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鋰離子電池組無線監(jiān)控系統(tǒng)設計

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月05日  

1、前言


隨著鋰離子電池的廣泛應用,其安全性問題越來越受重視。對鋰離子電池的參數進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。有些應用領域由于條件限制,難于鋪設線路,需要對電池進行遠距離的監(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,可通過無線網絡對采集的數據進行傳輸管理。


該系統(tǒng)主要由鋰離子電池組狀態(tài)參數數據采集、信號無線傳輸、數據處理等幾部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。前端由狀態(tài)參數采集模塊和無線發(fā)射控制模塊組成,其中數據采集部分包括對鋰離子電池組的電壓、電流、內阻以及溫度等參數進行測量,由單片機對采樣數據進行初步處理,然后控制發(fā)射芯片調制發(fā)送。系統(tǒng)后端由無線接收控制模塊、單片機和串口電路、本地計算機組成,接收芯片對信號解調,單片機接收數據并進行處理,將有效數據通過串口傳送到本地計算機上進行,監(jiān)測人員可通過對狀態(tài)數據進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


根據鋰離子電池組多樣的應用環(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計,主要包括:鋰離子電池組電壓測量電路、電流測量電路、內阻測量電路、溫度測量電路四個部分[1,2]。檢測模塊對采集的信號進行A/D轉換,并將數據發(fā)送給控制模塊。設計中采用的高精度、高實效數據采集模塊兼顧了專用化和通用化的原則,配置靈活。系統(tǒng)可由單片機對各個模塊的選通進行控制,各模塊可單獨使用也可以自由組合,能適應不同的應用場合。


2、實驗系統(tǒng)


無線數據傳輸和有線數據傳輸相比較而言,其特點是使用射頻信號來發(fā)送和接收數據包。無線數據傳輸主要由無線數據終端、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,因此對數據傳輸的準確、實時性以及功耗問題是設計的關鍵。


2.1發(fā)射端


2.1.1發(fā)射端電路的設計實現(xiàn)


無線傳輸系統(tǒng)發(fā)射端的硬件電路主要由數據采集模塊、單片機以及RF發(fā)射芯片組成,電路如圖2所示。



圖2發(fā)射端電路


文中采用的是ATMEL公司的AT89C51單片機對發(fā)射系統(tǒng)進行控制,單片機控制數據采集模塊分別對電池的電壓、電流、內阻以及溫度進行采樣。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調制/解調和多頻道切換等功能,在低成本數字無線通信應用中具有突出的技術優(yōu)勢[68]。


2.1.2發(fā)射端軟件設計


根據對鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)的工作模式的設計,其軟件設計的基本流程如圖3所示。



圖3發(fā)射端流程圖


對鋰離子電池組的參數采樣分為幾種狀態(tài):一是定時采樣;二是觸發(fā)采樣,有兩類觸發(fā),一種是處于靜止狀態(tài)的監(jiān)測電路在檢測到電池組有工作電流時進入工作狀態(tài),開始定時采樣;另一種是內阻的觸發(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,單片機響應中斷進入工作模式。首先設定采樣模塊的工作模式,對電池組狀態(tài)參數進行采樣,單片機等待一定采樣延時后,讀取采樣數據進行分析,判斷數據是否發(fā)送,對采樣數據是否發(fā)送的判斷依據可以根據具體應用體系在單片機中預先設定。對監(jiān)測系統(tǒng)作了如下設定:


(1)監(jiān)測系統(tǒng)應用于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。電池組的應用現(xiàn)場具有保護電路,過充電保護電壓值為4.2V,過放電保護電壓值為3.3V,過電流保護電流值為3A;


(2)在監(jiān)測系統(tǒng)中設定的電池組工作狀態(tài)參數正常范圍為:工作電壓為3.4V~4.1V,工作電流《2.5A,工作溫度為-10℃~60℃,內阻值為初始值的2倍以內;


(3)當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次啟動內阻采樣電路進行采樣;


(4)若電池狀態(tài)參數超出正常工作范圍,采樣電路進入快速采樣階段,每隔10s對電壓、電流、溫度采樣一次,對10次采樣值取算術平均值,同時啟動電池組內阻采樣電路對內組進行采樣并發(fā)送采樣數據。


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