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      基于Labview的鋰離子電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2017-10-13 04:24:36勝,徐進(jìn),李
      船電技術(shù) 2017年1期
      關(guān)鍵詞:充放電上位串口

      趙 勝,徐 進(jìn),李 圍

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      基于Labview的鋰離子電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      趙 勝,徐 進(jìn),李 圍

      (武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢430064)

      本文針對(duì)鋰電池在充放電過(guò)程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于Labview平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用OZ3705電池管理芯片采集電池的電流和電壓,以及溫度傳感器采集溫度,上位機(jī)與TS1102A單片機(jī)之間采用RS-232異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)串口通信,利用上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集到的電池的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)。

      Labview 數(shù)據(jù)采集 RS-232串行通信 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

      0 引言

      現(xiàn)如今,電池已經(jīng)廣泛運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)之中,能源,汽車,航天[1]等等,為提高生產(chǎn)效率,對(duì)電池工作狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)和早期的預(yù)警是非常關(guān)鍵的[2],對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)控也必須具備實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、快速響應(yīng)等特點(diǎn)[3],同時(shí),也須具備對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理,報(bào)警,查詢分析和統(tǒng)計(jì)的功能。

      為了對(duì)電池充放電的過(guò)程進(jìn)行有效的管理,利用Labview測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)電池的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有數(shù)據(jù)采集和波形顯示、報(bào)警、監(jiān)控和管理等功能。Labview是基于圖形編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境,與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言有很多相似點(diǎn),比如數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具等[4]。除此之外,Labview內(nèi)置的測(cè)量庫(kù)支持多種形式的輸入輸出格式,可以靈活的擴(kuò)展,還具有對(duì)用戶接口進(jìn)行交互式的分析及顯示、自動(dòng)識(shí)別儀器驅(qū)動(dòng)和代碼生成等功能[5]。Labview編程簡(jiǎn)單方便,界面形象直觀,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力。利用Labview開(kāi)發(fā)的上位機(jī)與單片機(jī)的通信可以實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè),簡(jiǎn)潔高效。

      1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      鋰離子電池充放電過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)的采集使用了TS1102A單片機(jī),應(yīng)用C語(yǔ)言編程,包含各端口的定義,對(duì)電壓、電流和溫度的采集。利用可編程直流電源給電池充電,電子負(fù)載對(duì)電池放電,利用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)充電和放電的狀態(tài)。在充放電過(guò)程中,觀察電壓,電流以及溫度的變化。利用單片機(jī)采集電池工作狀態(tài)下的電流、電壓和溫度信號(hào),通過(guò)串口通訊端口傳遞給上位機(jī)Labview,在上位機(jī)上顯示電池各個(gè)參數(shù)的數(shù)值和波形,并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      其中,可編程直流電源的型號(hào)為:GWPPT-1830,最大輸出電壓為18 V,最大輸出電流3 A,輸出精度為10 mV,1 mA。電子負(fù)載的型號(hào):安捷倫N3302A,提供恒定電流,恒定電壓,恒定功率等放電模式,使用開(kāi)關(guān)可以調(diào)節(jié)電池充放電的模式,通過(guò)RS2332接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。

      2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2.1電壓采集

      電池采用OZ3705電池管理芯片,通過(guò)內(nèi)部集成的高精度12bit ADC測(cè)量每一節(jié)電池的電壓、溫度、電流,通過(guò)I2C BUS通訊傳送給MCU用于保護(hù)控制。OZ3705還集成過(guò)流和短路檢測(cè)功能,極大簡(jiǎn)化了電池管理方案的設(shè)計(jì)。單節(jié)鋰電池最高電壓不高于4.2V,電池端電壓信號(hào)可以直接接入電池管理芯片通信端口,由此可以得到電壓的值。

      2.2電流采集

      電池的工作電流為充放電過(guò)程回路中的電流,采樣傳感器使用大功率的采樣電阻,通過(guò)測(cè)試采樣電阻兩端的電壓差得到電流值。

      電流的變化范圍隨著測(cè)試條件的不同從幾十毫安到幾安培不等,阻值如果太大,會(huì)消耗太多功率,還有可能燒毀采樣電阻;阻值太小,電阻兩端壓差又太小,放大電路的測(cè)量誤差會(huì)較大。本文使用0.1Ω的采樣電阻,選用的放大電路理論上放大11倍。

      2.3溫度采集

      電池溫度的測(cè)量通過(guò)內(nèi)部的溫度傳感器將測(cè)量結(jié)果存放在溫度寄存器中,再經(jīng)過(guò)單總線輸入輸出端口與單片機(jī)端口完成串行數(shù)據(jù)傳送。采用PT100熱電阻測(cè)取電池的表面溫度。在0到850℃的范圍內(nèi),熱電阻溫度變化是非線性的:R=R(1+α-β2),R為熱電阻在0℃的阻值。測(cè)量電池表面溫度使用小片未封裝鉑熱電阻,測(cè)溫端與電池緊緊連接,在中間涂層導(dǎo)熱硅脂。

      利用TS1102A單片機(jī)采集電壓、溫度、電流數(shù)據(jù),使用K1開(kāi)關(guān)控制總電路,K2開(kāi)關(guān)控制充放電過(guò)程。上位機(jī)Labview程序控制VISA串口通訊輸出端,通過(guò)K2調(diào)節(jié)電池充電和放電過(guò)程之間的轉(zhuǎn)換。

      3 Labview軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      3.1串口通訊模式設(shè)置

      本文采用串口通信模式,下位機(jī)與上位機(jī)的通信具有串行和并行兩種方式。在異步串行通信方式中,通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程,該方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單方便,開(kāi)銷小。具體通信流程如圖2所示。

      因此,對(duì)電池的電流和電壓數(shù)據(jù)的采集利用異步串行通訊模式進(jìn)行,采用RS-232異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用TTL電平,RS-232使用的是RS-232電平,為了使通信穩(wěn)定,本文使用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)TS1102A單片機(jī)輸入輸出的串口信息到上位機(jī)的RS232串行接口信息的轉(zhuǎn)換。

      3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

      本文利用Labview平臺(tái)開(kāi)發(fā)上位機(jī),Labview具有PCI,PXI,RS-232/485,USB等各種儀器通訊總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù),以及對(duì)鋰離子電池的充放電過(guò)程中電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。將各個(gè)儀表和波形圖的取值范圍設(shè)置好,設(shè)計(jì)出的上位機(jī)前面板界面如圖3所示。

      上位機(jī)分為前面板和程序框圖,主要分為三個(gè)方面:接收和顯示電壓、電流、溫度的數(shù)據(jù)信息;D/A轉(zhuǎn)換;設(shè)定電壓數(shù)據(jù)采集通道。前面板給出了電壓表、電流表、溫度計(jì)的圖形,波形圖表,上限報(bào)警值和預(yù)警燈,串口通信通道,電壓值的范圍在12 V到17 V之間,低于12 V電池不能繼續(xù)放電,高于17 V電池不能繼續(xù)充電,電流值的范圍在0到3 A之間,高于3 A,會(huì)造成過(guò)流保護(hù),溫度不能超過(guò)70℃,否則會(huì)高溫保護(hù)。

      Labview程序框圖面板中,主要由打開(kāi)串口的會(huì)話部分,寫入溫度、電壓、電流部分,獲取電壓、電流、溫度數(shù)值和波形部分,關(guān)閉與串口的會(huì)話部分構(gòu)成。

      電流、電壓以及溫度的讀取通過(guò)VISA Read節(jié)點(diǎn)下位機(jī)部分接收變化模擬電壓(0~5 V),連接字符串轉(zhuǎn)字節(jié)數(shù)組函數(shù)和索引數(shù)組函數(shù),通過(guò)數(shù)值“+”和“x”字符連接到測(cè)量數(shù)據(jù)顯示圖標(biāo),儀表圖標(biāo),實(shí)時(shí)曲線控件圖標(biāo),上位機(jī)接收到單片機(jī)發(fā)送的電壓值為十六進(jìn)制,需轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制形式,用數(shù)字或波形曲線的形式輸出。程序中對(duì)電壓、電流和溫度的值都設(shè)置了上限,電壓值超出最大電壓值17 V,報(bào)警燈會(huì)亮起,同時(shí)電流值大于3 A,溫度超過(guò)70℃同樣也會(huì)報(bào)警。上位機(jī)后面板部分程序框圖如圖4所示。

      關(guān)閉與串口的會(huì)話部分,當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束時(shí),會(huì)清空緩沖區(qū),在條件結(jié)構(gòu)中,條件判斷為真時(shí),使用VISA Close節(jié)點(diǎn)關(guān)閉串口會(huì)話,單片機(jī)與上位機(jī)通信結(jié)束。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      本文主要為了研究二次鋰離子電池的充電放電過(guò)程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化,采用Labview編程平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī),利用了圖形化的編程,界面簡(jiǎn)潔直觀,開(kāi)發(fā)效率高,便于修改,使用非常方便。通過(guò)單片機(jī)與上位機(jī)的串行通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和預(yù)警功能,同時(shí)以圖形和數(shù)值的形式顯示出來(lái)。

      [1] 武斌,陳峭巖,劉斌,等.電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì) [J] .電測(cè)與儀表,2013,50(1):112-116.

      [2] 魏興亞,魏寧嫻,趙佩.基于LabVIEW的鋰電池SOC估計(jì)與參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].應(yīng)用能源技術(shù), 2016,(01):45-48.

      [3] Verma V, Tellapati R, Bayya M,et al. LabVIEW-based battery monitoring system with effects of temperature on lead-acid battery[J]. International Journal of Enhanced Research in Science Technology & Engineering, 2013,2:6-10.

      [4] 王東樓,何怡剛,謝豐,等. 基于LabVIEW的電能質(zhì)量分析與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電源技術(shù),2016,40(4):881-884.

      [5] 馬偉,張洪浩,董鵬舉. 基于LabVIEW的電動(dòng)汽車電池監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[J]. 電子科技,2015,28(9):115-119.

      Design of Data Monitoring System for Lithium-ion Batteries by Labview

      Zhao Sheng,Xu Jin,Li Wei

      (Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

      Aimed at the questions of data monitoring in the process of lithium-ion batteries in charging and discharging, the paper presents a monitoring system designed by labview platform. The system implements data acquisition for the battery’s current and voltage with OZ3705 battery management chip , to get temperature with temperature sensors. The serial communication between the PC that real-time monitors the battery’s voltage, current, temperature and TS1102A single-chip microcomputer is implemented with RS-232 asynchronous communication standard.

      Labview; data acquisition; RS-232 serial communication; real-time monitoring

      TM911

      A

      1003-4862(2017)01-0065-03

      2016-08-15

      趙勝(1988-),男,碩士。研究方向:化學(xué)電源。Email: wkd_zhaosheng@126.com

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