鋰離子電池組無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　1、前言

　　隨著鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，其安全性問題越來越受重視。對鋰離子電池的參數(shù)進行實時檢測可以有效避免電池的不安全使用，并且可以盡量發(fā)揮電池的性能。有些應(yīng)用領(lǐng)域由于條件限制，難于鋪設(shè)線路，需要對電池進行遠距離的監(jiān)測，比如路燈蓄電池管理;或者由于大量使用，逐個連接監(jiān)測線路比較麻煩如基站電源管理中電池的狀態(tài)監(jiān)測或者大量在通信電臺集中的場合等，可通過無線網(wǎng)絡(luò)對采集的數(shù)據(jù)進行傳輸管理。

　　該系統(tǒng)主要由鋰離子電池組狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)采集、信號無線傳輸、數(shù)據(jù)處理等幾部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。前端由狀態(tài)參數(shù)采集模塊和無線發(fā)射控制模塊組成，其中數(shù)據(jù)采集部分包括對鋰離子電池組的電壓、電流、內(nèi)阻以及溫度等參數(shù)進行測量，由單片機對采樣數(shù)據(jù)進行初步處理，然后控制發(fā)射芯片調(diào)制發(fā)送。系統(tǒng)后端由無線接收控制模塊、單片機和串口電路、本地計算機組成，接收芯片對信號解調(diào)，單片機接收數(shù)據(jù)并進行處理，將有效數(shù)據(jù)通過串口傳送到本地計算機上進行，監(jiān)測人員可通過對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析掌握該電池組的工作狀態(tài)，對不正常的電池及時進行處理，確保其工作的可靠性。

　　圖1 電池監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

　　根據(jù)鋰離子電池組多樣的應(yīng)用環(huán)境以及系統(tǒng)管理的目的，狀態(tài)采樣裝置采用的是模塊化的設(shè)計，主要包括：鋰離子電池組電壓測量電路、電流測量電路、內(nèi)阻測量電路、溫度測量電路四個部分[1，2]。檢測模塊對采集的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊。設(shè)計中采用的高精度、高實效數(shù)據(jù)采集模塊兼顧了專用化和通用化的原則，配置靈活。系統(tǒng)可由單片機對各個模塊的選通進行控制，各模塊可單獨使用也可以自由組合，能適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

　　2、實驗系統(tǒng)

　　無線數(shù)據(jù)傳輸和有線數(shù)據(jù)傳輸相比較而言，其特點是使用射頻信號來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。無線數(shù)據(jù)傳輸主要由無線數(shù)據(jù)終端、主接收器和主監(jiān)控器組成，主監(jiān)控器與主接收器間采用串行口通信。整個傳輸系統(tǒng)的設(shè)計都是為了實現(xiàn)對鋰離子電池組狀態(tài)在線監(jiān)測這個目的，因此對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_、實時性以及功耗問題是設(shè)計的關(guān)鍵。

　　2.1 發(fā)射端

　　2.1.1 發(fā)射端電路的設(shè)計實現(xiàn)

　　無線傳輸系統(tǒng)發(fā)射端的硬件電路主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機以及RF發(fā)射芯片組成，電路如圖2所示。

　　圖2 發(fā)射端電路

　　文中采用的是ATMEL公司的AT89C51單片機對發(fā)射系統(tǒng)進行控制，單片機控制數(shù)據(jù)采集模塊分別對電池的電壓、電流、內(nèi)阻以及溫度進行采樣。無線發(fā)射芯片采用的是挪威Nordic公司推出的一體化無線收發(fā)芯片nRF401，nRF401芯片中集成了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)和多頻道切換等功能，在低成本數(shù)字無線通信應(yīng)用中具有突出的技術(shù)優(yōu)勢[68]。

　　2.1.2 發(fā)射端軟件設(shè)計

　　根據(jù)對鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)的工作模式的設(shè)計，其軟件設(shè)計的基本流程如圖3所示。

　　圖3 發(fā)射端流程圖

　　對鋰離子電池組的參數(shù)采樣分為幾種狀態(tài)：一是定時采樣;二是觸發(fā)采樣，有兩類觸發(fā)，一種是處于靜止狀態(tài)的監(jiān)測電路在檢測到電池組有工作電流時進入工作狀態(tài)，開始定時采樣;另一種是內(nèi)阻的觸發(fā)采樣。監(jiān)測模塊在系統(tǒng)不工作的時候處于掉電模式，單片機以系統(tǒng)中的工作電流作為外部中斷觸發(fā)。一旦系統(tǒng)有工作電流，單片機響應(yīng)中斷進入工作模式。首先設(shè)定采樣模塊的工作模式，對電池組狀態(tài)參數(shù)進行采樣，單片機等待一定采樣延時后，讀取采樣數(shù)據(jù)進行分析，判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送，對采樣數(shù)據(jù)是否發(fā)送的判斷依據(jù)可以根據(jù)具體應(yīng)用體系在單片機中預(yù)先設(shè)定。對監(jiān)測系統(tǒng)作了如下設(shè)定：

　　(1)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于4串5Ah鋰離子電池組的在線監(jiān)測中，系統(tǒng)工作電流為1A，最大電流值為5A。電池組的應(yīng)用現(xiàn)場具有保護電路，過充電保護電壓值為4.2V，過放電保護電壓值為3.3V，過電流保護電流值為3A;

　　(2)在監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)定的電池組工作狀態(tài)參數(shù)正常范圍為：工作電壓為3.4V～4.1V，工作電流《2.5A，工作溫度為-10℃～60℃，內(nèi)阻值為初始值的2倍以內(nèi);

　　(3)當電池處于正常工作范圍時，監(jiān)測系統(tǒng)每隔60s對電壓、電流、溫度采樣一次，采樣10次以后，對10次采樣值取算術(shù)平均值然后發(fā)送。正常情況下電池組每循環(huán)10次啟動內(nèi)阻采樣電路進行采樣;

　　(4)若電池狀態(tài)參數(shù)超出正常工作范圍，采樣電路進入快速采樣階段，每隔10s對電壓、電流、溫度采樣一次，對10次采樣值取算術(shù)平均值，同時啟動電池組內(nèi)阻采樣電路對內(nèi)組進行采樣并發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。

　　2.2 接收端

　　2.2.1 接收端電路的設(shè)計實現(xiàn)

　　接收端的硬件電路由無線收發(fā)芯片nRF401、單片機AT89C51、串口芯片MAX232、主控計算機組成，電路如圖4所示。

　　圖4 接收端電路

　　ANT1和ANT2是接收時LNA的輸入，接收芯片nRF401的TXEN腳接地，工作在接收模式中。當nRF401接收到有效信號后，輸入信號被低噪聲放大器放大，經(jīng)由混頻器變換，這個被變換的信號在送入解調(diào)器之前被放大和濾波，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號在DOUT端輸出進入單片機。單片機判斷信號是否為有效數(shù)據(jù)幀，首先提取出接收到的校驗碼計算校驗和，判斷校驗和是否正確，若正確則分別提取出ID碼、電壓、電流、內(nèi)阻、溫度值通過串口電路發(fā)送到終端控制計算機上，否則單片機忽略此次數(shù)據(jù)，等待下一次接收。

　　2.2.2 接收端軟件

　　按照以上硬件電路設(shè)計，對系統(tǒng)軟件編程的基本思路如下[3]：發(fā)射端單片機首先設(shè)定采樣芯片的工作模式：有分別對電池的電壓、電流、溫度進行采樣的三種狀態(tài)。單片機接收檢測部分傳來的狀態(tài)信息，判斷是否發(fā)送。對于確定發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于該系統(tǒng)可以把多個監(jiān)測站的數(shù)據(jù)發(fā)往同一臺主機，因此需要對各個監(jiān)測對象加上ID號，另外由于可能在發(fā)送過程中會有少量的誤碼產(chǎn)生，故需在發(fā)送端產(chǎn)生校驗和，將數(shù)據(jù)按照固定幀格式組合為數(shù)據(jù)幀之后發(fā)送到發(fā)射芯片。數(shù)據(jù)幀格式為前導符+同步字符+ID碼+電壓+電流+溫度+校驗碼，由于數(shù)據(jù)包長度是固定的，可以直接采取計數(shù)的方法判斷是否發(fā)送完成。

　　接收端單片機收到先導字段格式的信號后，產(chǎn)生串行中斷，中斷程序負責接收數(shù)據(jù)幀，最后對收到的數(shù)據(jù)幀的進行CRC 校驗和計算，與收到的校驗和比較，并檢驗校驗和，若校驗和正確則將數(shù)據(jù)通過串口傳到計算機，若校驗和錯誤，則等待下一次的接收。

　　3.實驗結(jié)果分析

　　實驗中系統(tǒng)對4串額定容量為5Ah的聚合物鋰離子電池組進無線監(jiān)測。在電池組工作過程中對其電壓、內(nèi)阻分別進行監(jiān)測，系統(tǒng)前端測量值及終端監(jiān)測結(jié)果如表1所示：

　　表1 電池組狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果(電壓/內(nèi)阻)

　　Tab.1 Monitor result of batteries state parameter (voltage and resistance)

　　本設(shè)計中，對鋰離子電池組工作狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測誤差范圍為：電壓監(jiān)測誤差在0.005V以內(nèi);內(nèi)阻誤差在1mΩ以內(nèi)。分析造成系統(tǒng)誤差的原因，主要是由于前端檢測電路帶來的誤差以及信號A/D轉(zhuǎn)換引起的誤差，而無線傳輸系統(tǒng)在發(fā)射距離20米內(nèi)可以實現(xiàn)信號的穩(wěn)定收發(fā)，誤碼率低于0.1%。

　　4.結(jié)論

　　本文對電池監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸進行了研究，設(shè)計了一個遠程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并以簡潔的硬件電路實現(xiàn)電池參數(shù)信號的采集與存儲，通過軟件的設(shè)計減小了系統(tǒng)對電能的消耗以及傳輸誤差。實驗表明，無線監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多個獨立電源的在線監(jiān)測，對其狀態(tài)參數(shù)信號進行穩(wěn)定的收發(fā)，給監(jiān)測終端提供及時有效的電池組狀態(tài)信息。

　　參考文獻：

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