基于ZigBee的鋰離子動力電池在線監(jiān)測系統(tǒng)

葉露林，吳秋芹，陸錦軍，曹 菁

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院 機電研究所，無錫 214000）

0 引言

AGV（Automated Guided Vehicle，自動導(dǎo)引車）[1]具有運輸效率高、節(jié)能、能實現(xiàn)柔性運輸?shù)葍?yōu)點，廣泛應(yīng)用于柔性裝配系統(tǒng)、柔性加工系統(tǒng)以及自動化立體倉庫，極大的提高生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率。為保證AGV每天24小時連續(xù)運轉(zhuǎn), 多采用具有快速充電能力的鋰離子動力電池作為其動力電源。由于鋰離子動力電池在現(xiàn)階段制造工藝下，一般由多節(jié)單體電芯通過串并聯(lián)的方式組成，其內(nèi)部各單體電芯本身的不一致性不但影響動力電池的充放電效率，也容易導(dǎo)致動力電池過充、過放，嚴重的會導(dǎo)致電池發(fā)熱而引燃，甚至爆炸。因此，必須在使用過程中在線監(jiān)測其各項運行參數(shù)，實現(xiàn)過沖、過放和過熱等保護功能，并按實際使用情況進行日常維護，延長其使用壽命，降低運行成本。

本文利用數(shù)字化測量技術(shù)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]，對AGV車用鋰離子動力電池各項參數(shù)進行實時監(jiān)測。包括動力電池以及內(nèi)部各單體電芯電壓[3,4]、充放電電流、溫度以及SOC (state of charge, 荷電狀態(tài))[5,6]等參數(shù)，實現(xiàn)動力電池過沖、過放和過熱等保護功能，同時通過在線工況分析，實現(xiàn)動力電池各項診斷功能，為用戶科學安排維護計劃提供決策依據(jù)。整個系統(tǒng)操作簡單、穩(wěn)定性好、自動化程度高。成功應(yīng)用于汽車發(fā)動機組裝及測試等柔性裝配生產(chǎn)線，并取得了較好的經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)組成框圖

鋰離子動力電池在線監(jiān)測系統(tǒng)利用ZigBee自組網(wǎng)功能，將柔性裝配車間內(nèi)各個AGV車用鋰離子動力電池前端數(shù)據(jù)采集終端連接成無線網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。由協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置，前端數(shù)據(jù)采集終端通過發(fā)送請求加入或者退出網(wǎng)絡(luò)，并分配有互不重復(fù)的ID標記。前端數(shù)據(jù)采集終端實時檢測動力電池工作時的電流、電壓、溫度以及SOC等參數(shù)，并通過ZigBee無線通信將所采集動力電池工作參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器起到網(wǎng)關(guān)的作用，將所接收的數(shù)據(jù)通過RS-485總線轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控平臺，進行數(shù)據(jù)分析處理與數(shù)據(jù)庫管理。同時，監(jiān)控平臺通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將設(shè)定的運行參數(shù)下載至前端數(shù)據(jù)采集終端。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 前端數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

前端數(shù)據(jù)采集終端主要包含ZigBee無線收發(fā)模塊及電池信息采集與保護模塊兩個部分。其組成如圖2所示。

圖2 前端數(shù)據(jù)采集終端框圖

電池信息采集與保護模塊采用PIC18F46K80[7]單片機控制，由電源電路、復(fù)位電路、電芯電壓測量電路、電池溫度測量電路、電流測量電路以及保護控制電路等組成。

電芯電壓測量電路。采用多通道切換的技術(shù)，通過低阻抗MOS管組成的多路電子開關(guān)，分時將各電芯電壓信號經(jīng)過分壓以及由CS3002構(gòu)成的電壓跟隨器緩沖后，切換到CS5513進行A/D轉(zhuǎn)換，完成動力電池各串聯(lián)電芯電壓的測量。電芯電壓測量電路如圖3所示。CS5513是美國CRYSTAL公司生產(chǎn)的20bit串行輸出A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包括一個4階Δ-Σ調(diào)制器和一個濾波器。分壓電阻（R1-Rn，以及R）均選用精密金屬膜電阻，減小因溫度系數(shù)不同而造成的測量誤差。

電池溫度測量電路。選用NTC（Negative Temperature Coefficient，負溫度系數(shù)）熱敏電阻作為溫度傳感器。由于NTC熱敏電阻的阻值與溫度之間是非線性的函數(shù)關(guān)系，采用軟件查表法實現(xiàn)測溫全量程線性化校正。

電流測量電路。采用高端電流檢測方法，利用串聯(lián)在電路中的mΩ級檢流電阻Rsense對電池充放電電流進行采樣，檢流電阻兩端的毫伏信號經(jīng)過ADI公司單電源高性能差分放大器AD8207放大后，送至PIC18F46K80內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)充放電雙向電流精確測量。由于電路簡單可靠，系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性得到很大提高。AD8207共模電壓輸入范圍為-4V～65V（電源電壓5V）,可以承受-25V～+70V 的輸入共模電壓, 適用于在高共模電壓情況下檢測小差分電壓。電流測量電路如圖4所示。

保護控制電路。根據(jù)設(shè)定的保護控制參數(shù)，控制電子開關(guān)斷開或接通電池主電路，實現(xiàn)動力電池過沖、過放和過熱等保護功能。

ZigBee無線收發(fā)模塊。選用廣州致遠電子有限公司ZM2410系列ZigBee無線收發(fā)模塊（2.4GHz），該模塊內(nèi)嵌串口透明傳輸通訊協(xié)議，可實現(xiàn)點對點，一點對多點無線通訊。

2.2 軟件設(shè)計

圖3 電芯電壓測量電路

圖4 電流測量電路

前端數(shù)據(jù)采集終端控制程序采用C18[8]和匯編語言混合編程。主要包括初始化程序、通訊處理程序，動力電池實時運行參數(shù)采集程序（電壓、電流以及溫度檢測），SOC估算和保護控制程序四大部分，如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

初始化程序主要完成各端口的初始化以及從EEPROM中讀取運行參數(shù)。端口的初始化包括串口通訊接口、A/D轉(zhuǎn)換接口以及SPI通訊接口的初始化。其中串口初始化主要完成串口工作方式的配置，波特率參數(shù)設(shè)置，發(fā)送接收允許以及串口中斷允許寄存器的設(shè)置等。

系統(tǒng)采用安時積分方法進行動力電池SOC估算。針對該方法長時間工作時有較大的累積誤差的缺點，系統(tǒng)在進行SOC估算時，輔以溫度、自放電等因素的動態(tài)補償法，有效提高估算精度。

3 通信應(yīng)用層協(xié)議

應(yīng)用層協(xié)議是ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵。監(jiān)控PC與前端溫度測控模塊之間的通信中，制定了切實可行的用戶層通信協(xié)議。

3.1 數(shù)據(jù)請求與應(yīng)答

請求命令：監(jiān)控PC請求前端數(shù)據(jù)采集終端將動力電池工作參數(shù)上傳。

正常應(yīng)答：前端數(shù)據(jù)采集終端將所采集的動力電池工作參數(shù)上傳到監(jiān)控PC。

異常應(yīng)答：

3.2 參數(shù)下載與應(yīng)答

下載命令：監(jiān)控PC將設(shè)定的運行參數(shù)下載至前端數(shù)據(jù)采集終端。

正常應(yīng)答：

異常應(yīng)答：

3.3 動力電池關(guān)鍵工作參數(shù)

表1 動力電池關(guān)鍵工作參數(shù)

4 上位監(jiān)控軟件設(shè)計

系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用模塊化設(shè)計，采用Visual C++語言[9]編寫而成。程序分為四個基本的模塊：通信模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理以及實時顯示模塊。

通信模塊。利用監(jiān)控PC串行通信接口與ZigBee協(xié)調(diào)器通訊，實現(xiàn)通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)與各前端數(shù)據(jù)采集終端網(wǎng)絡(luò)通信。完成通信命令數(shù)據(jù)的編解碼，向數(shù)據(jù)管理與顯示模塊提供一個通信對象。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊。設(shè)置系統(tǒng)保護及報警參數(shù)（單電芯電壓、動力電池總電壓、電池溫度以及充放電電流等），串行通信參數(shù)以及巡檢時間間隔等。

數(shù)據(jù)管理模塊。利用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和查詢功能，對鋰離子動力電池運行過程中的實時工作參數(shù)進行管理，方便技術(shù)人員對動力電池實時狀態(tài)數(shù)據(jù)進行查詢和打印報表，并對動力電池進行離線分析，為鋰離子動力電池的故障分析和日常維護提供決策依據(jù)。

實時顯示模塊。實時動力電池運行參數(shù)以及充放電曲線，方便用戶進行動力電池性能判斷。

5 結(jié)束語

基于ZigBee的鋰離子動力電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，有效解決了AGV車運動過程中其內(nèi)部鋰離子動力電池實時工況在線監(jiān)測及診斷的問題。并將動力電池實時運行參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫中，方便技術(shù)人員對系統(tǒng)性能進行離線分析，為鋰離子動力電池的故障分析和日常維護提供決策依據(jù)。本系統(tǒng)開發(fā)以來，已成功應(yīng)用于汽車發(fā)動機組裝及測試等柔性裝配生產(chǎn)線。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益十分明顯。同時，因其操作簡單、焊接效率高等特點，受到用戶的好評。

[1] 金嘉琦,王玉鵬.AGV在發(fā)動機試車線上的應(yīng)用研究[J].機械設(shè)計與制造,2005(11):131-133.

[2] 楊福寶.基于Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2011,33(1):60-62.

[3] 蔣新華,雷娟,馮毅,等.串聯(lián)電池組電壓測量的新方法[J].儀器儀表學報,2007(4):734-737.

[4] Gu Qijun,Chen Yifang,Wu Zhifei.A voltage measuring method of series battery[J].Electrical Measurement &Instrumentation,2002,39(5):26-29.

[5] 時瑋,姜久春,李索宇,等.磷酸鐵鋰電池SOC估算方法研究[J].電子測量與儀器學報,2010,24(8):769-774.

[6] 田曉輝,刁海南,范波,等.車用鋰離子動力電池SOC的預(yù)測研究[J].電源技術(shù),2010,34(1):51-54.

[7] Microchip. PIC18F66K80 Family Data Sheet [Microchip Data Sheet] .www.microchip.com,2012.

[8] Microchip.MPLAB? C18 C COMPILER LIBRARIES[Microchip Data Sheet] .www.microchip.com,2005.

[9] David Simon,周瑜萍.Visual C++6.0 編程寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.528-792.