趙 勝，李 圍，趙 權(quán)

應(yīng)用研究

基于RS485通信的深海電池組數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 勝，李 圍，趙 權(quán)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)深海鋰電池組在充放電過(guò)程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于Labview圖形化編程平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)與上位機(jī)的485串行通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控以及報(bào)警功能。

Labview 數(shù)據(jù)采集 RS-485串行通信 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引言

現(xiàn)在，電池在各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)中廣泛的使用，船舶，航空，以及交通領(lǐng)域等等[1]，對(duì)我們的生活產(chǎn)生了深刻的影響，為了保證電池使用的安全與穩(wěn)定，對(duì)電池工作狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)和早期的預(yù)警是非常重要的[2]，對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)也必須具有時(shí)效性、準(zhǔn)確性、持續(xù)性等特點(diǎn)[3]，同時(shí)，也要具備對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，故障報(bào)警的反應(yīng)，數(shù)據(jù)查詢(xún)分析和統(tǒng)計(jì)等功能。

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)設(shè)計(jì)電池組數(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、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢(xún)和存儲(chǔ)等功能。Labview是圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用數(shù)據(jù)流的編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序[4]。Labview集成了與滿(mǎn)足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能[5]。Labview編程簡(jiǎn)單方便，界面形象，生動(dòng)，易于監(jiān)測(cè)[6]。利用Labview開(kāi)發(fā)的上位機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，接收電池組各項(xiàng)數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)，簡(jiǎn)單方便。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋰離子電池組在充放電過(guò)程中利用電源管理系統(tǒng)完成對(duì)電壓、電流和溫度等各項(xiàng)參數(shù)的采集，使用充放電機(jī)給電池充電、放電，利用開(kāi)關(guān)控制調(diào)節(jié)充電和放電的狀態(tài)。在充放電過(guò)程中，觀(guān)察電壓，電流以及溫度的實(shí)時(shí)變化。利用電源管理系統(tǒng)采集電池工作狀態(tài)下的電流、電壓和溫度信號(hào)，通過(guò)RS-485串口通訊端將信息傳遞給上位機(jī)，然后會(huì)在上位機(jī)上顯示電池組各個(gè)參數(shù)的數(shù)值以及波形，方便隨時(shí)的監(jiān)測(cè)。該數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

利用充放電機(jī)對(duì)電池組進(jìn)行充放電循環(huán)試驗(yàn)，充放電可以提供穩(wěn)定的恒流源，通過(guò)開(kāi)關(guān)面板可以調(diào)節(jié)充放電的模式，通過(guò)RS485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

電池電壓的采集使用LTC6804-2芯片，可快速高效的測(cè)量12個(gè)串接電池的電壓，總誤差低于1.2 mv，LTC6804-2內(nèi)部的ADC采集完成后，通過(guò)SPI總線(xiàn)通訊將數(shù)據(jù)傳送給MCU。LTC6804-2芯片的電壓檢測(cè)功能，很大程度上簡(jiǎn)化了電池管理的設(shè)計(jì)方案。單節(jié)鋰電池最高電壓不高于3.65 V，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

電池組的工作電流為放電過(guò)程回路中的電流，使用電流檢測(cè)板采集電路中的電流值。

霍爾電流傳感器的型號(hào)眾多，量程范圍寬泛，精度高、靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。利用電流傳感器的霍爾效應(yīng)檢測(cè)電路中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算電路中的電流值。

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(xiàn)輸入輸出端口與單片機(jī)端口完成串行數(shù)據(jù)傳送。

利用電源管理系統(tǒng)采集電壓、溫度、電流數(shù)據(jù)，使用電子開(kāi)關(guān)控制總電路及充放電過(guò)程。上位機(jī)程序監(jiān)測(cè)RS485串口通訊端輸出，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電池充電和放電過(guò)程之間的轉(zhuǎn)換。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 通訊模式設(shè)置

電源管理系統(tǒng)與上位機(jī)采用485串口通信模式。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。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)的采集利用串行通訊模式進(jìn)行，采用RS-485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。RS-485采用半雙工工作方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，平衡發(fā)送和差分接收，可以抑制共模干擾，使通信保持穩(wěn)定。

圖2 電池?cái)?shù)據(jù)采集通信流程

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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(xiàn)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。將界面上的數(shù)據(jù)顯示控件、表格以及波形圖合理的分布在前面板上，設(shè)計(jì)出的上位機(jī)前面板如圖3所示。

圖3 基于Labview平臺(tái)上位機(jī)前面板

上位機(jī)分為前面板和程序框圖，前面板主要分為六個(gè)子模塊：電池模塊數(shù)據(jù)界面、電壓數(shù)據(jù)界面、溫度數(shù)據(jù)界面、保護(hù)參數(shù)界面、程序更新界面、數(shù)據(jù)查詢(xún)界面。電池模塊數(shù)據(jù)界面列出了通訊端口，總電壓及支路電壓、總電流及支路電流、溫度值顯示框，波形圖表，上限報(bào)警燈等顯示控件；電壓數(shù)據(jù)界面列出了各支路單體電壓值顯示控件，以及最高電壓序號(hào)，最低電壓序號(hào)顯示控件；溫度數(shù)據(jù)界面列出了各支路單體溫度值顯示控件，以及最高溫度序號(hào)和最低溫度序號(hào)；保護(hù)參數(shù)界面列出了支路過(guò)流，支路過(guò)充，過(guò)溫，欠溫，單體電壓的保護(hù)值，可以設(shè)定和讀取保護(hù)參數(shù)；程序更新界面實(shí)現(xiàn)了讀取特定文件，并向下位機(jī)發(fā)送指令更新程序狀態(tài)；數(shù)據(jù)查詢(xún)界面可以查詢(xún)不同時(shí)間段的電池組的數(shù)據(jù)，并將查詢(xún)結(jié)果導(dǎo)出到excel中，以上就是上位機(jī)六個(gè)子模塊完成的功能。

Labview程序框圖面板中，主要由選擇打開(kāi)串口，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求指令，上位機(jī)獲取電壓值、電流值、溫度值和波形值等部分，關(guān)閉與串口的會(huì)話(huà)部分構(gòu)成。

首先打開(kāi)串口會(huì)話(huà)通過(guò)VISA資源名稱(chēng)設(shè)置串口號(hào)為COM，VISA serial屬性節(jié)點(diǎn)對(duì)串口初始化的波特率為19200bit/s，數(shù)據(jù)位為8，無(wú)校驗(yàn)位，停止位為1。上位機(jī)收到下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)信息解析出來(lái)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)單體的電壓、溫度值，以及充放電過(guò)程中的支路中的電流值。

上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求指令，在一個(gè)while循環(huán)中進(jìn)行，將請(qǐng)求指令寫(xiě)入VISA寫(xiě)入函數(shù)的寫(xiě)入緩沖區(qū)。程序中“等待下一個(gè)整數(shù)倍毫秒”函數(shù)控制循環(huán)速度，“停止”節(jié)點(diǎn)退出整個(gè)循環(huán)。

上位機(jī)獲取數(shù)據(jù)值通過(guò)VISA Read節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包里面的有效信息通過(guò)截取字符串函數(shù)截取出來(lái)，然后將字符串轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換簇函數(shù)，最后將數(shù)據(jù)信息按字節(jié)數(shù)解析，單體電壓信息由16位組成，占用兩個(gè)字節(jié)，電流信息由16位組成，占用兩個(gè)字節(jié)，溫度數(shù)據(jù)由8位組成，占用一個(gè)字節(jié)，電池鼓脹信息占用一個(gè)bit，以及狀態(tài)信息包含循環(huán)次數(shù)、剩余容量、工作狀態(tài)、故障信息各占一個(gè)字節(jié)。程序中對(duì)單體電壓、電流和溫度的值都設(shè)置了最大值，單體電壓值超出最大電壓值3.6V，低于2.65V報(bào)警燈都會(huì)亮起，電流值大于100A，溫度超過(guò)80℃同樣也會(huì)報(bào)警。

程序?qū)崿F(xiàn)了IAP程序更新，調(diào)試上位機(jī)向BCU板發(fā)送程序更新指令，BCU板回復(fù)程序更新準(zhǔn)備好應(yīng)答，上位機(jī)收到應(yīng)答后開(kāi)始發(fā)送程序數(shù)據(jù)，間隔10 ms。BCU接收程序數(shù)據(jù)后進(jìn)行應(yīng)答，反饋更新?tīng)顟B(tài)。

管理系統(tǒng)初始化會(huì)清除所有故障記錄數(shù)據(jù)，復(fù)位容量值，初始化設(shè)定所有保護(hù)參數(shù)。調(diào)試上位機(jī)向BCU板發(fā)送管理系統(tǒng)初始化指令，BCU板完成初始化后回復(fù)指令。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(huà)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(huà)，單片機(jī)與上位機(jī)通信結(jié)束。

圖4 上位機(jī)后面板部分程序框圖

3.3 結(jié)果及分析

經(jīng)測(cè)試，該深海電池組數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確的監(jiān)控電池組實(shí)時(shí)電壓，溫度，電流等數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，對(duì)電池組全過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)能夠精確記錄，方便操作人員對(duì)電池組系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行分析，以及突發(fā)報(bào)警狀況大的及時(shí)響應(yīng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要為了研究二次鋰離子電池組在充電放電的過(guò)程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，采用Labview圖形化編程平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī)，界面簡(jiǎn)潔直觀(guān)，開(kāi)發(fā)效率高，使用方便。通過(guò)單片機(jī)與上位機(jī)的RS-485串行通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集，監(jiān)控和報(bào)警功能，同時(shí)數(shù)據(jù)也以圖形和數(shù)值的形式顯示出來(lái)。

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Design of data monitoring system on lithium-ion battery based on RS485

Zhao Sheng, Li Wei, Zhao Quan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0084-03

2021-09-30

趙勝（1988-），男，工程師。研究方向：電源管理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。E-mail：550736090@qq.com