CN103500153A - 一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构 - Google Patents

Abstract

一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构，包括串联供电装置和主控，所述串联供电装置是由单个或多个供电设备组成的基本单元串联组成，相邻的两个所述基本单元之间均连接有一个控制模块，每个低压侧的所述控制模块均与与其相邻的高压侧的所述控制模块是采用透传和级联切换的串联模式的通讯连接，所述主控通过隔离装置分别与最高压侧的所述控制模块、最低压侧的所述控制模块连接。本发明的有益效果：成本很低，无需复杂的控制单元；可以大大降低供电装置内部引线的复杂度；结构非常简单。

Description

一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构

技术领域

本发明涉及一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构。

背景技术

随着新能源技术的发展，采用多个能量单体串联来提供能源的供电装置越来越普遍，典型的实例包括锂电池多级串联、光伏面板多级串联等供电装置。而为了从安全可靠以及能源高效利用的角度考虑，此类串联供电装置往往都需要并联一个管理系统，原理框图如图1所示。以典型的电池管理系统为例，目前普遍采用LTC6802作为管理系统模拟前端，串联电池的相邻连接点需要引线到LTC6802，由后者对电池电压以及温度数据实现进行实时采集，以了解单体电池以及整个供电装置的工作状况。

此类架构主要包含以下几个缺点：

1.电压采样引线复杂，每个电池抽头都要引线到主控板。

2.功能简单，往往只能完成基本的信号采样功能。

3.异常处理能力弱，出现电压、温度等异常，需要主控去轮询，无法主动上报。

4.增加主动均衡功能的代价较大，主要表现在以下几点：

a.主动均衡需要独立引线到均衡板；

b.对主动均衡的控制目前普遍采用CAN接口，但是相对复杂，实现成本较高；

c.由于均衡模块之间是不共地的，所有控制模块的CAN接口都要增加隔离芯片，势必会增加引线的复杂性、整个电池系统的体积以及整体成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、安全可靠、结构简单的串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构。

为达到发明目的本发明采用的技术方案是：

一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构，包括串联供电装置和主控，所述串联供电装置是由单个或多个供电设备组成的基本单元串联组成，相邻的两个所述基本单元之间均连接有一个控制模块，其特征在于：每个低压侧的所述控制模块均与与其相邻的高压侧的所述控制模块是采用透传和级联切换的串联模式的通讯连接，所述主控通过隔离装置分别与最高压侧的所述控制模块、最低压侧的所述控制模块连接。

进一步，低压侧的所述控制模块通过其内的通讯单元与高压侧的所述控制模块通讯连接，所述通讯单元包括收发控制器、电平移位电路、多路选择器，所述通讯单元的输入端口分别与收发控制器、多路选择器连接，所述收发控制器的输出端与多路选择器连接，所述多路选择器的输出端与电平移位电路连接，所述电平移位电路与所述通讯单元的输出端口。

进一步，所述控制模块还包括控制单元、均衡单元、电压采样单元、温度采样单元，所述控制单元用于协调控制所述控制模块内的所有单元，并在异常状况时通过通讯模块上报；所述均衡单元用于主动均衡相邻基本单元的电压并通过通讯单元控制均衡方式；所述电压采样单元用于对基本单元的电压的采样并通过通讯单元上报电压数据；所述温度采样单元用于对基本单元的温度的采样并通过通讯单元上报温度数据。

进一步，所述控制模块的透传和级联切换是由控制单元控制的。

进一步，所述隔离装置是一光耦。

本发明的技术构思是在相邻的基本单元之间连接一控制模块，实现对基本单元的电压温度的采样、相邻基本单元之间的主动均衡、异常探测报警的功能；通过在相邻的控制模块之间增加级联通讯，允许低压侧的控制模块向高压侧的控制模块发送消息，并最终通过光耦返回到主控，从而以最简单的方式实现通讯。本发明的控制模块之间的通讯采用数据帧结构，一个完整的数据帧包括1bit起始位、若干bit数据位、1bit停止位；数据部分包含地址段、命令段、数据段和校验段。所有控制模块以及主控上电后采用默认的波特率，同时在通讯的过程中会根据主控的数据帧进行动态调整，以补偿温度引起的频率差异，主控也可以发送相关的命令修改通信波特率。对于每个控制模块来说，通讯模式分为透传和级联两种：通讯单元的输入端口直接与多路选择器连接，控制模块的数据输入直接输出给下一级的控制模块，实现透传模式，采用这种模式可以实现总线上所有控制模块的零延时接收，但这种模式不允许模块发送数据帧；通讯单元的输入端口先与收发控制器连接，再与多路选择器连接，下一级控制模块的输入由本级控制模块收发控制器的输出驱动，实现级联模式，这种模式下控制模块可收可发，但会导致一定的传输延时。本发明的通讯方式既可以实现普通的串联通讯，又可以规避串联通讯带来的延时。

本发明在一般情况下，一次交互由主控发起，主控发送一帧数据给到指定控制模块（单播）或者所有控制模块（广播），广播信息不需要回复，单播信息需要指定控制模块返回应答信号给主控。当然，控制模块也可以主动发送信息给主控，比如报警信息。所有信息的发送都是基于数据帧结构。串行架构中，所有控制模块都有唯一的地址，地址分配工作在系统重启后进行，系统重启后控制模块默认处于透传模式，主控发送特殊的命令帧让所有控制模块进入级联模式，然后主机发送数据帧携带地址0信息给第一个控制模块，每个控制模块收到数据帧后都提取地址信息作为本控制模块地址，然后加1发送给下一个控制模块，最后主控收到的地址信息应该等于控制模块总数，无误后主控再发送特殊的命令帧让所有控制模块返回透传模式，地址分配过程完成。

本发明还具有错误保护功能：数据帧结构中包含校验字段，如果接收到校验出错的数据帧，控制模块自动将帧丢弃，并不做任何响应。超时保护功能：在单播交互下，主控要收到目标控制模块的应答后方认为操作成功，主控设有超时机制，如果规定时间内未收到应答，则认为当前操作失败。冲突保护功能：冲突指的是串行总线上有多个控制模块或者主控试图在同一时间发送数据，由于控制模块只允许在级联模式下发送数据，但是控制模块在发送数据的同时仍能接收数据，因此发送过程中接收到的数据会保存在本地缓存中，待数据发送完毕后再将缓存中的数据发送。同时这里要求缓存数据优先发送，这样不会导致缓存溢出的情形。死机重启功能：数据线默认是高电平，主控将数据线拉低持续一定长度的时间，可以将总线上的所有控制模块冷复位重启。通信断线报警功能：如果相邻控制模块之间的通信线断开，下一级控制模块在预定的时间内没有收到任何信息，它会主动发送数据帧报告给主控其与前级控制模块断开。采样断线报警功能：控制模块连接到基本单元的采样线断开，控制模块能自动检测到该状况并主动发送数据帧报告主控。温度异常报警功能：控制模块检测到基本单元的温度异常或者温度变化过快，控制模块会主动发送数据帧报告主控。模块异常报警功能：控制模块检测到其他工作异常，会主动发送数据帧报告主控。

本发明由于控制模块之间是不共地的，电平移位电路将本级控制模块的信号的地抬高至下一级控制模块的地，而不用去改变信号本身的波形，电平移位电路可以保证在默认电平状态下功耗最低。

本发明的最高压侧的控制模块的输出最终是要返回给主控的，但是由于最高压侧的控制模块与主控之间的电平存在很大的压差，所以采用光耦隔离的方法，在默认电平状态下，光耦是不导通的，因此功耗近乎为0。

本发明的有益效果：

1. 在保证高可靠性的前提下，可以实现数据的快速上报以及控制信息的及时传达；

2. 电压、温度采集、主动均衡采样可采用基于SOC的控制模块实现，均衡、电压采样线可以共用，而且控制模块一般贴近电池单元放置，从而大大降低引线的复杂度；

3. 通讯连接极为简单，每个模块直接与相邻模块连接，相对于CAN接口的复杂性，既不需要隔离器件，也无需实现复杂的接口协议；电池管理系统主控的接口也非常简单，而且与电池数目的连接无关；因此能有效降低电池系统的复杂度、体积以及成本；

4. 扩展性强，可任意增加连接的电池数目；

5. 异常处理及时，控制模块发现异常能主动上报；

6. 主控对控制模块的均衡方式管理简单方便，从而能为实现高效的能源管理算法提供很好的平台。

附图说明

图1是串联供电装置与管理系统的传统的连接示意图。

图2是本发明的原理框图。

图3是本发明的控制模块的原理框图。

图4是本发明的通讯单元的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参照图2-4，一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构，包括串联供电装置1和主控4，所述串联供电装置1是由单个或多个供电设备组成的基本单元串联组成，相邻的两个所述基本单元之间均连接有一个控制模块2，每个低压侧的所述控制模块2均与与其相邻的高压侧的所述控制模块2是采用透传和级联切换的串联模式的通讯连接，所述主控4通过隔离装置3分别与最高压侧的所述控制模块2、最低压侧的所述控制模块2连接。

低压侧的所述控制模块2通过其内的通讯单元22与高压侧的所述控制模块2通讯连接，所述通讯单元22包括收发控制器221、电平移位电路223、多路选择器222，所述通讯单元22的输入端口分别与收发控制器221、多路选择器222连接，所述收发控制器221的输出端与多路选择器222连接，所述多路选择器222的输出端与电平移位电路223连接，所述电平移位电路223与所述通讯单元22的输出端口。

所述控制模块2还包括控制单元21，所述控制单元21上连接有均衡单元23、电压采样单元24、温度采样单元25，所述控制单元21用于协调控制所述控制模块2内的所有单元，并在异常状况时通过通讯模块上报；所述均衡单元23用于主动均衡相邻基本单元的电压并通过通讯单元22控制均衡方式；所述电压采样单元24用于对基本单元的电压的采样并通过通讯单元22上报电压数据；所述温度采样单元25用于对基本单元的温度的采样并通过通讯单元22上报温度数据。

所述控制模块2的透传和级联切换是由控制单元21控制的。

所述隔离装置3是一光耦。

本发明的技术构思是在相邻的基本单元之间连接一控制模块2，实现对基本单元的电压温度的采样、相邻基本单元之间的主动均衡、异常探测报警的功能；通过在相邻的控制模块2之间增加级联通讯，允许低压侧的控制模块2向高压侧的控制模块2发送消息，并最终通过光耦返回到主控4，从而以最简单的方式实现通讯。本发明的控制模块2之间的通讯采用数据帧结构，一个完整的数据帧包括1bit起始位、若干bit数据位、1bit停止位；数据部分包含地址段、命令段、数据段和校验段。所有控制模块2以及主控4上电后采用默认的波特率，同时在通讯的过程中会根据主控4的数据帧进行动态调整，以补偿温度引起的频率差异，主控4也可以发送相关的命令修改通信波特率。对于每个控制模块2来说，通讯模式分为透传和级联两种：通讯单元22的输入端口直接与多路选择器222连接，控制模块2的数据输入直接输出给下一级的控制模块2，实现透传模式，采用这种模式可以实现总线上所有控制模块2的零延时接收，但这种模式不允许模块发送数据帧；通讯单元22的输入端口先与收发控制器221连接，再与多路选择器222连接，下一级控制模块2的输入由本级控制模块2收发控制器221的输出驱动，实现级联模式，这种模式下控制模块2可收可发，但会导致一定的传输延时。本发明的通讯方式既可以实现普通的串联通讯，又可以规避串联通讯带来的延时。

本发明在一般情况下，一次交互由主控4发起，主控4发送一帧数据给到指定控制模块2（单播）或者所有控制模块2（广播），广播信息不需要回复，单播信息需要指定控制模块2返回应答信号给主控4。当然，控制模块2也可以主动发送信息给主控4，比如报警信息。所有信息的发送都是基于数据帧结构。串行架构中，所有控制模块2都有唯一的地址，地址分配工作在系统重启后进行，系统重启后控制模块2默认处于透传模式，主控4发送特殊的命令帧让所有控制模块2进入级联模式，然后主机4发送数据帧携带地址0信息给第一个控制模块2，每个控制模块2收到数据帧后都提取地址信息作为本控制模块2地址，然后加1发送给下一个控制模块2，最后主控4收到的地址信息应该等于控制模块2总数，无误后主控4再发送特殊的命令帧让所有控制模块2返回透传模式，地址分配过程完成。

本发明还具有错误保护功能：数据帧结构中包含校验字段，如果接收到校验出错的数据帧，控制模块2自动将帧丢弃，并不做任何响应。超时保护功能：在单播交互下，主控4要收到目标控制模块2的应答后方认为操作成功，主控4设有超时机制，如果规定时间内未收到应答，则认为当前操作失败。冲突保护功能：冲突指的是串行总线上有多个控制模块2或者主控4试图在同一时间发送数据，由于控制模块2只允许在级联模式下发送数据，但是控制模块2在发送数据的同时仍能接收数据，因此发送过程中接收到的数据会保存在本地缓存中，待数据发送完毕后再将缓存中的数据发送。同时这里要求缓存数据优先发送，这样不会导致缓存溢出的情形。死机重启功能：数据线默认是高电平，主控4将数据线拉低持续一定长度的时间，可以将总线上的所有控制模块2冷复位重启。通信断线报警功能：如果相邻控制模块2之间的通信线断开，下一级控制模块2在预定的时间内没有收到任何信息，它会主动发送数据帧报告给主控4其与前级控制模块2断开。采样断线报警功能：控制模块2连接到基本单元的采样线断开，控制模块2能自动检测到该状况并主动发送数据帧报告主控4。温度异常报警功能：控制模块2检测到基本单元的温度异常或者温度变化过快，控制模块2会主动发送数据帧报告主控4。模块异常报警功能：控制模块2检测到其他工作异常，会主动发送数据帧报告主控4。

本发明由于控制模块2之间是不共地的，电平移位电路223将本级控制模块2的信号的地抬高至下一级控制模块2的地，而不用去改变信号本身的波形，电平移位电路223可以保证在默认电平状态下功耗最低。

本发明的最高压侧的控制模块2的输出最终是要返回给主控4的，但是由于最高压侧的控制模块2与主控4之间的电平存在很大的压差，所以采用光耦隔离的方法，在默认电平状态下，光耦是不导通的，因此功耗近乎为0。

Claims (5)

1.一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构，包括串联供电装置和主控，所述串联供电装置是由单个或多个供电设备组成的基本单元串联组成，相邻的两个所述基本单元之间均连接有一个控制模块，其特征在于：每个低压侧的所述控制模块均与与其相邻的高压侧的所述控制模块是采用透传和级联切换的串联模式的通讯连接，所述主控通过隔离装置分别与最高压侧的所述控制模块、最低压侧的所述控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构，其特征在于：低压侧的所述控制模块通过其内的通讯单元与高压侧的所述控制模块通讯连接，所述通讯单元包括收发控制器、电平移位电路、多路选择器，所述通讯单元的输入端口分别与收发控制器、多路选择器连接，所述收发控制器的输出端与多路选择器连接，所述多路选择器的输出端与电平移位电路连接，所述电平移位电路与所述通讯单元的输出端口。

3.根据权利要求1或2所述的一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构，其特征在于：所述控制模块还包括控制单元、均衡单元、电压采样单元、温度采样单元，所述控制单元用于协调控制所述控制模块内的所有单元，并在异常状况时通过通讯模块上报；所述均衡单元用于主动均衡相邻基本单元的电压并通过通讯单元控制均衡方式；所述电压采样单元用于对基本单元的电压的采样并通过通讯单元上报电压数据；所述温度采样单元用于对基本单元的温度的采样并通过通讯单元上报温度数据。

4.根据权利要求3所述的一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构，其特征在于：所述控制模块的透传和级联切换是由控制单元控制的。

5.根据权利要求4所述的一种串联供电装置的基于控制模块的串行通讯架构，其特征在于：所述隔离装置是一光耦。

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