鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2019年09月05日
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。對鋰離子電池的參數(shù)進(jìn)行實(shí)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(jì)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(jì)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。
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(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)對各個模塊的選通進(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(jì)都是為了實(shí)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(shí)時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。
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(jì)
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(jì)，其軟件設(shè)計(jì)的基本流程如圖3所示。
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)。
