1、目 录中文摘要 .1英文摘要 .21 前言 .31.1 研究课题的背景及意义 .31.2 锂电池化成电源监控系统的发展现状 .31.3 本论文的主要工作和论文结构 .52 监控系统的总体方案设计 .62.1 锂电池化成的概念 .62.2 监控系统的主要功能 .72.3 监控系统总体方案设计 .83 监控系统硬件电路设计 .123.1 主电路的简单介绍 .123.2 采样电路设计 .143.3 485 通讯电路设计 .194 下位机监控系统设计 .214.1 下位机监控系统的功能描述 .214.2 电池单元与液晶的通讯 .224.3 MCGS 嵌入式组态软件简介 .244.4 基于 MCGS 组
2、态软件的液晶监控界面设计 .254.5 基于 MCGS 的组态过程和脚本驱动的开发 .325 上位机监控系统设计 .345.1 上位机监控系统架构图 .345.2 上位机监控系统的功能描述 .345.3 上位机监控系统的组网通讯 .365.4 LabVIEW 概述 .375.5 基于 LabVIEW 的上位机界面设计 .38结论 .44谢辞 .45参考文献 .461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
3、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2M
4、onitoring System of Lithium Battery Power SupplyAbstract：Now, with the rapid development of industrial batteries, the capacity of industrial mass production and the product quality of the battery has been proposed higher requirements.The performance of monitor system of lithium battery power supply
5、is directly related to the the technical specifications of the power and ability to work safely and reliably. Connecting The multiple independent charging system into the network, can be completed on large quantities of lithium batteries into the monitor. Therefore, in the lithium battery production
6、 processing, digital, intelligent, network-based monitoring system is particularly importantThis paper is based on two interface development software, and upper and lower machine monitoring interface will be designed. Not only can achieve real-time monitoring sites, but also through remote monitorin
7、g network, which is complied with the direction of development of modern surveillance systems. In the well-known monitoring systems function under the premise, the overall system design will be put forward, and system hardware and software design solutions will also be given. Paper mainly design sam
8、pling circuit and 485 communication circuit, ang will design LCD monitor interface under the MCGS configuration development environment. And we will also focus on the development of scripts. The paper also gives a detailed PC monitoring system design, and design PC interface for monitoring by using
9、LabVIEW.Keywords: lithium battery；monitor system；LCD；PC；interface31 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
10、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
11、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41.2.1 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 1。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
12、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
13、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
14、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。52）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
15、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
16、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
17、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。62 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“
18、固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface) ,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”solid electrolyte interface,简称 SEI 膜） 。4) 恒流放
19、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 2。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 所示恒流 恒压充电电压充电电流时间T 1T 2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7放电电压放电电流时间图 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
20、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
21、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参8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
22、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 3。9D C / D C电池D C / D C电池D C / D C电池 D C / D C电池D C / D C电池D C / D C电池 设备 1设备 2A C / D C电网电能检测双向双向图 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
23、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
