锂电池化成电源监控系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

锂电池化成电源监控系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

图 单片机 结构 图 采样电路设计 本节先对采样硬件电路进行设计，然后计算电路的理论变比，再和实验得到的结果进行比较，最后介绍修正系数 [6]的作用。 采样硬件电路设计 首先我们需要知道，对监控系统而言，需要显示电池单元的哪些数据，才能根据需要对这些数据进行采集。 对于一个锂电池 单元，我们需要采集的数据有：蓄电池电压、蓄电池电流、蓄电池测主 Mos 管电流、直流侧电压、直流侧电流、直流侧主 Mos 管电流。 下图便是这些数据的采样电路 图 电池电压 采样电路、电池电流采样电路 15 图 直流侧电压采样电路、直流侧电流采样电路 图 蓄电池侧 MOS 管电流采样 图 直流侧 MOS 管电流采样 注： 1） 采样电路用了 4 个运放， U U U U5； 2） U2 采样电池的电压电流； U5 内两个运放级联采样电池测 主 Mos 管的电流； 16 3） U3 采样直流侧电压电流； U9 内两个运放级联采样直流侧 主 Mos 管的电流； 4）二极管上有 的压降； 5）蓄电池测电流采样电阻为 m10 ，直流侧为 m600 ； 采样电路的理论变比： 1）电池电压采样： Ubattery_ADC= U batteryKK K1010 10 =*Ubattery 电池电压 Ubattery 范围为 ； Ubattery_ADC 最大值为 2）电池电流采样： U7=20*(Ibattery2 Ibattery1) =20* m10 *Ibattery = Ibattery Ibattery_ADC=21 (U7+) 说明 ： U7 为运放 7 脚电压 3）直流侧电压采样： Udclink_ADC=kk k * Udclink Udclink_ADC=1/61Udclink 直流侧电压 Udclink 为 100V 4）直流侧电流采样： U1= KK1051 (Idcl ink1 Idclink2) =* m600 *Idclink = Idclink_ADC= 21 (U1+) 说明 ： U1 为运放 1 脚电压 5） Mos 管 1 电流采样： iQ1_ADC= KK121 CT1=21CT1= 6） Mos 管 2 电流采样： iQ2_ADC= KK1061 CT1== 17 采样电路实验变比 1）电池电压采样： 表 电池电压 采样 实验结果 Ubattery Ubattery_ADC 变比 4V 2V 结论： U b a tter yA D CU b a tter y, ,基本满足变比。 2）电池电流采样： 表 电池 电流采样 实验结果 Ibattery2 Ibattery1 Ibattery_ADC U7 变比 100mV 0mV 结论： 100 7  mVVIb a tter yIb a tter y U，基本满足变比。 3）直流侧电压采样： 表 直流侧 电压 采样 实验结果 Udclink Udclink_ADC 变比 69mV 1/ 36mV 1/ 结论：平均值为 ，  ， 基本满足变比。 4）直流侧电流采样： 表 直流侧 电 流采样 实验结果 Idclink1 Idclink2 Id_ADC U1 变比 300mV 0mV 结论： 1  mVVI d c lin kI d c lin k U ，基本满足变比。 18 5） Mos 管 1 电流采样： 表 Mos 管 1 电 流采样 实 验结果 CT1 iQ1_ADC U1 变比 50mV 50mV 结论： CTU ，基本满足变比 6） Mos 管 2 电流采样： 表 Mos 管 2 电 流采样 实验结果 CT2 iQ2_ADC U1 变比 100mV 624mV 100mV 565mV 结论： 0 06 2 421  mVmVCTU ，基本满足变比 表 理论变比和实验 变比 对比 理论变比（采样电路输出 /输入） 实验结果 电池电压 电池电流 20 直流侧电压 1/61 1/ 直流侧电流 Mos 管 1 21 Mos 管 2 由表中数据可知， 所要采样的六组数据，其采样电路的理论变比和实际变比基本符合。 修正系数 由表中的数据，我们可以看出，采样电路的理论变比和实际变比仍然存在着偏 19 差，其中不乏测量产生的误差，但为了使采样到的数据尽可能不失真的上传到液晶，单片机会 对采样到的数据进行修正。 修正系数便由此而来，这里需要说明的是修正系数是通过实验得到，然后由液晶下发的。 单片机 10 位 ADC 采样，采样到的数在单片机中都会转化成 0— 1023 之间的数（ 16 进制），即 对应 01023，举个例子； 例： Ubattery=2V（在采样上施加的信号）， Ubattery_ADC=1V，对应到单片机的值为 310，再减去零点值 0。 （ 3100） *修正系数 /1000=200 ,即 2V 到单片机中上传给液晶的数必须是 200，这是个修正的过程。 这里需要做下说明，采样到的值可能会是浮点数 ，必须转化为 16进制才能上传给液晶，所以在上传之前会乘以 100，液晶接收到数据再除以 100 将其还原。 下表是通过反复实验得到的各个采样值的修正系数。 表 修正系数 蓄电池电压修正系数 665 蓄电池电流修正系数 3690 蓄电池测 Mos 管电流修正系数 3200 直流电压修正系数 2030 直流电流修正系数 190 直流侧 Mos 管电流修正系数 195 修正系数得到之后，还要通过保护程序进行验证，这里就不赘述了。 485 通讯电路设计 485 通讯硬件电路设计 485 通讯电路在监控系统中的作用是十分重要的，无论是电池单元上传数据还是液晶下发数据，都必须经过 485，下图为 485 通讯电路。 20 图 485 通讯电路 1 脚和 4 脚分别连接单片机的接收和发送引脚， 6 脚和 7 脚与液晶相连。 其使能端 EN 由单片机 IO 口的输出电平控制。 485 在监控系统中的作用 本论文中，液晶和单片机通讯选用 RS485 总线通讯，不用 RS232 的原因是，液晶需要和多个电池单元通讯， RS232 只能点对点通讯，而 RS485 可以连成网络通讯[7]。 RS485 一般工作在半双工的方式，任一时刻主 从只能一个发。 RS485 联网通讯存在一个容量的问题，容量的大小限制了每个设备中充电单元的数目； RS485 总线一般 最多可连接 256 个节点 ，本论文中一个设备 连接 256 个电池单元。 液晶的采集脚本每隔一段时间都要向单片机要数据，所以 EN 的初始状态一直处于低电平，即 485 一直处于接收状态，当单片机接收到液晶索要数据的数据包时，将使能端 EN 置 1，使能 485 的发送，同时会存下这段数据，判断液晶要的是什么数据，并将这个数据存入发送缓冲区， 485 会将数据发送出去，同时使能端 EN 回零。 锂电池化成单元的运行数据就是按照这种方式 上传到液晶的，同样，液晶需要下发一些系统参数也是按照这种方式进行通讯的。 本章总结： 对于监控系统来说，采样是十分重要的，数据从电池单元一直到液晶显示是如何传递的，它在传递过程中发生了哪些变化 ,都是需要 了解 的。 在 485 引脚配置的过程中，给使能端 EN 配置 IO 口，是十分重要的，必须将该 IO 口配置为输出。 21 4 下位机监控系统 设计 由前面几章的讨论，我们知道了锂电池化成电源监控系统的结构由上位机监控系统和下位机监控系统构成。 液晶作为下位机监控系统的控制中心，承担了监控两百个电池单元的重要责任。 本论文的液 晶显示界面采用组态软件 MCGS 的嵌入版进行设计，通讯采用最常用的 RS485。 那么如何实现液晶的监控功能，以及如何完成液晶和一个设备中两百个电池的通讯，都是本章要讨论的内容。 下位机监控系统的 功能 描述 一个锂电池化成电源设备由两百个电池单元和一块液晶构成，如图所示；液晶作为下位机监控系统的控制中心，控制着整个设备中所有的电池单元的工作。 电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元电 池单 元............设 备 1液 晶R S 4 8 5 图 下位机监控系统架构 图 那么液晶的主要功能有： 1）设备单元启停控制； 2）运行参数显 示；如输入直流电压、输入直流电流、蓄电池电压、充电电流、 22 工作状态 (充电、放电、搁置 )等； 3）参数设定。 包括调试参数 (工作模式选择、 PI 调节器、充放电电压电流值、过压过流保护值、过热保护值等 )，以及电压电流修正系数； 4）充电曲线显示； 5）故障报警。 显示具体单元及故障类别； 锂电池化成电源的主要工作模式有四种，即恒流充电模式、恒压充电模式、恒流放电模式、智能循环充放电模式 [8]。 在这四种工作模式下，电池单元需要按照不同的参数去化成，所以液晶不仅能够控制各个电池单元的化成模式，还要在不同的工作情况中 下发不同的化成参数。 下表显示了对液晶的具体要求。 表 锂电池 化成模式 表 序号 功能 说明 1 恒流充电 恒流充电须设置充电截止电压值和恒流充电电流值。 2 恒压充电 恒压充电须设置恒压充电电压值和充电截止电流值。 3 恒流放电 放电采用恒流放电方式，须设置恒流放电电流值和放电截止电压值。 4 智能循环充放电 智能充放电是指充电、搁置、放电三个步骤由主控芯片自动控制完成。 使用时须设置好恒压充电、恒流充电、放电相关参数，此外还需设置搁置时间和循环充放电次数。 电池单元 与液晶的通讯 电池单元与液晶的通讯方式 电池单元和液晶的通讯需要遵守一定的通讯协议，并且它们之间传递的数据也遵守一定的格式，下面通过几点说明来解释液晶和电池单元之间的通讯格式： 1）液晶和电池单元之间传递的数据分成三种：运行参数；系统参数；开关机命令。 系统参数又分成调试系数和修正系数。 2）液晶不处理数据：液晶直接显示上传的运行参数，直接下传系统参数（包括调试参数、修正系数），不储存数据；单片机进行数据处理（修正）。 3）传递的数据有一定的格式： 23 包 长F E H F E H F E H F E H包 头0 4 H站 点 号 序 号 命 令 码 校 验 码或 包 长F E H F E H F E H F E H包 头0 6 H站 点 号 序 号 命 令 码 校 验 码参 数 低 字 节 参 数 高 字 节 图 液晶和单片机传递的 数据格式图 4）站点号 — 识别具体电池单元 命令码 — 区分是否需要存储数据（ 0x11H 只显示， 0x50H 存储数据） 序列号 — 具体变量名称 总结：结合以上几点说明，可以发现，液晶需要要显示运行数据时，就发包头为 04H、命令码为 0x11H 的数据包；单片机回包头 06H、对应运行数据的高低字节的数据包；同样，下发系统参数或开关机命令，就下发包头为 06H 的数据包；单片机收到数据，同样要回包头为 04H 的数据包。 另外 ，还有两点需要说明； 1）由单片机上传给液晶的数据，或者是液晶下发的数据，有小数存在的可能性，所以在传递时都需要乘以 100，接收到之后再除以 100 还原。 2） 16 位故障码的每一位分别代表一种故障，如 0x0010 表示蓄电池侧电压过压。 具体哪一位代表何种故障，可以查看通讯协议。 RS485 总线通讯的特点 1）联网通讯： RS232 接口可以实现点对点通讯，但这种方式不能实现联网通讯，所以本论文使用 RS485 接口；采用一条双绞线电缆作为总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短， 以便使 引出线中的反射信号对总线信号的影响最低 [9]。 2）总线容量： RS485 接口组成的半双工网络，一般是两线制，任一时刻主从只能一个发；电池单元的站地址采样 8 为二进制数进行编码，通讯方式以主机轮询的方式进行，液晶作为该网络中的唯一一台主机（只允许存在一个主设备），。