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

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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