鋰離子電池組無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)鋰離子電池的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)電池進(jìn)行遠(yuǎn)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(gè)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(tái)集中的場合等，可通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)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(duì)鋰離子電池組的電壓、電流、內(nèi)阻以及溫度等參數(shù)進(jìn)行測量，由單片機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)和串口電路、本地計(jì)算機(jī)組成，接收芯片對(duì)信號(hào)解調(diào)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，將有效數(shù)據(jù)通過串口傳送到本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，監(jiān)測人員可通過對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析掌握該電池組的工作狀態(tài)，對(duì)不正常的電池及時(shí)進(jìn)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(jì)，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(gè)部分[1，2]。檢測模塊對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊。設(shè)計(jì)中采用的高精度、高實(shí)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(jī)對(duì)各個(gè)模塊的選通進(jìn)行控制，各模塊可單獨(dú)使用也可以自由組合，能適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

2、實(shí)驗(yàn)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(diǎn)是使用射頻信號(hào)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(gè)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池組狀態(tài)在線監(jiān)測這個(gè)目的，因此對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確、實(shí)時(shí)性以及功耗問題是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.1 發(fā)射端

2.1.1 發(fā)射端電路的設(shè)計(jì)實(shí)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(jī)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(jī)對(duì)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行控制，單片機(jī)控制數(shù)據(jù)采集模塊分別對(duì)電池的電壓、電流、內(nèi)阻以及溫度進(jìn)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(jì)

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

圖3 發(fā)射端流程圖

對(duì)鋰離子電池組的參數(shù)采樣分為幾種狀態(tài)：一是定時(shí)采樣;二是觸發(fā)采樣，有兩類觸發(fā)，一種是處于靜止?fàn)顟B(tài)的監(jiān)測電路在檢測到電池組有工作電流時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，開始定時(shí)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(shí)候處于掉電模式，單片機(jī)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(jī)響應(yīng)中斷進(jìn)入工作模式。首先設(shè)定采樣模塊的工作模式，對(duì)電池組狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采樣，單片機(jī)等待一定采樣延時(shí)后，讀取采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送，對(duì)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(jī)中預(yù)先設(shè)定。對(duì)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(hù)電路，過充電保護(hù)電壓值為4.2V，過放電保護(hù)電壓值為3.3V，過電流保護(hù)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(dāng)電池處于正常工作范圍時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)每隔60s對(duì)電壓、電流、溫度采樣一次，采樣10次以后，對(duì)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(dòng)內(nèi)阻采樣電路進(jìn)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(jìn)入快速采樣階段，每隔10s對(duì)電壓、電流、溫度采樣一次，對(duì)10次采樣值取算術(shù)平均值，同時(shí)啟動(dòng)電池組內(nèi)阻采樣電路對(duì)內(nèi)組進(jìn)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(jì)實(shí)現(xiàn)

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

圖4 接收端電路

ANT1和ANT2是接收時(shí)LNA的輸入，接收芯片nRF401的TXEN腳接地，工作在接收模式中。當(dāng)nRF401接收到有效信號(hào)后，輸入信號(hào)被低噪聲放大器放大，經(jīng)由混頻器變換，這個(gè)被變換的信號(hào)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(hào)在DOUT端輸出進(jìn)入單片機(jī)。單片機(jī)判斷信號(hào)是否為有效數(shù)據(jù)幀，首先提取出接收到的校驗(yàn)碼計(jì)算校驗(yàn)和，判斷校驗(yàn)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(jì)算機(jī)上，否則單片機(jī)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(jì)，對(duì)系統(tǒng)軟件編程的基本思路如下[3]：發(fā)射端單片機(jī)首先設(shè)定采樣芯片的工作模式：有分別對(duì)電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行采樣的三種狀態(tài)。單片機(jī)接收檢測部分傳來的狀態(tài)信息，判斷是否發(fā)送。對(duì)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(gè)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)發(fā)往同一臺(tái)主機(jī)，因此需要對(duì)各個(gè)監(jiān)測對(duì)象加上ID號(hào)，另外由于可能在發(fā)送過程中會(huì)有少量的誤碼產(chǎn)生，故需在發(fā)送端產(chǎn)生校驗(yàn)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(dǎo)符+同步字符+ID碼+電壓+電流+溫度+校驗(yàn)碼，由于數(shù)據(jù)包長度是固定的，可以直接采取計(jì)數(shù)的方法判斷是否發(fā)送完成。

接收端單片機(jī)收到先導(dǎo)字段格式的信號(hào)后，產(chǎn)生串行中斷，中斷程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)幀，最后對(duì)收到的數(shù)據(jù)幀的進(jìn)行CRC 校驗(yàn)和計(jì)算，與收到的校驗(yàn)和比較，并檢驗(yàn)校驗(yàn)和，若校驗(yàn)和正確則將數(shù)據(jù)通過串口傳到計(jì)算機(jī)，若校驗(yàn)和錯(cuò)誤，則等待下一次的接收。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)對(duì)4串額定容量為5Ah的聚合物鋰離子電池組進(jìn)無線監(jiān)測。在電池組工作過程中對(duì)其電壓、內(nèi)阻分別進(jìn)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(jì)中，對(duì)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(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定收發(fā)，誤碼率低于0.1%。

4.結(jié)論

本文對(duì)電池監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并以簡潔的硬件電路實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，通過軟件的設(shè)計(jì)減小了系統(tǒng)對(duì)電能的消耗以及傳輸誤差。實(shí)驗(yàn)表明，無線監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)獨(dú)立電源的在線監(jiān)測，對(duì)其狀態(tài)參數(shù)信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定的收發(fā)，給監(jiān)測終端提供及時(shí)有效的電池組狀態(tài)信息。