葉露林，吳秋芹，陸錦軍，曹 菁

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電研究所，無錫 214000）

0 引言

AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引車）[1]具有運(yùn)輸效率高、節(jié)能、能實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性裝配系統(tǒng)、柔性加工系統(tǒng)以及自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，極大的提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。為保證AGV每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn), 多采用具有快速充電能力的鋰離子動(dòng)力電池作為其動(dòng)力電源。由于鋰離子動(dòng)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(dòng)力電池的充放電效率，也容易導(dǎo)致動(dòng)力電池過充、過放，嚴(yán)重的會(huì)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(cè)其各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)過沖、過放和過熱等保護(hù)功能，并按實(shí)際使用情況進(jìn)行日常維護(hù)，延長(zhǎng)其使用壽命，降低運(yùn)行成本。

本文利用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]，對(duì)AGV車用鋰離子動(dòng)力電池各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。包括動(dòng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池過沖、過放和過熱等保護(hù)功能，同時(shí)通過在線工況分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池各項(xiàng)診斷功能，為用戶科學(xué)安排維護(hù)計(jì)劃提供決策依據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高。成功應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)組裝及測(cè)試等柔性裝配生產(chǎn)線，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)組成框圖

鋰離子動(dòng)力電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用ZigBee自組網(wǎng)功能，將柔性裝配車間內(nèi)各個(gè)AGV車用鋰離子動(dòng)力電池前端數(shù)據(jù)采集終端連接成無線網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)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(qǐng)求加入或者退出網(wǎng)絡(luò)，并分配有互不重復(fù)的ID標(biāo)記。前端數(shù)據(jù)采集終端實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)力電池工作時(shí)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(dòng)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(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理與數(shù)據(jù)庫(kù)管理。同時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將設(shè)定的運(yùn)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(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

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(hù)模塊兩個(gè)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(hù)模塊采用PIC18F46K80[7]單片機(jī)控制，由電源電路、復(fù)位電路、電芯電壓測(cè)量電路、電池溫度測(cè)量電路、電流測(cè)量電路以及保護(hù)控制電路等組成。

電芯電壓測(cè)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(shí)將各電芯電壓信號(hào)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，完成動(dòng)力電池各串聯(lián)電芯電壓的測(cè)量。電芯電壓測(cè)量電路如圖3所示。CS5513是美國(guó)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(gè)4階Δ-Σ調(diào)制器和一個(gè)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(cè)量誤差。

電池溫度測(cè)量電路。選用NTC（Negative Temperature Coefficient，負(fù)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(shí)現(xiàn)測(cè)溫全量程線性化校正。

電流測(cè)量電路。采用高端電流檢測(cè)方法，利用串聯(lián)在電路中的mΩ級(jí)檢流電阻Rsense對(duì)電池充放電電流進(jìn)行采樣，檢流電阻兩端的毫伏信號(hào)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(shí)現(xiàn)充放電雙向電流精確測(cè)量。由于電路簡(jiǎn)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(cè)小差分電壓。電流測(cè)量電路如圖4所示。

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

ZigBee無線收發(fā)模塊。選用廣州致遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通訊。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

圖3 電芯電壓測(cè)量電路

圖4 電流測(cè)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(dòng)力電池實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)采集程序（電壓、電流以及溫度檢測(cè)），SOC估算和保護(hù)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(yùn)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(shí)積分方法進(jìn)行動(dòng)力電池SOC估算。針對(duì)該方法長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)有較大的累積誤差的缺點(diǎn)，系統(tǒng)在進(jìn)行SOC估算時(shí)，輔以溫度、自放電等因素的動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(cè)控模塊之間的通信中，制定了切實(shí)可行的用戶層通信協(xié)議。

3.1 數(shù)據(jù)請(qǐng)求與應(yīng)答

請(qǐng)求命令：監(jiān)控PC請(qǐng)求前端數(shù)據(jù)采集終端將動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(dòng)力電池關(guān)鍵工作參數(shù)

表1 動(dòng)力電池關(guān)鍵工作參數(shù)

4 上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，采用Visual C++語言[9]編寫而成。程序分為四個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)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(gè)通信對(duì)象。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊。設(shè)置系統(tǒng)保護(hù)及報(bào)警參數(shù)（單電芯電壓、動(dòng)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(shí)間間隔等。

數(shù)據(jù)管理模塊。利用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)工作參數(shù)進(jìn)行管理，方便技術(shù)人員對(duì)動(dòng)力電池實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和打印報(bào)表，并對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行離線分析，為鋰離子動(dòng)力電池的故障分析和日常維護(hù)提供決策依據(jù)。

實(shí)時(shí)顯示模塊。實(shí)時(shí)動(dòng)力電池運(yùn)行參數(shù)以及充放電曲線，方便用戶進(jìn)行動(dòng)力電池性能判斷。

5 結(jié)束語

基于ZigBee的鋰離子動(dòng)力電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效解決了AGV車運(yùn)動(dòng)過程中其內(nèi)部鋰離子動(dòng)力電池實(shí)時(shí)工況在線監(jiān)測(cè)及診斷的問題。并將動(dòng)力電池實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行離線分析，為鋰離子動(dòng)力電池的故障分析和日常維護(hù)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(dòng)機(jī)組裝及測(cè)試等柔性裝配生產(chǎn)線。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。同時(shí)，因其操作簡(jiǎn)單、焊接效率高等特點(diǎn)，受到用戶的好評(píng)。

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