基于Labview的鋰離子電池數據監測系統設計

趙 勝，徐 進，李 圍

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基于Labview的鋰離子電池數據監測系統設計

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據監測的問題，設計了基于Labview平臺的監測系統，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串口通信，利用上位機實時監測采集到的電池的電壓、電流、溫度數據。

Labview 數據采集 RS-232串行通信 實時監測

0 引言

現如今，電池已經廣泛運用到各個領域和行業之中，能源，汽車，航天[1]等等，為提高生產效率，對電池工作狀態下的監測和早期的預警是非常關鍵的[2]，對電池數據的監控也必須具備實時性、準確性、快速響應等特點[3]，同時，也須具備對數據的存儲及處理，報警，查詢分析和統計的功能。

為了對電池充放電的過程進行有效的管理，利用Labview測控軟件開發平臺設計電池的數據采集與監測系統，具有數據采集和波形顯示、報警、監控和管理等功能。Labview是基于圖形編程語言的開發環境，與傳統的編程語言有很多相似點，比如數據類型、數據流控制結構、程序調試工具等[4]。除此之外，Labview內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，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力。利用Labview開發的上位機與單片機的通信可以實現電池數據的采集和監測，簡潔高效。

1 系統總體結構設計

鋰離子電池充放電過程中的各項參數的采集使用了TS1102A單片機，應用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，利用開關調節充電和放電的狀態。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的數值和波形，并進行實時監測。整個監測系統的總體結構如圖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，使用開關可以調節電池充放電的模式，通過RS2332接口與上位機進行通信。

2硬件結構設計

2.1電壓采集

電池采用OZ3705電池管理芯片，通過內部集成的高精度12bit ADC測量每一節電池的電壓、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計。單節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部的溫度傳感器將測量結果存放在溫度寄存器中，再經過單總線輸入輸出端口與單片機端口完成串行數據傳送。采用PT100熱電阻測取電池的表面溫度。在0到850℃的范圍內，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，在中間涂層導熱硅脂。

利用TS1102A單片機采集電壓、溫度、電流數據，使用K1開關控制總電路，K2開關控制充放電過程。上位機Labview程序控制VISA串口通訊輸出端，通過K2調節電池充電和放電過程之間的轉換。

3 Labview軟件結構設計

3.1串口通訊模式設置

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，通信的發送與接收設備使用各自時鐘控制數據的發送和接收過程，該方式實現起來簡單方便，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據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單片機和上位機之間的數據通信。因為單片機使用TTL電平，RS-232使用的是RS-232電平，為了使通信穩定，本文使用電平轉換芯片MAX232實現TS1102A單片機輸入輸出的串口信息到上位機的RS232串行接口信息的轉換。

3.2上位機軟件設計

本文利用Labview平臺開發上位機，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，以及對鋰離子電池的充放電過程中電壓、電流、溫度數據的變化進行實時監測的功能。將各個儀表和波形圖的取值范圍設置好，設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、溫度的數據信息；D/A轉換；設定電壓數據采集通道。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電池不能繼續放電，高于17 V電池不能繼續充電，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、溫度數值和波形部分，關閉與串口的會話部分構成。

電流、電壓以及溫度的讀取通過VISA Read節點下位機部分接收變化模擬電壓（0～5 V），連接字符串轉字節數組函數和索引數組函數，通過數值“+”和“x”字符連接到測量數據顯示圖標，儀表圖標，實時曲線控件圖標，上位機接收到單片機發送的電壓值為十六進制，需轉換為十進制形式，用數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。

關閉與串口的會話部分，當程序運行結束時，會清空緩沖區，在條件結構中，條件判斷為真時，使用VISA Close節點關閉串口會話，單片機與上位機通信結束。

4 結束語

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據的變化，采用Labview編程平臺設計了上位機，利用了圖形化的編程，界面簡潔直觀，開發效率高，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了對電池電壓、電流和溫度數據的采集、監控和預警功能，同時以圖形和數值的形式顯示出來。

[1] 武斌，陳峭巖，劉斌，等.電池管理系統監測平臺的設計 [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估計與參數監測系統[J].應用能源技術, 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的電能質量分析與遠程監測系統[J].電源技術，2016，40(4):881-884.

[5] 馬偉，張洪浩，董鵬舉. 基于LabVIEW的電動汽車電池監測預警系統[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