基于Labview的锂离子电池数据监测系统设计

赵 胜，徐 进，李 围



基于Labview的锂离子电池数据监测系统设计

赵 胜，徐 进，李 围

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

本文针对锂电池在充放电过程中的数据监测的问题，设计了基于Labview平台的监测系统，利用OZ3705电池管理芯片采集电池的电流和电压，以及温度传感器采集温度，上位机与TS1102A单片机之间采用RS-232异步串行通信标准实现串口通信，利用上位机实时监测采集到的电池的电压、电流、温度数据。

Labview 数据采集 RS-232串行通信 实时监测

0 引言

现如今，电池已经广泛运用到各个领域和行业之中，能源，汽车，航天[1]等等，为提高生产效率，对电池工作状态下的监测和早期的预警是非常关键的[2]，对电池数据的监控也必须具备实时性、准确性、快速响应等特点[3]，同时，也须具备对数据的存储及处理，报警，查询分析和统计的功能。

为了对电池充放电的过程进行有效的管理，利用Labview测控软件开发平台设计电池的数据采集与监测系统，具有数据采集和波形显示、报警、监控和管理等功能。Labview是基于图形编程语言的开发环境，与传统的编程语言有很多相似点，比如数据类型、数据流控制结构、程序调试工具等[4]。除此之外，Labview内置的测量库支持多种形式的输入输出格式，可以灵活的扩展，还具有对用户接口进行交互式的分析及显示、自动识别仪器驱动和代码生成等功能[5]。Labview编程简单方便，界面形象直观，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力。利用Labview开发的上位机与单片机的通信可以实现电池数据的采集和监测，简洁高效。

1 系统总体结构设计

锂离子电池充放电过程中的各项参数的采集使用了TS1102A单片机，应用C语言编程，包含各端口的定义，对电压、电流和温度的采集。利用可编程直流电源给电池充电，电子负载对电池放电，利用开关调节充电和放电的状态。在充放电过程中，观察电压，电流以及温度的变化。利用单片机采集电池工作状态下的电流、电压和温度信号，通过串口通讯端口传递给上位机Labview，在上位机上显示电池各个参数的数值和波形，并进行实时监测。整个监测系统的总体结构如图1所示。

其中，可编程直流电源的型号为：GWPPT-1830，最大输出电压为18 V，最大输出电流3 A，输出精度为10 mV，1 mA。电子负载的型号：安捷伦N3302A，提供恒定电流，恒定电压，恒定功率等放电模式，使用开关可以调节电池充放电的模式，通过RS2332接口与上位机进行通信。

2硬件结构设计

2.1电压采集

电池采用OZ3705电池管理芯片，通过内部集成的高精度12bit ADC测量每一节电池的电压、温度、电流，通过I2C BUS通讯传送给MCU用于保护控制。OZ3705还集成过流和短路检测功能，极大简化了电池管理方案的设计。单节锂电池最高电压不高于4.2V，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

电池的工作电流为充放电过程回路中的电流，采样传感器使用大功率的采样电阻，通过测试采样电阻两端的电压差得到电流值。

电流的变化范围随着测试条件的不同从几十毫安到几安培不等，阻值如果太大，会消耗太多功率，还有可能烧毁采样电阻；阻值太小，电阻两端压差又太小，放大电路的测量误差会较大。本文使用0.1Ω的采样电阻，选用的放大电路理论上放大11倍。

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。采用PT100热电阻测取电池的表面温度。在0到850℃的范围内，热电阻温度变化是非线性的：R=R(1+α-β2)，R为热电阻在0℃的阻值。测量电池表面温度使用小片未封装铂热电阻，测温端与电池紧紧连接，在中间涂层导热硅脂。

利用TS1102A单片机采集电压、温度、电流数据，使用K1开关控制总电路，K2开关控制充放电过程。上位机Labview程序控制VISA串口通讯输出端，通过K2调节电池充电和放电过程之间的转换。

3 Labview软件结构设计

3.1串口通讯模式设置

本文采用串口通信模式，下位机与上位机的通信具有串行和并行两种方式。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，开销小。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异步串行通讯模式进行，采用RS-232异步串行通信标准实现单片机和上位机之间的数据通信。因为单片机使用TTL电平，RS-232使用的是RS-232电平，为了使通信稳定，本文使用电平转换芯片MAX232实现TS1102A单片机输入输出的串口信息到上位机的RS232串行接口信息的转换。

3.2上位机软件设计

本文利用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。将各个仪表和波形图的取值范围设置好，设计出的上位机前面板界面如图3所示。

上位机分为前面板和程序框图，主要分为三个方面：接收和显示电压、电流、温度的数据信息；D/A转换；设定电压数据采集通道。前面板给出了电压表、电流表、温度计的图形，波形图表，上限报警值和预警灯，串口通信通道，电压值的范围在12 V到17 V之间，低于12 V电池不能继续放电，高于17 V电池不能继续充电，电流值的范围在0到3 A之间，高于3 A，会造成过流保护，温度不能超过70℃，否则会高温保护。

Labview程序框图面板中，主要由打开串口的会话部分，写入温度、电压、电流部分，获取电压、电流、温度数值和波形部分，关闭与串口的会话部分构成。

电流、电压以及温度的读取通过VISA Read节点下位机部分接收变化模拟电压（0～5 V），连接字符串转字节数组函数和索引数组函数，通过数值“+”和“x”字符连接到测量数据显示图标，仪表图标，实时曲线控件图标，上位机接收到单片机发送的电压值为十六进制，需转换为十进制形式，用数字或波形曲线的形式输出。程序中对电压、电流和温度的值都设置了上限，电压值超出最大电压值17 V，报警灯会亮起，同时电流值大于3 A，温度超过70℃同样也会报警。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。

4 结束语

本文主要为了研究二次锂离子电池的充电放电过程中各项数据的变化，采用Labview编程平台设计了上位机，利用了图形化的编程，界面简洁直观，开发效率高，便于修改，使用非常方便。通过单片机与上位机的串行通信实现了对电池电压、电流和温度数据的采集、监控和预警功能，同时以图形和数值的形式显示出来。

[1] 武斌，陈峭岩，刘斌，等.电池管理系统监测平台的设计 [J] .电测与仪表，2013，50(1):112-116.

[2] 魏兴亚，魏宁娴，赵佩.基于LabVIEW的锂电池SOC估计与参数监测系统[J].应用能源技术, 2016,(01):45-48.

[3] Verma V, Tellapati R, Bayya M,et al. LabVIEW-based battery monitoring system with effects of temperature on lead-acid battery[J]. International Journal of Enhanced Research in Science Technology & Engineering, 2013,2:6-10.

[4] 王东楼，何怡刚，谢丰，等. 基于LabVIEW的电能质量分析与远程监测系统[J].电源技术，2016，40(4):881-884.

[5] 马伟，张洪浩，董鹏举. 基于LabVIEW的电动汽车电池监测预警系统[J]. 电子科技，2015，28(9):115-119.

Design of Data Monitoring System for Lithium-ion Batteries by Labview

Zhao Sheng，Xu Jin，Li Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Aimed at the questions of data monitoring in the process of lithium-ion batteries in charging and discharging, the paper presents a monitoring system designed by labview platform. The system implements data acquisition for the battery’s current and voltage with OZ3705 battery management chip , to get temperature with temperature sensors. The serial communication between the PC that real-time monitors the battery’s voltage, current, temperature and TS1102A single-chip microcomputer is implemented with RS-232 asynchronous communication standard.

Labview; data acquisition; RS-232 serial communication; real-time monitoring

TM911

A

1003-4862（2017）01-0065-03

2016-08-15

赵胜(1988-)，男，硕士。研究方向：化学电源。Email: wkd_zhaosheng@126.com