一种可拆分的多方通信电池电机管理方法及其系统与流程

1.本发明属于机电一体化的技术领域，具体涉及一种可拆分的多方通信电池电机管理方法及其系统。


背景技术：

2.计算机技术的发展和半导体技术的发展，使得无刷直流电机控制越来越成熟、控制精度越来越高、控制算法日益成熟，越来越多的无刷电机应用到生产生活中，无刷电机的使用往往需要搭配电机控制板和可控电源。因此对集成的控制板、可控电源、无刷直流电机一体化技术的研究非常有必要。
3.本系统以bms主板为控制核心，搭配必要的受控电池包和受控电机，在此基础上，通过多方通信技术，设计可拆分的附加外围设备，使得在不同的应用场景中，可以灵活选用配套的外围设备以实现效益的最大化。
4.由于是机电集成的一体化设计，一般来说要尽量地节省芯片资源，本系统上位机在pc端通过usb转ttl芯片，与bms主板/soc扩展板相连。其中将com引脚通过分时复用集成发送接收两个引脚的功能以节省系统资源。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可拆分的多方通信电池电机管理方法及其系统。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明的一个方面，提供了一种可拆分的多方通信电池电机管理方法，包括以下步骤：
8.上位机对下位机进行识别，发送指令帧将处于休眠状态的下位机唤醒，进行联机通信；所述下位机包括bms主板、soc扩展板；
9.上位机通过读写命令控制下位机，读取与改变下位机的状态与工作模式，使下位机按上位机设定模式运行；
10.下位机接受来自上位机的命令，将电池包和无刷大电机、无刷小电机的状态参数反馈至上位机，并生成相应控制命令以控制电池包充放电与无刷大电机、无刷小电机运行；
11.根据应用场景进行拆分使用，具体为：将部分数据处理转移至上位机进行处理以降低bms主板负荷，并利用上位机进行远程控制监测；或拆分上位机并以soc模块作为控制以降低系统成本。
12.作为优选的技术方案，所述上位机对下位机进行识别，发送指令帧将处于休眠状态的下位机唤醒，进行联机通信，具体为：
13.所述上位机通过转接板中的ch340芯片，将串口信号转为ttl电平信号发送给下位机的信号引脚；
14.所述上位机开机运行后，搜索识别下位机的串口号，所述上位机配置的串口波特
率、串口号、奇偶校验位与下位机适配；
15.所述上位机发送若干条指令唤醒处于休眠状态的下位机，并预先将下位机的软件版本号、序列号读回，完成对下位机的识别联机。
16.作为优选的技术方案，所述通信方式采用串口通信、自定义通信协议和分时复用多方通信；
17.所述自定义通信协议具体为：设置数据帧格式，对于断电保存量在帧格式中设置有读写内存位置，而对于一些程序运行的实时变量则不设置内存位置，同时定义校正数据帧，数据帧尾统一采取求和校验；
18.所述分时复用多方通信具体为：bms主板的通信引脚分时复用，同时连接上位机和soc扩展板，当bms主板和上位机通信时，其同一时刻不能与soc扩展板进行通信。
19.作为优选的技术方案，所述上位机通过读写命令控制下位机，读取与改变下位机的状态与工作模式，使下位机按上位机设定模式运行，具体为：
20.上位机发送读取请求至下位机，下位机将系统的状态变量返回至上位机进行处理并显示；所述系统的状态变量包括电池电压、电机电流、电机状态；
21.上位机进入测试模式，自动按顺序依次读取下位机的电池包温度、电池包电压、电机电流、充电电流、充电电压信息，并且与用户设定的标准值进行比较。
22.作为优选的技术方案，所述下位机接受来自上位机的命令，将电池包和无刷大电机、无刷小电机的状态参数反馈至上位机，并生成相应控制命令以控制电池包充放电与无刷大电机、无刷小电机运行，具体为：
23.上位机发送写入请求至下位机，下位机收到上位机写入的数据并改变运行状态，输出控制与bms主板相连的无刷大电机和无刷小电机运行的信号、控制与bms主板相连的电池包进行充放电的信号；
24.上位机修改下位机的配置参数，将下位机设置为保护模式；所述下位机的配置参数包括充电截止电压、充电截止电流、电机电流；
25.上位机进入校准模式，外接测量装置，将从下位机读取的电池电压、电机电流、电机状态与测量装置的测量值做比较，再将修正值写入至下位机的系统中。
26.本发明的另一个方面，提供了一种可拆分的多方通信电池电机管理系统，包括上位机、bms主板、soc扩展板、电池包、无刷大电机、无刷小电机；
27.所述bms主板与电池包、无刷大电机、无刷小电机进行连接；所述bms主板与上位机、soc扩展板中的一个或多个进行连接，所述bms主板用于接收连接模块的控制或状态信号，并返回相应的控制或状态信号；
28.所述上位机同时与bms主板和soc扩展板相连，用于向bms主板和soc板输出控制、读取信号，并接收处理返回的信号；
29.所述soc扩展板用于接收来自bms主板和上位机的控制信号并返回状态信号，并向用户显示电机电池的状态信息、提供控制输入按键。
30.所述电池包与bms主板、soc扩展板、无刷大电机、无刷小电机相连，用于向bms主板、soc扩展板、无刷大电机、无刷小电机供电；
31.所述无刷大电机、无刷小电机，用于根据来自bms主板的控制信号及电池包的供电，完成电机的执行动作。
32.作为优选的技术方案，所述bms主板用于接收连接模块的控制或状态信号，并返回相应的控制或状态信号，具体为：
33.所述bms主板与上位机连接，用于接收来自上位机的读写命令，做相应的读写应答，将状态信号返回给上位机，并对来自上位机的信号处理或转发；
34.所述bms主板与soc扩展板连接，用于接收来自soc扩展板的反馈信号或控制信号，并将电池电机状态信号发送给soc扩展板；
35.所述bms主板的通信引脚同时连接上位机和soc扩展板；
36.所述bms主板与电池包直接相连，用于实时监测控制电池包；
37.所述bms主板与无刷大电机、无刷小电机直接相连，用于实时监测控制无刷大电机、无刷小电机。
38.作为优选的技术方案，所述上位机包括实时参数监测模块、bms参数配置模块、电池包性能检测模块、电池包参数校准模块、数据保存与导入模块；
39.所述实时参数监测模块用于接收来自bms主板的反馈信号，将电池电机系统的状态量显示在上位机上；所述电池电机系统的状态量包括电池电压、电机电流、充电电压、充电电流、电池运行状态以及电机运行状态；
40.所述bms参数配置模块用于读写bms主板的设定值，所述bms主板的设定值包括大电机过流电流、小电机过流电流、充电截止温度、充电截止电压、放电截止电压；
41.所述电池包性能检测模块用于对电池进行批量性检测，测试电池包在平时状态下、充电状态下、放电状态下的温度和电压电流信息，以判定电池包优劣；
42.所述电池包参数校准模块用于在电池包外接测量装置的情况下，将通过测量装置读取的电池包的值与通过bms主板读取的值进行对比，并修正相应参数至bms主板中；
43.所述数据保存与导入模块用于将上位机上的参数保存到本地批量处理分析，或将本地文件数据导入上位机与上位机从bms主板读取的参数进行对比分析。
44.作为优选的技术方案，所述soc扩展板搭载有气压传感器、按键设备、指示灯和led显示屏输出设备；所述气压传感器用于接收上位机的气压校准信号并将气压状态反馈给上位机；所述按键设备用于为用户提供输入接口；所述指示灯和led显示屏输出设备用于将电池电机的状态显示给用户。
45.作为优选的技术方案，所述电池包接收来自bms主板的控制读写信号，返回电池包的电压电量等信息，并向bms主板、soc扩展板、无刷大电机、无刷小电机供应电能；
46.作为优选的技术方案，所述无刷大电机和无刷小电机完成电机的执行动作具体为：接收来自bms主板的pwm控制信号和来自电池包的供能，以特定的速度运行，并返回电机电流信号。
47.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
48.(1)本系统采用基于串口通信的多方通信，适用于主控制器和从控制器间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机，既降低了系统对通信资源的要求，又能分时协调多方通信。
49.(2)本系统以多方通信技术为手段，通过设计一套软硬件兼容的协议，以bms主板为控制核心，可灵活拆分组合附加控制模块的方式，搭配以受控电池和电机组成的控制系统。该系统可以根据实际工况场景需求，选择性的搭配上位机模块或soc模块，当处理的数
据量很大时，可以将一些数据处理转移到上位机端处理，可以极大的降低bms主板的性能负担，另一方面也能利用上位机进行远程控制监测，当需要处理的数据量较低时，又可以选择拆分上位机模块而增加soc模块来做控制以降低系统成本。
附图说明
50.图1是本发明的系统结构示意图；
51.图2是本发明的上位机模块示意图；
52.图3是本发明的电池包性能测试流程图；
53.图4是本发明的bms主板模块结构框图；
54.图5是本发明的soc扩展板模块框图；
55.图6是本发明的bms主板模块的电路结构图；
56.图7是本发明的bms主板模块的外部唤醒电路的结构图；
57.图8是本发明的bms主板模块的ldo电路的结构图；
58.图9是本发明的bms主板模块的电机控制电路的结构图；
59.图10是本发明的bms主板模块的充电控制电路的结构图；
60.图11是本发明的bms主板模块的二次保护电路的结构图；
61.图12是本发明的bms主板模块的电压采样电路的结构图；
62.图13是本发明的soc扩展板的电路结构图。
具体实施方式
63.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
64.实施例
65.如图1所示，本实施例提供了一种可拆分的多方通信电池电机管理方法，包括以下步骤：
66.t1、bms板直接连接受控电机和受控电池构成最小控制系统；
67.t2、上位机对下位机进行识别，自动发送若干指令帧将处于休眠状态的下位机唤醒，进行联机通信；所述下位机包括bms主板、soc扩展板
68.t3、上位机通过读写命令控制下位机，读取与改变下位机的状态与工作模式，使下位机按上位机设定模式运行；
69.t4、下位机接受来自上位机的命令，将电池包和无刷大电机、无刷小电机的状态参数反馈至上位机，并生成相应控制命令以控制电池包充放电与无刷大电机、无刷小电机运行。
70.特别的，当处理的数据量很大时，可以将一些数据处理转移到上位机端处理，可以极大的降低bms主板的性能负担，另一方面也能利用上位机进行远程控制监测，当需要处理的数据量较低时，又可以选择拆分上位机模块而增加soc模块来做控制以降低系统成本。
71.在本实施例中，所述通信方式采用串口通信、自定义通信协议和分时复用多方通
信；
72.所述自定义通信协议具体为：参考常规通信协议，结合实际需求定义的通信协议，设置多种数据帧格式，对于一些断电保存量在帧格式中设置有读写内存位置，而对于一些程序运行才有的实时变量则不设置内存位置，同时从需求出发，定义多种校正数据帧，数据帧尾统一采取求和校验；
73.所述分时复用多方通信具体为：bms主板的通信引脚分时复用，同时连接上位机和soc扩展板，当bms主板和上位机通信时，其同一时刻不能与soc扩展板进行通信。
74.进一步的，步骤t1具体为：
75.t101、所述bms主板通过adc模块将电池包中电压、温度等模拟信号转换为数字信号；
76.t102、所述bms主板通过向无刷大电机和无刷小电机输出pwm信号，控制无刷大电机和无刷小电机运行；
77.t103、所述电池包为bms主板、无刷大电机和无刷小电机供应电能；
78.进一步的，步骤t2具体为：
79.t201、所述上位机通过转接板中的ch340芯片，将串口信号转为ttl电平信号发送给下位机的信号引脚；
80.t202、所述上位机开机运行后，自动搜索识别下位机的串口号，所述上位机配置的串口波特率、串口号、奇偶校验位与下位机适配。
81.t203、所述上位机自动发送若干条指令唤醒处于休眠状态的下位机，并预先将下位机的软件版本号、序列号读回，完成对下位机的识别联机。
82.进一步的，如图2所示，步骤t3具体为：
83.t301、上位机发送读取请求至下位机，下位机将系统的状态变量返回至上位机进行处理并显示；所述系统的状态变量包括电池电压、电机电流、电机状态；
84.t302、上位机进入测试模式，如图3所示，自动按顺序依次读取下位机的电池包温度、电池包电压、电机电流、充电电流、充电电压信息，并且与用户设定的标准值进行比较。
85.进一步的，步骤t4具体为：
86.t401、上位机发送写入请求至下位机，下位机收到上位机写入的数据并改变运行状态，输出控制与bms主板相连的无刷大电机和无刷小电机运行的信号、控制与bms主板相连的电池包进行充放电的信号；
87.t402、上位机修改下位机的配置参数，将下位机设置为保护模式，防止被损坏；所述下位机的配置参数包括充电截止电压、充电截止电流、电机电流；
88.t403、上位机进入校准模式，外接测量装置(本实施例中采用万用表)，将从下位机读取的状态变量(如电池电压、电机电流、电机状态)与测量装置的测量值做比较，再将修正值写入至下位机的系统中。
89.如图1所示，在本技术的另一个实施例中，提供了一种可拆分的多方通信电池电机管理系统，该系统可应用于上述实施例的一种可拆分的多方通信电池电机管理方法，包括bms(battery manager system)主板、上位机、soc扩展板、电池包、无刷大电机、无刷小电机；其中基本系统组成为bms主板、电池包、无刷大电机、无刷小电机，选择性拆分组合模块为上位机、soc扩展板；
90.所述bms主板与电池包、无刷大电机、无刷小电机进行连接；所述bms主板与上位机、soc扩展板中的一个或多个进行连接，所述bms主板用于接收连接模块的控制或状态信号，并返回相应的控制或状态信号；
91.所述上位机同时与bms主板和soc扩展板相连，用于向bms主板和soc板输出控制、读取信号，并接收处理返回的信号；
92.所述soc扩展板用于接收来自bms主板和上位机的控制信号并返回状态信号，并向用户显示电机电池的状态信息、提供控制输入按键。
93.所述电池包与bms主板、soc扩展板、无刷大电机、无刷小电机相连，用于向bms主板、soc扩展板、无刷大电机、无刷小电机供电；
94.所述无刷大电机、无刷小电机，用于根据来自bms主板的控制信号及电池包的供电，完成电机的执行动作。
95.如图4所示，在本实施例中，所述bms主板控制信号来源于上位机，并连接电池包和soc板，充当下位机系统核心控制处理者；进一步的，所述bms主板用于接收连接模块的控制或状态信号，并返回相应的控制或状态信号，具体为：
96.所述bms主板与上位机连接，用于接收来自上位机的读写命令，做相应的读写应答，将状态信号返回给上位机，并对来自上位机的信号处理或转发；
97.所述bms主板与soc扩展板连接，用于接收来自soc扩展板的反馈信号或控制信号，并将电池电机状态信号发送给soc扩展板；
98.所述bms主板的通信引脚同时连接上位机和soc扩展板；
99.所述bms主板与电池包直接相连，用于实时监测控制电池包；
100.所述bms主板与无刷大电机、无刷小电机直接相连，用于实时监测控制无刷大电机、无刷小电机。
101.进一步的，所述上位机包括实时参数监测模块、bms参数配置模块、电池包性能检测模块、电池包参数校准模块、数据保存与导入模块。
102.所述实时参数监测模块用于接收来自bms主板的反馈信号，将电池电机系统的重要状态量实时显示在上位机上；所述池电机系统的重要状态量包括电池电压、电机电流、充电电压、充电电流、电池运行状态、电机运行状态等；
103.所述bms参数配置模块用于读写bms主板的设定值，所述bms主板的设定值包括大电机过流电流、小电机过流电流、充电截止温度、充电截止电压、放电截止电压等。
104.所述电池包性能检测模块用于对电池进行批量性检测，如图3所示，测试电池包在平时状态下、充电状态下、放电状态(打开电机运行)下的温度和电压电流信息，以判定电池包优劣。
105.所述电池包参数校准模块用于在电池包外接测量装置(本实施例中采用万用表)的情况下，将通过万用表读取的电池包的值与通过bms主板的系统读取的值进行对比，并修正相应参数至bms主板中。
106.所述数据保存与导入模块用于将上位机上的参数保存到本地批量处理分析，或将本地文件数据导入上位机与上位机从bms主板的系统读回来的参数进行对比分析。
107.在本实施例中，所述soc扩展板，与上位机、bms主板直接相连，同时向用户提供交互(按键输入、显示输出)；进一步的，所述soc扩展板搭载有气压传感器、按键设备、指示灯
和led显示屏输出设备；所述气压传感器用于接收上位机的气压校准信号并将气压状态反馈给上位机；所述按键设备用于为用户提供输入接口；所述指示灯和led显示屏输出设备用于将电池电机的状态显示给用户。
108.如图5所示，进一步的，所述电池包接收来自bms主板的控制读写信号，返回电池包的电压电量等信息，并向bms主板、soc扩展板、无刷大电机、无刷小电机供应电能；所述无刷大电机和无刷小电机完成电机的执行动作具体为：接收来自bms主板的pwm控制信号和来自电池包的供能，以特定的速度运行，并返回电机电流信号。
109.如图6所示为bms主板的最小系统，由控制芯片和其外围电路组成，其芯片控制引脚可直接控制充电、电压采样、电机运行，是本系统的核心。
110.如图7所示为外部唤醒电路，电路中设置了三种唤醒方式，分别可以通过串口、按键开关和充电唤醒三种方式唤醒系统，当这三方都不工作时，系统一定时间内就会进入休眠，这种设计使得本系统更加节能高效。
111.如图8所示为bms主板的稳压供电电路，将电池输出的电压降压为5v给bms主板供电。
112.如图9所示为电机控制电路，对大小电机的feth和fets分别输出pwm信号，控制电机按设定速度运行，同时电路中以板子的铜箔作为电流的采样电阻。
113.如图10所示为充电控制电路，其中pre_charge为预充电引脚，当电池包电压过低时，可通过该引脚切换为小电压充电模式，防止充电电流过大损坏电池包。
114.如图11所示为二次保护电路，当电池电压过高时可关断充电引脚，防止电池包过充。
115.如图12所示为电池包电压采样电路，为了节省芯片资源，采取每两节电压一个adc采样通道的方式，采用芯片控制外加升压电路的方式控制ctla、ctlb输出来开关三极管，以切换电压采样通道。
116.如图13所示为soc扩展板的电路，其中用户可以通过触摸模块可调节系统档位、气压模块可以将外界气压值发送给上位机、二极管灯阵列和显示系统电量信息等。
117.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
118.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。