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,。

圖1  電池監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

　　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,，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)計中采用的高精度,、高實效數(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,，各模塊可單獨使用也可以自由組合,，能適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

　　2,、實驗系統(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(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確、實時性以及功耗問題是設(shè)計的關(guān)鍵,。

2.1 發(fā)射端

　　2.1.1 發(fā)射端電路的設(shè)計實現(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

　　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

　　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,，其軟件設(shè)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(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,；

　?。?）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)；

　?。?）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),。

　　2.2 接收端

　　2.2.1 接收端電路的設(shè)計實現(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,、主控計算機(jī)組成,，電路如圖4所示。

圖4  接收端電路

　　ANT1和ANT2是接收時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接收到有效信號后，輸入信號被低噪聲放大器放大,，經(jīng)由混頻器變換,，這個被變換的信號在送入解調(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)字信號在DOUT端輸出進(jìn)入單片機(jī),。單片機(jī)判斷信號是否為有效數(shù)據(jù)幀，首先提取出接收到的校驗碼計算校驗和,，判斷校驗和是否正確,，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,，對系統(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)接收檢測部分傳來的狀態(tài)信息，判斷是否發(fā)送,。對于確定發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù),，由于該系統(tǒng)可以把多個監(jiān)測站的數(shù)據(jù)發(fā)往同一臺主機(jī)，因此需要對各個監(jiān)測對象加上ID號,，另外由于可能在發(fā)送過程中會有少量的誤碼產(chǎn)生,，故需在發(fā)送端產(chǎn)生校驗和，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+校驗碼,，由于數(shù)據(jù)包長度是固定的，可以直接采取計數(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，最后對收到的數(shù)據(jù)幀的進(jìn)行CRC 校驗和計算,，與收到的校驗和比較,，并檢驗校驗和，若校驗和正確則將數(shù)據(jù)通過串口傳到計算機(jī),，若校驗和錯誤,，則等待下一次的接收。

　　3.實驗結(jié)果分析

　　實驗中系統(tǒng)對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。在電池組工作過程中對其電壓,、內(nèi)阻分別進(jìn)行監(jiān)測,，系統(tǒng)前端測量值及終端監(jiān)測結(jié)果如表1所示：

表1 電池組狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果（電壓/內(nèi)阻）
Tab.1  Monitor result of batteries state parameter (voltage and resistance)

　　本設(shè)計中，對鋰離子電池組工作狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測誤差范圍為：電壓監(jiān)測誤差在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電路帶來的誤差以及信號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)可以實現(xiàn)信號的穩(wěn)定收發(fā)，誤碼率低于0.1%,。

　　4．結(jié)論

　　本文對電池監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸進(jìn)行了研究,，設(shè)計了一個遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),并以簡潔的硬件電路實現(xiàn)電池參數(shù)信號的采集與存儲,通過軟件的設(shè)計減小了系統(tǒng)對電能的消耗以及傳輸誤差。實驗表明,，無線監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多個獨立電源的在線監(jiān)測,，對其狀態(tài)參數(shù)信號進(jìn)行穩(wěn)定的收發(fā)，給監(jiān)測終端提供及時有效的電池組狀態(tài)信息,。

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