【正文】 流 時(shí) 間T 1T 2 圖 恒流恒壓充電電流電壓波形 鋰電池化成第四步恒流放電如圖 所示 7 放 電 電 壓放 電 電 流 時(shí) 間 圖 恒流放電電壓電流波形 由圖 和圖 可知，鋰電池的化成不僅需要按照一定的化成步驟進(jìn)行，還要按照規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行化成，如恒流充電到 T1 結(jié)束，這個(gè) T1 對(duì)應(yīng)的截止點(diǎn)是恒流充電截止電壓，恒壓充電到 T2 結(jié)束，這個(gè) T2 對(duì)應(yīng)的截止點(diǎn)是恒壓充電截止電流。 3）設(shè)定幾種運(yùn)行模式下，電池單元所需要的參數(shù)； 如恒流充電模式下，電池單元需要知道恒流充電電流是多少，充電截止電壓是多少。 6）運(yùn)行參數(shù)顯示和運(yùn)行曲線顯示；每個(gè)設(shè)備每個(gè)電池單元都有各自的運(yùn)行參數(shù)， 8 包括蓄電池電壓電流等，這些值，在我的監(jiān)控系統(tǒng)中，必須可以實(shí)時(shí)觀察到。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心為 PC 機(jī)， PC 機(jī)監(jiān)控各個(gè)設(shè)備，即監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的液晶，由網(wǎng)線和路由器組成局域網(wǎng)，通過局域網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù) [3]。D C / D C電 池D C / D C電 池D C / D C電 池 設(shè) 備 1設(shè) 備 2A C / D C電 網(wǎng)電 能 檢 測雙 向雙 向圖 電能監(jiān)控示意圖 圖 為電能監(jiān)控示意圖。 PC 機(jī) —— 充當(dāng)了數(shù)據(jù)庫的角色。液晶作為一臺(tái)設(shè)備的控制中心，對(duì)它的要求是需要時(shí)可以脫離 PC 機(jī)的指令，獨(dú)立的監(jiān)控該設(shè)備中的所有電池的化成。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 1）單片機(jī)程序：采用 MPLAB 編程。 3） PC 機(jī)界面：采用 LabVIEW 設(shè)計(jì)。 12 3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件除了 PC 機(jī)、液晶、路由器、通訊連接線等，其實(shí)還包括充電電源主電路以外的所有控制電路，但對(duì)這部分過多的闡述對(duì)本論文來說太過累贅。 主電路的簡單介紹 D CV bV gS 3S 4S 1S 2C r 1C c 2L r 2L r 1++i c 1i r 1i mi pi r 2i c 2i s 2i s 1++C r 2..C c 1L m+ 圖 有源嵌位反激式雙向 DCDC? 變換器原理圖 本論文各個(gè)電池單元所采用的主拓?fù)潆娐肥怯性大槲环醇な诫p向 DCDC 變換器，其原理圖如圖 所示，在常規(guī)的反激式雙向 DCDC 變換器基礎(chǔ)上，隔離變換器兩側(cè)均引入有源箝位輔助電路 [4]，那么可以將有源箝位 反激式雙向 DCDC 變換器的特點(diǎn)概括如下幾點(diǎn)： 1） Vg 為直流側(cè)電壓， Vb 為電池電壓； 13 2） S1 和 S2 為主功率管， S3 和 S4 為有源箝位輔助功率管； 3） L1 由變壓器漏感和外加串聯(lián)小電感組成，幫助實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)； 4）大電容 Cc1 和 Cc2 電壓不變，小電容 C1 和 C2 減緩開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓上率； 5）主管 S1 和 S2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)。 14 圖 單片機(jī) 結(jié)構(gòu) 圖 采樣電路設(shè)計(jì) 本節(jié)先對(duì)采樣硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后計(jì)算電路的理論變比，再和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行比較，最后介紹修正系數(shù) [6]的作用。 2）電池電流采樣： 表 電池 電流采樣 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Ibattery2 Ibattery1 Ibattery_ADC U7 變比 100mV 0mV 結(jié)論： 100 7 ??? mVVIb a tter yIb a tter y U，基本滿足變比。 修正系數(shù) 由表中的數(shù)據(jù)，我們可以看出，采樣電路的理論變比和實(shí)際變比仍然存在著偏 19 差，其中不乏測量產(chǎn)生的誤差，但為了使采樣到的數(shù)據(jù)盡可能不失真的上傳到液晶，單片機(jī)會(huì) 對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。這里需要做下說明，采樣到的值可能會(huì)是浮點(diǎn)數(shù) ，必須轉(zhuǎn)化為 16進(jìn)制才能上傳給液晶，所以在上傳之前會(huì)乘以 100，液晶接收到數(shù)據(jù)再除以 100 將其還原。 20 圖 485 通訊電路 1 腳和 4 腳分別連接單片機(jī)的接收和發(fā)送引腳， 6 腳和 7 腳與液晶相連。 RS485 聯(lián)網(wǎng)通訊存在一個(gè)容量的問題，容量的大小限制了每個(gè)設(shè)備中充電單元的數(shù)目； RS485 總線一般 最多可連接 256 個(gè)節(jié)點(diǎn) ，本論文中一個(gè)設(shè)備 連接 256 個(gè)電池單元。在 485 引腳配置的過程中，給使能端 EN 配置 IO 口，是十分重要的，必須將該 IO 口配置為輸出。那么如何實(shí)現(xiàn)液晶的監(jiān)控功能，以及如何完成液晶和一個(gè)設(shè)備中兩百個(gè)電池的通訊，都是本章要討論的內(nèi)容。顯示具體單元及故障類別； 鋰電池化成電源的主要工作模式有四種，即恒流充電模式、恒壓充電模式、恒流放電模式、智能循環(huán)充放電模式 [8]。 2 恒壓充電 恒壓充電須設(shè)置恒壓充電電壓值和充電截止電流值。 電池單元 與液晶的通訊 電池單元與液晶的通訊方式 電池單元和液晶的通訊需要遵守一定的通訊協(xié)議，并且它們之間傳遞的數(shù)據(jù)也遵守一定的格式，下面通過幾點(diǎn)說明來解釋液晶和電池單元之間的通訊格式： 1）液晶和電池單元之間傳遞的數(shù)據(jù)分成三種：運(yùn)行參數(shù)；系統(tǒng)參數(shù)；開關(guān)機(jī)命令。 另外 ，還有兩點(diǎn)需要說明； 1）由單片機(jī)上傳給液晶的數(shù)據(jù)，或者是液晶下發(fā)的數(shù)據(jù)，有小數(shù)存在的可能性，所以在傳遞時(shí)都需要乘以 100，接收到之后再除以 100 還原。 2）總線容量： RS485 接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般是兩線制，任一時(shí)刻主從只能一個(gè)發(fā)；電池單元的站地址采樣 8 為二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，通訊方式以主機(jī)輪詢的方式進(jìn)行，液晶作為該網(wǎng)絡(luò)中的唯一一臺(tái)主機(jī)（只允許存在一個(gè)主設(shè)備），最多可同時(shí)連接 256 個(gè)從機(jī)，即 256 個(gè)電池單元。 MCGS 嵌入式組態(tài)軟件簡介 MCGS 專門應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件， MCGS 嵌入式包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分。通過對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它幫助用戶設(shè)計(jì) 和構(gòu)造自己的組態(tài)工程并進(jìn)行功能測試。從而實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性、確定性和安全性。 2）主控窗口構(gòu)造了應(yīng)用系統(tǒng)的主框架。 基于 MCGS 組態(tài)軟件的液晶監(jiān)控界面設(shè)計(jì) 本節(jié)主要是設(shè)計(jì)用戶界面，液晶的監(jiān)控界面主要在用戶窗口中進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括初始化自檢和參數(shù)覆蓋界面、主菜單界面。 2） 初始化界面 圖 初始化界面 初始化界面， 液晶向兩百個(gè)電池單元統(tǒng)一下發(fā)一組數(shù)據(jù)，通過判斷是否接收到正確數(shù)據(jù)判斷通訊是否正常。 4） 參數(shù)覆蓋界面 圖 參數(shù)覆蓋界面 用戶可以選擇參數(shù)覆蓋方式為主機(jī)覆蓋從機(jī)或從 機(jī)覆蓋主機(jī)。運(yùn)行模式界面中，用戶可以選擇不同的運(yùn)行模式，在不同的運(yùn)行模式下輸入化成參數(shù)，點(diǎn)擊“下載參數(shù)”，再點(diǎn)擊“運(yùn)行”便是下發(fā)開機(jī)命令，各個(gè)電池單元便會(huì)開始工作。 31 4）系統(tǒng)參數(shù)界面 圖 系統(tǒng)參數(shù)界面 系統(tǒng)參數(shù)界面；用戶必須設(shè)置電池單元的系統(tǒng)參數(shù)，包括調(diào)試系數(shù)和修正系數(shù)。 1）構(gòu)造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫 前面已經(jīng)介紹了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的重要性，我們需要操作的數(shù)據(jù)都放在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，包括通訊協(xié)議中的所有參數(shù)，以及建立用戶窗口時(shí)自己定義的參數(shù)。 液晶與各個(gè)電池單元的通訊需要遵守一定的通訊協(xié)議，且有一定的數(shù)據(jù)格式；液晶界面只是面向用戶開發(fā)的可視化操作界面，想要實(shí)現(xiàn)液晶界面的監(jiān)控能力，必須開發(fā)驅(qū)動(dòng)，而 MCGS 提供了開發(fā)驅(qū)動(dòng)的軟件。 34 5 上位機(jī) 監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 上位機(jī) 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖 獨(dú)立的化成監(jiān)控器，往往需要大量的有經(jīng)驗(yàn)的操作人員來維護(hù)，消耗了大量的精力和物力。 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示，每臺(tái)化成設(shè)備由若干個(gè)電池單元組成，電池單元通過 485 通訊 線與設(shè)備液晶面板通訊，各設(shè)備單元通過以太網(wǎng)與主機(jī)連接 [13]。 上位機(jī)即控制中心 PC 機(jī)作為上位 機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，能定期查詢所有運(yùn)行 35 組的監(jiān)測器，下載并處理儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存和顯示電池狀態(tài)及其趨勢(shì)的信息，能獲得每一節(jié)電池的運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)顯示故障信息等。 初始化界 面 3）開機(jī)巡檢； 開機(jī)對(duì)聯(lián)機(jī)的設(shè)備進(jìn)行巡檢，確認(rèn)與所連接的設(shè)備通信是否良好。 6）參數(shù)設(shè)置； 對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置；系統(tǒng)參數(shù)掉電后自動(dòng)保存。 8）實(shí)時(shí)曲線及歷史曲線； 主要顯示的是電池電壓、電池電流的運(yùn)行曲線和歷史曲線； 9）運(yùn)行參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)保存； 每隔幾秒顯示一組數(shù)據(jù)。液晶可以顯示采集回來的運(yùn)行參數(shù)，包括各個(gè)電池單 元的電池電壓、電池電流等，同時(shí)也可以下發(fā)電池單元所需要的系統(tǒng)參數(shù)。 1）網(wǎng)絡(luò)適配器；每個(gè)網(wǎng)卡都有自己的 MAC 地址 [15]，所以 MAC 地址相當(dāng)于每個(gè)設(shè)備自己獨(dú)有的設(shè)備號(hào)，因此 PC 機(jī)通過 MAC 地址區(qū)分到底和哪個(gè)設(shè)備在通訊。 3） 交換機(jī)； 交換機(jī)以尋址的方式傳輸數(shù)據(jù)；而集線器是以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸速率低，因此這里選擇交換機(jī)構(gòu)成組網(wǎng)設(shè)備。使用這種語言編程時(shí)，基本不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。前面板可以包含旋鈕。 3）圖標(biāo)連接端口； VI 的圖表和連接端口的功能就像一個(gè)圖形化參數(shù)列表，可在VI 和 SubVI 之間傳遞數(shù)據(jù) [17]。 2）初始化界面 圖 初始化 界面 初始化 界面； 開機(jī)對(duì)聯(lián)機(jī)的設(shè)備進(jìn)行巡檢 ，確認(rèn)與所連接的設(shè)備通信是否良好。 4）主界面 2 圖 主 界面 2 41 在鋰電池化成過程中， 要求可以實(shí) 時(shí)查看每個(gè)電池的運(yùn)行曲線，以觀察化成的過程，因此，將實(shí)時(shí)曲線通放在主界面一打開就能查看的位置； 5） 電池單元設(shè)置界面 圖 電池單元設(shè)置 界面 上位機(jī)設(shè)計(jì)的要求就是，可以對(duì)每個(gè)設(shè)備的每個(gè)電池都能單獨(dú)的控制，所以在電池的背面板里，設(shè)置了啟停控制按鈕，以及單獨(dú)控制該電池時(shí)可以選擇運(yùn)行模式，該電池所需的化成參數(shù)是所在設(shè)備統(tǒng)一下發(fā)的，不過根據(jù)需要可以修改系統(tǒng)參數(shù)（需要密碼）；在該界面，可以看到該電池的運(yùn)行曲線，以及它的運(yùn)行狀況、運(yùn)行模式、當(dāng)前運(yùn)行階段；運(yùn)行參數(shù)每隔 9 秒顯示一組數(shù)據(jù)，每隔幾分鐘自動(dòng)保 存一組數(shù)據(jù)?；?LabVIEW 的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以稱作是一種特殊的虛擬儀器，即網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，采集數(shù)據(jù)的工作不由虛擬儀器完成，脫離了場地的束縛，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化的監(jiān)控。在論文一開始介紹了虛擬儀器，為整個(gè)系統(tǒng)提供了很好的設(shè)計(jì)思路，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的提出，更是說明了網(wǎng)絡(luò)化通訊對(duì)本論文監(jiān)控系統(tǒng)的重要性。論文的 主要內(nèi)容是 設(shè)計(jì) 下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) ，以液晶和 PC 機(jī)為核心，將它們兩個(gè)所承擔(dān)的 功能一一描述，界面的設(shè)計(jì)更是具體說明了監(jiān)控系統(tǒng)在做哪些事情。從論文的選題、研究的方法以及論文的撰寫，蘇老師都給了我無私的幫助。每次遇到疑問，賴?yán)蠋煻紩?huì)詳細(xì)解答。 能源 所的幾位師兄師姐也給予了我很大幫助， 劉碩師兄、吳健師兄和江濤師兄為我 解決了很多疑問；戴云霞師姐在液晶界面的制作上給予我很大幫助，液晶和單片機(jī)的通訊也是我們共同合作完成的；虞文惠師姐和林方圓師姐在 上位機(jī)界面的制作中提出了很多寶貴的建議， 在這里一并表示由衷的感謝。 最后，我要祝福我的父母和家 人健康快樂。 同時(shí)，還要感謝我的同學(xué)們，四年的相處，你們給我的幫助太多，點(diǎn)點(diǎn)滴滴記在心頭。 感謝能源所杜雪芳老師、潘老師、張健老師在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予的幫助。他謙虛嚴(yán)謹(jǐn)治 學(xué)態(tài)度、誨人不倦的工作態(tài)度和求真務(wù)實(shí)的敬業(yè)精神，都深深影響著我。 本論文仍有很多不足之處；液晶 只實(shí)現(xiàn)了和各個(gè)電池單元的通訊，和遠(yuǎn)程服務(wù)器的通訊程序并未實(shí)現(xiàn)； PC 機(jī)的界面雖然有了，但功能不完善，背后的程序沒有實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控也暫未實(shí)現(xiàn)。 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括 采樣電路和 485 通訊電路，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，對(duì)比采樣電路理論變比和實(shí)驗(yàn)變比，給出修正系數(shù)的概念。 44 結(jié) 論 本論文對(duì)鋰電池化成電源監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在化成電源硬件電路上討論很少，主要 是 討論如何 設(shè)計(jì)一個(gè)功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)。 6）參數(shù)設(shè)置界面 42 圖 參數(shù)設(shè)置 界面 系統(tǒng) 參數(shù)設(shè)置的最小單位是設(shè)備，即系統(tǒng)參數(shù)會(huì)下發(fā)到這個(gè)設(shè)備中的每個(gè)單元 ；在這個(gè)界面，我將系統(tǒng)參數(shù)分為三類，必要時(shí)可以對(duì)每個(gè)參數(shù)標(biāo)號(hào)，方便修改； 每個(gè)設(shè)備可以單獨(dú)的去設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行模式，也可以在設(shè)置好一個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)之后，復(fù)制到其他某些設(shè)備中去； 7） 啟?？刂?界面 圖 啟?？刂?界面 43 在聯(lián)機(jī)的情況下，上位機(jī)可以選擇是由上位機(jī)控制還是由液晶控制；如果是液晶控制，上位機(jī)對(duì)該設(shè)備的作用僅僅是查看運(yùn)行 狀況。 40 3）主界面 1 圖 主 界面 1 主界面，可以非常直接的觀察到每個(gè)設(shè)備