基于RS485通信的深海电池组数据监测系统设计

2022-10-20赵胜，李围，赵权

船电技术 2022年10期

关键词：电池组充放电上位

赵胜，李围，赵权

应用研究

基于RS485通信的深海电池组数据监测系统设计

赵胜，李围，赵权

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对深海锂电池组在充放电过程中的数据监测的问题，设计了基于Labview图形化编程平台的监测系统，通过单片机与上位机的485串行通信实现了对电池组电压、电流和温度数据的采集、监控以及报警功能。

Labview 数据采集 RS-485串行通信实时监测

0 引言

现在，电池在各个领域和行业中广泛的使用，船舶，航空，以及交通领域等等[1]，对我们的生活产生了深刻的影响，为了保证电池使用的安全与稳定，对电池工作状态下的监测和早期的预警是非常重要的[2]，对电池数据的监测也必须具有时效性、准确性、持续性等特点[3]，同时，也要具备对数据的存储，故障报警的反应，数据查询分析和统计等功能。

为了对电池充放电的过程进行有效的管理，利用Labview测控软件开发设计电池组数据采集与监测系统，具有数据采集和波形显示、故障报警、数据查询和存储等功能。Labview是图形化编程语言的开发环境，采用数据流的编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序[4]。Labview集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能[5]。Labview编程简单方便，界面形象，生动，易于监测[6]。利用Labview开发的上位机，可以实现与单片机的通信，接收电池组各项数据并显示出来，简单方便。

1 系统总体结构设计

锂离子电池组在充放电过程中利用电源管理系统完成对电压、电流和温度等各项参数的采集，使用充放电机给电池充电、放电，利用开关控制调节充电和放电的状态。在充放电过程中，观察电压，电流以及温度的实时变化。利用电源管理系统采集电池工作状态下的电流、电压和温度信号，通过RS-485串口通讯端将信息传递给上位机，然后会在上位机上显示电池组各个参数的数值以及波形，方便随时的监测。该数据监测系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

利用充放电机对电池组进行充放电循环试验，充放电可以提供稳定的恒流源，通过开关面板可以调节充放电的模式，通过RS485接口与上位机进行通信。

2 硬件结构设计

2.1 电压采集

电池电压的采集使用LTC6804-2芯片，可快速高效的测量12个串接电池的电压，总误差低于1.2 mv，LTC6804-2内部的ADC采集完成后，通过SPI总线通讯将数据传送给MCU。LTC6804-2芯片的电压检测功能，很大程度上简化了电池管理的设计方案。单节锂电池最高电压不高于3.65 V，电池端电压信号可以直接接入电池管理芯片通信端口，由此可以得到电压的值。

2.2 电流采集

电池组的工作电流为放电过程回路中的电流，使用电流检测板采集电路中的电流值。

霍尔电流传感器的型号众多，量程范围宽泛，精度高、灵敏度高，抗干扰能力强。利用电流传感器的霍尔效应检测电路中的磁场强度，然后通过磁场强度计算电路中的电流值。

2.3 温度采集

电池温度的测量通过内部的温度传感器将测量结果存放在温度寄存器中，再经过单总线输入输出端口与单片机端口完成串行数据传送。

利用电源管理系统采集电压、温度、电流数据，使用电子开关控制总电路及充放电过程。上位机程序监测RS485串口通讯端输出，通过电子开关调节电池充电和放电过程之间的转换。

3 软件结构设计

3.1 通讯模式设置

电源管理系统与上位机采用485串口通信模式。在异步串行通信方式中，通信的发送与接收设备使用各自时钟控制数据的发送和接收过程，该方式实现起来简单方便。具体通信流程如图2所示。

因此，对电池的电流和电压数据的采集利用串行通讯模式进行，采用RS-485异步串行通信标准实现单片机和上位机之间的数据通信。RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信，平衡发送和差分接收，可以抑制共模干扰，使通信保持稳定。

图2 电池数据采集通信流程

3.2 上位机软件设计

利用Labview平台开发上位机，Labview具有PCI，PXI，RS-232/485，USB等各种仪器通讯总线标准的所有功能函数，以及对锂离子电池的充放电过程中电压、电流、温度数据的变化进行实时监测的功能。将界面上的数据显示控件、表格以及波形图合理的分布在前面板上，设计出的上位机前面板如图3所示。

图3 基于Labview平台上位机前面板

上位机分为前面板和程序框图，前面板主要分为六个子模块：电池模块数据界面、电压数据界面、温度数据界面、保护参数界面、程序更新界面、数据查询界面。电池模块数据界面列出了通讯端口，总电压及支路电压、总电流及支路电流、温度值显示框，波形图表，上限报警灯等显示控件；电压数据界面列出了各支路单体电压值显示控件，以及最高电压序号，最低电压序号显示控件；温度数据界面列出了各支路单体温度值显示控件，以及最高温度序号和最低温度序号；保护参数界面列出了支路过流，支路过充，过温，欠温，单体电压的保护值，可以设定和读取保护参数；程序更新界面实现了读取特定文件，并向下位机发送指令更新程序状态；数据查询界面可以查询不同时间段的电池组的数据，并将查询结果导出到excel中，以上就是上位机六个子模块完成的功能。

Labview程序框图面板中，主要由选择打开串口，上位机向下位机发送请求指令，上位机获取电压值、电流值、温度值和波形值等部分，关闭与串口的会话部分构成。

首先打开串口会话通过VISA资源名称设置串口号为COM，VISA serial属性节点对串口初始化的波特率为19200bit/s，数据位为8，无校验位，停止位为1。上位机收到下位机传送的数据包，并将数据信息解析出来，对应每一个单体的电压、温度值，以及充放电过程中的支路中的电流值。

上位机向下位机发送请求指令，在一个while循环中进行，将请求指令写入VISA写入函数的写入缓冲区。程序中“等待下一个整数倍毫秒”函数控制循环速度，“停止”节点退出整个循环。

上位机获取数据值通过VISA Read节点读取数据包，将数据包里面的有效信息通过截取字符串函数截取出来，然后将字符串转换为字节数组，字节数组转换簇函数，最后将数据信息按字节数解析，单体电压信息由16位组成，占用两个字节，电流信息由16位组成，占用两个字节，温度数据由8位组成，占用一个字节，电池鼓胀信息占用一个bit，以及状态信息包含循环次数、剩余容量、工作状态、故障信息各占一个字节。程序中对单体电压、电流和温度的值都设置了最大值，单体电压值超出最大电压值3.6V，低于2.65V报警灯都会亮起，电流值大于100A，温度超过80℃同样也会报警。

程序实现了IAP程序更新，调试上位机向BCU板发送程序更新指令，BCU板回复程序更新准备好应答，上位机收到应答后开始发送程序数据，间隔10 ms。BCU接收程序数据后进行应答，反馈更新状态。

管理系统初始化会清除所有故障记录数据，复位容量值，初始化设定所有保护参数。调试上位机向BCU板发送管理系统初始化指令，BCU板完成初始化后回复指令。上位机后面板部分程序框图如图4所示。

关闭与串口的会话部分，当程序运行结束时，会清空缓冲区，在条件结构中，条件判断为真时，使用VISA Close节点关闭串口会话，单片机与上位机通信结束。