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大规模电池组充放电 效能优化

大规模电池组充放电 效能优化. 项目类型： 横向项目 指导老师： 程良伦教授 时 间： 2011.09. 电池信息采集系统 CPU 部分 上位机软件部分. 项目的背景介绍. 应用背景 蓄电池出厂前对电池进行反复充放电，激活其中的化学物质优化其性能，这个过程叫化成。 蓄电池容易在该过程中损坏，控制复杂关键，因此需要专门的充放电机控制系统对化成过程进行监控。 行业现状 工艺指令简单，不能完成复杂的工艺 单路巡检，效率低 电池信息采集通信速度慢 开发需求 大规模电池充放电控制系统：快速精确，工艺丰富，界面友好，操作方便，低成本. 充放电机控制系统的结构.

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大规模电池组充放电 效能优化

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Presentation Transcript

  1. 大规模电池组充放电效能优化 项目类型： 横向项目 指导老师： 程良伦教授 时 间： 2011.09

  2. 电池信息采集系统 • CPU部分 • 上位机软件部分

  3. 项目的背景介绍 • 应用背景 • 蓄电池出厂前对电池进行反复充放电，激活其中的化学物质优化其性能，这个过程叫化成。 • 蓄电池容易在该过程中损坏，控制复杂关键，因此需要专门的充放电机控制系统对化成过程进行监控。 • 行业现状 • 工艺指令简单，不能完成复杂的工艺 • 单路巡检，效率低 • 电池信息采集通信速度慢 • 开发需求 • 大规模电池充放电控制系统：快速精确，工艺丰富，界面友好，操作方便，低成本

  4. 充放电机控制系统的结构

  5. 电池信息采集系统 1.电池采集部分框图

  6. 电池节点框图 汇聚节点框图 无线节点硬件结构

  7. 电池节点 ADC软件校正： 本MCU中A/D转换器存在：失调误差、增益误差。 理想情况下，ADC模块转换方程为y=x×mi，式中x=输入计数值 =输入电压×4095/3；y=输出计数值。 在实际中，A/D转换模块的各种误差是不可避免的，这里定义具有增益误差和失调误差的ADC模块的转换方程为y=x×ma±b，式中ma为实际增益，b为失调误差。

  8. 电池节点 • 参数： • 工作频率：433MHz • 功耗：<0.2W • 采集速度：20ms • 电压检测精度：0. 1% • 温度检测精度：0.5℃ • 供电方式：电池供电 • 距离:<150m(无阻挡) • 电池类型：2V，6V，12V

  9. 汇聚节点 电池信息分电压和温度 电池又分为高压电池（6V和12V）和低压电池（2V），高压电池的电压信息两位小数，如12.91V，低压电池信息电压为三位小数：如1.857V。 温度信息为一位小数，如29.5℃。 两信息分别用12位表示，一共24位即3个字节。 它们位置存放顺序为温度在高位电压在低位。例如：0x11 0x05 0x0C。 则温度为：0x0110=272，即27.2℃，电压为：0x050C=1292，即12.92V。

  10. 实物图

  11. CPU系统构成 CPU系统 • CPU系统主要包括与下位机巡检通信，PC机TCP通信，程序工艺指令手动指令以及内部数据存储等功能。下图是结构示意图： • 充放电回路通信RS485 • 电池信息采集CAN2.0 • SD卡充放电日志存储（SPI总线） • PC通信（TCP/IP）实现大规模联网控制 • 实时时钟（RTC）I2C通信 • 铁电E2PROM（I2C） CAN2.0 RS485 LM3S8962 CotexM3 HUB TCP/IP SPI SD Card I2C I2C RTC E2PROM

  12. CPU系统 • μC/OS-Ⅱ操作系统 • μC/OS-Ⅱ多任务操作系统 • 多任务处理（创建5个任务），通过消息邮箱，信号量等完成任务间同步与资源共享。 • TCP通信 • LWIP协议 、手动端口（1400）和巡检端口（1207）TCP通信 • RS485通信 • 长帧处理，定时器判断结束。 • 并行处理：UART0处理前18回路通信，UART1处理后18路通信，减少等待时间。 • 巡检日志存储 • SD卡按采集间隔存储回路充放电信息，每条117字节，按块写。 • 上传PC机，一次上传1000条。

  13. CPU状态控制 • 充放电命令：充放电回路完成的最基本的命令，如恒压充电，恒流脉冲充电，恒阻充电等。（17种） 电池在化成充放电过程中，通过指令编辑完成各种工艺。 • 工艺指令：指令+运行参数+单步终止条件+单步辅助条件+辅助动作+采集时间间隔（99步） • 两层循环：工艺指令中包括循环命令，内外两层循环，循环的判断和标记。 • 掉电保护：对于CPU掉电应该可以无错继续运行，包括上一次巡检的信息，注意掉电与通信错误区分。

  14. CPU通信 • 与汇聚节点通信（CAN通信） 12帧，1帧8字节，两颗电池信息 • 与充放电回路通信（RS485通信） • 过程信息获取 • 控制命令写入读出 • 回路参数读取写入 • 与上位机软件通信（TCP通信） • 巡检命令通信 • 回路信息（45字节）+电池信息（72字节） • 手动命令通信 • 信息获取（整机，单台，通信参数，型号等） • 运行控制（启动，停止，暂停，继续，跳转） • 指令控制（整套指令的处理） • SD卡操作（初始化读写擦） • 其他（ID修改，参数校正，时间校正，控制命令获取，回路参数获取）

  15. ucos系统运行任务流程图

  16. CPU特点 处理充放电回路：36路 工艺指令：19种 巡检速度：160ms/路（包括回路信息和电池信息） RS485速率：9600bps 工艺指令：40套 日志信息存储：5W条/路 CAN通信速率：500Kbps 每条工艺长度：50字节 单步终止条件类型：5种（AH,WH,I,V,T） 辅助条件类型：5种（T,V,T/s，V/s，V-NUM） 辅助动作：4种 掉电保护信息:18字节/路 功耗：1.5W

  17. 上位机软件 上位机以TCP/IP通信为基础，在操作员和硬件系统之间提供人机交互平台。界面友好，操作方便。定时巡检、执行手动指令是上位机中心任务，它主要完成数据采集、数据格式解析及显示、数据存储，历史数据分析，编辑、下发指令等工作。 • 软件开发环境 • 软件功能模块 • TCP/IP多线程通信原理 • 数据分析与归档 • 图形用户界面

  18. 开发环境 • 操作系统: WinXP/Win vista/Win7 无特殊应用要求； 大家都会用的操作系统 • 数据库: Access2007桌面型数据库 小数据量：1000*300，10万级数据量； 交互性好，如Excel一样直观； 无需数据库维护人员 • 开发语言： Visual C++ 2008 ，MFC MFC (Microsoft Foundation Classes)，以C++类的形式封装了Windows的API，并且包含一个应用程序框架，以减少应用程序开发人员的工作量。其中包含的类包含大量Windows句柄封装类和很多Windows的内建控件和组件（COM）的封装类； 面向对象编程，方便代码维护和升级。

  19. 功能模块 上位机与底层CPU板通信，采集实时信息，执行手动命令，功能模块划分如下图所示： 图1 上位机功能模块图

  20. 上位机监控主界面

  21. 充放电工艺管理 一套工艺最多可达99步，每步有16种指令可选，每种指令又包含运行条件、终止条件、辅助条件和辅助动作，4种条件是可组合的，具体由用户根据生产情况决定。下位机可同时保存40套工艺。

  22. 指令编辑界面（1）

  23. 指令编辑界面（2）

  24. 指令编辑界面（3）

  25. TCP/IP通信方式 • 架构： • TCP/IP协议 • 客户服务器模式（C/S模式） • 套接字通信方式 • VC++实现： • WinSocket2.1 阻塞模式+ 多线程 • 以PC为客户端，请求数据；以下层CPU为服务器，提供数据 图2Socket阻塞模式通信模型

  26. 多线程巡检方式 后台维护一个充放电机信息链表，每隔一定时间（例如3s），读取各设备IP地址和回路标识信息，并根据这些信息依次创建一组巡检线程，向各服务器请求数据。 多线程并发执行，提高数据采集和处理速度。 图3 多线程巡检原理

  27. 数据处理 • 巡检线程与数据显示线程分离 • 在采集的时间间隙可处理数据，提高系统时间利用率； • 巡检时间间隔和数据显示时间间隔可设置为不同值； • 后台维护一个线性链表，每个表节点对应一个电机回路， 采用C++结构体类型存储回路信息 • 关键点：多线程同步

  28. 资源共享区同步策略 对资源共享区的访问同步控制是多线程程序设计的首要问题，本系统采用临界区（ Critical Section ）进行同步。原理如下： 图4 采用临界区保护共享资源

  29. 上位机运行时界面

  30. 手动指令执行界面举例

  31. 历史数据分析与归档 数据分析是过充放电过程采集的数据进行分析，在产品试验和实际生产中都具有重要意义。有助于改进工艺，产品质量控制，产品缺陷溯源等。 图5 历史数据分析与归档过程

  32. 数据分析主界面

  33. 其他图形用户界面 （b）参数校正 (a) 底层硬件参数设置 （c）上位机软件参数设置 （d）精简显示界面

  34. 谢谢！ 大规模电池组充放电效能优化 Charging & discharge performance optimization of the batteries 报告完毕！

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