鋰離子電池組無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：本文對(duì)基于無線傳輸?shù)碾姵乇O(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)距離電池管理監(jiān)測(cè)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(jì)圖，并對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)鋰離子電池的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)，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(cè)線路比較麻煩如基站電源管理中電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)或者大量在通信電臺(tái)集中的場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(jì)，主要包括：鋰離子電池組電壓測(cè)量電路、電流測(cè)量電路、內(nèi)阻測(cè)量電路、溫度測(cè)量電路四個(gè)部分[1,2]。檢測(cè)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(chǎng)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(cè)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
Fig.2 Schematic of transmitter circuit
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(shì)[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(cè)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
Fig.3 Flow chart of transmitter
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(cè)電路在檢測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)作了如下設(shè)定：
（1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于4串5Ah鋰離子電池組的在線監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)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
Fig.4 Schematic block of receiver circuit
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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，由于該系統(tǒng)可以把多個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)。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(cè)，系統(tǒng)前端測(cè)量值及終端監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示：
表1 電池組狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果（電壓/內(nèi)阻）
Tab.1 Monitor result of batteries state parameter (voltage and resistance)
電池組 編號(hào) |
電壓/V |
內(nèi)阻/mΩ | ||||||
|
實(shí)際值 |
測(cè)量值 |
終端值 |
誤差 |
實(shí)際值 |
測(cè)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(jì)中，對(duì)鋰離子電池組工作狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)誤差范圍為：電壓監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(cè)，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(cè)終端提供及時(shí)有效的電池組狀態(tài)信息。