基于LabVIEW的鋰電池組充電管理系統設計

汪田洲，吳愛國，馬 園，王 碩

(天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072)

基于LabVIEW的鋰電池組充電管理系統設計

汪田洲，吳愛國，馬 園，王 碩

(天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072)

為了解決鋰電池組串聯充電每個電池單體個性差異的問題，采用并聯充電方式，設計了一種基于LabVIEW的鋰離子電池組充電管理系統。上位機程序使用圖形化開發軟件LabVIEW編寫，完成人工設定充電參數，實時監測80塊電池單體的電壓、電流、電量、電池狀態并進行相應數據的存儲，發生故障時，及時進行報警并保存故障信息等功能。上下位機之間采用CAN總線以主從的方式進行通訊，運用隊列的方式作為接收數據緩存區，解決了80塊電池單體與上位機通信協調問題。對電池組進行充電實驗，顯示電池組狀態信息，表明充電管理運行良好，可靠性強，具有較好的實際應用前景。

鋰電池；LabVIEW；CAN總線；充電管理系統

鋰電池因具有綠色環保、無污染、使用溫度范圍寬、電壓高、電量大、耐用等特點而成為了現代高性能電池的代表，在電動車、航天等大型動力電源等領域有著廣泛的應用。由于各電池單體自身特性差異，對鋰電池組進行串聯充電可能會出現某些電池單體不能充滿電或過充電的情況。過充電會嚴重損害電池的性能，甚至可能會導致爆炸而造成人員傷害，所以為鋰電池組配備相應的電池監控管理系統就顯得非常必要[1]。

1 充電系統總體結構

由圖1可得，該系統采用上、下位機相結合的控制結構。下位機由整流模塊、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，經過半橋整流電路，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、過流、過壓及短路保護等功能。控制器采用DSP2812控制VICOR模塊的方案，即用VICOR設計一個可調的恒壓恒流源，完成恒流恒壓控制；電池單體是18 Ah容量，滿容量時總電壓近似為300 V，每個電池單體有兩根充電線，兩根檢測線，用于充電以及檢測。上位機采用研華工控機。上下位機的通訊采用CAN總線。CAN總線上掛著80塊充電控制器控制的電池單體，工控機作為主節點，80塊充電控制器作為從節點。本文中所用的充電控制柜如圖2所示。

圖1 充電系統結構框圖

圖2 鋰電池組充電控制柜

2 LabVIEW上位機軟件設計

電池組充電管理系統的LabVIEW軟件設計總體框圖如圖3所示，要實現的功能如下所示：

圖3 LabVIEW軟件設計總體框圖

(1)參數設定：可人工設定充電電池的截止電壓、標稱電壓、充電電流值、充電模塊數等狀態參數和充電截止時間、充電截止條件，實現恒壓或恒流限壓充電方式，充電完成時自動停止充電。

(2)數據監測：可實現對電池組各單體充電電壓、充電電流、電量、電池狀態進行全過程監測。

(3)數據存儲及查看：將實時監測到的各電池單體的充電電壓、充電電流、電量及時間進行數據記錄并存儲，能夠通過文本文件或Excel等對歷史數據進行讀取和查看。

(4)故障報警：充電過程中，發現異常電池單體時，可實現故障報警，并且記錄產生故障的電池單體號碼和產生故障的時間等信息。

(5)檔案管理：每個電池單體都有一個永久的ID號碼，記錄其各種參數(充電日期、循環次數、電壓、電流、每次充電的起止時間和終止時間等)，以方便電池組維護。

3 80塊電池單體并聯充電的通信協調

本文中軟件設計的難點之一就是“發送-接收-顯示存儲”模式的選擇。由于采用的是CAN總線主從輪詢的方式進行通訊，有80個電池模塊要依次進行數據的發送與接收，這就存在接收、顯示數據的匹配問題。如果接收數據的速度比顯示存儲的速度快，則可能會有一些數據被漏掉而不會顯示，而如果接收數據的速度比顯示存儲的速度慢，那么就會出現很多重復數據的顯示和記錄，這會浪費存儲空間和造成不符合實際的顯示現象。

3.1 CAN通信接口

本文中上、下位機CAN總線通訊通過研華的PCI-1680板卡實現。PCI-1680U是一款連接控制器局域網(CAN)和PC(本文用研華工控機)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、寫超時均為10 ms。

圖4 CAN卡配置程序

3.2 8 0個模塊的通信協調

針對“發送-接收-顯示存儲”模式的選擇有3種方案。方案一：每個電池模塊均采用一個數組作為數據緩存區，然后從每個模塊的數據緩存區中提取出數據進行顯示存儲。這種方法需要手動創建80個數組，工作量很大而且會對程序的運行效率有很大的影響，從而影響數據采集的速率。方案二：將所有模塊數的電池數據存儲在一個數組之中，然后每次顯示時從數組中提取信息進行數據的顯示存儲。這種方案所產生的數組將空前龐大，是十分不可取的，另外它也存在著方案一中的接收數據速度和顯示存儲速度匹配的問題。方案三：采用LabVIEW的同步控制技術，運用隊列的方式作為接收數據緩存區，然后以條件判斷的方式進行數據的顯示和存儲。這也是本文最終采用的方案，這種方案解決了接收數據速度和顯示、存儲數據速度之間的速度匹配問題，而且隊列存儲的是數據的引用而非數值，這就大大減少了存儲空間，加快了發送接收存儲顯示數據的速度，達到了較好的使用效果。

本系統中，上位機LabVIEW給下位機充電控制器發送一個命令，充電控制器就把當前電池單體的數據回發給Lab-VIEW，上下位機之間采用輪詢的方式遍歷80個模塊，即上位機先給1號模塊發送命令，讓1號上傳本模塊相應的檢測數據，然后上位機再給2號模塊發送數據反饋命令，2號模塊再發送數據……以此類推，完成1～80號模塊的遍歷。

上下位機的數據通信軟件設計采用發送-接收-存入緩沖區模式，其流程如圖5所示，要發送與接收的數據按照通信約定打包成幀格式進行傳輸。發送子VI的功能是把發送幀送到CAN總線上，接收子VI的功能是從CAN總線上讀數據幀。因為涉及到80塊充電模塊，當上位機沒有接收到數據時則等待一段時間，若超過等待時間則進行重傳：即再次向此模塊發送數據回傳命令，并等待接收該模塊的數據。當重傳的次數超過規定值時則跳過此模塊并報警、記錄通信失敗的信息，然后向下一個模塊發送數據回傳命令,接收下一個模塊的數據，以此類推，完成了80個模塊的循環遍歷。

圖5 數據發送接收流程

3.3 8 0塊電池單體的實時數據顯示

由上面內容可得，上位機接收到的數據存到了數據緩存區中，則上位機讀取數據時從數據緩存區中讀取，設定每1.6 s讀取一次。數據讀取顯示存儲的流程如圖6所示。由于有80個模塊，所以需要根據上傳數據模塊號碼進行條件判斷，以顯示每個模塊中的數據。顯示功能包括對80塊電池單體的實時電壓、電流、電量、電池狀態、實時曲線和歷史記錄的顯示。

圖6 數據顯示存儲流程

4 實驗結果及分析

為了驗證鋰電池充電系統的實際效果，對特定的電池對象進行了充電實驗，充電實驗恒流階段采用4.5 A充電，當電壓達到截止電壓4.12 V時，轉入恒壓充電方式，維持充電電壓4.12 V，經過了6 h的充電過程，其中1號電池單體的電壓、電流、電量的歷史數據的顯示如圖7。

圖7 鋰電池充電實驗曲線

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

5 結束語

本文對鋰電池充電管理系統進行了基于LabVIEW的上位機設計。實現了80塊鋰電池單體通過CAN總線進行上下位機之間的通訊。采用以工控機為主節點，80塊電池單體為從節點的主從的方式進行上下位機之間的通訊，解決了由于電池單體數較多、通訊之間的協調問題，同時也在一定程度上降低了總線的負荷壓力。采用隊列的方式進行數據采集、顯示與存儲。這樣既提高了程序的運行速率，也解決了采用局部變量、全局變量等造成的多線程數據不能同步控制的問題。發生故障時具有彈窗報警、聲音報警等功能，還能夠存儲故障信息，方便用戶日后查看維護。充電效果顯示電池組恒壓恒流充電過渡平滑，充電管理系統運行良好，達到了設計目的。

[1]樊海軍，丁學明，徐紅平.鋰電池組智能管理系統設計及實現[J].電源技術，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，主要研究方向為液壓機控制系統開發。