无线通讯模块的供电单元及基于无线通讯的电池管理系统的制作方法

1.本实用新型涉及技术领域，特别涉及一种无线通讯模块的供电单元。另外，本实用新型还涉及一种基于无线通讯的电池管理系统。


背景技术：

2.随着汽车电动化和智能化的发展，各部件环节开始加快从机械系统向电子系统的转换，以bms(battery management system，电池管理系统)为例，其主要作用是通过对电压、电流和温度的实时测量来监控电池状态信息，以分析电池性能、优化电池能量控制和延长电池使用寿命等。目前，有线bms架构采用基于菊花链配置的线束或can(controller area network)通信来连接电池组，整体占用空间大，制造工艺繁琐，难以满足电池全生命周期持续实时监测的需求，且维修难度高。
3.人们对新能源汽车续航能力以及电池安全性的重视程度不断提高，以及电池模组全生命周期应用的需求逐渐提高，无线bms成为了技术研发和应用的重要方向，以取代电池组和电池管理系统之间的传统有线连接。
4.无线bms技术采用无线通讯方案与电池监测器协同工作，通过bms从板上的afe(active front end，电池前端采集芯片)采集电池模组的电压、电流和温度数据，再通过无线通讯模块传递到系统中bms主板上的mcu(microcontroller unit，主控制器)。
5.与传统的bms传输方式相比，无线通信bms方式功耗低，可扩展性强，减少线缆和连接器，简化电池包结构，提升整包能量密度，主从板间无高压风险，可以大幅度提高电池管理的可靠性、精度。
6.不过，现有的无线bms采用gfsk(gauss frequency shift keying)或mash(无线网格网络)等网络协议，无线芯片成本高；而且，由于无线芯片多用3.3v，需额外的ldo(low dropout regulator，低压差线性稳压器)芯片，增加了系统的整体功耗和pcb(printed circuit board，印制电路板)的占用面积，成本相比有线bms存在劣势。因此，急需研发一种专用于无线通讯模块的供电电路。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种无线通讯模块的供电单元，以提供一种无线通讯模块的专用供电电路。
8.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
9.一种无线通讯模块的供电单元，连接于外部的直流电源和所述无线通讯模块之间，以为所述无线通讯模块供电；该供电单元包括电流控制元件、稳压元件和分压电阻；
10.所述分压电阻的一端和所述电流控制元件的输入电极均连接至所述直流电源的正极，所述分压电阻的另一端与所述电流控制元件的参考电极、以及所述稳压元件的一端连接，所述稳压元件的另一端连接至所述直流电源的负极；所述无线通讯模块的正压端与所述电流控制元件的输出电极连接，所述无线通讯模块的负压端与所述负极连接。
11.进一步的，所述稳压元件采用稳压管。
12.进一步的，所述电流控制元件采用npn三极管；所述npn三极管的集电极、基极和发射极分别构成所述输入电极、所述参考电极和所述输出电极。
13.进一步的，所述负极做接地设置。
14.进一步的，所述供电单元中设有若干个与所述无线通讯模块并联的电容。
15.相对于现有技术，本实用新型具有以下优势：
16.本实用新型的无线通讯模块的供电单元，通过在供电单元的电路中设置电流控制元件和稳压元件，利用分压电阻和稳压元件可在电流控制元件的参考电极上形成一个稳定的电压；在无线通讯模块的上电瞬间，其射频天线会进行广播而消耗部分电流，此时输出电极的电压将会慢慢下降，从而小于参考电极处的电压；电流控制元件可以根据无线通讯模块的负载情况实时调整参考电极和输出电极之间的导通状态，并以参考电极处的电压为参考，将输出电极的供电电压调整成稳定的状态；适于无线通讯模块的供电需求特性，从而提供了一种无线通讯模块的专用供电电路。
17.同时，采用稳压管，配合分压电阻，可在参考电极处形成稳定的电压值；且稳压管具有便于选配、性能稳定等特点。
18.此外，使用场效应管或npn三极管作为电流控制元件，适于电流控制元件的电流控制特性要求，且便于选项配设。通过选用大功率封装三极管，即可满足供电单元的功耗要求，从而能免去用于协助散热的大功率外设电阻等额外元器件的设置。
19.本实用新型的另一目的在于提出一种基于无线通讯的电池管理系统，包括一个bms主板和若干个bms从板；各所述bms从板和所述bms主板上均设有用于通讯的无线通讯模块，且所述无线通讯模块采用本实用新型所述的供电单元供电。
20.进一步的，所述无线通讯模块采用蓝牙模块。
21.进一步的，所述蓝牙模块采用蓝牙5.0标准。
22.进一步的，所述稳压元件采用稳压值为3.8v的稳压管。
23.进一步的，所述分压电阻的阻值为3.2kω。
24.本实用新型的基于无线通讯的电池管理系统，通过在电池管理系统中的各个控制板上集成设置无线通讯模块，形成bms主板和各bms从板之间的无线通讯，可减少电池包内通讯线路的布置，利于节省电池包内的空间，也便于各控制板在电池包内的灵活布置；而供电单元的设置，为各无线通讯模块提供了稳定的电源供给，适于无线通讯模块的供电需求特性，利于无线通讯模块的稳定运行。
附图说明
25.构成本实用新型的一部分的附图，是用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明是用于解释本实用新型，其中涉及到的前后、上下等方位词语仅用于表示相对的位置关系，均不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
26.图1为本实用新型实施例一所述的无线通讯模块的供电单元的电路原理图；
27.图2为本实用新型实施例二所述的基于无线通讯的电池管理系统的系统构成示意图；
28.附图标记说明：
29.1、电流控制元件；100、输入电极；101、参考电极；102、输出电极；
30.2、稳压元件；200、分压电阻；201、电容；
31.3、直流电源；301、正极；302、负极；303、接地；
32.4、无线通讯模块；400、射频天线；401、正压端；402、负压端；
33.5、电池模组；51、bms主板；52、bms从板；510、mcu；520、afe；6、供电单元。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现“上”、“下”、“内”、“背”等指示方位或位置关系的术语，其为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
36.此外，在本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连接件”应做广义理解。例如，连接可以是固定连接，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，亦或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
37.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
38.实施例一
39.本实用新型涉及一种无线通讯模块的供电单元，连接在外部的直流电源和无线通讯模块之间，用于为无线通讯的电池管理系统中的无线通讯模块供电。
40.整体而言，该供电单元包括电流控制元件、稳压元件和分压电阻。其中，分压电阻的一端和电流控制元件的输入电极均连接至直流电源的正极，分压电阻的另一端与电流控制元件的参考电极、以及稳压元件的一端连接，稳压元件的另一端连接至直流电源的负极；无线通讯模块的正压端与电流控制元件的输出电极连接，无线通讯模块的负压端与负极连接。
41.基于上述的设计思想，本实施例的无线通讯模块的供电单元的一种示例性结构如图1所示。
42.该供电单元的电源输入端与外部的直流电源3连接，供电单元的电源输出端与无线通讯模块4的正压端401和负压端402连接。其中，分压电阻200的一端和电流控制元件1的输入电极100均连接在直流电源3的正极301，分压电阻200的另一端与电流控制元件1的参考电极101、以及稳压元件2的一端连接，稳压元件2的另一端连接到直流电源3的负极302；电流控制元件1的输出电极102和负极302作为供电单元的电源输出端使用，分别连接无线通讯模块4的正压端401和负压端402。
43.稳压元件2的作用主要是在参考电极101处形成稳定的电压，其优选采用稳压管。这样，稳压管和分压电阻200串联在正极301和负极302之间，通过选用适合规格的稳压管和分压电阻200，可在参考电极101处形成低于正极301的稳定的电压值。而且，稳压管具有便于选配、性能稳定等特点。
44.由于电流控制元件1主要的作用是根据无线通讯模块4的耗电变化情况实时调整输出电极102的输出电流，作为电流控制之用，因此，选用具有输入电极100、参考电极101和输出电极102的电流控制元件1；例如，可以选用场效应管或npn三极管等标准元件。本实施例中，电流控制元件1采用npn三极管，npn三极管的集电极、基极和发射极分别构成输入电极100、参考电极101和输出电极102。npn三极管适于电流控制元件1的电流控制特性要求，且便于选项配设。通过选用大功率封装三极管，即可满足供电单元的功耗要求，从而能免去用于协助散热的大功率外设电阻等额外元器件的设置。
45.此外，为了给供电单元提供稳定的电压基准，本实施例中对负极302做接地设置，即将负极302与接地303连接，这样也利于提升无线通讯模块4的供电安全性。
46.同时，还可在供电单元中设置若干个与无线通讯模块4并联的电容201。优选地，设置两个大功率的电容201。在供电电路中与无线通讯模块4并联设置多个电容201，可提升无线通讯模块4的供电稳定性。
47.运行过程中，在第一次安装好供电单元并上电时，直流电源3采用5v电压，在稳压元件2上可形成稳定的电压3.8v。此时，npn三极管的e极(发射极)电压为0v，截止；紧接着npn三极管导通，e极电压迅速提升，大于3.8v，由于b极(基极)电压由稳压元件2决定，依然是3.8v，所以，此时三极管的be极反向截止，三极管不导通。由于无线通讯模块4在上电瞬间会进行广播，射频天线会消耗掉部分电流，此时e极电压将会慢慢下降，小于3.8v后，三极管be极正向导通，三极管将不断地以稳压管电压为参考，根据负载进行调整，直到输出电压为3.3v。
48.传统的ldo，由于其封装普遍较小，需要在ldo前串联大功率电阻，以协助散热，增加了功耗。
49.本实施例的供电单元，npn三极管可以加大三极管辅铜，采用大封装三极管，无需添加额外元器件。通过在供电单元的电路中设置电流控制元件1和稳压元件2，利用分压电阻200和稳压元件2可在电流控制元件1的参考电极101上形成一个稳定的电压；在无线通讯模块4的上电瞬间，其射频天线400会进行广播而消耗部分电流，此时输出电极102的电压将会慢慢下降，从而小于参考电极101处的电压；电流控制元件1可以根据无线通讯模块4的负载情况实时调整参考电极101和输出电极102之间的导通状态，并以参考电极101处的电压为参考，将输出电极102的供电电压调整成稳定的状态；适于无线通讯模块4的供电需求特性，从而提供了一种无线通讯模块4的专用供电电路。
50.实施例二
51.本实用新型涉及一种基于无线通讯的电池管理系统，其一种示例性系统构成如图2所示。该基于无线通讯的电池管理系统包括一个bms主板51和若干个bms从板52；各bms从板52和bms主板51上均设有用于通讯的无线通讯模块4。不同之处在于，该无线通讯模块4采用实施例一所提供的供电单元6进行供电。
52.需要说明的是，当电池包中有多组电池模组5时，一般会对应设置多个bms从板52，每个bms从板52上集成有afe520、无线通讯模块4和供电单元6。afe520采集电池模组5的电压、电流、温度等信号，通过afe520和无线通讯模块4之间的spi通信(serial peripheral interface)线路传输给无线通讯模块4。相应地，在bms主板51上集成有mcu510、无线通讯模块4和供电单元6，无线通讯模块4和mcu510之间线路通讯连接。bms主板51和各bms从板52上
的各个无线通讯模块4之间，则通过无线通讯模块4的射频天线400进行无线通讯。
53.应注意的是，当前bms主要使用有线连接，进行从节点与从节点(即bms从板52和bms从板52)之间、以及主节点与从节点(即bms主板51和bms从板52)之间的通信。有线主要分为两种，一种是使用传统的can通信协议，但是can通信协议需要每个从节点具有专门的can芯片，成本高，占用pcb面积大，优点是抗干扰能力强，且can通信协议经过多年的验证具有极高的稳定性和可靠性。菊花链通信仅需在主节点上增加专用的菊花链转spi芯片，从节点与从节点之间通信可通过隔离滤波器件后直连，成本低，但是可靠性差，emc(电磁兼容性)也难以通过较为严苛的测试标准，通信易受干扰；且有线连接会增加车辆总重量，存在难以维修等缺点。
54.本实施例的基于无线通讯的电池管理系统，通过在电池管理系统中的各个控制板上集成设置无线通讯模块4，形成bms主板51和各bms从板52之间的无线通讯，可减少电池包内通讯线路的布置，利于节省电池包内的空间，也便于各控制板在电池包内的灵活布置；而供电单元6的设置，为各无线通讯模块4提供了稳定的电源供给，适于无线通讯模块4的供电需求特性，利于无线通讯模块4的稳定运行。
55.对于无线通讯模块4，本实施例中优选采用蓝牙模块。现有的无线bms采用gfsk或mash等网络协议，其无线芯片成本高，且多需额外的供电芯片，增加了系统的整体功耗和pcb占用面积，成本相比有线bms存在劣势；本实用新型采用基于ble5.0协议的蓝牙模块，具有成本相对较低，应用灵活等优势；专为蓝牙模块设置的供电单元6则由简洁高效的电路构成，极大优化了成本，且构成元件少，可集成设置在控制板上。
56.具体来说，蓝牙模块可选用恩智浦公司生产的kw38无线通信芯片。该芯片使用nxp改制的ble5.0协议，具有跳频功能，aes-128加密算法，最多支持16个节点数，且由于是工业级芯片升级款，此芯片出货量大，成本相对于其他主流厂家芯片(如adi的adrf8800、ti的cc2662等)具有明显优势。
57.在上述设置的基础上，稳压元件2采用稳压值为3.8v的稳压管；分压电阻200选用阻值为3.2kω的电阻。
58.基于上述的系统构建，ble stack(bluetooth stack，蓝牙协议栈)已在每个kw38当中集成，无线bms使用2.4ghz频段来传输数据。这个频段从2射频天线400兆赫延长到2480兆赫，并提供大约80兆赫的可用频谱。
59.为了实现可靠和最长距离的通讯特性，80mhz频谱可划分为40个无线电信道进行信息传输。每个无线电信道被分配了2兆赫的频带宽度。
60.此刻，每个通讯节点有两种操作模式：服务模式和运行模式。在上电时，节点默认为服务模式。在这种模式下，可以配置节点以进行操作。从服务模式到运行模式的正常转换和相反的转换。
61.第一次上电时，节点是不整合的，当节点和子网的id没有被设置时，它们将不能在网络中运行。在这种初始状态下，区分节点或唯一标识节点的方法是通过其mac地址。当上完电后，通过在bms主板51上的kw38输入命令，使各bms从板52和bms主板51上的蓝牙模块同时进入服务模式。
62.在此模式下，通过bms主板51上的kw38可以设置bms从板52上的kw38的mac地址，给bms从板52分配一个逻辑id和整个局域网id(用于区别其它电池包)，配置完成所有的从板
id后，各个节点组网完成，由于ble协议的灵活性，可以将个人手机或手环等移动设备mac在组网过程中分配，这样可以实现通过个人手机监控电池状态的目的。
63.为了可靠地从各节点接收数据，无线传输采用时隙结构。周期开始时，主节点广播所有从板节点接收到的同步帧。随后，每个从板节点对整个包中的电压和温度进行同步采样，然后在指定时隙开始对其数据进行响应。主节点接收和解码来自所有从节点的数据，并将数据发送给mcu510。
64.在实际的应用测试中，从初始化到组网仅需300ms，使用的通信频段为2.44ghz，通信速率为2mbps，周期为输入电极100ms，kw38内部的射频信号接收灵敏度为-97dbm，最大发射功率为+5dbm，使用pcb板内天线，根据测试结果显示，整体rssi(received signal strength indication)为68dbm，信号强度较强，满足bms的通讯要求。
65.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。