汪田洲，吳愛(ài)國(guó)，馬 園，王 碩

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072)

基于LabVIEW的鋰電池組充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪田洲，吳愛(ài)國(guó)，馬 園，王 碩

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072)

為了解決鋰電池組串聯(lián)充電每個(gè)電池單體個(gè)性差異的問(wèn)題，采用并聯(lián)充電方式，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的鋰離子電池組充電管理系統(tǒng)。上位機(jī)程序使用圖形化開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW編寫，完成人工設(shè)定充電參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)80塊電池單體的電壓、電流、電量、電池狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警并保存故障信息等功能。上下位機(jī)之間采用CAN總線以主從的方式進(jìn)行通訊，運(yùn)用隊(duì)列的方式作為接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)，解決了80塊電池單體與上位機(jī)通信協(xié)調(diào)問(wèn)題。對(duì)電池組進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，顯示電池組狀態(tài)信息，表明充電管理運(yùn)行良好，可靠性強(qiáng)，具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景。

鋰電池；LabVIEW；CAN總線；充電管理系統(tǒng)

鋰電池因具有綠色環(huán)保、無(wú)污染、使用溫度范圍寬、電壓高、電量大、耐用等特點(diǎn)而成為了現(xiàn)代高性能電池的代表，在電動(dòng)車、航天等大型動(dòng)力電源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于各電池單體自身特性差異，對(duì)鋰電池組進(jìn)行串聯(lián)充電可能會(huì)出現(xiàn)某些電池單體不能充滿電或過(guò)充電的情況。過(guò)充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的性能，甚至可能會(huì)導(dǎo)致爆炸而造成人員傷害，所以為鋰電池組配備相應(yīng)的電池監(jiān)控管理系統(tǒng)就顯得非常必要[1]。

1 充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由圖1可得，該系統(tǒng)采用上、下位機(jī)相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)。下位機(jī)由整流模塊、充電控制器(并充模塊)、電池單體組成。整流模塊部分的輸入是三相四線的50 Hz的工頻交流電，經(jīng)過(guò)半橋整流電路，電感電容濾波后可以提供接近310 V的電壓；充電控制器完成電池單體恒流恒壓充電、過(guò)流、過(guò)壓及短路保護(hù)等功能?？刂破鞑捎肈SP2812控制VICOR模塊的方案，即用VICOR設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)的恒壓恒流源，完成恒流恒壓控制；電池單體是18 Ah容量，滿容量時(shí)總電壓近似為300 V，每個(gè)電池單體有兩根充電線，兩根檢測(cè)線，用于充電以及檢測(cè)。上位機(jī)采用研華工控機(jī)。上下位機(jī)的通訊采用CAN總線。CAN總線上掛著80塊充電控制器控制的電池單體，工控機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)，80塊充電控制器作為從節(jié)點(diǎn)。本文中所用的充電控制柜如圖2所示。

圖1 充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 鋰電池組充電控制柜

2 LabVIEW上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

電池組充電管理系統(tǒng)的LabVIEW軟件設(shè)計(jì)總體框圖如圖3所示，要實(shí)現(xiàn)的功能如下所示：

圖3 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)總體框圖

(1)參數(shù)設(shè)定：可人工設(shè)定充電電池的截止電壓、標(biāo)稱電壓、充電電流值、充電模塊數(shù)等狀態(tài)參數(shù)和充電截止時(shí)間、充電截止條件，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流限壓充電方式，充電完成時(shí)自動(dòng)停止充電。

(2)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組各單體充電電壓、充電電流、電量、電池狀態(tài)進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查看：將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的各電池單體的充電電壓、充電電流、電量及時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄并存儲(chǔ)，能夠通過(guò)文本文件或Excel等對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和查看。

(4)故障報(bào)警：充電過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)異常電池單體時(shí)，可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，并且記錄產(chǎn)生故障的電池單體號(hào)碼和產(chǎn)生故障的時(shí)間等信息。

(5)檔案管理：每個(gè)電池單體都有一個(gè)永久的ID號(hào)碼，記錄其各種參數(shù)(充電日期、循環(huán)次數(shù)、電壓、電流、每次充電的起止時(shí)間和終止時(shí)間等)，以方便電池組維護(hù)。

3 80塊電池單體并聯(lián)充電的通信協(xié)調(diào)

本文中軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一就是“發(fā)送-接收-顯示存儲(chǔ)”模式的選擇。由于采用的是CAN總線主從輪詢的方式進(jìn)行通訊，有80個(gè)電池模塊要依次進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，這就存在接收、顯示數(shù)據(jù)的匹配問(wèn)題。如果接收數(shù)據(jù)的速度比顯示存儲(chǔ)的速度快，則可能會(huì)有一些數(shù)據(jù)被漏掉而不會(huì)顯示，而如果接收數(shù)據(jù)的速度比顯示存儲(chǔ)的速度慢，那么就會(huì)出現(xiàn)很多重復(fù)數(shù)據(jù)的顯示和記錄，這會(huì)浪費(fèi)存儲(chǔ)空間和造成不符合實(shí)際的顯示現(xiàn)象。

3.1 CAN通信接口

本文中上、下位機(jī)CAN總線通訊通過(guò)研華的PCI-1680板卡實(shí)現(xiàn)。PCI-1680U是一款連接控制器局域網(wǎng)(CAN)和PC(本文用研華工控機(jī))的專用通訊卡。CAN卡的配置程序如圖4所示，CAN端口資源名稱為CAN1，為異步工作方式，波特率為500 K，讀超時(shí)、寫超時(shí)均為10 ms。

圖4 CAN卡配置程序

3.2 8 0個(gè)模塊的通信協(xié)調(diào)

針對(duì)“發(fā)送-接收-顯示存儲(chǔ)”模式的選擇有3種方案。方案一：每個(gè)電池模塊均采用一個(gè)數(shù)組作為數(shù)據(jù)緩存區(qū)，然后從每個(gè)模塊的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中提取出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示存儲(chǔ)。這種方法需要手動(dòng)創(chuàng)建80個(gè)數(shù)組，工作量很大而且會(huì)對(duì)程序的運(yùn)行效率有很大的影響，從而影響數(shù)據(jù)采集的速率。方案二：將所有模塊數(shù)的電池?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組之中，然后每次顯示時(shí)從數(shù)組中提取信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示存儲(chǔ)。這種方案所產(chǎn)生的數(shù)組將空前龐大，是十分不可取的，另外它也存在著方案一中的接收數(shù)據(jù)速度和顯示存儲(chǔ)速度匹配的問(wèn)題。方案三：采用LabVIEW的同步控制技術(shù)，運(yùn)用隊(duì)列的方式作為接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)，然后以條件判斷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。這也是本文最終采用的方案，這種方案解決了接收數(shù)據(jù)速度和顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)速度之間的速度匹配問(wèn)題，而且隊(duì)列存儲(chǔ)的是數(shù)據(jù)的引用而非數(shù)值，這就大大減少了存儲(chǔ)空間，加快了發(fā)送接收存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)的速度，達(dá)到了較好的使用效果。

本系統(tǒng)中，上位機(jī)LabVIEW給下位機(jī)充電控制器發(fā)送一個(gè)命令，充電控制器就把當(dāng)前電池單體的數(shù)據(jù)回發(fā)給Lab-VIEW，上下位機(jī)之間采用輪詢的方式遍歷80個(gè)模塊，即上位機(jī)先給1號(hào)模塊發(fā)送命令，讓1號(hào)上傳本模塊相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，然后上位機(jī)再給2號(hào)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)反饋命令，2號(hào)模塊再發(fā)送數(shù)據(jù)……以此類推，完成1～80號(hào)模塊的遍歷。

上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計(jì)采用發(fā)送-接收-存入緩沖區(qū)模式，其流程如圖5所示，要發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)按照通信約定打包成幀格式進(jìn)行傳輸。發(fā)送子VI的功能是把發(fā)送幀送到CAN總線上，接收子VI的功能是從CAN總線上讀數(shù)據(jù)幀。因?yàn)樯婕暗?0塊充電模塊，當(dāng)上位機(jī)沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)時(shí)則等待一段時(shí)間，若超過(guò)等待時(shí)間則進(jìn)行重傳：即再次向此模塊發(fā)送數(shù)據(jù)回傳命令，并等待接收該模塊的數(shù)據(jù)。當(dāng)重傳的次數(shù)超過(guò)規(guī)定值時(shí)則跳過(guò)此模塊并報(bào)警、記錄通信失敗的信息，然后向下一個(gè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)回傳命令,接收下一個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，以此類推，完成了80個(gè)模塊的循環(huán)遍歷。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送接收流程

3.3 8 0塊電池單體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

由上面內(nèi)容可得，上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)存到了數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，則上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)從數(shù)據(jù)緩存區(qū)中讀取，設(shè)定每1.6 s讀取一次。數(shù)據(jù)讀取顯示存儲(chǔ)的流程如圖6所示。由于有80個(gè)模塊，所以需要根據(jù)上傳數(shù)據(jù)模塊號(hào)碼進(jìn)行條件判斷，以顯示每個(gè)模塊中的數(shù)據(jù)。顯示功能包括對(duì)80塊電池單體的實(shí)時(shí)電壓、電流、電量、電池狀態(tài)、實(shí)時(shí)曲線和歷史記錄的顯示。

圖6 數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證鋰電池充電系統(tǒng)的實(shí)際效果，對(duì)特定的電池對(duì)象進(jìn)行了充電實(shí)驗(yàn)，充電實(shí)驗(yàn)恒流階段采用4.5 A充電，當(dāng)電壓達(dá)到截止電壓4.12 V時(shí)，轉(zhuǎn)入恒壓充電方式，維持充電電壓4.12 V，經(jīng)過(guò)了6 h的充電過(guò)程，其中1號(hào)電池單體的電壓、電流、電量的歷史數(shù)據(jù)的顯示如圖7。

圖7 鋰電池充電實(shí)驗(yàn)曲線

從圖7可以看出，所得的控制電壓的精度在10 mV以內(nèi)，控制電流的精度在0.1 A左右。恒流轉(zhuǎn)恒壓時(shí)，過(guò)渡基本平滑，恒壓階段保持恒壓2 h，完成充電。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)鋰電池充電管理系統(tǒng)進(jìn)行了基于LabVIEW的上位機(jī)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了80塊鋰電池單體通過(guò)CAN總線進(jìn)行上下位機(jī)之間的通訊。采用以工控機(jī)為主節(jié)點(diǎn)，80塊電池單體為從節(jié)點(diǎn)的主從的方式進(jìn)行上下位機(jī)之間的通訊，解決了由于電池單體數(shù)較多、通訊之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，同時(shí)也在一定程度上降低了總線的負(fù)荷壓力。采用隊(duì)列的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲(chǔ)。這樣既提高了程序的運(yùn)行速率，也解決了采用局部變量、全局變量等造成的多線程數(shù)據(jù)不能同步控制的問(wèn)題。發(fā)生故障時(shí)具有彈窗報(bào)警、聲音報(bào)警等功能，還能夠存儲(chǔ)故障信息，方便用戶日后查看維護(hù)。充電效果顯示電池組恒壓恒流充電過(guò)渡平滑，充電管理系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

[1]樊海軍，丁學(xué)明，徐紅平.鋰電池組智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù)，2011，35(5)：510-513.

Design of Li-ion battery charging management system based on LabVIEW

To solve the problem of batteries'individual difference when they were charged in series,a new battery charging management system was designed based on LabVIEW,which allowed batteries to be charged in parallel.Host computer programs were written in LabVIEW.The system has functions of setting charging parameters, monitoring battery's voltage,current,power,status as well as storing corresponding data.When errors occurred,the system would alarm and save these errors.Host computer used CAN bus to communicate with controllers and queens as data cache to receive data.This method solved communication coordination problems.The battery packs charging experiment was conducted.LabVIEW interface showed charging results,which explained that the battery charging management system worked well.It is reliable and has a wide range of practical application.

Li-ion battery;LabVIEW;CAN bus;charging management system

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1189-02

2015-12-15

汪田洲(1990—)，男，吉林省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐簤簷C(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。