锂离子电池组无线监控系统设计

中心议题：
    * 电池监测系统原理
    * 发射端电路的设计实现
    * 发射端软件设计

1、前言
随着锂离子电池的广泛应用，其安全性问题越来越受重视。对锂离子电池的参数进行实时检测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。有些应用领域由于条件限制，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集中的场合等，可通过无线网络对采集的数据进行传输管理。

该系统主要由锂离子电池组状态参数数据采集、信号无线传输、数据处理等几部分组成，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离子电池组的电压、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处理，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处理，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析掌握该电池组的工作状态，对不正常的电池及时进行处理，确保其工作的可靠性。

图1  电池监测系统原理框图

根据锂离子电池组多样的应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：锂离子电池组电压测量电路、电流测量电路、内阻测量电路、温度测量电路四个部分[1,2]。检测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，能适应不同的应用场合。

2、实验系统
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离子电池组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应用中具有突出的技术优势[68]。

2.1.2 发射端软件设计
根据对锂离子电池组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