鋰離子電池組無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
摘要：本文對基于無線傳輸?shù)碾姵乇O(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計了一套遠(yuǎn)距離電池管理監(jiān)測系統(tǒng)，討論了影響數(shù)據(jù)無線傳輸可靠性的因素，給出了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計圖，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。
Battery monitoring system based on wireless transmissionAbstract: In this paper a battery monitoring system based on wireless transmission was studied. The effect factors of data transmission was discussed, and the software and hardware of the system design was put forwarded. The results of experiment was also analyzed in the paper.
Key word: lithium battery; wireless transmission；monitoring
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(jìn)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(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(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(jìn)行測量，由單片機(jī)對采樣數(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、本地計算機(jī)組成，接收芯片對信號解調(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算機(jī)上進(jìn)行，監(jiān)測人員可通過對狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析掌握該電池組的工作狀態(tài)，對不正常的電池及時進(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
Fig.1 Block diagram of the batteries monitor system
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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(jìn)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(jī)對各個模塊的選通進(jìn)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?zhǔn)確、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(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
Fig.2 Schematic of transmitter circuit
文中采用的是ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)對發(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
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
Fig.3 Flow chart of transmitter
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?fàn)顟B(tài)的監(jiān)測電路在檢測到電池組有工作電流時進(jìn)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(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，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(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(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)計實現(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、主控計算機(jī)組成，電路如圖4所示。
圖4 接收端電路
Fig.4 Schematic block of receiver circuit
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(dāng)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(jìn)入單片機(jī)。單片機(jī)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(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，對系統(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(jī)，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(dǎo)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(jī)收到先導(dǎo)字段格式的信號后,產(chǎn)生串行中斷，中斷程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)幀，最后對收到的數(shù)據(jù)幀的進(jìn)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(jī)，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(jìn)無線監(jiān)測。在電池組工作過程中對其電壓、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)
電池組 編號 |
電壓/V |
內(nèi)阻/mΩ | ||||||
|
實際值 |
測量值 |
終端值 |
誤差 |
實際值 |
測量值 |
終端值 |
誤差 | |
|
1 |
4.182 |
4.184 |
4.184 |
0.002 |
7.3 |
8.4 |
8.4 |
0.5 |
|
2 |
4.183 |
4.186 |
4.186 |
0.003 |
7.3 |
8.0 |
8.0 |
0.5 |
|
3 |
4.182 |
4.184 |
4.184 |
0.002 |
7.6 |
8.4 |
8.4 |
0.8 |
|
4 |
4.182 |
4.186 |
4.186 |
0.004 |
8.2 |
8.4 |
8.4 |
0.2 |
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(jìn)行了研究，設(shè)計了一個遠(yuǎn)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(jìn)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。