别给通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元和电池监测管理单元供电。
29.其中，电源单元的输入端连接防反接二极管d1，在防反接二极管d1和dc-dc mt2445芯片之间依次连接10uf的电容c21、1uf的电容c22、100nf的电容c23用于滤波， dc-dc mt2445芯片降压输出端依次连接100nf的电容c36、10uf的电容c37、10uf的电容c38用于稳压。
30.具体的，如图3所示，输入为电池电压v+，输出为5v。电感l4与mt2445的1脚连接，电源上电时存储能量，电源断电时释放能量。d1为防反接二极管，电容c21、电容c22、电容c23用于滤除杂波，dc-dc降压输出端应依次连接电容c36、电容c37、 电容c38用于稳压。ldo ht7533芯片，将5v电压转换成3.3v为通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元和电池监测管理单元中各个芯片供电。
31.需要说明的是，上述3.3v的输出电压是由通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元和电池监测管理单元的供电需求和电路设计所决定的，具体可以根据实际使用需求进行微调。
32.可以理解的是，由于电源单元的电路使用采用两层降压设计，分别使用dc-dc mt2445芯片和ldo ht7533芯片控制，因此可以有效保证输出电压为稳定的3.3v，从而保证给通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元和电池监测管理单元供电提供稳定的工作
电压。
33.可选的，通信单元包括：can通信单元、射频单元和射频驱动电路；can通信单元收发芯片选用tja1051；在tja1051芯片中，can_h端和can_l端之间并入一个阻值为120ω的终端电阻，can_h端、can_l端与bms电池管理系统的外部接口连接，can_tx端、can_rx端与主控芯片mt9803mr的can外设端口连接；射频驱动电路基于can通信单元驱动射频单元发送信号与上位机进行通信。
34.示例性的，图4示出了一种can通信电路中芯片的连接示意图。如图4所示，can通信单元收发芯片可选用tja1051芯片，其中，can_h和can_l芯片并入120ω的终端电阻（图4中的电阻r79），can_tx、can_rx分别与主控mt9803mr的can外设端口连接，can_h与can_l与外部端口连接。
35.可选的，本技术还可以使用uart通信单元与上位机通信。具体的，主控芯片mt9803mr的uart通信接口是具有串口通信功能的gpio 0.4和gpio 0.5，可分别与rs232 usb转串口通信的tx、rx连接。串口线另一端的usb与pc机连接，并通过相应的软件模块即可完成与上位机的通信。
36.具体的，无线自组网电池信息采集模块可以包括：电源单元、电池监测管理单元、can通讯单元、uart通信单元（即通信单元包括：can通讯单元和uart通信单元两部分）、系统报警单元、模拟信号监测单元、采集及被动均衡单元和电池监测管理单元。其中，电源单元输入为电池电压v+，输出为3.3v为整个模块芯片供电。电池监测管理单元中的主控芯片mt9803mr是采集模块的核心，其主要功能为：为整个采集模块提供控制逻辑，采集电池电压总压、电池温度，射频发送接收数据等。当采集模块上电，主控芯片mt9803mr可控制单元中射频会立刻对频，在2s内对频成功，会向电池控制单元bcu发送0x11，0xff数据包。若对频失败，采集模块会显示报警指示，提示用户对频失败不能进行通信，而uart单元和can通信单元可通过对应的主线及射频电路与上位机进行数据交互。
37.需要说明的是，上述通信单元可以使用can通信单元和射频单元或者uart通信单元和射频单元完成。其中，can通信单元和uart通信单元的功能相似，用于实现该电池信息采集模块与该bms电池管理系统的通信；而射频单元可以实现各个电池信息采集模块之间的相互通信。而整个通信网络为一个大的无线自组网系统，各个通信设备之间可以互为上位机。也就是说，上位机包括：bms电池管理系统，以及该bms电池管理系统控制下的除该电池信息采集模块之外的其他电池信息采集模块。
38.可选的，本技术无线射频传输采用双向确认（acknowledge character，ack）和循环冗余校验（cyclic redundancy check，crc）机制，确保数据传输准确无误，同时实时监测射频丢包率，调整发射功率。
39.示例性的，图5示出了本技术提供的一种无线自组网电池信息采集模块的射频数据发送流程图。如图5所示，采集模块上电后开始工作，射频单元与电池控制单元bcu进行对频。若对频失败，设备界面显示“射频指示错误”或“接收失败”等提示用户进行手动操作；若对频成功后，设备界面显示射频握手成功，电池信息采集模块可通过自组网与电池控制单元bcu、其他电池信息采集模块进行通信（可相互收发数据）。具体的，在发送数据时，可以采用“帧头+数据+校验+结束位”的预设格式进行发送。其中，帧头为0xaa或0xbb；校验位是crc校验计算出的值；结束位为0xff或0xfe；数据位为0x0c（12节电池信息）、0x0d（6个温度信
息）、0x0e（18个系统信息）中的至少一项。数据发送后会等待接收ack确认，如果接收到ack则说明数据发送成功。
40.需要说明的是，图5中的丢包阈值为一个预设值，用户也可自行设定。当系统记录的丢包数量达到该丢包阈值的情况下，系统会依次调整发射功率，直至该丢包率下降到丢包阈值以下，或发射功率达到最大值。具体调整方法为：从1dbm至9dbm依次上升，每次上升1dbm，最大值为9dbm。
41.可以理解的是，由于本技术的无线射频传输采用双向ack加crc校验机制，确保数据传输准确无误，同时实时监测射频丢包率，调整发射功率，因此本技术的电池信息采集模块可通过自组网与电池控制单元bcu、其他电池信息采集模块进行通信。
42.可选的，图6示出了一种主控芯片mt9803mr的连接示意图，如图6所示，电池监测管理单元，采用mt9803mr主控芯片控制；该主控芯片mt9803mr的2、3、4、5、6引脚分别接1mω的电阻（分别为图6中的电阻r56、r55、r54、r53、r52）上拉至调整电压vreg，保证采集及被动均衡单元正常采集；主控芯片mt9803mr的53引脚接10ω的电阻（图6中的电阻r73）和100nf的电容（图6中的电容c44），用于稳压及滤波；主控芯片mt9803mr的28脚分别接1uf的电容（图6中的电容c31）、10pf的电容（图6中的电容c32），主控芯片mt9803mr的29脚接1uf的电容（图6中的电容c3），均用于射频供电稳压；主控芯片mt9803mr的s1端至s12端为均衡控制端口，依次与采集及被动均衡单元的第一pmos管q1至第十二pmos管q12对应连接（可参见图7）。
43.可选的，电池监测管理单元，包括：主控芯片mt9803mr，以及与主控芯片mt9803mr连接的外部晶振、复位电路、jtag接口、系统状态显示电路；复位电路采用上拉电阻将复位管脚的电平上拉到vcc，主控芯片mt9803mr实时监测vcc电平； jtag接口使用swd模式，可接入vcc、swdio、swclk、gnd信号；系统状态显示电路通过控制主控芯片mt9803mr的gpio管脚输出高低电平来控制led灯。
44.可选的，上述外部晶振采用频率在30mhz以下的石英晶体，用于拉低电池监测管理单元电路的振荡频率。
45.可选的，如图7所示，采集及被动均衡单元单独采用12节标准电池供电；12节电池的输入电压通过rc滤波电路与电池监测管理单元的c1端口至c12端口连接；当采集及被动均衡单元接收到电池监测管理单元发送的采集电压指令时，采集及被动均衡单元采集c1端口至c12端口的输入电压。
46.可选的，如图7所示，当电池过充电时，主控芯片mt9803mr控制采集及被动均衡单元导通第一pmos管q1至第十二pmos管q12；当电池出现过压或欠压时，主控芯片mt9803mr控制电池监测管理单元关断第一pmos管q1至第十二pmos管q12。
47.示例性的，图7示出了一种采集及被动均衡单元的电路，采集及被动均衡单元采用独立的12节电池供电，12节电池的输入通过rc滤波电路与主控芯片mt9803mr的电池监测输入c1至c12连接，主控芯片mt9803mr发送采集电压指令后，芯片采集c1至c12输入电压。主控芯片mt9803mr发送电池均衡指令，打开第一pmos管q1至第十二pmos管q12进行放电，其中，电阻r1至r24为均衡电阻。放电通路以第9节电池为例，如图7所示，电路导通顺序依次为：bat9引脚、保险f2、第九pmos管q9、第十八电阻r18、第十七电阻r17、保险f8、bat8引脚。其中，保险f1至f12，vd1至vd12为瞬变电压抑制二极管（transient voltage suppressor，tvs）保护电路，防止尖峰电压损坏电路。
48.可以理解的是，由于主控芯片mt9803mr控制采集及被动均衡单元导通第一pmos管q1至第十二pmos管q12，能够实现电池均衡功能，防止尖峰电压损坏电路；而主控芯片mt9803mr控制电池监测管理单元关断第一pmos管q1至第十二pmos管q12，可进行快速关断保护。因此，采集及被动均衡单元不仅能够依据主控芯片mt9803mr的指令进行信息采集，还可以实现电路均衡保护，防止过充电、过压、欠压等特殊情况对电池和采集模块电路造成破坏。
49.可选的，模拟信号监测单元，通过模拟信号采集端口采集电池总压和模块电流，并接入至主控芯片mt9803mr的比较器接口；当电池信息采集模块发生过压或过流时，主控芯片mt9803mr的比较器输出变低，主控芯片mt9803mr控制系统报警单元报警，并关闭电源单元的输入。即当发生过压过流时，mt9803mr的比较器输出变低，记录报警，关闭v+电源。
50.示例性的，图8示出了一种模拟信号监测单元的部分电路图，如图8所示，vdd_mcu为5v连接10k欧姆电阻和10k ntc电阻到地。主控芯片mt9803mr的adc通道采集电阻分压值，最终转换为电池温度，系统可通过模拟信号采集端口监测电池温度信息。
51.可以理解的是，主控芯片mt9803mr可以通过模拟信号监测单元可监测电池总压、电池温度、模块电流信息，从而方便根据实时数据完成控制。
52.本发明实施例提供了一种无线自组网电池信息采集模块，应用于bms电池管理系统，该电池信息采集模块包括：电源单元、通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元、采集及被动均衡单元和电池监测管理单元；电源单元，采用dc-dcmt2445芯片控制，用于对输入电压降压后分别给通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元和电池监测管理单元供电；通信单元，用于通过无线射频信号与上位机进行通信；系统报警单元，用于监测电池信息采集模块电压，在过压或欠压的情况下进行电路保护；模拟信号监测单元，通过模拟信号采集端口监测电池总压、电池温度、模块电流信息；电池监测管理单元，采用主控芯片mt9803mr控制，分别与电源单元、通信单元、系统报警单元、模拟信号监测单元、采集及被动均衡单元连接，用于监测电池信息采集模块的各项参数，并控制无线自组网电池信息采集模块的运行；采集及被动均衡单元，用于根据电池监测管理单元的指令，进行信息采集或电路均衡操作；其中，该上位机包括：bms电池管理系统，以及该bms电池管理系统控制下的除该电池信息采集模块之外的其他电池信息采集模块。通过该电池信息采集模块有如下优点：一方面，本发明实施例提供的无线自组网电池信息采集模块包括通信单元，该通信单元能够在主控芯片mt9803mr的控制下通过无线射频信号与上位机进行通信（即各个电池信息采集模块构成一个无线自组网），从而避免了传统bms电池管理系统采用有线通信导致的采集电路复杂，拆装不便的问题。另一方面，本发明实施例提供的无线自组网电池信息采集模块使用主控芯片mt9803mr控制各个模块的运行，mt9803mr具有体积小、性能高等特点，可以有效减少整个池信息采集模块的体积，精简电路，避免材料浪费，进而为客户达到节约成本的目的。
53.以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。