鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2019年09月05日
鋰離子電池組無(wú)線(xiàn)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(wèn)題越來(lái)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(guò)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(guò)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。
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(zhuān)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(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸相比較而言，其特點(diǎn)是使用射頻信號(hào)來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸主要由無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(wèn)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(wú)線(xiàn)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(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(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片采用的是挪威Nordic公司推出的一體化無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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。
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(lèi)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(kāi)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(xiàn)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(guò)充電保護(hù)電壓值為4.2V，過(guò)放電保護(hù)電壓值為3.3V，過(guò)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?xún)?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)。
