一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)，包括串聯(lián)供電裝置和主控，所述串聯(lián)供電裝置是由單個或多個供電設(shè)備組成的基本單元串聯(lián)組成，相鄰的兩個所述基本單元之間均連接有一個控制模塊，每個低壓側(cè)的所述控制模塊均與與其相鄰的高壓側(cè)的所述控制模塊是采用透傳和級聯(lián)切換的串聯(lián)模式的通訊連接，所述主控通過隔離裝置分別與最高壓側(cè)的所述控制模塊、最低壓側(cè)的所述控制模塊連接。本實(shí)用新型的有益效果：成本很低，無需復(fù)雜的控制單元；可以大大降低供電裝置內(nèi)部引線的復(fù)雜度；結(jié)構(gòu)非常簡單。
【專利說明】一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，采用多個能量單體串聯(lián)來提供能源的供電裝置越來越普遍，典型的實(shí)例包括鋰電池多級串聯(lián)、光伏面板多級串聯(lián)等供電裝置。而為了從安全可靠以及能源高效利用的角度考慮，此類串聯(lián)供電裝置往往都需要并聯(lián)一個管理系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示。以典型的電池管理系統(tǒng)為例，目前普遍采用LTC6802作為管理系統(tǒng)模擬前端，串聯(lián)電池的相鄰連接點(diǎn)需要引線到LTC6802，由后者對電池電壓以及溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行實(shí)時采集，以了解單體電池以及整個供電裝置的工作狀況。
[0003]此類架構(gòu)主要包含以下幾個缺點(diǎn):
[0004]1.電壓采樣引線復(fù)雜，每個電池抽頭都要引線到主控板。
[0005]2.功能簡單，往往只能完成基本的信號采樣功能。
[0006]3.異常處理能力弱，出現(xiàn)電壓、溫度等異常，需要主控去輪詢，無法主動上報。
[0007]4.增加主動均衡功能的代價較大，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
[0008]a.主動均衡需要獨(dú)立引線到均衡板；
[0009]b.對主動均衡的控制目前普遍采用CAN接口，但是相對復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本較高；
[0010]c.由于均衡模塊之間是不共地的，所有控制模塊的CAN接口都要增加隔離芯片，勢必會增加弓I線的復(fù)雜性、整個電池系統(tǒng)的體積以及整體成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種成本低、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單的串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)。
[0012]為達(dá)到發(fā)明目的本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0013]一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)，包括串聯(lián)供電裝置和主控，所述串聯(lián)供電裝置是由單個或多個供電設(shè)備組成的基本單元串聯(lián)組成，相鄰的兩個所述基本單元之間均連接有一個控制模塊，其特征在于:每個低壓側(cè)的所述控制模塊均與與其相鄰的高壓側(cè)的所述控制模塊是采用透傳和級聯(lián)切換的串聯(lián)模式的通訊連接，所述主控通過隔離裝置分別與最高壓側(cè)的所述控制模塊、最低壓側(cè)的所述控制模塊連接。
[0014]進(jìn)一步，低壓側(cè)的所述控制模塊通過其內(nèi)的通訊單元與高壓側(cè)的所述控制模塊通訊連接，所述通訊單元包括收發(fā)控制器、電平移位電路、多路選擇器，所述通訊單元的輸入端口分別與收發(fā)控制器、多路選擇器連接，所述收發(fā)控制器的輸出端與多路選擇器連接，所述多路選擇器的輸出端與電平移位電路連接，所述電平移位電路與所述通訊單元的輸出端□。
[0015]進(jìn)一步，所述控制模塊還包括控制單元、均衡單元、電壓采樣單元、溫度采樣單元，所述控制單元用于協(xié)調(diào)控制所述控制模塊內(nèi)的所有單元，并在異常狀況時通過通訊模塊上報；所述均衡單元用于主動均衡相鄰基本單元的電壓并通過通訊單元控制均衡方式；所述電壓采樣單元用于對基本單元的電壓的采樣并通過通訊單元上報電壓數(shù)據(jù)；所述溫度采樣單元用于對基本單元的溫度的采樣并通過通訊單元上報溫度數(shù)據(jù)。
[0016]進(jìn)一步，所述控制模塊的透傳和級聯(lián)切換是由控制單元控制的。
[0017]進(jìn)一步，所述隔離裝置是一光耦。
[0018]本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思是在相鄰的基本單元之間連接一控制模塊，實(shí)現(xiàn)對基本單元的電壓溫度的采樣、相鄰基本單元之間的主動均衡、異常探測報警的功能；通過在相鄰的控制模塊之間增加級聯(lián)通訊，允許低壓側(cè)的控制模塊向高壓側(cè)的控制模塊發(fā)送消息，并最終通過光耦返回到主控，從而以最簡單的方式實(shí)現(xiàn)通訊。本實(shí)用新型的控制模塊之間的通訊采用數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，一個完整的數(shù)據(jù)幀包括Ibit起始位、若干bit數(shù)據(jù)位、Ibit停止位；數(shù)據(jù)部分包含地址段、命令段、數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)段。所有控制模塊以及主控上電后采用默認(rèn)的波特率，同時在通訊的過程中會根據(jù)主控的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以補(bǔ)償溫度引起的頻率差異，主控也可以發(fā)送相關(guān)的命令修改通信波特率。對于每個控制模塊來說，通訊模式分為透傳和級聯(lián)兩種:通訊單元的輸入端口直接與多路選擇器連接，控制模塊的數(shù)據(jù)輸入直接輸出給下一級的控制模塊，實(shí)現(xiàn)透傳模式，采用這種模式可以實(shí)現(xiàn)總線上所有控制模塊的零延時接收，但這種模式不允許模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀；通訊單元的輸入端口先與收發(fā)控制器連接，再與多路選擇器連接，下一級控制模塊的輸入由本級控制模塊收發(fā)控制器的輸出驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)級聯(lián)模式，這種模式下控制模塊可收可發(fā)，但會導(dǎo)致一定的傳輸延時。本實(shí)用新型的通訊方式既可以實(shí)現(xiàn)普通的串聯(lián)通訊，又可以規(guī)避串聯(lián)通訊帶來的延時。
[0019]本實(shí)用新型在一般情況下，一次交互由主控發(fā)起，主控發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給到指定控制模塊(單播)或者所有控制模塊(廣播)，廣播信息不需要回復(fù)，單播信息需要指定控制模塊返回應(yīng)答信號給主控。當(dāng)然，控制模塊也可以主動發(fā)送信息給主控，比如報警信息。所有信息的發(fā)送都是基于數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。串行架構(gòu)中，所有控制模塊都有唯一的地址，地址分配工作在系統(tǒng)重啟后進(jìn)行，系統(tǒng)重啟后控制模塊默認(rèn)處于透傳模式，主控發(fā)送特殊的命令幀讓所有控制模塊進(jìn)入級聯(lián)模式，然后主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀攜帶地址O信息給第一個控制模塊，每個控制模塊收到數(shù)據(jù)幀后都提取地址信息作為本控制模塊地址，然后加I發(fā)送給下一個控制模塊，最后主控收到的地址信息應(yīng)該等于控制模塊總數(shù)，無誤后主控再發(fā)送特殊的命令幀讓所有控制模塊返回透傳模式，地址分配過程完成。
[0020]本實(shí)用新型還具有錯誤保護(hù)功能:數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中包含校驗(yàn)字段，如果接收到校驗(yàn)出錯的數(shù)據(jù)幀，控制模塊自動將幀丟棄，并不做任何響應(yīng)。超時保護(hù)功能:在單播交互下，主控要收到目標(biāo)控制模塊的應(yīng)答后方認(rèn)為操作成功，主控設(shè)有超時機(jī)制，如果規(guī)定時間內(nèi)未收到應(yīng)答，則認(rèn)為當(dāng)前操作失敗。沖突保護(hù)功能:沖突指的是串行總線上有多個控制模塊或者主控試圖在同一時間發(fā)送數(shù)據(jù)，由于控制模塊只允許在級聯(lián)模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，但是控制模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時仍能接收數(shù)據(jù)，因此發(fā)送過程中接收到的數(shù)據(jù)會保存在本地緩存中，待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送。同時這里要求緩存數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送，這樣不會導(dǎo)致緩存溢出的情形。死機(jī)重啟功能:數(shù)據(jù)線默認(rèn)是高電平，主控將數(shù)據(jù)線拉低持續(xù)一定長度的時間，可以將總線上的所有控制模塊冷復(fù)位重啟。通信斷線報警功能:如果相鄰控制模塊之間的通信線斷開，下一級控制模塊在預(yù)定的時間內(nèi)沒有收到任何信息，它會主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀報告給主控其與前級控制模塊斷開。采樣斷線報警功能:控制模塊連接到基本單元的采樣線斷開，控制模塊能自動檢測到該狀況并主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀報告主控。溫度異常報警功能:控制模塊檢測到基本單元的溫度異?；蛘邷囟茸兓^快，控制模塊會主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀報告主控。模塊異常報警功能:控制模塊檢測到其他工作異常，會主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀報告主控。
[0021]本實(shí)用新型由于控制模塊之間是不共地的，電平移位電路將本級控制模塊的信號的地抬高至下一級控制模塊的地，而不用去改變信號本身的波形，電平移位電路可以保證在默認(rèn)電平狀態(tài)下功耗最低。
[0022]本實(shí)用新型的最高壓側(cè)的控制模塊的輸出最終是要返回給主控的，但是由于最高壓側(cè)的控制模塊與主控之間的電平存在很大的壓差，所以采用光耦隔離的方法，在默認(rèn)電平狀態(tài)下，光耦是不導(dǎo)通的，因此功耗近乎為O。
[0023]本實(shí)用新型的有益效果:
[0024]1.在保證高可靠性的前提下，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速上報以及控制信息的及時傳達(dá)；
[0025]2.電壓、溫度采集、主動均衡采樣可采用基于SOC的控制模塊實(shí)現(xiàn)，均衡、電壓采樣線可以共用，而且控制模塊一般貼近電池單元放置，從而大大降低引線的復(fù)雜度；
[0026]3.通訊連接極為簡單，每個模塊直接與相鄰模塊連接，相對于CAN接口的復(fù)雜性，既不需要隔離器件，也無需實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的接口協(xié)議；電池管理系統(tǒng)主控的接口也非常簡單，而且與電池數(shù)目的連接無關(guān)；因此能有效降低電池系統(tǒng)的復(fù)雜度、體積以及成本；
[0027]4.擴(kuò)展性強(qiáng)，可任意增加連接的電池數(shù)目；
[0028]5.異常處理及時，控制模塊發(fā)現(xiàn)異常能主動上報；
[0029]6.主控對控制模塊的均衡方式管理簡單方便，從而能為實(shí)現(xiàn)高效的能源管理算法提供很好的平臺。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是串聯(lián)供電裝置與管理系統(tǒng)的傳統(tǒng)的連接示意圖。
[0031]圖2是本實(shí)用新型的原理框圖。
[0032]圖3是本實(shí)用新型的控制模塊的原理框圖。
[0033]圖4是本實(shí)用新型的通訊單元的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例來對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明，但并不將本實(shí)用新型局限于這些【具體實(shí)施方式】。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，本實(shí)用新型涵蓋了權(quán)利要求書范圍內(nèi)所可能包括的所有備選方案、改進(jìn)方案和等效方案。
[0035]參照圖2-4，一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)，包括串聯(lián)供電裝置I和主控4，所述串聯(lián)供電裝置I是由單個或多個供電設(shè)備組成的基本單元串聯(lián)組成，相鄰的兩個所述基本單元之間均連接有一個控制模塊2，每個低壓側(cè)的所述控制模塊2均與與其相鄰的高壓側(cè)的所述控制模塊2是采用透傳和級聯(lián)切換的串聯(lián)模式的通訊連接，所述主控4通過隔離裝置3分別與最高壓側(cè)的所述控制模塊2、最低壓側(cè)的所述控制模塊2連接。[0036]低壓側(cè)的所述控制模塊2通過其內(nèi)的通訊單元22與高壓側(cè)的所述控制模塊2通訊連接，所述通訊單元22包括收發(fā)控制器221、電平移位電路223、多路選擇器222，所述通訊單元22的輸入端口分別與收發(fā)控制器221、多路選擇器222連接，所述收發(fā)控制器221的輸出端與多路選擇器222連接，所述多路選擇器222的輸出端與電平移位電路223連接，所述電平移位電路223與所述通訊單元22的輸出端口。
[0037]所述控制模塊2還包括控制單元21，所述控制單元21上連接有均衡單元23、電壓采樣單元24、溫度采樣單元25，所述控制單元21用于協(xié)調(diào)控制所述控制模塊2內(nèi)的所有單元，并在異常狀況時通過通訊模塊上報；所述均衡單元23用于主動均衡相鄰基本單元的電壓并通過通訊單元22控制均衡方式；所述電壓采樣單元24用于對基本單元的電壓的采樣并通過通訊單元22上報電壓數(shù)據(jù)；所述溫度采樣單元25用于對基本單元的溫度的采樣并通過通訊單元22上報溫度數(shù)據(jù)。
[0038]所述控制模塊2的透傳和級聯(lián)切換是由控制單元21控制的。
[0039]所述隔離裝置3是一光耦。
[0040]本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思是在相鄰的基本單元之間連接一控制模塊2，實(shí)現(xiàn)對基本單元的電壓溫度的采樣、相鄰基本單元之間的主動均衡、異常探測報警的功能；通過在相鄰的控制模塊2之間增加級聯(lián)通訊，允許低壓側(cè)的控制模塊2向高壓側(cè)的控制模塊2發(fā)送消息，并最終通過光耦返回到主控4，從而以最簡單的方式實(shí)現(xiàn)通訊。本實(shí)用新型的控制模塊2之間的通訊采用數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，一個完整的數(shù)據(jù)幀包括Ibit起始位、若干bit數(shù)據(jù)位、Ibit停止位；數(shù)據(jù)部分包含地址段、命令段、數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)段。所有控制模塊2以及主控4上電后采用默認(rèn)的波特率，同時在通訊的過程中會根據(jù)主控4的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以補(bǔ)償溫度引起的頻率差異，主控4也可以發(fā)送相關(guān)的命令修改通信波特率。對于每個控制模塊2來說，通訊模式分為透傳和級聯(lián)兩種:通訊單元22的輸入端口直接與多路選擇器222連接，控制模塊2的數(shù)據(jù)輸入直接輸出給下一級的控制模塊2，實(shí)現(xiàn)透傳模式，采用這種模式可以實(shí)現(xiàn)總線上所有控制模塊2的零延時接收，但這種模式不允許模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀；通訊單元22的輸入端口先與收發(fā)控制器221連接，再與多路選擇器222連接，下一級控制模塊2的輸入由本級控制模塊2收發(fā)控制器221的輸出驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)級聯(lián)模式，這種模式下控制模塊2可收可發(fā)，但會導(dǎo)致一定的傳輸延時。本實(shí)用新型的通訊方式既可以實(shí)現(xiàn)普通的串聯(lián)通訊，又可以規(guī)避串聯(lián)通訊帶來的延時。
[0041]本實(shí)用新型在一般情況下，一次交互由主控4發(fā)起，主控4發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給到指定控制模塊2 (單播)或者所有控制模塊2 (廣播)，廣播信息不需要回復(fù)，單播信息需要指定控制模塊2返回應(yīng)答信號給主控4。當(dāng)然，控制模塊2也可以主動發(fā)送信息給主控4，比如報警信息。所有信息的發(fā)送都是基于數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。串行架構(gòu)中，所有控制模塊2都有唯一的地址，地址分配工作在系統(tǒng)重啟后進(jìn)行，系統(tǒng)重啟后控制模塊2默認(rèn)處于透傳模式，主控4發(fā)送特殊的命令幀讓所有控制模塊2進(jìn)入級聯(lián)模式，然后主機(jī)4發(fā)送數(shù)據(jù)幀攜帶地址O信息給第一個控制模塊2，每個控制模塊2收到數(shù)據(jù)幀后都提取地址信息作為本控制模塊2地址，然后加I發(fā)送給下一個控制模塊2，最后主控4收到的地址信息應(yīng)該等于控制模塊2總數(shù)，無誤后主控4再發(fā)送特殊的命令幀讓所有控制模塊2返回透傳模式，地址分配過程完成。
[0042]本實(shí)用新型還具有錯誤保護(hù)功能:數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中包含校驗(yàn)字段，如果接收到校驗(yàn)出錯的數(shù)據(jù)幀，控制模塊2自動將幀丟棄，并不做任何響應(yīng)。超時保護(hù)功能:在單播交互下，主控4要收到目標(biāo)控制模塊2的應(yīng)答后方認(rèn)為操作成功，主控4設(shè)有超時機(jī)制，如果規(guī)定時間內(nèi)未收到應(yīng)答，則認(rèn)為當(dāng)前操作失敗。沖突保護(hù)功能:沖突指的是串行總線上有多個控制模塊2或者主控4試圖在同一時間發(fā)送數(shù)據(jù)，由于控制模塊2只允許在級聯(lián)模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，但是控制模塊2在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時仍能接收數(shù)據(jù)，因此發(fā)送過程中接收到的數(shù)據(jù)會保存在本地緩存中，待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送。同時這里要求緩存數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送，這樣不會導(dǎo)致緩存溢出的情形。死機(jī)重啟功能:數(shù)據(jù)線默認(rèn)是高電平，主控4將數(shù)據(jù)線拉低持續(xù)一定長度的時間，可以將總線上的所有控制模塊2冷復(fù)位重啟。通信斷線報警功能:如果相鄰控制模塊2之間的通信線斷開，下一級控制模塊2在預(yù)定的時間內(nèi)沒有收到任何信息，它會主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀報告給主控4其與前級控制模塊2斷開。采樣斷線報警功能:控制模塊2連接到基本單元的采樣線斷開，控制模塊2能自動檢測到該狀況并主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀報告主控4。溫度異常報警功能:控制模塊2檢測到基本單元的溫度異?；蛘邷囟茸兓^快，控制模塊2會主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀報告主控4。模塊異常報警功能:控制模塊2檢測到其他工作異常，會主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀報告主控4。
[0043]本實(shí)用新型由于控制模塊2之間是不共地的，電平移位電路223將本級控制模塊2的信號的地抬高至下一級控制模塊2的地，而不用去改變信號本身的波形，電平移位電路223可以保證在默認(rèn)電平狀態(tài)下功耗最低。
[0044]本實(shí)用新型的最高壓側(cè)的控制模塊2的輸出最終是要返回給主控4的，但是由于最高壓側(cè)的控制模塊2與主控4之間的電平存在很大的壓差，所以采用光耦隔離的方法，在默認(rèn)電平狀態(tài)下，光耦是不導(dǎo)通的，因此功耗近乎為O。
【權(quán)利要求】
1.一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)，包括串聯(lián)供電裝置和主控，所述串聯(lián)供電裝置是由單個或多個供電設(shè)備組成的基本單元串聯(lián)組成，相鄰的兩個所述基本單元之間均連接有一個控制模塊，其特征在于:每個低壓側(cè)的所述控制模塊均與與其相鄰的高壓側(cè)的所述控制模塊是采用透傳和級聯(lián)切換的串聯(lián)模式的通訊連接，所述主控通過隔離裝置分別與最高壓側(cè)的所述控制模塊、最低壓側(cè)的所述控制模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)，其特征在于:低壓側(cè)的所述控制模塊通過其內(nèi)的通訊單元與高壓側(cè)的所述控制模塊通訊連接，所述通訊單元包括收發(fā)控制器、電平移位電路、多路選擇器，所述通訊單元的輸入端口分別與收發(fā)控制器、多路選擇器連接，所述收發(fā)控制器的輸出端與多路選擇器連接，所述多路選擇器的輸出端與電平移位電路連接，所述電平移位電路與所述通訊單元的輸出端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)，其特征在于:所述控制模塊還包括控制單元、均衡單元、電壓采樣單元、溫度采樣單元，所述控制單元用于協(xié)調(diào)控制所述控制模塊內(nèi)的所有單元，并在異常狀況時通過通訊模塊上報；所述均衡單元用于主動均衡相鄰基本單元的電壓并通過通訊單元控制均衡方式；所述電壓采樣單元用于對基本單元的電壓的采樣并通過通訊單元上報電壓數(shù)據(jù)；所述溫度采樣單元用于對基本單元的溫度的采樣并通過通訊單元上報溫度數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)，其特征在于:所述控制模塊的透傳和級聯(lián)切換是由控制單元控制的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種串聯(lián)供電裝置的基于控制模塊的串行通訊架構(gòu)，其特征在于:所述隔離裝置是一光耦。
【文檔編號】G06F13/40GK203480509SQ201320556282
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】顏曦, 黃必亮, 周遜偉 申請人:杭州協(xié)能科技有限公司