基于ZigBee的锂离子动力电池在线监测系统

叶露林，吴秋芹，陆锦军，曹 菁

（江苏信息职业技术学院 机电研究所，无锡 214000）

0 引言

AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引车）[1]具有运输效率高、节能、能实现柔性运输等优点，广泛应用于柔性装配系统、柔性加工系统以及自动化立体仓库，极大的提高生产自动化程度和生产效率。为保证AGV每天24小时连续运转, 多采用具有快速充电能力的锂离子动力电池作为其动力电源。由于锂离子动力电池在现阶段制造工艺下，一般由多节单体电芯通过串并联的方式组成，其内部各单体电芯本身的不一致性不但影响动力电池的充放电效率，也容易导致动力电池过充、过放，严重的会导致电池发热而引燃，甚至爆炸。因此，必须在使用过程中在线监测其各项运行参数，实现过冲、过放和过热等保护功能，并按实际使用情况进行日常维护，延长其使用寿命，降低运行成本。

本文利用数字化测量技术和ZigBee无线网络技术[2]，对AGV车用锂离子动力电池各项参数进行实时监测。包括动力电池以及内部各单体电芯电压[3,4]、充放电电流、温度以及SOC (state of charge, 荷电状态)[5,6]等参数，实现动力电池过冲、过放和过热等保护功能，同时通过在线工况分析，实现动力电池各项诊断功能，为用户科学安排维护计划提供决策依据。整个系统操作简单、稳定性好、自动化程度高。成功应用于汽车发动机组装及测试等柔性装配生产线，并取得了较好的经济效益。

1 系统组成

图1 系统组成框图

锂离子动力电池在线监测系统利用ZigBee自组网功能，将柔性装配车间内各个AGV车用锂离子动力电池前端数据采集终端连接成无线网监测系统。由协调器负责建立网络及网络的相关配置，前端数据采集终端通过发送请求加入或者退出网络，并分配有互不重复的ID标记。前端数据采集终端实时检测动力电池工作时的电流、电压、温度以及SOC等参数，并通过ZigBee无线通信将所采集动力电池工作参数转发送至协调器。协调器起到网关的作用，将所接收的数据通过RS-485总线转发给监控平台，进行数据分析处理与数据库管理。同时，监控平台通过ZigBee无线网络将设定的运行参数下载至前端数据采集终端。系统组成如图1所示。

2 前端数据采集终端设计

2.1 硬件设计

前端数据采集终端主要包含ZigBee无线收发模块及电池信息采集与保护模块两个部分。其组成如图2所示。

图2 前端数据采集终端框图

电池信息采集与保护模块采用PIC18F46K80[7]单片机控制，由电源电路、复位电路、电芯电压测量电路、电池温度测量电路、电流测量电路以及保护控制电路等组成。

电芯电压测量电路。采用多通道切换的技术，通过低阻抗MOS管组成的多路电子开关，分时将各电芯电压信号经过分压以及由CS3002构成的电压跟随器缓冲后，切换到CS5513进行A/D转换，完成动力电池各串联电芯电压的测量。电芯电压测量电路如图3所示。CS5513是美国CRYSTAL公司生产的20bit串行输出A/D转换器，其内部包括一个4阶Δ-Σ调制器和一个滤波器。分压电阻（R1-Rn，以及R）均选用精密金属膜电阻，减小因温度系数不同而造成的测量误差。

电池温度测量电路。选用NTC（Negative Temperature Coefficient，负温度系数）热敏电阻作为温度传感器。由于NTC热敏电阻的阻值与温度之间是非线性的函数关系，采用软件查表法实现测温全量程线性化校正。

电流测量电路。采用高端电流检测方法，利用串联在电路中的mΩ级检流电阻Rsense对电池充放电电流进行采样，检流电阻两端的毫伏信号经过ADI公司单电源高性能差分放大器AD8207放大后，送至PIC18F46K80内部12位A/D转换器，实现充放电双向电流精确测量。由于电路简单可靠，系统的整体稳定性得到很大提高。AD8207共模电压输入范围为-4V～65V（电源电压5V）,可以承受-25V～+70V 的输入共模电压, 适用于在高共模电压情况下检测小差分电压。电流测量电路如图4所示。

保护控制电路。根据设定的保护控制参数，控制电子开关断开或接通电池主电路，实现动力电池过冲、过放和过热等保护功能。

ZigBee无线收发模块。选用广州致远电子有限公司ZM2410系列ZigBee无线收发模块（2.4GHz），该模块内嵌串口透明传输通讯协议，可实现点对点，一点对多点无线通讯。

2.2 软件设计

图3 电芯电压测量电路

图4 电流测量电路

前端数据采集终端控制程序采用C18[8]和汇编语言混合编程。主要包括初始化程序、通讯处理程序，动力电池实时运行参数采集程序（电压、电流以及温度检测），SOC估算和保护控制程序四大部分，如图5所示。

图5 主程序流程图

初始化程序主要完成各端口的初始化以及从EEPROM中读取运行参数。端口的初始化包括串口通讯接口、A/D转换接口以及SPI通讯接口的初始化。其中串口初始化主要完成串口工作方式的配置，波特率参数设置，发送接收允许以及串口中断允许寄存器的设置等。

系统采用安时积分方法进行动力电池SOC估算。针对该方法长时间工作时有较大的累积误差的缺点，系统在进行SOC估算时，辅以温度、自放电等因素的动态补偿法，有效提高估算精度。

3 通信应用层协议

应用层协议是ZigBee网络应用的关键。监控PC与前端温度测控模块之间的通信中，制定了切实可行的用户层通信协议。

3.1 数据请求与应答

请求命令：监控PC请求前端数据采集终端将动力电池工作参数上传。

正常应答：前端数据采集终端将所采集的动力电池工作参数上传到监控PC。

异常应答：

3.2 参数下载与应答

下载命令：监控PC将设定的运行参数下载至前端数据采集终端。

正常应答：

异常应答：

3.3 动力电池关键工作参数

表1 动力电池关键工作参数

4 上位监控软件设计

系统的监控软件采用模块化设计，采用Visual C++语言[9]编写而成。程序分为四个基本的模块：通信模块、系统参数设置、数据管理以及实时显示模块。

通信模块。利用监控PC串行通信接口与ZigBee协调器通讯，实现通过ZigBee无线通信网络与各前端数据采集终端网络通信。完成通信命令数据的编解码，向数据管理与显示模块提供一个通信对象。

系统参数设置模块。设置系统保护及报警参数（单电芯电压、动力电池总电压、电池温度以及充放电电流等），串行通信参数以及巡检时间间隔等。

数据管理模块。利用SQL Server 2000数据库管理系统的数据存储和查询功能，对锂离子动力电池运行过程中的实时工作参数进行管理，方便技术人员对动力电池实时状态数据进行查询和打印报表，并对动力电池进行离线分析，为锂离子动力电池的故障分析和日常维护提供决策依据。

实时显示模块。实时动力电池运行参数以及充放电曲线，方便用户进行动力电池性能判断。

5 结束语

基于ZigBee的锂离子动力电池在线监测系统，有效解决了AGV车运动过程中其内部锂离子动力电池实时工况在线监测及诊断的问题。并将动力电池实时运行参数保存在数据库中，方便技术人员对系统性能进行离线分析，为锂离子动力电池的故障分析和日常维护提供决策依据。本系统开发以来，已成功应用于汽车发动机组装及测试等柔性装配生产线。系统稳定可靠，经济效益十分明显。同时，因其操作简单、焊接效率高等特点，受到用户的好评。

[1] 金嘉琦,王玉鹏.AGV在发动机试车线上的应用研究[J].机械设计与制造,2005(11):131-133.

[2] 杨福宝.基于Zigbee的数据传输系统的研究设计[J].制造业自动化,2011,33(1):60-62.

[3] 蒋新华,雷娟,冯毅,等.串联电池组电压测量的新方法[J].仪器仪表学报,2007(4):734-737.

[4] Gu Qijun,Chen Yifang,Wu Zhifei.A voltage measuring method of series battery[J].Electrical Measurement &Instrumentation,2002,39(5):26-29.

[5] 时玮,姜久春,李索宇,等.磷酸铁锂电池SOC估算方法研究[J].电子测量与仪器学报,2010,24(8):769-774.

[6] 田晓辉,刁海南,范波,等.车用锂离子动力电池SOC的预测研究[J].电源技术,2010,34(1):51-54.

[7] Microchip. PIC18F66K80 Family Data Sheet [Microchip Data Sheet] .www.microchip.com,2012.

[8] Microchip.MPLAB® C18 C COMPILER LIBRARIES[Microchip Data Sheet] .www.microchip.com,2005.

[9] David Simon,周瑜萍.Visual C++6.0 编程宝典[M].北京:电子工业出版社,2005.528-792.