趙 勝，徐 進，李 圍

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基于Labview的鋰離子電池數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙 勝，徐 進，李 圍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

本文針對鋰電池在充放電過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測的問題，設(shè)計了基于Labview平臺的監(jiān)測系統(tǒng)，利用OZ3705電池管理芯片采集電池的電流和電壓，以及溫度傳感器采集溫度，上位機與TS1102A單片機之間采用RS-232異步串行通信標準實現(xiàn)串口通信，利用上位機實時監(jiān)測采集到的電池的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)。

Labview 數(shù)據(jù)采集 RS-232串行通信 實時監(jiān)測

0 引言

現(xiàn)如今，電池已經(jīng)廣泛運用到各個領(lǐng)域和行業(yè)之中，能源，汽車，航天[1]等等，為提高生產(chǎn)效率，對電池工作狀態(tài)下的監(jiān)測和早期的預(yù)警是非常關(guān)鍵的[2]，對電池數(shù)據(jù)的監(jiān)控也必須具備實時性、準確性、快速響應(yīng)等特點[3]，同時，也須具備對數(shù)據(jù)的存儲及處理，報警，查詢分析和統(tǒng)計的功能。

為了對電池充放電的過程進行有效的管理，利用Labview測控軟件開發(fā)平臺設(shè)計電池的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集和波形顯示、報警、監(jiān)控和管理等功能。Labview是基于圖形編程語言的開發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)的編程語言有很多相似點，比如數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具等[4]。除此之外，Labview內(nèi)置的測量庫支持多種形式的輸入輸出格式，可以靈活的擴展，還具有對用戶接口進行交互式的分析及顯示、自動識別儀器驅(qū)動和代碼生成等功能[5]。Labview編程簡單方便，界面形象直觀，具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力。利用Labview開發(fā)的上位機與單片機的通信可以實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，簡潔高效。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋰離子電池充放電過程中的各項參數(shù)的采集使用了TS1102A單片機，應(yīng)用C語言編程，包含各端口的定義，對電壓、電流和溫度的采集。利用可編程直流電源給電池充電，電子負載對電池放電，利用開關(guān)調(diào)節(jié)充電和放電的狀態(tài)。在充放電過程中，觀察電壓，電流以及溫度的變化。利用單片機采集電池工作狀態(tài)下的電流、電壓和溫度信號，通過串口通訊端口傳遞給上位機Labview，在上位機上顯示電池各個參數(shù)的數(shù)值和波形，并進行實時監(jiān)測。整個監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，可編程直流電源的型號為：GWPPT-1830，最大輸出電壓為18 V，最大輸出電流3 A，輸出精度為10 mV，1 mA。電子負載的型號：安捷倫N3302A，提供恒定電流，恒定電壓，恒定功率等放電模式，使用開關(guān)可以調(diào)節(jié)電池充放電的模式，通過RS2332接口與上位機進行通信。

2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1電壓采集

電池采用OZ3705電池管理芯片，通過內(nèi)部集成的高精度12bit ADC測量每一節(jié)電池的電壓、溫度、電流，通過I2C BUS通訊傳送給MCU用于保護控制。OZ3705還集成過流和短路檢測功能，極大簡化了電池管理方案的設(shè)計。單節(jié)鋰電池最高電壓不高于4.2V，電池端電壓信號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

電池的工作電流為充放電過程回路中的電流，采樣傳感器使用大功率的采樣電阻，通過測試采樣電阻兩端的電壓差得到電流值。

電流的變化范圍隨著測試條件的不同從幾十毫安到幾安培不等，阻值如果太大，會消耗太多功率，還有可能燒毀采樣電阻；阻值太小，電阻兩端壓差又太小，放大電路的測量誤差會較大。本文使用0.1Ω的采樣電阻，選用的放大電路理論上放大11倍。

2.3溫度采集

電池溫度的測量通過內(nèi)部的溫度傳感器將測量結(jié)果存放在溫度寄存器中，再經(jīng)過單總線輸入輸出端口與單片機端口完成串行數(shù)據(jù)傳送。采用PT100熱電阻測取電池的表面溫度。在0到850℃的范圍內(nèi)，熱電阻溫度變化是非線性的：R=R(1+α-β2)，R為熱電阻在0℃的阻值。測量電池表面溫度使用小片未封裝鉑熱電阻，測溫端與電池緊緊連接，在中間涂層導(dǎo)熱硅脂。

利用TS1102A單片機采集電壓、溫度、電流數(shù)據(jù)，使用K1開關(guān)控制總電路，K2開關(guān)控制充放電過程。上位機Labview程序控制VISA串口通訊輸出端，通過K2調(diào)節(jié)電池充電和放電過程之間的轉(zhuǎn)換。

3 Labview軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1串口通訊模式設(shè)置

本文采用串口通信模式，下位機與上位機的通信具有串行和并行兩種方式。在異步串行通信方式中，通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程，該方式實現(xiàn)起來簡單方便，開銷小。具體通信流程如圖2所示。

因此，對電池的電流和電壓數(shù)據(jù)的采集利用異步串行通訊模式進行，采用RS-232異步串行通信標準實現(xiàn)單片機和上位機之間的數(shù)據(jù)通信。因為單片機使用TTL電平，RS-232使用的是RS-232電平，為了使通信穩(wěn)定，本文使用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(xiàn)TS1102A單片機輸入輸出的串口信息到上位機的RS232串行接口信息的轉(zhuǎn)換。

3.2上位機軟件設(shè)計

本文利用Labview平臺開發(fā)上位機，Labview具有PCI，PXI，RS-232/485，USB等各種儀器通訊總線標準的所有功能函數(shù)，以及對鋰離子電池的充放電過程中電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)的變化進行實時監(jiān)測的功能。將各個儀表和波形圖的取值范圍設(shè)置好，設(shè)計出的上位機前面板界面如圖3所示。

上位機分為前面板和程序框圖，主要分為三個方面：接收和顯示電壓、電流、溫度的數(shù)據(jù)信息；D/A轉(zhuǎn)換；設(shè)定電壓數(shù)據(jù)采集通道。前面板給出了電壓表、電流表、溫度計的圖形，波形圖表，上限報警值和預(yù)警燈，串口通信通道，電壓值的范圍在12 V到17 V之間，低于12 V電池不能繼續(xù)放電，高于17 V電池不能繼續(xù)充電，電流值的范圍在0到3 A之間，高于3 A，會造成過流保護，溫度不能超過70℃，否則會高溫保護。

Labview程序框圖面板中，主要由打開串口的會話部分，寫入溫度、電壓、電流部分，獲取電壓、電流、溫度數(shù)值和波形部分，關(guān)閉與串口的會話部分構(gòu)成。

電流、電壓以及溫度的讀取通過VISA Read節(jié)點下位機部分接收變化模擬電壓（0～5 V），連接字符串轉(zhuǎn)字節(jié)數(shù)組函數(shù)和索引數(shù)組函數(shù)，通過數(shù)值“+”和“x”字符連接到測量數(shù)據(jù)顯示圖標，儀表圖標，實時曲線控件圖標，上位機接收到單片機發(fā)送的電壓值為十六進制，需轉(zhuǎn)換為十進制形式，用數(shù)字或波形曲線的形式輸出。程序中對電壓、電流和溫度的值都設(shè)置了上限，電壓值超出最大電壓值17 V，報警燈會亮起，同時電流值大于3 A，溫度超過70℃同樣也會報警。上位機后面板部分程序框圖如圖4所示。

關(guān)閉與串口的會話部分，當程序運行結(jié)束時，會清空緩沖區(qū)，在條件結(jié)構(gòu)中，條件判斷為真時，使用VISA Close節(jié)點關(guān)閉串口會話，單片機與上位機通信結(jié)束。

4 結(jié)束語

本文主要為了研究二次鋰離子電池的充電放電過程中各項數(shù)據(jù)的變化，采用Labview編程平臺設(shè)計了上位機，利用了圖形化的編程，界面簡潔直觀，開發(fā)效率高，便于修改，使用非常方便。通過單片機與上位機的串行通信實現(xiàn)了對電池電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和預(yù)警功能，同時以圖形和數(shù)值的形式顯示出來。

[1] 武斌，陳峭巖，劉斌，等.電池管理系統(tǒng)監(jiān)測平臺的設(shè)計 [J] .電測與儀表，2013，50(1):112-116.

[2] 魏興亞，魏寧嫻，趙佩.基于LabVIEW的鋰電池SOC估計與參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[J].應(yīng)用能源技術(shù), 2016,(01):45-48.

[3] Verma V, Tellapati R, Bayya M,et al. LabVIEW-based battery monitoring system with effects of temperature on lead-acid battery[J]. International Journal of Enhanced Research in Science Technology & Engineering, 2013,2:6-10.

[4] 王東樓，何怡剛，謝豐，等. 基于LabVIEW的電能質(zhì)量分析與遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2016，40(4):881-884.

[5] 馬偉，張洪浩，董鵬舉. 基于LabVIEW的電動汽車電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J]. 電子科技，2015，28(9):115-119.

Design of Data Monitoring System for Lithium-ion Batteries by Labview

Zhao Sheng，Xu Jin，Li Wei

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

Aimed at the questions of data monitoring in the process of lithium-ion batteries in charging and discharging, the paper presents a monitoring system designed by labview platform. The system implements data acquisition for the battery’s current and voltage with OZ3705 battery management chip , to get temperature with temperature sensors. The serial communication between the PC that real-time monitors the battery’s voltage, current, temperature and TS1102A single-chip microcomputer is implemented with RS-232 asynchronous communication standard.

Labview; data acquisition; RS-232 serial communication; real-time monitoring

TM911

A

1003-4862（2017）01-0065-03

2016-08-15

趙勝(1988-)，男，碩士。研究方向：化學電源。Email: wkd_zhaosheng@126.com