锂电池包无线监控系统设计

随着锂电池的广泛使用，其安全性问题越来越受重视。对锂电池的参数进行实时测试可以有效避免电池的不安全使用，并且可以尽量发挥电池的性能。有些使用范畴由于条件限制，难于铺设线路，需要对电池进行远距离的监测，比如路灯蓄电池管理；或者由于大量使用，逐个连接监测线路比较麻烦如基站电源管理中电池的状态监测或者大量在通信电台聚集的场合等，可通过无线网络对采集的数据进行传输管理。

该系统主要由锂电池包状态参数数据采集、信号无线传输、数据解决等几部分组成，系统框图如图1所示。前端由状态参数采集模块和无线发射控制模块组成，其中数据采集部分包括对锂电池包的电压、电流、内阻以及温度等参数进行测量，由单片机对采样数据进行初步解决，然后控制发射芯片调制发送。系统后端由无线接收控制模块、单片机和串口电路、本地计算机组成，接收芯片对信号解调，单片机接收数据并进行解决，将有效数据通过串口传送到本地计算机上进行，监测人员可通过对状态数据进行分解掌握该电池包的工作状态，对不正常的电池及时进行解决，确保其工作的可靠性。

图1电池监测系统原理框图

依据锂电池包多样的使用环境以及系统管理的目的，状态采样装置采用的是模块化的设计，主要包括：锂电池包电压测量电路、电流测量电路、内阻测量电路、温度测量电路四个部分［1，2］。测试模块对采集的信号进行A/D转换，并将数据发送给控制模块。设计中采用的高精度、高实效数据采集模块兼顾了专用化和通用化的原则，配置灵活。系统可由单片机对各个模块的选通进行控制，各模块可单独使用也可以自由组合，能适应不同的使用场合。

2、试验系统

无线数据传输和有线数据传输相比较而言，其特点是使用射频信号来发送和接收数据包。无线数据传输主要由无线数据终端、主接收器和主监控器组成，主监控器与主接收器间采用串行口通信。整个传输系统的设计都是为了实现对锂电池包状态在线监测这个目的，因此对数据传输的准确、实时性以及功耗问题是设计的关键。

2.1发射端

2.1.1发射端电路的设计实现

无线传输系统发射端的硬件电路主要由数据采集模块、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

文中采用的是ATMEL公司的AT89C51单片机对发射系统进行控制，单片机控制数据采集模块分别对电池的电压、电流、内阻以及温度进行采样。无线发射芯片采用的是挪威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/接收、PLL合成、FSK调制/解调和多频道切换等功能，在低成本数字无线通信使用中具有突出的技术优点［68］。

2.1.2发射端软件设计

依据对锂电池包监测系统的工作模式的设计，其软件设计的基本流程如图3所示。

图3发射端流程图

对锂电池包的参数采样分为几种状态：一是定时采样；二是触发采样，有两类触发，一种是处于静止状态的监测电路在测试到电池包有工作电流时进入工作状态，开始定时采样；另一种是内阻的触发采样。监测模块在系统不工作的时候处于掉电模式，单片机以系统中的工作电流作为外部中断触发。一旦系统有工作电流，单片机应和中断进入工作模式。首先设定采样模块的工作模式，对电池包状态参数进行采样，单片机等待一定采样延时后，读取采样数据进行分解，判断数据是不是发送，对采样数据是不是发送的判断根据可以依据详尽使用体系在单片机中预先设定。对监测系统作了如下设定：

（1）监测系统使用于4串5Ah锂电池包的在线监测中，系统工作电流为1A，最大电流值为5A。电池包的使用现场具有保护电路，过充电保护电压值为4.2V，过放电保护电压值为3.3V，过电流保护电流值为3A；

（2）在监测系统中设定的电池包工作状态参数正常范围为：工作电压为3.4V～4.1V，工作电流《2.5A，工作温度为-10℃～60℃，内阻值为初始值的2倍以内；

（3）当电池处于正常工作范围时，监测系统每隔60s对电压、电流、温度采样一次，采样10次以后，对10次采样值取算术均匀值然后发送。正常情况下电池包每循环10次启动内阻采样电路进行采样；

（4）若电池状态参数超出正常工作范围，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次采样值取算术均匀值，同时启动电池包内阻采样电路对内组进行采样并发送采样数据。

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