CN107302115A - 电池组监控装置及其监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组监控装置，包括一个主控模块和若干个监控模块，监控模块监控电池组工作信息和发出报警信号并上传主控模块；主控模块获取上传的电池组工作信息和报警信号并报警；主控模块与监控模块通过通信线依次串联通信，最后一个监控模块的空闲通信接口短接，监控模块报警信号直接上传主控模块，后级监控模块的地线连接前一级监控模块所监控电池组的正极。本发明还公开了所述电池组监控装置的监控方法，包括主控模块和监控模块约定通信协议；主控模块监测监控模块上传的报警信号并适时报警；主控模块下发数据上传指令给监控模块；监控模块从后级往前级逐级将监控数据上传给主控模块。本发明接线少、扩展方便、故障信号传递速度极快。

Description

电池组监控装置及其监控方法

技术领域

本发明具体涉及一种电池组监控装置及其监控方法。

背景技术

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电池也已经在人们的生产和生活中发挥了巨大的作用，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

目前，广泛使用的电池包括锂电池，铅酸蓄电池等。这类电池由于其成本合适，充放电时间相对较长，性能较为稳定，已经成为了现在市场上的主流电池产品。但是，该类电池的工作环境要求相对严格，一般要求不能够过充、过放、温度过高等。因此，为了保证锂电池，铅酸蓄电池等的性能和安全，目前常用电池监控装置对正在工作的电池进行检测，从而防止如过充、过放或温度过高的异常情况的出现。

目前，电池在使用时往往以电池组的形式出现。电池组是对电池进行串联和并联连接，从而不仅能够提高电池组输出的端电压，而且还能够有效的提高电池组的带载能力。因此，现有的电池监控模块往往也是多组同时运行，以多个电池监控模块同时对电池组内的电池进行监测，从而保证整个电池组的性能稳定安全。

正因如此，多个电池监控模块之间就存在着相互的通信问题。现有的电池组监控模块在组成电池监控网络时，其一般采用如下的两种组网模式：

1.星型组网或总线型组网

星型组网时，由于所有的监控模块的控制信号汇聚于一点，集中式的汇聚至主控模块(总线式组网则是汇聚至总线)，因此，极易导致汇聚点处的控制信号电压差较高，假设每个电池组单元总输出电压为V，电池组由N个电池组单元，则汇聚点电压差可达n*V，这对器件的耐压值要求非常高。此外，星型组网还存在连线过长的缺点。

2.环型组网

环状组网是各个监控模块与主控模块串行连接，构成一个环。这样的问题是控制信号传递需要经过多个监控模块转送，信号传递时延较大，假设传递字节数为Xbit，传输速率为S bit/S，监控模块与主控模块之间由m个电池组单元，则传输时间为m*X/S。

环型组网下，相邻的两个监控模块之间控制信号电压差已经降低到2*V，但是第一个监控模块和最后一个监控模块均需要与主控模块连接，这样主控模块上控制信号电压差会达到N*V，使得主控模块的压差很大。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种接线少、扩展方便、通信协议简单、故障信号传递速度极快的电池组监控装置。

本发明的目的之二在于提供一种所述电池组监控装置的监控方法。

本发明提供的这种电池组监控装置，包括一个主控模块和N个监控模块，N为自然数；监控模块与电池组连接，获取电池组的工作信息并上传主控模块，以及在电池组工作异常时发出报警信号；主控模块用于获取监控模块上传的电池组工作信息和报警信号，并在获取报警信号后报警；主控模块与监控模块通过通信线依次串联并通信，最后一个监控模块的空闲通信接口直接短接，各个监控模块输出的报警信号直接上传到主控模块；第i监控模块的地线连接在第i-1监控模块所监控的电池组的正极输出端，所述i为自然数且1≤i≤N，且定义第0监控模块为主控模块，主控模块的地线单独布置。

所述的电池组监控装置还包括电平转换模块；电平转换模块连接在主控模块与监控模块之间以及监控模块与监控模块之间，用于实现前级信号和后级信号之间的隔离。

所述的电平转换模块为高速光耦模块，高速光耦模块连接在监控模块的通信线中的信号接收线上，用于确保不同电压水平的监控模块之间的通信信号能够可靠的传递。

所述的电平转换模块为三极管电平转换电路；三极管电平转换电路连接在监控模块的通信线中的信号接收线上，用于确保不同电压水平的监控模块之间的通信信号能够可靠的传递。

所述的主控模块具有至少一路通信接口，监控模块具有至少两路与主控模块相对应的通信接口且分别为上行通信接口和下行通信接口；主控模块的通信接口与第1监控模块的上行通信接口连接，第1监控模块的下行通信接口与第2监控模块的上行通信接口连接，……，第i-1监控模块的下行通信接口与第i监控模块的上行通信接口连接，第i监控模块的下行通信接口与第i+1监控模块的上行通信接口连接，……，第N-1监控模块的下行通信接口与第N监控模块的上行通信接口连接，第N监控模块的下行通信接口则直接短接；i为自然数，且3≤i≤N-2。

所述的各个监控模块输出的报警信号直接上传到主控模块，具体为各个监控模块输出的报警信号直接与主控模块的I/O引脚连接并上传报警信号。

所述的各个监控模块输出的报警信号直接上传到主控模块，具体为根据如下规则上传至主控模块：

若各个监控模块输出的报警信号均为低电平有效信号，则第N监控输出的报警信号与第N-1监控模块输出的报警信号通过与门转换为一路报警信号后，该转换后的一路报警信号再于第N-2监控模块输出的报警信号通过与门再次转换为一路报警信号，以此类推，直至转换后的一路报警信号与第1监控模块输出的报警信号通过与门转换为一路报警信号后直接连接到主控模块的I/O引脚；

若各个监控模块输出的报警信号均为高电平有效信号，则第N监控输出的报警信号与第N-1监控模块输出的报警信号通过或门转换为一路报警信号后，该转换后的一路报警信号再于第N-2监控模块输出的报警信号通过或门再次转换为一路报警信号，以此类推，直至转换后的一路报警信号与第1监控模块输出的报警信号通过或门转换为一路报警信号后直接连接到主控模块的I/O引脚。

本发明还公开了所述电池组监控装置的监控方法，包括如下步骤：

S1.主控模块和监控模块事先约定通信协议；

S2.主控模块实时监测监控模块上传的报警信号：若报警信号为有效信号，则主控模块立即报警；

S3.若主控模块需要各监控模块上传监控数据，则主控模块按照事先约定的通信协议下发数据上传指令给监控模块；

S4.监控模块接收到数据上传指令后，从后级往前级逐级将监控数据上传给主控模块，从而完成电池组的监控。

步骤S1所述的通信协议中包含跳数字段，所述跳数字段的改变规则为：若第i监控模块接收并转发的是第i-1监控模块转发的主控模块的命令，则跳数字段加1；所述i为自然数，且规定第0监控模块为主控模块。

步骤S3所述的主控模块按照事先约定的通信协议下发数据上传指令给监控模块，具体为采用如下步骤下发数据上传指令：

A.控制模块下发数据上传指令给第1监控模块，并赋予跳数字段固定的初始值；

B.第1监控模块接收到数据上传指令后，将跳数字段数值加1，准备好需要上传的数据，并将数据上传指令转发给第2监控模块；

C.第2～第N-1监控模块均重复步骤B的操作，直至第N-1监控模块将数据上传指令转发给第N监控模块；

D.第N监控模块接收数据上传指令后，准备好需要上传的数据，并将数据上传指令从下行通信接口发出；

E.第N监控模块的下行通信接口接收到自身转发的数据上传指令后，即可判定自身为最后一个监控模块，并根据跳数字段的最终值和初始值判断出监控模块的数目。

步骤S4所述的监控模块从后级往前级逐级将监控数据上传给主控模块，具体为采用如下步骤将监控数据上传给主控模块：

a.第N监控模块根据判断出的监控模块的总个数，依据事先约定好的通信协议将总数据信息上传给第N-1监控模块；所述总数据信息包括监控模块的总个数信息和第N监控模块需要上传的监控数据信息及相应的标号；

b.第N-1监控模块接收到第N监控模块上传的总数据信息后，将自身需要上传的监控数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上并转发给第N-2监控模块；

c.第N-2～第2监控模块重复步骤b的操作，将各自需要上传的监控数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上，直至该总数据信息上传至第1监控模块；

d.第1监控模块接收到第2监控模块上传的总数据信息后，将自身需要上传的数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上并上传给主控模块；

e.主控模块根据接收到第1监控模块上传的总数据信息中监控模块的总个数信息，即可获知监控模块的总个数信息，并依据该监控模块的总个数信息解析出第1～第N监控模块上传的各自的监控信息及相应的标号。

本发明提供的这种电池组监控装置及其监控方法，将主控模块与监控模块采用两路通信线串联在一起，因此接线少且短，抗干扰能力强；串联的监控模块，信号线的电压差小，不易出故障；最后一个监控模块采用环回式连接，在扩展监控模块时，不涉及其他模块的连线和主控模块连线的改动，扩容缩容操作简单；环回式连接使主控模块可以自动识别监控模块数量，无须额外进行软件或硬件的设置操作；故障信号直接传递至主控模块，因此信号传递快，发生故障后主控模块可以立即响应。

附图说明

图1为本发明的电池组监控装置的功能模块图。

图2为本发明的监控方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的电池组监控装置的功能模块图：本发明提供的这种电池组监控装置，包括一个主控模块和N个监控模块，N为自然数；监控模块与电池组连接，获取电池组的工作信息并上传主控模块，以及在电池组工作异常时发出报警信号；主控模块用于获取监控模块上传的电池组工作信息和报警信号，并在获取报警信号后报警；主控模块与监控模块通过通信线依次串联并通信，最后一个监控模块的空闲通信接口直接短接，各个监控模块输出的报警信号直接上传到主控模块；第i监控模块的地线连接在第i-1监控模块所监控的电池组的正极输出端，所述i为自然数且1≤i≤N，且定义第0监控模块为主控模块，主控模块的地线单独布置。电池组监控装置还包括电平转换模块；电平转换模块连接在主控模块与监控模块之间以及监控模块与监控模块之间，用于实现前级信号和后级信号之间的隔离；电平转换模块可以采用光耦模块或者三极管电平转换电路；在具体实施时，光耦模块或三极管电平转换电路连接在监控模块的信号线中的信号接收线上，应用光耦模块时，数据传输速率非常高但是其成本同样也相对较高，而采用三极管电平转换电路时，数据传输速率相对较低但是成本较为低廉。

主控模块具有至少一路通信接口，监控模块具有至少两路与主控模块相对应的通信接口且分别为上行通信接口和下行通信接口；主控模块的通信接口与第1监控模块的上行通信接口连接，第1监控模块的下行通信接口与第2监控模块的上行通信接口连接，……，第i-1监控模块的下行通信接口与第i监控模块的上行通信接口连接，第i监控模块的下行通信接口与第i+1监控模块的上行通信接口连接，……，第N-1监控模块的下行通信接口与第N监控模块的上行通信接口连接，第N监控模块的下行通信接口则直接短接；i为自然数，且3≤i≤N-2。各个监控模块输出的报警信号直接上传到主控模块，具体为各个监控模块输出的报警信号直接与主控模块的I/O引脚连接并上传报警信号，或者根据各个监控模块上传的报警信号的有效电平信号，选择相应的与门或或门转换为一路报警信号再上传至主控模块：若各个监控模块输出的报警信号均为低电平有效信号，则第N监控输出的报警信号与第N-1监控模块输出的报警信号通过与门转换为一路报警信号后，该转换后的一路报警信号再于第N-2监控模块输出的报警信号通过与门再次转换为一路报警信号，以此类推，直至转换后的一路报警信号与第1监控模块输出的报警信号通过与门转换为一路报警信号后直接连接到主控模块的I/O引脚；

若各个监控模块输出的报警信号均为高电平有效信号，则第N监控输出的报警信号与第N-1监控模块输出的报警信号通过或门转换为一路报警信号后，该转换后的一路报警信号再于第N-2监控模块输出的报警信号通过或门再次转换为一路报警信号，以此类推，直至转换后的一路报警信号与第1监控模块输出的报警信号通过或门转换为一路报警信号后直接连接到主控模块的I/O引脚。

此时，后一级监控模块输出的转换为一路的报警信号还可以通过高速光耦模块进行电平转换和隔离后再连接到本级的与门或者或门的输入端，与本级监控模块输出的报警信号通过与门或者或门再转换为一路报警信号，并向前级输送，直至到主控模块。

如图2所示为本发明的监控方法的流程图：本发明公开的所述电池组监控装置的监控方法，包括如下步骤：

S1.主控模块和监控模块事先约定通信协议，通信协议中包含跳数字段，所述跳数字段的改变规则为：若第i监控模块接收并转发的是第i-1监控模块转发的主控模块的命令，则跳数字段加1；所述i为自然数，且规定第0监控模块为主控模块；

S2.主控模块实时监测监控模块上传的报警信号：若报警信号为有效信号，则主控模块立即报警；

S3.若主控模块需要各监控模块上传监控数据，则主控模块按照事先约定的通信协议下发数据上传指令给监控模块；具体为采用如下步骤下发数据上传指令：

A.控制模块下发数据上传指令给第1监控模块，并赋予跳数字段固定的初始值；

B.第1监控模块接收到数据上传指令后，将跳数字段数值加1，准备好需要上传的数据，并将数据上传指令转发给第2监控模块；

C.第2～第N-1监控模块均重复步骤B的操作，直至第N-1监控模块将数据上传指令转发给第N监控模块；

D.第N监控模块接收数据上传指令后，准备好需要上传的数据，并将数据上传指令从下行通信接口发出；

E.第N监控模块的下行通信接口接收到自身转发的数据上传指令后，即可判定自身为最后一个监控模块，并根据跳数字段的最终值和初始值判断出监控模块的数目；

S4.监控模块接收到数据上传指令后，从后级往前级逐级将监控数据上传给主控模块，从而完成电池组的监控；具体为采用如下步骤将监控数据上传给主控模块：

a.第N监控模块根据判断出的监控模块的总个数，依据事先约定好的通信协议将总数据信息上传给第N-1监控模块；所述总数据信息包括监控模块的总个数信息和第N监控模块需要上传的监控数据信息及相应的标号；

b.第N-1监控模块接收到第N监控模块上传的总数据信息后，将自身需要上传的监控数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上并转发给第N-2监控模块；

c.第N-2～第2监控模块重复步骤b的操作，将各自需要上传的监控数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上，直至该总数据信息上传至第1监控模块；

d.第1监控模块接收到第2监控模块上传的总数据信息后，将自身需要上传的数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上并上传给主控模块；

e.主控模块根据接收到第1监控模块上传的总数据信息中监控模块的总个数信息，即可获知监控模块的总个数信息，并依据该监控模块的总个数信息解析出第1～第N监控模块上传的各自的监控信息及相应的标号。

以下举一个简单的实施例对本发明的通信过程进行说明：

假定：主控模块下发的控制报文，包括1位起始位，8位数据位，1位奇偶校验位和1位停止位；其中的8位数据位可以分割为两部分，即命令字部分和跳数字段部分；命令字部分为主控模块和监控模块事先确定好的字段，比如001为上报当前电压，010为上报当前温度等，而跳数字段则由主控模块给定一个初始值即可，比如给定00000。该部分即为主控模块下发给控制报文给监控模块。

当主控模块发送一帧控制报文，其数据位部分为00100000，即要求各监控模块上班当前电压值，且跳数字段的初始值为00000；则当第一监控模块接收到主控模块下发的控制报文后，则读取数据位部分，发现主控模块需要上报当前电压值，则将当前电压值保存，同时将跳数字段加1变为00001后，通过下行通行接口发出；此时第2监控模块收到的控制报文应该为00100001；以此类推，直至最后一个监控模块(假定为第3监控模块)收到控制报文，此时第3监控模块收到的报文应为00100010；此时第3监控模块将当前电压值保存，同时将跳数加1后变为00011，再通过下行通信接口发送；但是，由于第3监控模块的下行通信接口短接在一起，因此第3监控模块从下行通信接口再次收到了自己发送的控制报文00100011，此时第3监控模块判定自身为串联通信中的最后一组监控模块，因此第3监控模块将自身保存的当前电压值数据、自身的标号信息和最终的跳数字段一起通过上行通信接口发送给第2监控模块，比如发送的数据报文为00011000110000000000000000000，其中第一段5位的00011为第3监控模块判定的所有监控模块的数目，即3个，第二段8位的00011000，其中前5位00011为第3监控模块的标号信息，其中后3位000为第3监控模块上报的当前电压信息，剩下的第三段8位和第四段8位信息则均为0或者其他值，其为等待第2监控模块和第1监控模块填写；同样的，第2监控模块从下行通信接口收到第3监控模块发送的00011000110000000000000000000报文后，将自身的标号信息00010和当前电压信息011填写进入相应的字段，形成报文00011000110000001001100000000发送给第1监控模块；第1监控模块将自身的标号00001和当前电压信息111填写进入相应的字段，形成报文00011000110000001001100001111，并上传给主控模块；主控模块接收到报文后，根据第一段5位的00011即可判断出当前共有3个监控模块，然后根据后续字段的规则即可获取所有监控模块的标号信息和当前电压信息。

Claims (10)

1.一种电池组监控装置，包括一个主控模块和N个监控模块，N为自然数，其特征在于监控模块与电池组连接，获取电池组的工作信息并上传主控模块，以及在电池组工作异常时发出报警信号；主控模块用于获取监控模块上传的电池组工作信息和报警信号，并在获取报警信号后报警；主控模块与监控模块通过通信线依次串联并通信，最后一个监控模块的空闲通信接口直接短接，各个监控模块输出的报警信号直接上传到主控模块，第i监控模块的地线连接在第i-1监控模块所监控的电池组的正极输出端，所述i为自然数且1≤i≤N，且定义第0监控模块为主控模块，主控模块的地线单独布置。

2.根据权利要求1所述的电池组监控装置，其特征在于还包括电平转换模块；电平转换模块连接在主控模块与监控模块之间以及监控模块与监控模块之间，用于实现前级信号和后级信号之间的隔离。

3.根据权利要求2所述的电池组监控装置，其特征在于所述的电平转换模块为高速光耦模块，高速光耦模块连接在监控模块的通信线中的信号接收线上，用于确保不同电压水平的监控模块之间的通信信号能够可靠的传递。

4.根据权利要求2所述的电池组监控装置，其特征在于所述的电平转换模块为三极管电平转换电路；三极管电平转换电路连接在监控模块的通信线中的信号接收线上，用于确保不同电压水平的监控模块之间的通信信号能够可靠的传递。

5.根据权利要求1～4之一所述的电池组监控装置，其特征在于所述的主控模块具有至少一路通信接口，监控模块具有至少两路与主控模块相对应的通信接口且分别为上行通信接口和下行通信接口；主控模块的通信接口与第1监控模块的上行通信接口连接，第1监控模块的下行通信接口与第2监控模块的上行通信接口连接，……，第i-1监控模块的下行通信接口与第i监控模块的上行通信接口连接，第i监控模块的下行通信接口与第i+1监控模块的上行通信接口连接，……，第N-1监控模块的下行通信接口与第N监控模块的上行通信接口连接，第N监控模块的下行通信接口则直接短接；i为自然数，且3≤i≤N-2。

6.根据权利要求1～4之一所述的电池组监控装置，其特征在于所述的各个监控模块输出的报警信号直接上传到主控模块，具体为根据如下规则上传至主控模块：

若各个监控模块输出的报警信号均为低电平有效信号，则第N监控输出的报警信号与第N-1监控模块输出的报警信号通过与门转换为一路报警信号后，该转换后的一路报警信号再于第N-2监控模块输出的报警信号通过与门再次转换为一路报警信号，以此类推，直至转换后的一路报警信号与第1监控模块输出的报警信号通过与门转换为一路报警信号后直接连接到主控模块的I/O引脚；

若各个监控模块输出的报警信号均为高电平有效信号，则第N监控输出的报警信号与第N-1监控模块输出的报警信号通过或门转换为一路报警信号后，该转换后的一路报警信号再于第N-2监控模块输出的报警信号通过或门再次转换为一路报警信号，以此类推，直至转换后的一路报警信号与第1监控模块输出的报警信号通过或门转换为一路报警信号后直接连接到主控模块的I/O引脚。

7.一种权利要求1～6之一所述电池组监控装置的监控方法，包括如下步骤：

S1.主控模块和监控模块事先约定通信协议；

S2.主控模块实时监测监控模块上传的报警信号：若报警信号为有效信号，则主控模块立即报警；

S3.若主控模块需要各监控模块上传监控数据，则主控模块按照事先约定的通信协议下发数据上传指令给监控模块；

S4.监控模块接收到数据上传指令后，从后级往前级逐级将监控数据上传给主控模块，从而完成电池组的监控。

8.根据权利要求7所述的监控方法，其特征在于步骤S1所述的通信协议中包含跳数字段，所述跳数字段的改变规则为：若第i监控模块接收并转发的是第i-1监控模块转发的主控模块的命令，则跳数字段加1；所述i为自然数，且规定第0监控模块为主控模块。

9.根据权利要求8所述的监控方法，其特征在于步骤S3所述的主控模块按照事先约定的通信协议下发数据上传指令给监控模块，具体为采用如下步骤下发数据上传指令：

A.控制模块下发数据上传指令给第1监控模块，并赋予跳数字段固定的初始值；

B.第1监控模块接收到数据上传指令后，将跳数字段数值加1，准备好需要上传的数据，并将数据上传指令转发给第2监控模块；

C.第2～第N-1监控模块均重复步骤B的操作，直至第N-1监控模块将数据上传指令转发给第N监控模块；

D.第N监控模块接收数据上传指令后，准备好需要上传的数据，并将数据上传指令从下行通信接口发出；

E.第N监控模块的下行通信接口接收到自身转发的数据上传指令后，即可判定自身为最后一个监控模块，并根据跳数字段的最终值和初始值判断出监控模块的数目。

10.根据权利要求9所述的监控方法，其特征在于步骤S4所述的监控模块从后级往前级逐级将监控数据上传给主控模块，具体为采用如下步骤将监控数据上传给主控模块：

a.第N监控模块根据判断出的监控模块的总个数，依据事先约定好的通信协议将总数据信息上传给第N-1监控模块；所述总数据信息包括监控模块的总个数信息和第N监控模块需要上传的监控数据信息及相应的标号；

b.第N-1监控模块接收到第N监控模块上传的总数据信息后，将自身需要上传的监控数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上并转发给第N-2监控模块；

c.第N-2～第2监控模块重复步骤b的操作，将各自需要上传的监控数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上，直至该总数据信息上传至第1监控模块；

d.第1监控模块接收到第2监控模块上传的总数据信息后，将自身需要上传的数据信息及相应的标号叠加在总数据信息上并上传给主控模块；

e.主控模块根据接收到第1监控模块上传的总数据信息中监控模块的总个数信息，即可获知监控模块的总个数信息，并依据该监控模块的总个数信息解析出第1～第N监控模块上传的各自的监控信息及相应的标号。