梁紅(中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島066000)

基于JAVA的鋰電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

梁紅
(中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島066000)

隨著鋰離子電池應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，鋰離子在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)成為了保障鋰離子電池安全工作的必要手段。設(shè)計(jì)了一種運(yùn)行穩(wěn)定、精確度高的新型鋰離子電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、上位機(jī)軟件組成。數(shù)據(jù)采集與控制模塊利用傳感器與繼電器為外圍部件，完成鋰離子電池運(yùn)行參數(shù)的采集及控制命令的執(zhí)行；數(shù)據(jù)處理模塊完成以TM320LF2407DSP處理器為核心的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，可以采用浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的快速運(yùn)算，提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度；上位機(jī)軟件以JAVA為編程語(yǔ)言，以Eclipse為開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示處理與控制命令的下達(dá)等功能。

鋰離子電池；在線監(jiān)測(cè)；DSP；Java

鋰離子電池以其容量高、比能量高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用，但是鋰離子電池在使用過(guò)程中所存在的安全問(wèn)題也成為鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的重大障礙，因此加強(qiáng)對(duì)鋰離子電池組的在線監(jiān)測(cè)成為了研究的重點(diǎn)。

1 鋰離子電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鋰電池的在線監(jiān)測(cè)早在上世紀(jì)90年代就得到了一定的應(yīng)用。最初的電池監(jiān)測(cè)過(guò)程利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，功能單一、精度低、自動(dòng)化程度不高是這一代電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通病。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，個(gè)性化高、可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單方便的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為市場(chǎng)急需的產(chǎn)品。

鋰電池的監(jiān)控主要是對(duì)鋰離子電池的工作特性進(jìn)行采集、對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。而這些工作特性主要有：充放電特性、功率特性、電阻特性、電池循環(huán)特性、溫度特性、安全性特等[1]。這些特性參數(shù)直接影響到電池的工作狀態(tài)，甚至?xí)?dǎo)致電池失效。鋰電池的性能衰退及功能失效的原因是多方面的，主要的內(nèi)因有：電池活性材料老化、電解液損耗、隔膜老化等；外因有環(huán)境溫濕度、充放電機(jī)制、使用過(guò)程等，尤其是充放電特性，對(duì)鋰電池的使用效果及壽命有極大的影響。一個(gè)良好的充電過(guò)程是多個(gè)階段的組合，具體過(guò)程如圖1所示[1]。

良好的充電過(guò)程是鋰離子電池效能的保證。而對(duì)于鋰離子電池而言，良好的放電特性也是必不可少的環(huán)節(jié)。一般在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，鋰離子電池的放電速度不能高于0.5C，最大連續(xù)放電速率不能超過(guò)1.5C，電壓低于2.7 V時(shí)應(yīng)終止放電[2]。

這些指標(biāo)都將體現(xiàn)在電池的監(jiān)控系統(tǒng)中，一個(gè)完整的電池監(jiān)測(cè)應(yīng)包括溫度監(jiān)測(cè)、浮充電壓、放電電流、內(nèi)阻、接線短路與開(kāi)路狀態(tài)等部分，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

從圖2中可知，該監(jiān)控系統(tǒng)以TMS320LF2407DSP為計(jì)算和控制核心，以各種傳感器和其他監(jiān)控儀器為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。之所以會(huì)選擇TMS320LF2407DSP，是因?yàn)樗哂懈咝阅艿腃2XLP內(nèi)核，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，四級(jí)流水線操作，浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)，而且內(nèi)部集成了豐富的外圍部件，具有運(yùn)算速度快、控制實(shí)時(shí)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的通信接口采用CAN總線形式，上位機(jī)通過(guò)TMS320LF2407DSP來(lái)控制電池組的充放電過(guò)程和其他操作，以保證電池工作的安全性。

2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)開(kāi)發(fā)使用的編程語(yǔ)言是Java。Java是一個(gè)純語(yǔ)言，擁有面向?qū)ο罄^承、多態(tài)、封裝、抽象四個(gè)基本特性。而Sun公司對(duì)Java編程語(yǔ)言的解釋是：簡(jiǎn)單、面向?qū)ο?、分布式、解釋性、健壯、安全與系統(tǒng)無(wú)關(guān)、可移植、高性能、多線程和動(dòng)態(tài)的語(yǔ)言。這一系列的特點(diǎn)使Java成為應(yīng)用最為廣泛的編程語(yǔ)言之一。

本設(shè)計(jì)中所使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Eclipse。系統(tǒng)從用戶(hù)的角度出發(fā)，盡可能在不影響功能實(shí)現(xiàn)的情況下降低操作難度，使普通用戶(hù)也可以方便地進(jìn)行操作。此外，對(duì)系統(tǒng)中所產(chǎn)生的任何異常都進(jìn)行了充分的考慮，以任何異常都進(jìn)行處理為原則，進(jìn)行合理的處理，以提升軟件的友好性和交互性。

在該上位機(jī)系統(tǒng)中，主要實(shí)現(xiàn)了六個(gè)模塊，分別為鋰電池參數(shù)的管理模塊、用戶(hù)登錄及權(quán)限管理模塊、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示及報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)分析及決策模塊、集中控制及報(bào)表輸出模塊。其中，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示及報(bào)警模塊的程序流程如圖3所示。

圖3　設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示及報(bào)警模塊的程序流程

在上位機(jī)程序中有兩處由為重要。一處為串口程序，串口程序的設(shè)計(jì)上，將串口獨(dú)立設(shè)計(jì)為一個(gè)類(lèi)。包擴(kuò)三種方法：獲取串口，向串口寫(xiě)數(shù)據(jù)，向串口讀數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)該功能需要引用一個(gè)額外的Java包：RXTXcomm.jar，該jar包由開(kāi)源社區(qū)提供，實(shí)現(xiàn)了基本的串口通信功能。

獲取串口方法如下：首先將所有的串口保存在一個(gè)枚舉對(duì)象中，然后判斷枚舉是否為空，不為空則取出枚舉對(duì)象中下標(biāo)為1的串口對(duì)象，轉(zhuǎn)換為SerialPort對(duì)象后返回。

寫(xiě)數(shù)據(jù)利用輸出流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)通過(guò)輸出流輸出到下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間的通信，具體程序如下。

//程序往端口寫(xiě)出一個(gè)字符串?dāng)?shù)據(jù)

讀數(shù)據(jù)利用輸入流實(shí)現(xiàn)，具體程序如下所示。

//程序往端口讀取一個(gè)字符串?dāng)?shù)據(jù)

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以TMS320LF2407DSP為核心，構(gòu)建了鋰離子電池參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了總體方案及硬件的基本選型，并利用Java開(kāi)發(fā)了上位機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有應(yīng)用靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。如果利用Java再開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的APP程序，將具有更大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

[1] 方小斌.鋰離子電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2008：17-19.

[2]KOGGALAGE R.Review of impedance measurements for determination of the state-of-charge or state-of-health of secondary batteries [J].J Power Sources,1998,12(70):56-59.

Research of lithium battery online monitoring system based on JAVA

LIANG Hong
(China Environmental Management Cadre College,Qinhuangdao Hebei 066000,China)

As expanding the lithium ion battery application,lithium ion on-line monitoring management system was a necessary means to ensure the safety of lithium ion batteries work.A kind of stable operation and high precision of the new type lithium ion battery online monitoring system was designed.The system was made up of data acquisition and control module,data processing module,upper machine software.Sensor and relay were used by data acquisition and control module for peripheral,then the lithium ion battery operation parameter'sacquisition and control command execution was completed.Data processing module was TM320LF2407DSP processor as the core of data processing and fast operation of floating point data,and could be used to improve the operation speed of the system. PC software based on JAVA programming language,and the Eclipse development environment,had realized the hypogyny machine system according to the processing and control commands issued,and other functions.

lithium ion battery;on-line monitoring;DSP;Java

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0075-02

2015-06-12

梁紅(1979—)，女，吉林省人，講師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)。