鋰電池化成設(shè)備通信系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

李星燁，汪烈軍

（新疆大學 信息科學與工程學院，新疆 烏魯木齊 830017）

0 引 言

化成是鋰電池生產(chǎn)過程中非常重要的一道工序，作用是將注液封裝之后的鋰電池通過特定的充放電方式將電池內(nèi)部正負極物質(zhì)活化，在化成過程中會形成覆在電極表面的固體電解質(zhì)相界面，固體電解質(zhì)相界面的質(zhì)量直接影響電池的容量、循環(huán)壽命等性能[1-4]。

國內(nèi)外主流的鋰電池化成設(shè)備主要采用兩級分布式或三級分布式控制結(jié)構(gòu)。兩級分布式結(jié)構(gòu)由上位機和下位機組成，通常是計算機作為上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、保存和指令下發(fā)等功能，單片機作為下位機，對各通道電池進行特定的充放電操作并采集電池數(shù)據(jù)等。兩級分布式化成設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、通信可靠的優(yōu)點，但一次化成處理鋰電池數(shù)量較少，不適合大規(guī)模鋰電池生產(chǎn)[5]。三級分布式結(jié)構(gòu)在上位機和下位機之間加入了中位機，中位機通常采用功能較強的單片機，其承擔了上位機的部分控制功能和下位機的部分數(shù)據(jù)采集功能，實現(xiàn)了一個中位機管理多個下位機，產(chǎn)生了以柜為單元的控制管理概念，增加了鋰電池化成的規(guī)模[6-7]。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的三級分布式化成設(shè)備運行中易出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)丟失、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)掉線的問題，同時，電池庫位和風機等設(shè)備的控制器直接與上位機相連，導致上位機通信任務(wù)繁重、操作復(fù)雜，在多臺化成設(shè)備級聯(lián)時不易于管理[8-10]。

對此，本文提出了一種以中位機為通信中樞的鋰電池三級分布式化成設(shè)備通信系統(tǒng)，不僅能與上位機、下位機進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而且可以與控制電池托盤、針床移動的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）、風機控制器、維護工裝等進行信息交互。實現(xiàn)了上位機只需要與中位機連接就可以對整個化成設(shè)備進行管理，并且中位機連接的器件數(shù)量、類型可根據(jù)鋰電池生產(chǎn)廠家的不同需求進行調(diào)整，該系統(tǒng)在鋰電池化成領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

鋰電池三級分布式化成設(shè)備通信系統(tǒng)的上位機是計算機，中位機和下位機均采用ST 公司的STM32F429作為控制芯片，該芯片使用基于ARM Cortex-M4 的內(nèi)核，具有低功耗、低成本、豐富的通信接口、支持嵌入式操作系統(tǒng)等特點。PLC 采用施耐德公司的TM241，該款PLC 內(nèi)置以太網(wǎng)通信接口，可以提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，其適用于具有速度控制和位置控制功能的設(shè)備，滿足化成設(shè)備中電池庫位的控制需求。化成設(shè)備的風機控制器、清洗工裝、線序工裝、校準工裝因功能需求較少，所以均采用ATMEL 公司的低功耗8 位單片機ATMEGA64 作為控制芯片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是：下位機與中位機通過CAN 總線傳輸數(shù)據(jù)；中位機與風機控制器、維護工裝通過RS 485總線進行信息交互；中位機與上位機、PLC端采用網(wǎng)絡(luò)通信。鋰電池三級分布式化成設(shè)備通信系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1 所示。圖中展示的是128 通道化成方案，上位機管理8 個中位機，1 個中位機管理4 個下位機，每個下位機有4 個通道，每個通道可化成處理1 塊方形鋰電池。

圖1 鋰電池三級分布式化成設(shè)備通信系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

鋰電池三級分布式化成設(shè)備通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要分為三個部分，分別是下位機與中位機的CAN 總線電路設(shè)計，中位機與風機控制器、設(shè)備維護工裝的RS 485總線電路設(shè)計，中位機與上位機、PLC 通信的以太網(wǎng)接口電路設(shè)計。

2.1 CAN 總線電路設(shè)計

本設(shè)計中的CAN 通信遵循ISO11898 標準的高速、短距、閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，通信速率可在125 Kb/s～1 Mb/s 內(nèi)進行選擇。中位機、下位機都是CAN 總線上的一個節(jié)點，STM32F429 單片機內(nèi)部集成了CAN 控制器，單片機需要連接一個CAN 收發(fā)器就能組成一個節(jié)點，每個CAN收發(fā)器有兩條差分信號線，即CAN_H、CAN_L 和CAN總線相連，為保證線束阻抗匹配減少回波反射和噪聲干擾，在CAN 總線的終端均配有一個120 Ω 的電阻[11]。CAN 收發(fā)器選用MCP2561，MCP2561 具有支持數(shù)據(jù)高速傳輸、自動熱關(guān)斷保護、耐高溫、耐低溫等優(yōu)點。在CAN_H 和CAN_L 信號線上增加了瞬態(tài)抑制二極管SMBJ6.5CA，當器件受到瞬態(tài)高能量沖擊時，能以極快的速度將器件兩級間高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高能量沖擊，有效地保護CAN 收發(fā)器免受浪涌脈沖的損壞[12]。中位機與下位機CAN 總線節(jié)點電路設(shè)計一致。CAN 總線節(jié)點電路如圖2 所示。

圖2 CAN 總線節(jié)點電路

2.2 RS 485 總線電路設(shè)計

RS 485 總線通信接口選用美國TI 公司的SN75LBC184。SN75LBC184 是內(nèi)置高能噪聲瞬變保護功能的差分數(shù)據(jù)收發(fā)器，其減小了數(shù)據(jù)傳輸線路上瞬態(tài)噪聲的影響，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃??；稍O(shè)備工作的現(xiàn)場環(huán)境十分復(fù)雜，各個節(jié)點之間存在很高的共模電壓，會對RS 485信號總線產(chǎn)生較大的干擾，RS 485接口采用差分傳輸方式，雖然具有一定的抗共模干擾能力，但當共模電壓超過RS 485數(shù)據(jù)接收器的極限電壓時，數(shù)據(jù)收發(fā)器無法工作甚至可能會燒毀芯片和線路上的其他儀器設(shè)備[13]。對此，在設(shè)計中增加了HCPL0601和HCPL2630高速光電耦合器，將其與控制芯片STM32F429 和差分數(shù)據(jù)收發(fā)器相連，通過光耦隔離實現(xiàn)信號的隔離傳輸，SN75LBC184 與控制芯片不共地，有效地抑制了高共模電壓的產(chǎn)生，降低了芯片的損壞率，提高了RS 485 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。RS 485總線電路如圖3所示。

圖3 RS 485 總線節(jié)點電路

2.3 以太網(wǎng)接口電路

中位機的控制芯片STM32F429 內(nèi)部集成網(wǎng)絡(luò)控制器，只能實現(xiàn)以太網(wǎng)MAC 層的協(xié)議，需要外接物理接口收發(fā)器，即PHY 芯片才能實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能[14]。在本設(shè)計中采用的PHY 芯片為DM9161AEP。DM9161AEP是一款完全集成的10/100 M 自適應(yīng)以太網(wǎng)收發(fā)器。該芯片通過精簡介質(zhì)獨立接口（RMII 接口）與STM32F429內(nèi)部MAC控制器相連。由于PHY芯片和網(wǎng)絡(luò)接口RJ 45直接連接，芯片供電電壓不穩(wěn)定時會產(chǎn)生很多無用的雜波，對信號產(chǎn)生干擾，所以在PHY 芯片和網(wǎng)絡(luò)接口之間接入一個網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，避免了當PHY 芯片的供電電壓波動時對設(shè)備信號造成的影響[15]。選用漢仁公司的HR911105A 作為以太網(wǎng)連接器，其集成了隔離變壓器和RJ 45 接口，不僅減少了干擾而且簡化了硬件電路。以太網(wǎng)接口電路如圖4 所示。

圖4 以太網(wǎng)接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，中位機作為通信中樞需要與多種設(shè)備進行不同類型的通信交互，是整個通信系統(tǒng)的核心。為了保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，中位機軟件部分應(yīng)用了μCOS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，此系統(tǒng)基于任務(wù)優(yōu)先級進行多任務(wù)管理，任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置數(shù)值越小代表優(yōu)先級越高，系統(tǒng)會優(yōu)先執(zhí)行級數(shù)高的任務(wù)[16]，通信任務(wù)之間通過信號量、消息郵箱、消息隊列進行通信與同步。中位機在μCOS-Ⅱ的基礎(chǔ)上移植了LWIP 協(xié)議棧，LWIP 是一套用于嵌入式系統(tǒng)的輕量級TCP/IP 協(xié)議棧，該協(xié)議棧使中位機支持網(wǎng)絡(luò)功能。

在設(shè)備運行中，中位機需要對一些通信數(shù)據(jù)進行暫存，為滿足數(shù)據(jù)存儲需求，中位機移植了小型嵌入式文件系統(tǒng)FATFS，用于對SD 卡和FLASH 進行文件管理。下位機、風機控制器、維護工裝執(zhí)行的任務(wù)較少，通信方式唯一，所以均采用前后臺系統(tǒng)。化成設(shè)備中PLC 的控制程序使用施耐德somachine v4.3 編程軟件單獨編寫，在本系統(tǒng)設(shè)計中，只需設(shè)計與PLC 交互的中位機網(wǎng)絡(luò)通信程序。

3.1 CAN 通信模塊

CAN 通信采用CAN2.0B 協(xié)議，通信速率設(shè)置為250 Kb/s，通信協(xié)議使用擴展幀格式進行定義使用，需定義29 位的ID 標識符，每幀數(shù)據(jù)段的長度為8 B。標識符的ID0～ID5 定義為本機ID 號。ID6～ID11 定義為目標ID 號，用來區(qū)分中位機與多臺下位機，在系統(tǒng)中中位機ID 固定為0，下位機ID 從1 開始按序排列，最大值為63。ID12～ID19 設(shè)置為命令號，用于傳輸各種通信命令。ID20～ID27為幀序號范圍，當一次通信數(shù)據(jù)大于8 B時，將逐幀順序發(fā)送并添加幀序號，最大發(fā)送幀數(shù)為255。ID28 為結(jié)束標志，傳輸結(jié)束為1，否則為0。幀ID定義格式如表1 所示。

表1 幀ID 定義格式

下位機只能連接一個中位機，不能同時與多個中位機相連接。其中下位機只負責采集通道數(shù)據(jù)，不主動發(fā)送數(shù)據(jù)，通過接收中位機的命令，根據(jù)命令內(nèi)容進行通道控制和數(shù)據(jù)發(fā)送。CAN 總線通信執(zhí)行流程圖如圖5所示。

圖5 CAN 總線通信執(zhí)行流程圖

3.2 RS 485 通信模塊

RS 485 總線為半雙工通信方式，同一時刻只能有一個節(jié)點處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，如果多節(jié)點都處于發(fā)送狀態(tài)并發(fā)送數(shù)據(jù)會導致總線沖突[17]。設(shè)置通信的幀格式為8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗位，波特率[18]為9 600 b/s。中位機與風機控制器的通信協(xié)議如表2所示。中位機與風機控制器通過RS 485 總線進行數(shù)據(jù)傳輸及風機轉(zhuǎn)速調(diào)整。設(shè)備維護時，會將不同類型的工裝設(shè)備連接在RS 485 總線上，中位機發(fā)送命令至工裝設(shè)備，進行設(shè)備的校準、清洗等操作。風機控制器與工裝設(shè)備不主動發(fā)送數(shù)據(jù)至中位機，只有接收到中位機的命令后，執(zhí)行命令并回復(fù)狀態(tài)信息。RS 485 總線通信執(zhí)行流程圖如圖6 所示。

表2 中位機與風機控制器的通信協(xié)議

圖6 RS 485 總線通信執(zhí)行流程圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

中位機與上位機通過TCP/IP 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，中位機基于LWIP 的netconn 編程接口實現(xiàn)TCP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信，上位機電腦作為客戶端，中位機作為服務(wù)器。服務(wù)器的IP 地址由DHCP 動態(tài)分配，也可以根據(jù)中位機順序設(shè)置IP 地址，通信端口固定為4040。上位機與中位機通信協(xié)議如表3 所示。

表3 上位機與中位機通信協(xié)議

命令頭1 為固定格式，命令頭2 標記數(shù)據(jù)的發(fā)送方，時間戳標記數(shù)據(jù)發(fā)送的準確時間，命令字、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容是要傳輸?shù)木唧w操作指令和數(shù)據(jù)內(nèi)容，BBC 校驗碼用于驗證傳輸數(shù)據(jù)的正確性和完整性，確保發(fā)送方和接收方的數(shù)據(jù)內(nèi)容一致。中位機TCP 服務(wù)器端任務(wù)流程圖如圖7 所示。

圖7 中位機TCP 服務(wù)器端任務(wù)流程圖

中位機與PLC 通信，中位機作為客戶端，施耐德TM241 作為服務(wù)器。采用ModbusTCP 協(xié)議作為通信協(xié)議，ModbusTCP 協(xié)議是基于以太網(wǎng)TCP/IP 的Modbus 協(xié)議，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通用通信協(xié)議。中位機客戶端任務(wù)使用netconn 編程接口創(chuàng)建數(shù)據(jù)連接結(jié)構(gòu)并向施耐德TM241 發(fā)出連接請求，施耐德TM241接收請求并建立連接進行數(shù)據(jù)傳輸。中位機可以通過發(fā)送請求將數(shù)據(jù)從PLC 讀取或?qū)懭氪鎯ζ?，PLC 根據(jù)存儲數(shù)據(jù)進行I/O 調(diào)整，從而實現(xiàn)對電池托盤、針床等器件的狀態(tài)控制。中位機TCP客戶端任務(wù)流程圖如圖8所示。

圖8 中位機TCP 客戶端任務(wù)流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

系統(tǒng)啟動后，為了便于管理，可依據(jù)中位機序號設(shè)置IP 地址。通過上位機軟件登錄，登錄用戶名和密碼可自行變更，設(shè)備登錄界面如圖9 所示。

圖9 設(shè)備登錄界面

登錄進入后，計算機與化成設(shè)備成功連接，可以設(shè)置具體的工步和參數(shù)，如設(shè)置恒流恒壓充電工步的執(zhí)行時間、電池充電的上限電壓、終止電流等參數(shù)。設(shè)備工程信息設(shè)置界面如圖10 所示。

圖10 設(shè)備工程信息設(shè)置界面

本文使用ATKKPING 軟件對系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)測試。ATKKPING 是一款Ping 的增強軟件，常用于網(wǎng)絡(luò)丟包率的測試。在測試中，對目標主機Ping 1 460 B 數(shù)據(jù)每輪測試發(fā)送10 000 個數(shù)據(jù)包，調(diào)整Ping 間隔時間，測試丟包率和Ping 平均延遲時間，ATKKPING 測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 ATKKPING 測試數(shù)據(jù)

通過測試可知，數(shù)據(jù)在傳輸過程中有較低的丟包率和較小的Ping 平均延遲時間。在設(shè)備實際運行中，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤或丟失的情況，可以通過應(yīng)用層協(xié)議進行有效的判斷和處理。設(shè)備運行中通道的電池電壓、電流、容量、溫度等數(shù)據(jù)能夠在上位機界面準確顯示。修改電池托盤、消防閥、泄壓閥的狀態(tài)，均可以正常響應(yīng)并進行狀態(tài)調(diào)整。測試連接的風機控制器、清洗工裝、校準工裝、線序工裝，數(shù)據(jù)傳輸無異常，均能執(zhí)行PC機發(fā)送的控制指令并進行狀態(tài)響應(yīng)。通過測試，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了工程應(yīng)用的要求。

5 結(jié) 語

本文提出一種鋰電池化成設(shè)備通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)中位機采用多種通信方式和通信協(xié)議，與下位機、PLC、風機控制器和多種維護工裝進行信息交互，并應(yīng)用μCOS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)進行多種通信任務(wù)的管理，提高了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確，在長時間工作中運行穩(wěn)定。同時，系統(tǒng)中通信設(shè)備之間相互獨立，易于拓展和日常維護。在化成設(shè)備運行中，只需通過操作上位機軟件就可以對整個設(shè)備進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和狀態(tài)控制，利于工作人員對化成設(shè)備的管理，適用于鋰電池大規(guī)模化成車間。

注：本文通訊作者為汪烈軍。