CN113525172A - 锂电池集成式保护板、动力电池包及电动车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂电池集成式保护板，用于连接锂电池，所述锂电池集成式保护板上设置有电源模块、控制模块及天线模块，所述电源模块及天线模块连接所述控制模块；所述锂电池的电压经所述电源模块转换后为所述控制模块供电，所述控制模块用于获取所述锂电池的电池信息及定位信息，所述控制模块还用于将所述电池信息及定位信息通过所述天线模块发送至云端服务器。本发明还提供一种动力电池包及电动车辆。本发明提供的锂电池集成式保护板、动力电池包及电动车辆，无需另外连接网联模块，降低成本，无需通过网联模块进行协议转发后才能送到云端服务器平台，提高信息传输的实时性。

Description

锂电池集成式保护板、动力电池包及电动车辆
【技术领域】
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池集成式保护板、动力电池包及电动车辆。
【背景技术】
锂电池相比铅酸电池具有循环寿命高、体积小、能量密度高等优点。随着锂电池在换电领域的逐渐普及，在某些高利用率的领域，比如换电租赁场景中，锂电池将逐渐替代铅酸电池。在换电和租赁领域，由于锂电池需要智能化监控，除了提供锂电池正常充放电等功能外还要定时上传电池参数信息(电压、电流、温度、位置等)给云端服务器平台，方便用户及时了解电池信息。
锂电池通常连接有保护板，用于监测电池信息以进行充放电保护。现有的用于换电的保护板需要搭配额外的网联模块(即2G/4G+GPS)才能完成与云端服务器平台的互联，即由保护板+网联模块构成分离式系统，保护板和网联模块之间通过TTL电平的UART口连接，整个系统比较松散，保护板厂家需要购买其它厂家的网联模块进行协议适配，成本较高。并且，分离式的保护板及网联模块均需要包括电源模块及单片机，即每块PCB(PrintedCircuit Board，印刷电路板)上必须要设置电源模块及单片机，电源模块和PCB无法共用，且单片机作为核心控制器件，大大增加了系统成本。另外，保护板采集到的电池信息需要通过网联模块协议转发后才能送到云端服务器平台，信息传输的实时性不能得到保证。
鉴于此，实有必要提供一种新型的锂电池集成式保护板、动力电池包及电动车辆以克服上述缺陷。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种锂电池集成式保护板、动力电池包及电动车辆，无需另外连接网联模块，降低成本，无需通过网联模块进行协议转发后才能送到云端服务器平台，提高信息传输的实时性。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种锂电池集成式保护板，用于连接锂电池，所述锂电池集成式保护板上设置有电源模块、控制模块及天线模块，所述电源模块及天线模块连接所述控制模块；所述锂电池的电压经所述电源模块转换后为所述控制模块供电，所述控制模块用于获取所述锂电池的电池信息及定位信息，所述控制模块还用于将所述电池信息及定位信息通过所述天线模块发送至云端服务器。
在一个优选实施方式中，还包括采样模块，所述采样模块连接所述控制模块，所述采样模块用于采集所述电池信息，并将所述电池信息发送至所述控制模块。
在一个优选实施方式中，还包括开关模块，所述开关模块连接所述采样模块；所述采样模块还用于根据所述电池信息输出开关控制信号至所述开关模块，所述开关模块用于根据所述开关控制信号实现导通或关断，进而实现对所述锂电池充放电的通断控制。
在一个优选实施方式中，还包括通信模块，所述通信模块连接所述控制模块；所述控制模块还用于将所述电池信息通过所述通信模块发送至上位机。
在一个优选实施方式中，所述锂电池的电压经所述电源模块转换后为所述通信模块供电。
在一个优选实施方式中，所述控制模块包括IIC接口，所述控制模块通过所述IIC接口与所述采样模块进行通信。
在一个优选实施方式中，所述控制模块包括射频接口，所述控制模块通过所述射频接口发送所述电池信息及定位信息。
第二方面，本发明还提供一种动力电池包，包括上述任意一项所述的锂电池集成式保护板。
第三方面，本发明还提供一种电动车辆，包括上述任意一项所述的锂电池集成式保护板。
相比于现有技术，本发明提供的锂电池集成式保护板、动力电池包及电动车辆，锂电池的电压经电源模块转换后能够为控制模块供电，控制模块能够获取所述锂电池的电池信息及定位信息，并将获取的电池信息及定位信息通过天线模块发送至云端服务器，进而便于后台人员及时了解锂电池的运行状态。电源模块、控制模块及天线模块均设置于锂电池集成式保护板上，控制模块本身具有定位及通信功能，能够将电池信息及定位信息通过天线模块发送至云端服务器，无需另外连接网联模块，电源模块可以共用，减少了产品体积，方便用户安装使用，且无需包括现有技术分离系统中的两个单片机，简化了系统的软硬件设计，降低成本。并且，无需通过网联模块进行协议转发后才能送到云端服务器平台，精简了通信协议，简化了控制流程，提高信息传输的实时性。
为使发明的上述目的、特征和优引脚能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的锂电池集成式保护板的原理框图；
图2为本发明提供的锂电池集成式保护板的电源模块的电路图；
图3为本发明提供的锂电池集成式保护板的控制模块的电路图；
图4为本发明提供的锂电池集成式保护板的采样模块的电路图；
图5为本发明提供的锂电池集成式保护板的开关模块的电路图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
请参阅图1，本发明提供一种锂电池集成式保护板100，用于连接锂电池101，所述锂电池集成式保护板100上设置有电源模块10、控制模块20及天线模块30。
所述电源模块10及天线模块30连接所述控制模块20。具体的，所述锂电池101的电压经所述电源模块10转换后为所述控制模块20供电，所述控制模块20用于获取所述锂电池101的电池信息及定位信息，所述控制模块20还用于将所述电池信息及定位信息通过所述天线模块30发送至云端服务器。可以理解地，锂电池101的电池信息即锂电池101进行充放电的各项参数信息，具体可以包括荷电状态、电压、电流、温度等，锂电池101的定位信息即锂电池101的当前位置信息，云端服务器即用于监测锂电池101的电池信息及定位信息的服务器平台，控制模块20能够将电池信息及定位信息通过天线模块30发送至云端服务器，便于后台人员及时了解锂电池101的运行状态。
本发明提供的锂电池集成式保护板100，锂电池101的电压经电源模块10转换后能够为控制模块20供电，控制模块20能够获取所述锂电池101的电池信息及定位信息，并将获取的电池信息及定位信息通过天线模块30发送至云端服务器，进而便于后台人员及时了解锂电池101的运行状态。电源模块10、控制模块20及天线模块30均设置于锂电池集成式保护板100上，控制模块20本身具有定位及通信功能，能够将电池信息及定位信息通过天线模块30发送至云端服务器，无需另外连接网联模块，电源模块10可以共用，且无需包括现有技术分离系统中的两个单片机，简化了系统的软硬件设计，降低成本。并且，无需通过网联模块进行协议转发后才能送到云端服务器平台，提高信息传输的实时性。
可以理解地，为了达到需要的电压及容量，锂电池101通常为由若干个单体电池串联及/或并联形成的电池组。保证电池组充放电的安全性，锂电池101需要连接锂电池集成式保护板100，来监测电池组的电池信息，当电池组的某项电池信息参数(例如电压、温度)超过预设的阈值时，锂电池集成式保护板100能够对电池组的充放电进行切断，防止锂电池10发生爆炸等安全隐患。
请一并参阅图2，电源模块10包括第一降压芯片U1及第二降压芯片U2。第一降压芯片U1的电压输入端连接锂电池101的总正端B+，第一降压芯片U1的电压输出端连接第二降压芯片U2的电压输入端，第二降压芯片U2的电压输出端连接控制模块20。可以理解地，锂电池101的总电压经过第一降压芯片U1转换为5V，并输入至第二降压芯片U2的电压输入端，再经过第二降压芯片U2将5V转换为3.3V，为控制模块20供电。
本实施方式中，第一降压芯片U1为DC-DC(直流转直流)降压芯片。第一降压芯片U1的电压输入端连接有电容C1、电容C2，第一降压芯片U1的电压输出端连接有电容C3、电容C4、电容C5、电容C6，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6均为滤波电容，电容C1、电容C2用于稳定第一降压芯片U1的电压输入端的电压，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6用于稳定第一降压芯片U1的电压输出端的电压。第一降压芯片U1的电压输入端与锂电池101的总正端B+之间连接有二极管D1，二极管D1用于防止电流倒灌。第一降压芯片U1的电压输入端还连接有稳压二极管D2，第一降压芯片U1的电压输出端连接有二极管D3。第一降压芯片U1的电压输出端与第一降压芯片U1的自举引脚BST之间连接有电容C7。第一降压芯片U1的电压输出端与第一降压芯片U1的反馈引脚FB之间连接有电感L1及电阻R1，第一降压芯片U1的反馈引脚FB还连接电阻R2后接地，第一降压芯片U1的反馈引脚FB能够反馈第一降压芯片U1的电压输出端的输出电压，提高了降压的精准性。第一降压芯片U1的电压输出端与第一降压芯片U1的反馈引脚FB之间还连接有电容C11。
本实施方式中，第二降压芯片U2为LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)。第二降压芯片U2的电压输入端连接有电容C8，第二降压芯片U2的电压输出端连接有电容C9、电容C10，电容C8用于稳定第二降压芯片U2的电压输入端的电压，电容C9、电容C10用于稳定第二降压芯片U2的电压输出端的电压。
请一并参阅图3，控制模块20包括4G CAT1模组U9，4G CAT1模组为openCPU(Central Processing Unit，中央处理器)方案，其内部MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)软件部分可以部分向开发者开放，其本身具备4G通信，GPS/BEIDOU定位功能，作为整个系统的控制核心，保护板100的其它功能模块直接通过4G CAT1模块进行控制，省略了原有分离式方案中的保护板单片机和网联模块单片机，且电源系统共用，所有元器件均布置在同一个PCB上面，大大降低成本。具体的，4G CAT1模组可以为移远公司的CAT1模组EC200U。
进一步地，所述控制模块包括IIC接口，所述控制模块通过所述IIC接口与所述采样模块40进行通信。具体的，4G CAT1模组直接通过IIC或者SPI通信接口与采样模块40进行通信，实现对采样模块40保护参数的配置，获取采样模块40采集到的单体电压、充放电电流等电池信息。
进一步地，所述控制模块包括射频接口，所述控制模块通过所述射频接口发送所述电池信息及定位信息。具体的，4G CAT1模组把定位信息和电池信息按照云端服务器的报文协议组包，通过天线模块30发送给云端服务器，无需另外连接网联模块，提高了信息传输的实时性。射频接口用于收发4G信号(图中J7为4G天线)、采集GPS信号(图中J5为GPS陶瓷天线)、收发蓝牙数据(图中A1为2.4G陶瓷天线)。
如图3所示，控制模块20包括4G CAT1模组U9，其连接的外部电路包含I/O控制电路、串口电平转换电路、USB电路等。
具体的，I/O控制电路主要进行电源使能控制，LED灯控制等。LED灯控制原理为：4GCAT1模组U9的第5脚和24脚通过输出高电平至三极管Q32、Q34的B极，使三极管Q32的CE极导通，从而使发光二极管D6和D7的负极与地接通，管内流过电流后发光。串口电平转换电路用于将CAT1模组U9的1.8V电平转换为通信模块的3.3V电平，其原理为(以接收电平从3.3V转换为1.8V为例)：当外部输入电平UART0_RX_3V3为高即3.3V时，由于NPN三极管Q33的B极为1.8V，则BE极反向截止，三极管Q33的CE极断开，此时输入到CAT1模组U9第68脚的信号为高电平1.8V；当外部输入电平UART0_RX_3V3为低即0V时，由于NPN三极管Q33的B极为1.8V，则BE极导通，此时B极压降为0.6V，Q33的CE极也正向导通，此时输入到U9第68脚的信号为低电平0V，进而实现输入高低电平的转换。USB电路用于程序烧写或者调试信息监控，其信号D+、D-为USB差分信号，直接接电脑USB口。
本实施方式中，天线模块30包括2G/4G天线及GPS(Global Positioning System，全球定位系统)陶瓷天线，具体的，控制模块20能够通过2G/4G天线将电池信息发送至云端服务器，控制模块20能够通过GPS陶瓷天线将定位信息发送至云端服务器，便于后台人员及时了解锂电池101的运行状态。
本发明提供的锂电池集成式保护板100，还包括采样模块40，所述采样模块40连接所述控制模块20，所述采样模块40用于采集所述电池信息，并将所述电池信息发送至所述控制模块20。
请一并参阅图4，采样模块40包括采样芯片U7，采样模块40还包括单体电压采样电路、电流采样电路、MOS管控制电路。保护芯片根据采集单体数量可以选用TI、松下、中颖等IC厂家的前端保护芯片。单体采样电路通过阻容滤波方式把电池正负极接入前端采样芯片进行单体电压采样。图中电流采样电阻R105两端的电压经滤波后送入前端芯片的电流采样端，通过AD转换结果计算压差，再根据欧姆定律I＝U/R实现采样电流的计算。采样芯片根据保护参数对外输出充放电MOS的控制信号(图中充电控制信号CHG_M，放电控制信号DSG_M)，即开关控制信号。
进一步地，本发明提供的锂电池集成式保护板100，还包括开关模块50，所述开关模块50连接所述采样模块40。所述采样模块40还用于根据所述电池信息输出开关控制信号至所述开关模块50，所述开关模块50用于根据所述开关控制信号实现导通或关断，进而实现对所述锂电池充放电的通断控制。
请一并参阅图5，开关模块50包括MOS控制电路，RS端接图4中的采样电阻R105的RS端，P-接外部负载的负极。当采样芯片欲打开放电MOS(图中Q35、Q36、Q25、Q2为4个N沟道MOS管并联进行放电控制，用于增大过流能力)，则通过将MOS控制信号DSG_M置高(比如10V)，输出至放电MOS的G极，由于此时G极与S极间的电压VGS大于MOS管导通电压(比如2V)，则MOS管的DS导通，为放电电流提供了通路，使放电电流可以从P-端流到RS，从而经过采样电阻流到电池负极B-。可以理解地，打开充电MOS的原理和放电MOS类似，此处不再赘述；若欲关闭充放电MOS，则采样芯片U7只需要将对应控制信号CHG_M和DSG_M置为0即可。
本发明提供的锂电池集成式保护板100，还包括通信模块60，所述通信模块60连接所述控制模块20。所述控制模块20还用于将所述电池信息通过所述通信模块60发送至上位机。具体的，通信模块60可以为隔离485芯片，上位机例如可以为换电柜，控制模块20对采集到的电池信息进行分析重组后，可以通过隔离485芯片发送给换电柜，实现了锂电池集成式保护板100的对外通信能力，以方便与换电柜进行通信交互，完成在换电柜中充电等功能。在其他实施方式中，锂电池集成式保护板100还可以通过CAN总线与换电柜进行通信。
进一步地，锂电池101的电压经所述电源模块10转换后为所述通信模块60供电。即整个锂电池集成式保护板100上的模块均通过电源模块101进行供电，电源模块101能够共用，成本降低。
本发明还提供一种动力电池包，包括上述任意一项实施方式的锂电池集成式保护板100。可以理解地，动力电池包内的锂电池连接锂电池集成式保护板100，锂电池集成式保护板100能够将锂电池的电池信息及定位信息发送至云端服务器，实现动力电池包的对外通信功能。并且，锂电池集成式保护板100还能够根据锂电池的电池信息控制充放电的通断，提高了动力电池包的充放电安全性。
本发明还提供一种电动车辆，包括上述的动力电池包。可以理解地，动力电池包安装于电动车辆内，且为电动车辆提供动力，电动车辆例如可以为低速两轮电动车。
需要说明的是，本发明提供的锂电池集成式保护板100的所有实施例均适用于本发明提供的动力电池包及电动车辆，且均能够达到相同或相似的有益效果。
综上，本发明提供的锂电池集成式保护板100、动力电池包及电动车辆，锂电池101的电压经电源模块10转换后能够为控制模块20供电，控制模块20能够获取所述锂电池101的电池信息及定位信息，并将获取的电池信息及定位信息通过天线模块30发送至云端服务器，进而便于后台人员及时了解锂电池101的运行状态。电源模块10、控制模块20及天线模块30均设置于锂电池集成式保护板100上，控制模块20本身具有定位及通信功能，能够将电池信息及定位信息通过天线模块30发送至云端服务器，无需另外连接网联模块，电源模块10可以共用，减少了产品体积，方便用户安装使用，且无需包括现有技术分离系统中的两个单片机，简化了系统的软硬件设计，降低成本。并且，无需通过网联模块进行协议转发后才能送到云端服务器平台，精简了通信协议，简化了控制流程，提高信息传输的实时性。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种锂电池集成式保护板，用于连接锂电池，其特征在于，所述锂电池集成式保护板上设置有电源模块、控制模块及天线模块，所述电源模块及天线模块连接所述控制模块；所述锂电池的电压经所述电源模块转换后为所述控制模块供电，所述控制模块用于获取所述锂电池的电池信息及定位信息，所述控制模块还用于将所述电池信息及定位信息通过所述天线模块发送至云端服务器。
2.如权利要求1所述的锂电池集成式保护板，其特征在于，还包括采样模块，所述采样模块连接所述控制模块，所述采样模块用于采集所述电池信息，并将所述电池信息发送至所述控制模块。
3.如权利要求2所述的锂电池集成式保护板，其特征在于，还包括开关模块，所述开关模块连接所述采样模块；所述采样模块还用于根据所述电池信息输出开关控制信号至所述开关模块，所述开关模块用于根据所述开关控制信号实现导通或关断，进而实现对所述锂电池充放电的通断控制。
4.如权利要求1所述的锂电池集成式保护板，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块连接所述控制模块；所述控制模块还用于将所述电池信息通过所述通信模块发送至上位机。
5.如权利要求4所述的锂电池集成式保护板，其特征在于，所述锂电池的电压经所述电源模块转换后为所述通信模块供电。
6.如权利要求2所述的锂电池集成式保护板，其特征在于，所述控制模块包括IIC接口，所述控制模块通过所述IIC接口与所述采样模块进行通信。
7.如权利要求1所述的锂电池集成式保护板，其特征在于，所述控制模块包括射频接口，所述控制模块通过所述射频接口发送所述电池信息及定位信息。
8.一种动力电池包，其特征在于，包括如1-7任意一项所述的锂电池集成式保护板。
9.一种电动车辆，其特征在于，包括如权利要求8所述的动力电池包。
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