采用NB-IoT模块的电池及其远距离测量方法与流程

采用nb
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iot模块的电池及其远距离测量方法
技术领域
1.本发明涉及电池领域，具体是一种采用nb
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iot模块的电池及其远距离测量方法。


背景技术：

2.随着pack电池技术的快速发展和应用，大容量电池已经应用在各行各业的工程应用中，特别是用于户外工作的电池应用中，由于电池封装的特殊性(为了安全性除外接口外，pack的封装是不可拆卸的)，如需要获取电池的工作状态，通常需要经过(串口、can，485，蓝牙等方式)进行(有线或无线)连接读取状态信息；但对于设备位置存放在偏远地区或特殊高空位置(比如工地上的吊架，起降机，不限位置的移动车辆等)的电池，想获知其工作状态或排除故障或升级代码等，均需要工程人员到现场实时操作，对于批量电池的维护更新实现起来方案的人工成本较高。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种采用nb
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iot模块的电池及其远距离测量方法，以解决现有的技术是采用点对点的传输方式，即一个电池通过外接口(串口、can、蓝牙)实现数据传输升级，现有方案的人工成本较高，需要工程人员在现场查看数据，分析数据，且只能一台电池一台电池进行数据分析，无法做到批量传输的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种采用nb
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iot模块的电池，所述pack电池包括电芯组模块、模拟前端afe模块、mcu模块、sovp模块和网络通讯模块；所述电芯组模块的一端分别与b+端、充电过流保险丝的一端、输出p+端和模拟前端afe模块相连接，所述充电过流保险丝的另一端与充电口输出保护的一端相连接，所述充电口输出保护的另一端分别与mcu模块和输入c+端相连接，所述模拟前端afe模块分别与mcu模块、检流电阻、sovp模块的一端、一级放电保护开关和一级充电保护开关相连接，
6.所述mcu模块分别与独立电源模块、显示数码/按键、负载检测模块相连接，所述负载检测模块与poe供电回路检测相连接；所述mcu模块分别与调试接口和网络通讯模块相连接；
7.所述电芯组模块的另一端分别与接地端、检流电阻和一级放电保护开关相连接，所述一级放电保护开关分别与一级充电保护开关和放电过流保险丝的一端，所述一级充电保护开关分别与二级充电保护开关和sovp模块的另一端，所述二级充电保护开关与输入c
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端相连接，所述负载检测模块分别与放电过流保险丝的另一端和输出p
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端相连接。
8.进一步的，所述电芯组模块由多并多串的电芯组成电芯组模块，给电池设备提供能源支持，电芯组模块上加有ntc温度检测；电芯片模块将提供电芯电压和温度信号给模拟前端afe模块做检测判断，通过i2c总线将数据传送给mcu分析判断；
9.所述模拟前端afe模块在bms里面为电池采样芯片，用来采集电芯电压和温度，将采集到的数据传给mcu模块；
10.所述b+端为电芯组端正极；
11.所述mcu模块为系统中枢，进行soc算法运算，循环次数判断计算，判断bms数据，根据bms数据进行状态参数等信息控制及转换，传送bms数据，控制mos管开关导通/关闭，充电检测，控制显示模块显示bms数据，接收网络通讯模块，按键模块输入；
12.所述输入c+端，连接到电池端的充电正极，用于外部能源给电池充电；
13.所述检流电阻，用于检测电池设备中通过电压的电流；
14.所述sovp模块、过压和短路保护模块，当电池出现电压短路或过压危险状态时，能断开电池电路，避免电源被烧毁；
15.所述一级放电保护开关，通过mcu使能，当出现欠压保护\过流短路保护时，能断开放电回路，起到保护电源的作用；
16.所述独立电源模块，用于给网络通讯模块提供稳定电源，避免网络通信过程受到其他状态的干扰而断网；
17.所述显示数码/按键模块为电源系统的输入输出模块；通过按键能输入时间参数，电源电压输出开/关控制时间，设备号等参数；
18.所述poe供电回路检测模块，用于提供稳定电压于客户外部设备检测，
19.bc35g为窄带网络通讯模块及nbiot模块，是一种将mcu传送来的信号连接到指定ip进行通信的模块，但系统并不局限于特定使用bc35g，有可能为bc26，bc95或4g模块，仅作为网络通信使用；
20.所述一级充电保护用于在充电时，当bms出现过压过流等危险状态时可控制关闭mosfet对设备起到保护；二级充电保护为当一级充电保护失效时，能同样起到保护作用；
21.所述二级保护参数高于一级保护参数，均在安全范围内；
22.所述输入c
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端，为电源充电输入的负极，配合c+起充电作用；
23.所述输出p
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端为电芯组负级，用于给电源提供电压技持；
24.所述网络模块用于将mcu通信信号转换ip信号，发送到指定的ip地址，起到电池设备与服务器通信的作用。
25.采用nb
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iot模块的电池的远距离测量方法，所述远距离测量方法包括以下步骤：
26.步骤1：电池的注册云服务器；
27.步骤2：在步骤1的基础上进行电池校时，电池获取并同步云服务器的时间；
28.步骤3：在步骤2的基础上电池将定时向云服务器发送心跳数据包并监测连接状态，一旦连接断开则重新建立连接；
29.步骤4：在步骤3的基础上电池进行bms信息的检测发送；
30.步骤5：在步骤4的基础上电池工作时实时监听云服务器tcp/udp信号；
31.步骤6：实现电池的远距离测量。
32.有益效果：
33.1.本发明实现批量电源设备的bms测时数据的联网传送，信息的获取解析，指令批量发送。
34.2.本发明批量升级电池，批量校验数据，若操作失败，能回到正常模式继续工作。
35.3.本发明电池自身测量电池电压、电流、soc、循环状态、软硬件版本号、当前及剩余容量、电池状态(充放电mos开/关、放电过流/过压，温度保护，欠压保护，短路保护、充放
状态)等bms信息以及通信信号强度，以指定格式进行传输到云服务器进行数据显示分析，即通过模拟前端afe模块，即模拟前端模块对从电芯组端，检流模块，ntc温度传感器，可以检测到电压，电流，温度等数据。网络通讯模块可以检测sim卡连接到基站的信号强度，这些数据统一传给mcu模块，mcu模块根据获得到的数据再进行处理判断(包括充放电mos开/关、放电过流/过压，温度保护，欠压保护，短路保护、充放状态，信号强度显示)。
附图说明
36.图1为本发明的电池的网络连接架构示意图。
37.图2为本发明的电池通信架构图。
38.图3为本发明的电池内部示意图。
39.图4为本发明的控制示意图。
40.图5为本发明数据传输的格式示意图。
具体实施方式
41.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，所描述的实施例仅仅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做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。
42.请参阅图1～5，本发明实施例中，所述物联网模块如nbiot模块/4g模块；
43.一种采用nb
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iot模块的电池，所述pack电池包括电芯组模块、模拟前端afe模块、mcu模块、sovp模块和网络通讯模块；所述电芯组模块的一端分别与b+端、充电过流保险丝的一端、输出p+端和模拟前端afe模块相连接，所述充电过流保险丝的另一端与充电口输出保护的一端相连接，所述充电口输出保护的另一端分别与mcu模块和输入c+端相连接，所述模拟前端afe模块分别与mcu模块、检流电阻、sovp模块的一端、一级放电保护开关和一级充电保护开关相连接，
44.所述mcu模块分别与独立电源模块、显示数码/按键和负载检测模块相连接，所述负载检测模块与poe供电回路检测相连接；所述mcu模块分别与调试接口和bc35g模块相连接；
45.所述电芯组模块的另一端分别与接地端、检流电阻和一级放电保护开关相连接，所述一级放电保护开关分别与一级充电保护开关和放电过流保险丝的一端，所述一级充电保护开关分别与二级充电保护开关和sovp模块的另一端，所述二级充电保护开关与输入c
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端相连接，所述负载检测模块分别与放电过流保险丝的另一端和输出p
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端相连接。
46.进一步的，所述电芯组模块：由多并多串的电芯组成电芯组模块，给电池设备提供能源支持，电芯组模块上加有ntc温度检测；电芯片模块将提供电芯电压和温度信号给模拟前端afe模块做检测判断；具有ldo(提供稳定的3.0v电压供给mcu)、库仑计(电池容量计算)，检流(检测电池中的电流)，温度保护，短路保护，过流保护，欠压保护，过压保护等功能，通过i2c总线将数据传送给mcu分析判断；
47.所述模拟前端afe模块：afe(analog front end)，中文是模拟前端，在bms里面为电池采样芯片，用来采集电芯电压和温度，将采集到的数据传给mcu模块；
48.所述b+端为电芯组端正极；
49.所述mcu模块为系统中枢，进行soc算法运算，循环次数判断计算，判断bms数据，根据bms数据进行状态参数等信息控制及转换，传送bms数据，控制mos管开关导通/关闭，充电检测，控制显示模块显示bms数据，接收网络通讯模块，按键模块输入；
50.所述输入c+端，连接到电池端的充电正极，用于外部能源(例如太阳能板，充电器等)给电池充电；
51.所述检流电阻，用于检测电池设备中通过电压的电流；(基于欧姆定律i＝u/r)
52.所述sovp模块、过压和短路保护模块，当电池出现电压短路或过压危险状态时，能断开电池电路，避免电源被烧毁；
53.所述一级放电保护开关，通过mcu使能，当出现欠压保护\过流短路保护时，能断开放电回路，起到保护电源的作用；
54.所述独立电源模块，用于给网络通讯模块提供稳定电源，避免网络通信过程受到其他状态的干扰而断网；(例如bms保护状态时会切断输出电源，网络模块为独立电源模块仍能正常工作)
55.所述显示数码/按键模块为电源系统的输入输出模块；通过按键能输入时间参数，电源电压输出开/关控制时间，设备号等参数；
56.所述poe供电回路检测模块，用于提供稳定电压于客户外部设备检测，
57.bc35g为窄带网络通讯模块及nbiot模块，是一种将mcu传送来的信号连接到指定ip进行通信的模块，但系统并不局限于特定使用bc35g，有可能为bc26，bc95或4g模块，仅作为网络通信使用；
58.所述一级充电保护用于在充电时，当bms出现过压过流等危险状态时可控制关闭mosfet对设备起到保护；二级充电保护为当一级充电保护因某种原因失效时，能同样起到保护作用；
59.所述二级保护参数高于一级保护参数，均在安全范围内；
60.所述输入c
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端，为电源充电输入的负极，配合c+起充电作用；
61.所述输出p
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端为电芯组负级，用于给电源提供电压技持；
62.所述网络模块(如bc35g模块)用于将mcu通信信号转换ip信号，发送到指定的ip地址，起到电池设备与服务器通信的作用。
63.在电路设计上以电池的通信管脚外接nb
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iot部件，通过将ttl
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tx和ttl
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rx的数据转换成tcp/udp数据，将数据传输到指定ip地址的云端云服务器，按照实时数据统一保存到远程云服务器的原则，电池开机后，首先与远程云服务器建立连接，并进行注册流程；注册结束后，开始实时数据的上报。电池，实时数据的上报默认频率为30秒(可通过指令修改)，当电池一旦出现告警的时候，需要及时的上报告警信息到云服务器，同时不影响正常的实时数据的上报。电池收到注册请求ack之后，需要电池发送校时、心跳和实时数据参数发送给云服务器，之后云服务器发送设备校时应答进行电池设备时钟同步，回复心跳，接收实时数据回复帧。
64.采用nb
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iot模块的电池的远距离测量方法，所述远距离测量方法包括以下步骤：
65.步骤1：电池的注册云服务器；
66.步骤2：在步骤1的基础上进行电池校时，电池获取并同步云服务器的时间；
67.步骤3：在步骤2的基础上电池将定时(定时为心跳时间，心跳时间由服务器设定，默认为30s。心跳机制是定时发送一个自定义的结构体(心跳包)，让对方知道自己还活着，以确保连接的有效性的机制。向云服务器发送心跳数据包并监测连接状态，一旦连接断开则重新建立连接；
68.步骤4：在步骤3的基础上电池进行bms信息的检测发送；
69.步骤5：在步骤4的基础上电池工作时实时监听云服务器tcp/udp信号；
70.步骤6：实现电池的远距离测量。
71.进一步的，所述步骤1具体为电池自检(电池的自检是对电池本身的参数进行检测，例如是否欠压，是否高低温保护，是否过流过压等。)成功后，通过模拟前端afe模块感知电池各电芯压降、电池的输出电压、工作电流、工作温度、电池工作状态(充放电状态)和mos管工作状态，在工作状态正确(正确的判断标准为没有过流，没有过压，没有欠压，没有启动高低温保护)的条件下启动联网机制，通过nbiot模块连接运营商的基站，再通过运营商的基站连接云端云服务器，电池与云服务器之间使用基于tcp/udp协议的数据网络，在传输层使用tcp/udp协议；云服务器建立tcp/udp监听，电池在正确对运营商网络联网后，为保证唯一性每台电池以自身的sn码为注册信息发起对云服务器的tcp/udp连接注册，tcp/udp建立后保持常连接状态且不主动断开，此时云服务器根据电池上传的序列号(sn号)，计算并给予联网的电池唯一的注册id，再以ack的形式发回电池端，若电池一直没有接收到云服务器回应的ack信号，则间隔5秒后再继续发起注册，当连续10次注册失败后，在电池的显示屏上显示错误信息，提醒用户进行检修。(不能联网有可能是sim卡欠费等因素引起)
72.进一步的，所述步骤2具体为，(当云服务器设定电池在某时某分某秒进行充放电操作时可以避免因时间不同步而引起的操作失败；)当电池联网成功后发送校时请求，服务平台收到校时请求后回复响应帧给下位机设备进行时钟同步，使电池时钟与云服务器时钟同步；云服务器回复的是云服务器本机时间，当电池收到校时回复帧后将时间数设为设务时间，时间精确到年月日，时分秒；当电池没收到回复帧，将进行定时5秒继续发送校时，若连续10次获取失败后，则在电池的显示屏上显示错误信息。
73.进一步的，所述步骤3具体为，当云服务器收到心跳帧之后，将返回一个心跳回复帧，心跳回复帧用来维持电池与云服务器之间的连接。电池收到注册响应帧后，(即电池每次向服务器发送数据时，当服务器收到数据，都会向电池端发回一条数据表示服务器已收到，响应帧根据电池数据发送的不同，回应的数据内容也不相同，具体根据通信协议定，通信协议由电池端和服务器端开发维护人员根据项目要求编写。)根据注册响应帧所给定的心跳包参数来确定心跳包的时间间隔；并在连续10次没有收到云服务器的心跳回复时，云端服务认为该电池掉线，需重新发起注册校时。
74.进一步的，所述步骤4具体为，电池对自身状态进行分析发送，以信息帧的行式发送电池电压、电流、soc、循环状态、软硬件版本号、当前及剩余容量、电池状态(充放电mos开/关、放电过流/过压，温度保护，欠压保护，短路保护、充放状态)以及通信信号强度信息，发送格式为通用数据包如图5所示，当电池发生意外故障时，电池的mcu检测到电池故障时(故障包括短路、过压、过流、欠压、温度保护等)，通过网络通讯模块(如bc35g)将第一时间将电池的实时信息和报警状态发给云服务器，以供维护人员能第一时间获知分析并采取措施。
75.进一步的，所述步骤5具体为，当电池接收到云服务平台下发的电池配置参数(参数为定时开关输出电压时间、bms信息的长短连接切换、ip地址的重定向切换等不限于此)后，进行响应回复云服务器，并根据云服务器所提供的参数进行操作切换的步骤。
76.进一步的，当云服务器更改ip地址时，电池与云服务器进行重定向具体为，云服务器仅需向已联网的电池发送以新ip地址为信息内容的重定向指令，当电池接收到指令后，回复ack信息，并试连接新ip地址，当新ip地址连接功后，则对新ip云服务器重新进行步骤1
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步骤6的操作，当新ip地址注册不成功时，则对原云服务器发送错误报警信息，由原云服务器进行重新定向操作。
77.进一步的，当云服务器下发升级的指令时，电池进行升级包括以下步骤：
78.s10.1：设备重启将断电，网络将断开，因此需要先注销云服务器，并提示云服务器，设备将断开进行升级状态，重启设备到bootloader状态；
79.s10.2：电池重新进行注册云服务器后，发送升级响应指令；
80.s10.3：电池等待云服务器下发升级数据；
81.s10.4：若电池单条数据校验失败，则要求电池重新发送改条数据；
82.s10.5：当电池的全部数据接收完闭后，则对电池的整体数据进行校验；
83.s10.6：若s10.5的校验码与云服务器下发的不符，则从s10.1开始重新进行升级操作，
84.s10.7：若三次整包校验失败，则发送错误代码给云端服务平台，电池回到原操作状态，即电池设备将回到正常联网工作状态，并发送升级失败指令，等待服务器新的指令并联网工作，等待维护人员的分析和操作；
85.s10.8：升级成功后发送升级成功指令，重启设备，回到升级后的正常工作状态。
86.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内；不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。