基于LabVIEW的锂电池组充电管理系统设计

汪田洲，吴爱国，马 园，王 硕

(天津大学电气与自动化工程学院，天津300072)

基于LabVIEW的锂电池组充电管理系统设计

汪田洲，吴爱国，马 园，王 硕

(天津大学电气与自动化工程学院，天津300072)

为了解决锂电池组串联充电每个电池单体个性差异的问题，采用并联充电方式，设计了一种基于LabVIEW的锂离子电池组充电管理系统。上位机程序使用图形化开发软件LabVIEW编写，完成人工设定充电参数，实时监测80块电池单体的电压、电流、电量、电池状态并进行相应数据的存储，发生故障时，及时进行报警并保存故障信息等功能。上下位机之间采用CAN总线以主从的方式进行通讯，运用队列的方式作为接收数据缓存区，解决了80块电池单体与上位机通信协调问题。对电池组进行充电实验，显示电池组状态信息，表明充电管理运行良好，可靠性强，具有较好的实际应用前景。

锂电池；LabVIEW；CAN总线；充电管理系统

锂电池因具有绿色环保、无污染、使用温度范围宽、电压高、电量大、耐用等特点而成为了现代高性能电池的代表，在电动车、航天等大型动力电源等领域有着广泛的应用。由于各电池单体自身特性差异，对锂电池组进行串联充电可能会出现某些电池单体不能充满电或过充电的情况。过充电会严重损害电池的性能，甚至可能会导致爆炸而造成人员伤害，所以为锂电池组配备相应的电池监控管理系统就显得非常必要[1]。

1 充电系统总体结构

由图1可得，该系统采用上、下位机相结合的控制结构。下位机由整流模块、充电控制器(并充模块)、电池单体组成。整流模块部分的输入是三相四线的50 Hz的工频交流电，经过半桥整流电路，电感电容滤波后可以提供接近310 V的电压；充电控制器完成电池单体恒流恒压充电、过流、过压及短路保护等功能。控制器采用DSP2812控制VICOR模块的方案，即用VICOR设计一个可调的恒压恒流源，完成恒流恒压控制；电池单体是18 Ah容量，满容量时总电压近似为300 V，每个电池单体有两根充电线，两根检测线，用于充电以及检测。上位机采用研华工控机。上下位机的通讯采用CAN总线。CAN总线上挂着80块充电控制器控制的电池单体，工控机作为主节点，80块充电控制器作为从节点。本文中所用的充电控制柜如图2所示。

图1 充电系统结构框图

图2 锂电池组充电控制柜

2 LabVIEW上位机软件设计

电池组充电管理系统的LabVIEW软件设计总体框图如图3所示，要实现的功能如下所示：

图3 LabVIEW软件设计总体框图

(1)参数设定：可人工设定充电电池的截止电压、标称电压、充电电流值、充电模块数等状态参数和充电截止时间、充电截止条件，实现恒压或恒流限压充电方式，充电完成时自动停止充电。

(2)数据监测：可实现对电池组各单体充电电压、充电电流、电量、电池状态进行全过程监测。

(3)数据存储及查看：将实时监测到的各电池单体的充电电压、充电电流、电量及时间进行数据记录并存储，能够通过文本文件或Excel等对历史数据进行读取和查看。

(4)故障报警：充电过程中，发现异常电池单体时，可实现故障报警，并且记录产生故障的电池单体号码和产生故障的时间等信息。

(5)档案管理：每个电池单体都有一个永久的ID号码，记录其各种参数(充电日期、循环次数、电压、电流、每次充电的起止时间和终止时间等)，以方便电池组维护。

3 80块电池单体并联充电的通信协调

本文中软件设计的难点之一就是“发送-接收-显示存储”模式的选择。由于采用的是CAN总线主从轮询的方式进行通讯，有80个电池模块要依次进行数据的发送与接收，这就存在接收、显示数据的匹配问题。如果接收数据的速度比显示存储的速度快，则可能会有一些数据被漏掉而不会显示，而如果接收数据的速度比显示存储的速度慢，那么就会出现很多重复数据的显示和记录，这会浪费存储空间和造成不符合实际的显示现象。

3.1 CAN通信接口

本文中上、下位机CAN总线通讯通过研华的PCI-1680板卡实现。PCI-1680U是一款连接控制器局域网(CAN)和PC(本文用研华工控机)的专用通讯卡。CAN卡的配置程序如图4所示，CAN端口资源名称为CAN1，为异步工作方式，波特率为500 K，读超时、写超时均为10 ms。

图4 CAN卡配置程序

3.2 8 0个模块的通信协调

针对“发送-接收-显示存储”模式的选择有3种方案。方案一：每个电池模块均采用一个数组作为数据缓存区，然后从每个模块的数据缓存区中提取出数据进行显示存储。这种方法需要手动创建80个数组，工作量很大而且会对程序的运行效率有很大的影响，从而影响数据采集的速率。方案二：将所有模块数的电池数据存储在一个数组之中，然后每次显示时从数组中提取信息进行数据的显示存储。这种方案所产生的数组将空前庞大，是十分不可取的，另外它也存在着方案一中的接收数据速度和显示存储速度匹配的问题。方案三：采用LabVIEW的同步控制技术，运用队列的方式作为接收数据缓存区，然后以条件判断的方式进行数据的显示和存储。这也是本文最终采用的方案，这种方案解决了接收数据速度和显示、存储数据速度之间的速度匹配问题，而且队列存储的是数据的引用而非数值，这就大大减少了存储空间，加快了发送接收存储显示数据的速度，达到了较好的使用效果。

本系统中，上位机LabVIEW给下位机充电控制器发送一个命令，充电控制器就把当前电池单体的数据回发给Lab-VIEW，上下位机之间采用轮询的方式遍历80个模块，即上位机先给1号模块发送命令，让1号上传本模块相应的检测数据，然后上位机再给2号模块发送数据反馈命令，2号模块再发送数据……以此类推，完成1～80号模块的遍历。

上下位机的数据通信软件设计采用发送-接收-存入缓冲区模式，其流程如图5所示，要发送与接收的数据按照通信约定打包成帧格式进行传输。发送子VI的功能是把发送帧送到CAN总线上，接收子VI的功能是从CAN总线上读数据帧。因为涉及到80块充电模块，当上位机没有接收到数据时则等待一段时间，若超过等待时间则进行重传：即再次向此模块发送数据回传命令，并等待接收该模块的数据。当重传的次数超过规定值时则跳过此模块并报警、记录通信失败的信息，然后向下一个模块发送数据回传命令,接收下一个模块的数据，以此类推，完成了80个模块的循环遍历。

图5 数据发送接收流程

3.3 8 0块电池单体的实时数据显示

由上面内容可得，上位机接收到的数据存到了数据缓存区中，则上位机读取数据时从数据缓存区中读取，设定每1.6 s读取一次。数据读取显示存储的流程如图6所示。由于有80个模块，所以需要根据上传数据模块号码进行条件判断，以显示每个模块中的数据。显示功能包括对80块电池单体的实时电压、电流、电量、电池状态、实时曲线和历史记录的显示。

图6 数据显示存储流程

4 实验结果及分析

为了验证锂电池充电系统的实际效果，对特定的电池对象进行了充电实验，充电实验恒流阶段采用4.5 A充电，当电压达到截止电压4.12 V时，转入恒压充电方式，维持充电电压4.12 V，经过了6 h的充电过程，其中1号电池单体的电压、电流、电量的历史数据的显示如图7。

图7 锂电池充电实验曲线

从图7可以看出，所得的控制电压的精度在10 mV以内，控制电流的精度在0.1 A左右。恒流转恒压时，过渡基本平滑，恒压阶段保持恒压2 h，完成充电。

5 结束语

本文对锂电池充电管理系统进行了基于LabVIEW的上位机设计。实现了80块锂电池单体通过CAN总线进行上下位机之间的通讯。采用以工控机为主节点，80块电池单体为从节点的主从的方式进行上下位机之间的通讯，解决了由于电池单体数较多、通讯之间的协调问题，同时也在一定程度上降低了总线的负荷压力。采用队列的方式进行数据采集、显示与存储。这样既提高了程序的运行速率，也解决了采用局部变量、全局变量等造成的多线程数据不能同步控制的问题。发生故障时具有弹窗报警、声音报警等功能，还能够存储故障信息，方便用户日后查看维护。充电效果显示电池组恒压恒流充电过渡平滑，充电管理系统运行良好，达到了设计目的。

[1]樊海军，丁学明，徐红平.锂电池组智能管理系统设计及实现[J].电源技术，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，硕士研究生，主要研究方向为液压机控制系统开发。