锂离子电池组无线监控体系规划
摘要：本文对依据无线传输的电池监测体系进行了研讨，规划了一套远间隔电池办理监测体系，评论了影响数据无线传输可靠性的要素，给出了体系的软、硬件规划图，并对试验成果进行了剖析。
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. 前语
跟着锂离子电池的广泛运用，其安全性问题越来越受注重。对锂离子电池的参数进行实时检测能够有用防止电池的不安全运用，而且能够尽量发挥电池的功能。有些运用领域因为条件约束，难于铺设线路，需要对电池进行远间隔的监测，比方路灯蓄电池办理；或许因为很多运用，逐一衔接监测线路比较费事如基站电源办理中电池的状况监测或许很多在通讯电台会集的场合等，可经过无线网络对收集的数据进行传输办理。
该体系首要由锂离子电池组状况参数数据收集、信号无线传输、数据处理等几部分组成，体系框图如图1所示。前端由状况参数收集模块和无线发射操控模块组成，其间数据收集部分包含对锂离子电池组的电压、电流、内阻以及温度等参数进行丈量，由单片机对采样数据进行开端处理，然后操控发射芯片调制发送。体系后端由无线接纳操控模块、单片机和串口电路、本地核算机组成，接纳芯片对信号解调，单片机接纳数据并进行处理，将有用数据经过串口传送到本地核算机上进行，监测人员可经过对状况数据进行剖析把握该电池组的作业状况，对不正常的电池及时进行处理，保证其作业的可靠性。
图1、电池监测体系原理框图
Fig.1 Block diagram of the batteries monitor system
依据锂离子电池组多样的运用环境以及体系办理的意图，状况采样设备选用的是模块化的规划，首要包含：锂离子电池组电压丈量电路、电流丈量电路、内阻丈量电路、温度丈量电路四个部分[1,2]。检测模块对收集的信号进行A/D转化，并将数据发送给操控模块。规划中选用的高精度、高实效数据收集模块统筹了专用化和通用化的准则，装备灵敏。体系可由单片机对各个模块的选通进行操控，各模块可独自运用也能够自由组合，能习惯不同的运用场合。
2．试验体系
无线数据传输和有线数据传输相比较而言，其特点是运用射频信号来发送和接纳数据包。无线数据传输首要由无线数据终端、主接纳器和主监控器组成，主监控器与主接纳器间选用串行口通讯。整个传输体系的规划都是为了完结对锂离子电池组状况在线监测这个意图，因而对数据传输的精确、实时性以及功耗问题是规划的要害。
2.1 发射端
2.1.1发射端电路的规划完结
无线传输体系发射端的硬件电路首要由数据收集模块、单片机以及RF发射芯片组成，电路如图2所示。
图2 发射端电路
Fig.2 SchemaTIc of transmitter circuit
文中选用的是ATMEL公司的AT89C51单片机对发射体系进行操控，单片机操控数据收集模块别离对电池的电压、电流、内阻以及温度进行采样。无线发射芯片选用的是挪威Nordic公司推出的一体化无线收发芯片nRF401，nRF401芯片中集成了高频发射/接纳、PLL组成、FSK调制/解谐和多频道切换等功能，在低成本数字无线通讯运用中具有杰出的技术优势[68]。
2.1.2发射端软件规划
依据对锂离子电池组监测体系的作业形式的规划，其软件规划的根本流程如图3所示。 
图3 发射端流程图
Fig.3 Flow chart of transmitter
对锂离子电池组的参数采样分为几种状况：一是守时采样；二是触发采样，有两类触发，一种是处于停止状况的监测电路在检测到电池组有作业电流时进入作业状况，开端守时采样；另一种是内阻的触发采样。监测模块在体系不作业的时分处于掉电形式，单片机以体系中的作业电流作为外部中止触发。一旦体系有作业电流，单片机呼应中止进入作业形式。首要设定采样模块的作业形式，对电池组状况参数进行采样，单片机等候必定采样延时后，读取采样数据进行剖析，判别数据是否发送，对采样数据是否发送的判别依据能够依据详细运用体系在单片机中预先设定。对监测体系作了如下设定：
（1）监测体系运用于4串5Ah锂离子电池组的在线监测中，体系作业电流为1A，最大电流值为5A。电池组的运用现场具有维护电路，过充电维护电压值为4.2V，过放电维护电压值为3.3V，过电流维护电流值为3A；
（2）在监测体系中设定的电池组作业状况参数正常规模为：作业电压为3.4V～4.1V，作业电流<2.5A，作业温度为-10℃～60℃，内阻值为初始值的2倍以内；
（3）当电池处于正常作业规模时，监测体系每隔60s对电压、电流、温度采样一次，采样10次今后，对10次采样值取算术平均值然后发送。正常情况下电池组每循环10次发动内阻采样电路进行采样；
（4）若电池状况参数超出正常作业规模，采样电路进入快速采样阶段，每隔10s对电压、电流、温度采样一次，对10次采样值取算术平均值，一起发动电池组内阻采样电路对内组进行采样并发送采样数据。
2.2接纳端
2.2.1 接纳端电路的规划完结
接纳端的硬件电路由无线收发芯片nRF401、单片机AT89C51、串口芯片MAX232、主控核算机组成，电路如图4所示。
图4 接纳端电路
Fig.4 SchemaTIc block of receiver circuit
ANT1和ANT2是接纳时LNA的输入，接纳芯片nRF401的TXEN脚接地，作业在接纳形式中。当nRF401接纳到有用信号后，输入信号被低噪声扩大器扩大，经由混频器改换，这个被改换的信号在送入解调器之前被扩大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端输出进入单片机。单片机判别信号是否为有用数据帧，首要提取出接纳到的校验码核算校验和，判别校验和是否正确，若正确则别离提取出ID码、电压、电流、内阻、温度值经过串口电路发送到终端操控核算机上，不然单片机疏忽此次数据，等候下一次接纳。
2.2.2接纳端软件
依照以上硬件电路规划，对体系软件编程的根本思路如下[3]：发射端单片机首要设定采样芯片的作业形式：有别离对电池的电压、电流、温度进行采样的三种状况。单片机接纳检测部分传来的状况信息，判别是否发送。关于确认发送的监测数据，因为该体系能够把多个监测站的数据发往同一台主机，因而需要对各个监测目标加上ID号，别的因为可能在发送过程中会有少数的误码发生，故需在发送端发生校验和，将数据依照固定帧格局组合为数据帧之后发送到发射芯片。数据帧格局为前导符+同步字符+ID码+电压+电流+温度+校验码，因为数据包长度是固定的，能够直接采纳计数的办法判别是否发送完结。
接纳端单片机收到先导字段格局的信号后,发生串行中止，中止程序担任接纳数据帧，最终对收到的数据帧的进行CRC 校验和核算，与收到的校验和比较，并查验校验和，若校验和正确则将数据经过串口传到核算机，若校验和过错，则等候下一次的接纳。
3.试验成果剖析
试验中体系对4串额外容量为5Ah的聚合物锂离子电池组进无线监测。在电池组作业过程中对其电压、内阻别离进行监测，体系前端丈量值及终端监测成果如表1所示：
表1 电池组状况参数监测成果（电压/内阻）
Tab.1 Monitor result of batteries state parameter (voltage and resistance)
| 电池组 编号 |
电压/V |
内阻/mΩ |
||||||
|
实践值 |
丈量值 |
终端值 |
差错 |
实践值 |
丈量值 |
终端值 |
差错 |
|
|
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 |
本规划中，对锂离子电池组作业状况参数的监测差错规模为：电压监测差错在0.005V以内；内阻差错在1mΩ以内。剖析形成体系差错的原因，首要是因为前端检测电路带来的差错以及信号A/D转化引起的差错，而无线传输体系在发射间隔20米内能够完结信号的安稳收发，误码率低于0.1%。
4．定论
本文对电池监测体系的无线传输进行了研讨，规划了一个长途无线数据传输体系,并以简练的硬件电路完结电池参数信号的收集与存储,经过软件的规划减小了体系对电能的耗费以及传输差错。试验标明，无线监测体系能够完结对多个独立电源的在线监测，对其状况参数信号进行安稳的收发，给监测终端供给及时有用的电池组状况信息。
