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锂电池化成电源监控系统设计
锂电池化成电源监控系统设计
摘要:
目前,随着电池工业的迅速发展,对电池产业化批量生产的能力及电池的产品质量提出了更高的要求,电池化成监控设备的性能优劣直接关系到电源工作的技术指标及能否安全可靠地工作。
将多个独立的充电系统连成网络,就可以完成对大批量的锂电池化成的监控。
因此,在锂电池生产过程中,数字化、智能化、网络化的监控系统尤为重要。
本论文基于两种界面开发软件,分别设计上位机和下位机的监控界面。
不仅可以实现场地的实时监控,还能通过网络远程监控,符合现代化监控系统的发展方向。
在熟知监控系统功能的前提下,提出了系统的总体设计方案,分别给出系统硬件和软件设计方案;论文主要对采样电路和485通讯电路进行设计,并在MCGS组态开发环境中,设计出液晶监控界面,并且还会重点讨论脚本程序的开发。
论文还详细给出了上位机监控系统的设计方案,并利用LabVIEW设计上位机的监控界面。
关键词:
锂电池;监控系统;液晶;上位机;界面
MonitoringSystemofLithiumBatteryPowerSupply
Abstract:
Now,withtherapiddevelopmentofindustrialbatteries,thecapacityofindustrialmassproductionandtheproductqualityofthebatteryhasbeenproposedhigherrequirements.Theperformanceofmonitorsystemoflithiumbatterypowersupplyisdirectlyrelatedtothethetechnicalspecificationsofthepowerandabilitytoworksafelyandreliably.ConnectingThemultipleindependentchargingsystemintothenetwork,canbecompletedonlargequantitiesoflithiumbatteriesintothemonitor.Therefore,inthelithiumbatteryproductionprocessing,digital,intelligent,network-basedmonitoringsystemisparticularlyimportant
Thispaperisbasedontwointerfacedevelopmentsoftware,andupperandlowermachinemonitoringinterfacewillbedesigned.Notonlycanachievereal-timemonitoringsites,butalsothroughremotemonitoringnetwork,whichiscompliedwiththedirectionofdevelopmentofmodernsurveillancesystems.Inthewell-knownmonitoringsystemsfunctionunderthepremise,theoverallsystemdesignwillbeputforward,andsystemhardwareandsoftwaredesignsolutionswillalsobegiven.Papermainlydesignsamplingcircuitand485communicationcircuit,angwilldesignLCDmonitorinterfaceundertheMCGSconfigurationdevelopmentenvironment.Andwewillalsofocusonthedevelopmentofscripts.ThepaperalsogivesadetailedPCmonitoringsystemdesign,anddesignPCinterfaceformonitoringbyusingLabVIEW.
Keywords:
lithiumbattery;monitorsystem;LCD;PC;interface
1前言
1.1研究课题的背景及意义
目前,随着电池工业的迅速发展,对电池产业化批量生产的能力及电池的产品质量提出了更高的要求,二次电池的充放电技术是与电池相伴而生的,与二次电池的发展和应用有着密切的关系。
首先,一个性能可靠的电源是必不可少的,其次电池化成监控设备的性能优劣直接关系到化成的技术指标及能否安全可靠地工作,从而对电池的化成起着至关重要的作用。
采用高进度、数字化、智能化的电源对电池进行充放电,是对电池化成检测设备提出的一个重要技术指标。
蓄电池作为一种性能可靠的化学电源,其应用价值与日俱增,已经在各个领域得到了广泛的应用。
其中,锂电池作为一种环保的蓄电池,广泛得到采用,其工作电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、自放电小、循环寿命长等特点,广泛应用于电动汽车能源系统、航空航天电源系统、太阳能光伏电源系统,移动通信系统以及移动终端设备中。
在锂电池生产过程中,电池的化成工艺处理是其中的一个重要环节,锂电池的化成参数一般经过理论计算和反复试验而得到。
大多数情况下,就按照这些参数进行化成,使锂电池达到最佳的储能状态,这就要求化成设备必须严格按照这些参数表进行工作,能为每个阶段提供稳定且恒定的充放电电压、电流。
并且,我们需要实时监控电池的运行状态,当化成出现故障时需要及时报警,并且显示具体故障信息。
一个电池需要一个充电电源,如果每个电源都需要单独的设立一个监控器去监控,那么将消耗大量的精力和物力,因此将多个独立的充电系统连成网络,由一个液晶去控制,再将所有的液晶通过路由器和控制中心的PC机连接在一起,就可以完成对大批量的锂电池化成的监控。
因此,在锂电池生产过程中,数字化、智能化、网络化的监控系统尤为重要。
1.2锂电池化成电源监控系统的发展现状
1.2.1虚拟仪器技术
20世纪90年代的美国,诞生了一种基于计算机的仪器,称为虚拟仪器[]。
所谓虚拟仪器,是以通用计算机为核心,根据用户对仪器的设计定义,用软件实现虚拟面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。
用户可通过鼠标、键盘或触摸屏来操作虚拟面板,就如同使用一台专用的测量仪器一样,实现需要的测量测试目的。
计算机和仪器的结合有两种方式:
一种是将计算机装入仪器,其典型的例子就是所谓智能化的仪器。
随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小,这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现含嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器装入计算机。
以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现各种仪器功能。
虚拟仪器主要是指这种方式。
虚拟仪器从功能上分为三部分,即1)信号采集与控制;2)数据分析和处理;3)测量结果的显示。
“软件即仪器”——在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出和调理,软件才是整个仪器系统的关键,使用者可以通过修改软件,方便的改变、增减仪器系统的规模与功能。
LabVIEW——虚拟仪器的软件选择有多种,本论文选择LabVIEW设计虚拟仪器VI。
网络化虚拟仪器——网络技术和虚拟仪器技术相结合,将三大功能中的数据分析和处理、测量结果的显示放到计算机上用软件来实现。
而信号的采集由测试点硬件实现,这样就利用网络将本地模式转化为远程模式。
这也是本论文采取的方式。
网络化虚拟仪器的结构模式:
有三种,客户/服务器(C/S)模式;浏览器/服务器(B/S)模式;客户/服务器/浏览器(C/S/B)模式;本论文将选择第一种。
1.2.2锂电池化成电源监控系统的发展现状
1)就控制器这方面而言——数字化:
随着计算机技术的不断发展和科技的不断进步,采用单片机或DSP等微处理器控制的智能化成监控系统逐渐成为主流。
微处理器可以实现实时性要求非常高的数字控制算法,通过IO口发出开关控制信号,还可以将采集的数据保存并送至计算机保存。
一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中,并对电路进行实时监控。
但由于微处理器的运算速度的限制,在许多情况下,这种微处理器辅助的电路控制系统仍旧要大量用到运算放大器等模拟控制元件。
2)就系统的通讯方式而言——网络化:
目前大部分的组网采用CAN总线或RS485总线的方式。
RS485可以构成主从式结构系统,通信方式以主站轮询的方式进行,要对每个站点进行站点地址编码;CAN工作于多种方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且废除了传统的地址编码,所以网络内的节点数比485总线的节点数要多的多;虽然这两种通信方式已经很成熟,但通信距离有限,不能适应未来远程化发展的需要,如果所有的设备能够按照TCP/IP协议连成网络,则我们可以借助互联网的优势,在任何一个地方来控制设备。
3)就系统的结构模式而言——智能化:
网络化虚拟仪器的结构模式有三种,根据不同的要求选择不同的结构模式。
客户/服务器(C/S)模式,多个客户端采集数据,用一个服务器充当数据库;浏览器/服务器(B/S)模式,客户端安装浏览器,通过直接访问远端地址,来实现检测。
客户/服务器/浏览器(C/S/B)模式为前两者的结合。
第一种对化成电源监控系统来说更现实。
1.3本论文的主要工作和论文结构
本论文的研究对象是监控系统,目的是设计出一套锂电池化成电源监控系统。
系统可以对多个设备进行监控,每个设备又是由两百多个电池单元构成。
系统可以对每个设备的每个电池单元实时测控,显示化成过程中的运行参数,电压电流波形;可以对故障进行报警,显示故障信息;同时液晶和PC机的监控界面也是必不可少。
本论文主要内容如下:
1)在熟知监控系统功能的前提下,提出了系统的总体设计方案和系统的结构模式,分别给出系统硬件和软件设计方案。
2)对监控系统的硬件电路进行设计,主要设计的是采样电路和485通讯电路。
在理论的基础上,会结合实验对这两块电路的功能做进一步的讨论。
3)介绍下位机监控系统的功能,并在MCGS组态开发环境中,设计出液晶监控界面;并且还会重点讨论脚本程序的开发。
4)给出上位机监控系统的设计方案,并利用LabVIEW设计上位机的监控界面。
2监控系统的总体方案设计
2.1锂电池化成的概念
每个锂电池从生产到出厂至少要进行三次充电和两次放电过程,这个过程叫做化成,化成是锂电池生产过程中的重要工序,在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。
这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”(solidelectrolyteinterface),简称SEI膜,SEI膜的好坏自接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化学性能。
锂电池化成的步骤:
1)恒流充电:
电池以恒流充电至截止电压,充电时间T1(充电时间到T1结束恒流充电,进入恒压充电阶段)。
2)恒压充电:
电池以恒压充电至截止电流,充电时间T2(充电时间到T2时结束恒压充电,进入搁置阶段)
3)搁置:
充电结束后搁置时间T3,目的是在电极形成稳定的SEI模(“固体电解质界面膜”solidelectrolyteinterface,简称SEI膜)。
4)恒流放电:
电池以恒流放电至截止电压。
然后进入下一个充放电循环直至化成结束[]。
锂电池化成的第一步恒流充电和第二步恒压充电如图2.1所示
图2.1恒流恒压充电电流电压波形
锂电池化成第四步恒流放电如图2.2所示
图2.2恒流放电电压电流波形
由图2.1和图2.2可知,锂电池的化成不仅需要按照一定的化成步骤进行,还要按照规定的参数进行化成,如恒流充电到T1结束,这个T1对应的截止点是恒流充电截止电压,恒压充电到T2结束,这个T2对应的截止点是恒压充电截止电流。
由锂电池本身的充放电特性曲线,可以得到恒流充电、恒压充电、搁置、恒流放电分别需要多少时间,也是由锂电池本身的特性曲线划定每个阶段的结束时间和起始时间,以此作为每个阶段开始和结束的依据。
2.2监控系统的主要功能
由上一节可知,锂电池化成过程需严格按照一定的步骤进行,且化成参数包括各个环节的时间都有严格的要求,那么为了让锂电池按照给定的化成参数进行化成,监控系统必须发挥它的功能,那么结合锂电池具体的化成要求,监控系统的主要功能有:
1)控制每个电池单元的启停,即下发开机、关机命令。
2)控制每个电池单元的运行模式,以使其按照规定的步骤进行化成。
3)设定几种运行模式下,电池单元所需要的参数;如恒流充电模式下,电池单元需要知道恒流充电电流是多少,充电截止电压是多少。
4)设定保护值和PI调节器参数;如过压过流保护值、过热保护值,以及电流环、电压环PI调节器的参数值。
5)故障报警的功能。
监控系统不仅需要知道具体是哪个设备哪个单元出现故障,还需要显示具体故障信息是什么。
6)运行参数显示和运行曲线显示;每个设备每个电池单元都有各自的运行参数,包括蓄电池电压电流等,这些值,在我的监控系统中,必须可以实时观察到。
7)以上功能均需要通讯,因此必须保证PC机和液晶、液晶和各个电池单元通讯正常。
2.3监控系统总体方案设计
2.3.1系统总体结构图
本论文设计的监控系统由上位机监控系统和下位机监控系统构成,具体结构图见下图。
图2.3化成电源监控系统架构图
下位机监控系统的控制中心为液晶,一台液晶和两百多个电池单元构成一个设备,由液晶监控这个设备中的所有电池单元,通过RS485通讯。
上位机监控系统的控制中心为PC机,PC机监控各个设备,即监控各个设备的液晶,由网线和路由器组成局域网,通过局域网传递数据[]。
图2.4电能监控示意图
图2.4为电能监控示意图。
电网的交流电经过AC/DC电源转化为直流电,再经过双向DC/DC电源给电池充电,给电池充电的电能来自电网,电池放电的电能也可以回馈到电网;每个设备都可以工作在不同的工作模式,比如设备1工作在充电模式时,设备2可以工作在放电模式,这样设备1所消耗的电能一部分可以由设备2来提供,或者完全由设备2提供,这种方式极大的降低了电能的损耗;在监控化成的过程中,化成设备从电网消耗的电能,或者给电网回馈了多少电能,都是可以检测到的。
2.3.2系统的结构模式选择
在上一章中,曾讨论过网络化虚拟仪器的结构模式有三种,但未具体讨论在锂电池化成电源中选择什么样的结构。
在网络化的监控系统中,结合具体的化成要求和实际操作的可行性,这里选择客户/服务器(C/S)模式。
PC机——充当了数据库的角色。
在化成过程中,PC机可以监控到每台设备的每个电池的运行状况,对每个电池都能启停控制。
在设计的过程中,PC机可以做到不需要液晶,仍能监控所有的电池。
液晶——它和两百多个电池单元进行通讯,监控每个电池的运行状况,并且还要设计远程数据发布程序将采集到的数据写入远端服务器。
液晶作为一台设备的控制中心,对它的要求是需要时可以脱离PC机的指令,独立的监控该设备中的所有电池的化成。
正常情况下,PC机和液晶一起构成完整的监控系统;在本论文中,所采用的这种模式灵活性很大,无论是PC机还是液晶,都能独立的完成监控工作,在实际情况中可以应付各种情况的出现;
2.3.3系统硬件设计方案
监控系统的硬件主要包括PC机、液晶、路由器、通讯连接线等,其实还包括充电电源主电路以外的所有控制电路,但过多的阐述对本论文来说太过累赘,因此论文中只会简单介绍单片机、采样电路、通讯电路这几个对监控系统至关重要的电路。
下面,将从整个监控系统的最低层即电池单开始,给出硬件结构设计:
1)电池单元的单片机选型
本论文的主拓扑电路为有源箝位反激式双向DC-DC变换器,有四个管子,需要4路不同的PWM波,对电池单元6路数据采样,通讯仅需配置一个使能IO口即可。
因此这里选择美国Microchip公司推出的dspic33F系列单片机,这款单片机可以发6路独立的PWM波,有8路模拟输入端口;
2)采样芯片和485芯片:
采样电路的运放选择LM358,485芯片选择MAX3082;
3)液晶:
选择北京昆仑通态的一款型号为TPC7062K的嵌入式触摸屏;这款触摸屏即可以连接PC机又可以连接单片机,且可以同时和PC机和单片机通讯;
4)液晶和单片机通讯连接线:
选择常用的RS485总线;
5)PC机:
普通的电脑即可;
6)PC机和液晶通讯连接线:
选择网线;
7)路由器:
路由器型号根据具体设备数选择不同接口数目的路由器。
2.3.4系统软件设计方案
1)单片机程序:
采用MPLAB编程。
锂电池化成电源的单片机程序内容较多,本论文不会具体阐述,但会穿插的讨论一些与监控密切相关的程序,像采样程序,采样到的数值需要上传给液晶,在单片机内部要经过修正系数的修正,这个修正系数是实验反复得到,并且是由液晶下发的。
还有,单片机保护程序,需要知道最大电流、最大电压限幅值是多少,这些数值也是液晶下发的;另外,当电池单元出现某种故障时,也需要单片机进行判断,并将带有故障信息的16为故障码上传。
2)液晶界面:
采用组态软件MCGS进行界面的设计。
3)PC机界面:
采用LabVIEW设计。
本章总结:
本章最主要的工作就三块,一是介绍了监控系统的主要功能。
二就是给出大体的设计方案,最主要的就是系统架构图,后面讨论的内容都是围绕这个图展开的。
三是选择了一种非常灵活的结构模式,对液晶和PC机提出了很高的要求,在此,上位机监控系统和下位机监控系统便有了明确的设计方向。
3监控系统硬件电路设计
监控系统的硬件除了PC机、液晶、路由器、通讯连接线等,其实还包括充电电源主电路以外的所有控制电路,但对这部分过多的阐述对本论文来说太过累赘。
因此,在这一章,只对其中两个与监控十分密切的硬件电路进行设计,主要是采样电路和485通讯电路。
同时,本章还会结合单片机对硬件电路的控制和对数据的处理,来阐述液晶是如何对电池单元实现通讯和监控的。
在介绍本章重点内容之前,先对电池单元采用的主拓扑电路做个简单介绍。
3.1主电路的简单介绍
图3.1有源嵌位反激式双向
变换器原理图
本论文各个电池单元所采用的主拓扑电路是有源箝位反激式双向DC-DC变换器,其原理图如图3.1所示,在常规的反激式双向DC-DC变换器基础上,隔离变换器两侧均引入有源箝位辅助电路[],那么可以将有源箝位反激式双向DC-DC变换器的特点概括如下几点:
1)Vg为直流侧电压,Vb为电池电压;
2)S1和S2为主功率管,S3和S4为有源箝位辅助功率管;
3)L1由变压器漏感和外加串联小电感组成,帮助实现零电压开关;
4)大电容Cc1和Cc2电压不变,小电容C1和C2减缓开关管关断时的电压上率;
5)主管S1和S2驱动信号互补。
S1和S4同时关断,S2和S3同时关断;
6)改变驱动脉宽,可调节两端功率传输大小和方向[]。
下面通过介绍电池单元的主电路图和选用的单片机结构图来了解从哪些采样点采样数据,然后进单片机的哪些引脚,以及单片机和485通讯的引脚分配:
1)电池单元的主电路
图3.2主电路图
图3.2为有源箝位反激式双向DC-DC变换器主电路图,左侧为电池侧,需要采样蓄电池的电压和电流、蓄电池测的主Mos管(Q4)电流;右侧为直流侧,需要采样直流侧的电压和电流、直流侧的主Mos管(Q3)电流。
2)电池单元选用的单片机
从主电路采样到的数据要送到单片机处理,图3.3为本论文所采用的dspic33F系列单片机,2脚到7脚分别对应需要采样的6路数据,16脚到18脚分别和485通讯电路的发送、使能、接收引脚相连。
图3.3单片机结构图
3.2采样电路设计
本节先对采样硬件电路进行设计,然后计算电路的理论变比,再和实验得到的结果进行比较,最后介绍修正系数[]的作用。
3.2.1采样硬件电路设计
首先我们需要知道,对监控系统而言,需要显示电池单元的哪些数据,才能根据需要对这些数据进行采集。
对于一个锂电池单元,我们需要采集的数据有:
蓄电池电压、蓄电池电流、蓄电池测主Mos管电流、直流侧电压、直流侧电流、直流侧主Mos管电流。
下图便是这些数据的采样电路
图3.4电池电压采样电路、电池电流采样电路
图3.5直流侧电压采样电路、直流侧电流采样电路
图3.6蓄电池侧MOS管电流采样
图3.7直流侧MOS管电流采样
注:
1)采样电路用了4个运放,U2、U3、U4、U5;
2)U2采样电池的电压电流;U5内两个运放级联采样电池测主Mos管的电流;
3)U3采样直流侧电压电流;U9内两个运放级联采样直流侧主Mos管的电流;
4)二极管上有0.2V的压降;
5)蓄电池测电流采样电阻为
,直流侧为
;
3.2.2采样电路的理论变比:
1)电池电压采样:
Ubattery_ADC=
=0.5*Ubattery
电池电压Ubattery范围为0-3.2V;Ubattery_ADC最大值为3.3V
2)电池电流采样:
U7=20*(Ibattery2-Ibattery1)
=20*
*Ibattery
=0.2Ibattery
Ibattery_ADC=
(U7+3.3V)
说明:
U7为运放7脚电压
3)直流侧电压采样:
Udclink_ADC=
Udclink
Udclink_ADC=1/61Udclink
直流侧电压Udclink为100V
4)直流侧电流采样:
U1=
(Idclink1-Idclink2)
=5.1*
*Idclink
=3.06Idclink
Idclink_ADC=
(U1+3.3V)
说明:
U1为运放1脚电压
5)Mos管1电流采样:
iQ1_ADC=
CT1=21CT1=0.21Imos1
6)Mos管2电流采样:
iQ2_ADC=
CT1=6.1CT1=0.061Imos2
3.2.3采样电路实验变比
1)电池电压采样:
表3.1电池电压采样实验结果
Ubattery
Ubattery_ADC
变比
4V
2.04V
0.51
2V
1.05V
0.525
结论:
基本满足变比。
2)电池电流采样:
表3.2电池电流采样实验结果
Ibattery2
Ibattery1
Ibattery_ADC
U7
变比
100mV
0mV
2.63V
1.84V
18.4
结论:
,基本满足变比。
3)直流侧电压采样:
表3.3直流侧电压采样实验结果
Udclink
Udclink_ADC
变比
4.08V
69mV
1/59.13
2.08V
36mV
1/57.78
结论:
平均值为58.46,
,基本满足变比。
4)直流侧电流采样:
表3.4直流侧电流采样实验结果
Idclink1
Idclink2
Id_ADC
U1
变比
300mV
0mV
2.62V
1.85V
6.17
结论:
,基本满足
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