基于无线的电池管理系统的制作方法

本发明属于电池管理系统技术领域，具体涉及一种具备远程监测能力、内部无连接线的电池管理系统。

背景技术：

目前，随着电子科技的快速发展，电力系统、通讯系统的安全稳定运行也日渐重要，而这些领域的各种电子设备和装置能够正常运行的前提就是可靠的电源。在确保人们的生产和生活稳定安全，备用或应急电源设备产生了，这些设备大多采用蓄电池作为直流备用电源。目前，蓄电池已经广泛应用到各行各业，成为它们不可缺少的组成部分，对蓄电池参数进行实时检测的相关技术也引起了人们的关注。传统的电池管理对单个蓄电池监测采用CAN总线方式，将所有的单体电池电压、电流、温度进行采集和上传，传统的BMS将采集到的数据再进行打包通过有线上传给控制中心进行显示。传统的CAN总线采集有以下缺点：1、电池包内部需要大量的通讯电缆，而且线路复杂，容易发生故障，维护难度较高；2、通讯网络局限大，所有数据都只能在本地读取。

近几年，计算机技术、微电子技术、自动控制技术发展迅猛，在人们不同的应用需要下，无线传感器网络应运而生。它体积小、成本低、低功耗、强大的网络自组织能力、路由功能等特点，突破传统的有线数据采集和通讯技术，使其具有更强大的发展前景。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述不足之处而提供一种能够远程监测电池包内各单体蓄电池性能、且电池包内各单体蓄电池之间无连接线的电池管理系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于无线的电池管理系统，其特征在于：包括单体管理单元、电池管理控制器和Zigbee网络；

单体管理单元包括第一CC2430无线通信模块、采样电路和电源电路，单体管理单元相应植入电池包内各单体蓄电池封装内部，采样电路与蓄电池的正负两端对应连接，负责采集单体蓄电池的电压数据，采样电路与温度探头连接，负责采集单体蓄电池的温度数据；第一CC2430无线通信模块的Zigbee无线通讯模块，设置在电池包内或电池包外，工作模式为路由器模式，把采集到的单体蓄电池电压、温度数据通过Zigbee网络发出；电源电路为5V输出电源电路，电源电路输出端与采样电路和第一CC2430无线通信模块的电源输入端连接，电源电路负责将电池的电压做Boost升压到5V，为采样电路和第一CC2430无线通信模块提供稳定的工作电压；

电池管理控制器包括第二CC2430无线通信模块、MCU、GPRS模块、CAN模块和开关电源，其中第二CC2430无线通信模块的Zigbee无线通讯模块工作模式为协调器做为主节点，用于接受单体管理单元中的蓄电池电压数据和温度数据，并把收集的数据进行初步处理，通过IIC的方式给到MCU；MCU监控每个单体电池是否出现过度充电和过度放电的状态；CAN模块将所有的蓄电池电压、温度数据上传给电池管理控制器；GPRS模块将所有的蓄电池电压、温度数据上传给终端或者云服务，实现远端监测；

Zigbee网络采用星型组网，其中第二CC2430无线通信模块为主节点，第一CC2430无线通信模块为子节点。

Zigbee组网模式采用星型组网，首先由Zigbee网络中主节点发起信道扫描，经通道能量扫描检测API，选择可用通道并建立WAN，再创建一个与从机相关的信息注册表。注册表内容有从机的ID号、连接状态、是否唤醒等信息。主控节点接入后，先对注册表进行检查，若发现网络中有未分配的ID，则主机发搜索命令，如果有从机回应，则为其分配此ID号，然后由主机切换到工作信道等待从机发回应答包，若ID号匹配，则分配成功，更新注册信息列表。主机可分别对注册信息列表中的有效ID发送数据请求，以获取蓄电池相关数据信息。若某ID在最大允许通信时间内没有发送应答信息，那么，主机将再次更新ID的注册信息列表，如果确认与从机失去联系，则将该ID号予以注销。

本发明的技术解决方案中所述的第一、第二CC2430无线通信模块为TI公司带有8051内核的模块。

带有处理器功能的第一、第二CC2430无线通信模块能够提高性能并满足以Zigbee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求，并且结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接系列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA，满足单体电池常规数据监控的条件，是解决电池监控的良好途径。

本发明的技术解决方案中所述的采样电路由TLV2464IPW采样运放芯片构成。

本发明的技术解决方案中所述的电源电路由TPS61235、AMS1117-3.3或AMS1117-1.8电源芯片构成。

本发明的技术解决方案中所述的开关电源采用BUCK电路，9-24V降压到5V和3.3V，为电池管理控制器中的芯片提供工作电源。

本发明的技术解决方案中所述的MCU为型号STM32F407VET6的MCU芯片。

本发明的技术解决方案中所述的CAN模块为型号ADM3053的CAN芯片。

本发明的技术解决方案中所述的GPRS模块为型号sim900a的GPRS模块。

本发明的技术解决方案中所述的开关电源为TPS54331D或AMS1117-3.3电源芯片。

本发明具有能够远程监测电池包内各单体蓄电池性能、且电池包内各单体蓄电池之间无连接线的特点。本发明主要适用于具备远程监测能力、内部无连接线的电池管理系统。

附图说明

图1是本发明的单体管理单元的数据采集、发送原理图。

图2是本发明的电池管理控制器原理图。

图3是本发明的Zigbee网络中协调器和路由器组网流程图。

图4是本发明的单体管理单元中的单体电池温度采样电路图。

图5是本发明的单体管理单元中的单体电池电压采样电路图。

图6是本发明的单体管理单元中的boost升压5V电路图。

图7是本发明的单体管理单元中的Zigbee路由器电路图。

图8是本发明的单体管理单元中的5V转3.3V和1.8V电路图。

图9是本发明的电池管理控制中的MCU主控制电路图。

图10是本发明的电池管理控制中的（9-24）V转5V和3.3V电路图。

图11是本发明的电池管理控制中的CAN模块和GPRS模块电路图。

图12是本发明的电池管理控制中的Zigbee协调器电路图。

图13是本发明的整个系统图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示。本发明一种无线的电池管理系统包括单体管理单元、Zigbee网络和电池管理控制器。

单体管理单元如图4-8所示，其中，单体管理单元包括采样电路、第一CC2430无线通讯模块和电源电路，采样电路包括温度采样电路、电压采样电路，单体管理单元相应植入蓄电池封装内部，单体管理单元的电源电路与蓄电池的正负两端对应连接，负责采集单体蓄电池的电压数据，采样电路与温度探头连接，负责采集单体蓄电池的温度数据。

单体管理单元中的电源电路如图6所示，将单体电池电压boost升压到5V；如图8，5V转3.3V和1.8V电路，为考虑电池使用过程中电压存在波动，在选择无线通讯模块时选择电源的范围宽、低功耗的CC2430模块和Boost升压芯片，以保证单体管理单元电源稳定工作。

单体管理单元中的采样电路和第一CC2430无线通讯模块，如图5为单体电池电压采样电路，图5中的Ubattery与图7中的Ubattery连接，图4为单体电池温度采样电路，图4中的Temperature与图7中的Temperature连接，图7为第一CC2430无线通讯模块做为Zigbee路由器模式做为子节点，它将采样的数据通过Zigbee网络发送。第一CC2430无线通信模块在电池生产的过程根据电池的编号（ID）将该编号写入第一CC2430无线通信模块中作为身份识别，并且将Zigbee网络设置为路由器模式作为子节点。

电池管理控制器包括第二CC2430无线通信模块、MCU主控制电路、GPRS模块、CAN模块和开关电源。电池管理控制器电路图如图9-12所示。其中，图12为第二CC2430无线通讯模块电路，将Zigbee无线通讯模块设置为协调器模式作为主节点，与单体管理单元中的Zigbee无线通讯模块设置为路由器模式作为子节点连接并组成Zigbee网络，用于接受单体管理单元中的蓄电池电压数据和温度数据。图9为MCU外围基本电路，图9中的USART_TX、USART_RX与图12中的USART_TX、USART_RX对应连接，采用STM32F407VET6芯片与外围的第二CC2430无线通信模块的普通I/O口模拟IIC进行高速的数据交换。图11为CAN模块，采用ADM3053芯片，图11中的CANT、CANR与图9中的CANT、CANR对应连接，将MCU实时采集的数据从串口输出到CAN模块，通过CAN模块上传给系统，图11中的USART1_TX、USART1_RX与图9中的USART1_TX、USART1_RX对应连接，MCU将实时采集的数据从串口输出通过GPRS模块无线上传给终端或者云服务。图10为开关电源，传统的BMS接口电源为24V，保留24V电源接口，采用TPS54331D电源芯片，BUCK到5V和3.3V，为电池管理控制器中的芯片提供工作电源。

Zigbee组网通信程序单体管理单元Zigbee做采集节点（路由器节点）和电池管理控制器Zigbee做接收节点（网络协调节点）的内部软件流程如图3所示。系统构建的是星状网络，则采集节点先发送信息给接收节点，检查链路是否已链接，在确定链接后，在采集节点进行数据的采集与发送，网络协调节点则将进行数据的接收，实现系统的功能。

如图13中所示无线BMS由单体管理单元、电池管理控制器、Zigbee网络组成并嵌入到整个监控系统中。形成就地实时监控单体蓄电池的相关数据；远方形成高智能的监控后台，对每一个电池实时的进行监测并记录分析，构成高速响应实时处理的动态，更有效的延长蓄电池的使用寿命。