【基于LabVIEW的钒电池监控系统设计】全钒液流电池

　　摘 要：设计了一个基于LabVIEW的钒电池监控系统，介绍了监控系统的组成及监控软件的开发设计。实际运行结果表明，该监控系统实现了钒电池的数据采集、显示、分析存储和控制功能。
　　关键词：钒电池 监控 LabVIEW
　　中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2012)06(a)-0040-01
　　钒电池作为一种新兴的大规模蓄电储能设备，广泛应用于风能、太阳能等发电系统[1]。本研究基于LabVIEW平台实现了对钒电池系统全自动控制及相关参数的监测，保证了钒电池系统安全高效的运行。LabVIEW是由美国NI公司利用虚拟仪器技术开发的主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台[2]，该开发环境把工业测量与控制和计算机完美结合在一起。
　　1 系统总体方案
　　钒电池监控系统采用上下位机结构形式，由上位机监控平台和下位机控制器组成。控制器以单片机为核心，包含了传感器、电压采集盒、可控执行器件等，主要完成钒电池运行参数采集、数据分析、报警输出等功能[3]。上位机监控平台为通用PC机，通过RS232与下位机连接。上位机监控软件主要完成采集信号的数据分析、显示、记录，设置运行控制器的工作模式和参数等工作。
　　钒电池工作时，传感器将采集到的电解液温度、液位、流量及压力等物理信号转化为电流信号，经过精密电阻转换后得到电压信号并输至A/D转换器。采集盒使用LTC6803[4]电池管理芯片作为测量器件，使用SPI接口与控制芯片通信，并且可以多个串联使用，实现对多路单体电池电压的采集。系统通过3种可控执行器件实现对钒电池系统的控制，泵开关用于启停电池电解液的流动，报警器用于系统故障报警，充放电设备用于电池充放电。控制器接收到信号后实时处理分析，按照通信协议以数据帧的形式将系统状态参数通过RS232发送到PC端监控平台，接收PC端监控平台控制信号实现对可执行器件的控制。
　　上位机监控软件的主要功能是在钒电池运行时，向工作人员提供人机交互界面，将接收到的信号解析后，以数值或曲线的形式实时显示，以供给工作人员监视控制；对系统状态参数进行分析处理后以Excel表格的形式存储；根据设置参数对监控数据进行判断，当发现系统异常时，给出报警信号，并向下位机控制器发送钒电池停止运行命令，确保钒电池系统安全可靠运行。
　　2 上位机监控软件的设计
　　上位机监控软件主要由用户登录模块、参数配置模块、系统通信模块、系统监视模块及数据分析存储模块组成。
　　2.1 用户登录模块
　　该模块主要是为了提高钒电池监控软件系统的安全性，只有权限较高的工作人员才能对系统进行操作。登录系统时需输入用户名、密码，系统验证正确后即可查看系统状态、设置系统参数等。
　　2.2 参数配置模块
　　参数配置模块可设置监控系统的各项参数，包括串口参数、采集参数、传感器参数、存储参数及电堆参数五部分。传感器参数用来设定系统状态参数安全范围，当检测到的相关参数不在此范围时，系统将报警提示；数据参数采集方式分为单次采集与定时采集两种，单次采集主要用来测试监控软件与下位机控制器的通信状况，定时采集实现数据实时采集；电堆参数用来设置钒电池电堆数及每个电堆单体数量；串口参数用来设置串口通信参数；存储参数包括存储时间、文件保存目录等参数。
　　2.3 系统通信模块
　　监控平台与下位机控制器采用RS232串口通信，数据以帧为单位传输，数据帧结构如表1所示。
　　其中控制字共有4个字节，分别代表数据类型或命令类型、数据长度、源站地址、目的站地址。数据长度不能大于255，数据类型有传感器数据、漏液信息、电堆数据及单体电压数据，命令类型有启停泵、启停充电设备、启停报警器。读取每帧数据后都要进行CRC校验，若校验不通过则重新发送数据。
　　在LabVIEW中对串口进行控制的方式通常是直接利用LabVIEW功能模块“仪器I/O”中的“串口”子模块，该子模块中包含进行串行通信操作的一些功能模块[5]。LabVIEW串口通信首先要通过“VISA配置串口”子VI对串口相关参数进行设置，包括串口号、波特率、数据位、停止位及校验位等。串口通信的读、写操作通过“VISA读取”与“VISA写入”函数实现，读取的数据字节数不能大于串口接收缓冲区数据字节数。串口通信结束后需使用“VISA关闭”函数结束通信过程。
　　2.4 系统监视模块
　　系统的监视模块主要用来显示系统主要设备的运行状态，将通信模块接收的原始数据按照通信协议解析后得到系统状态参数值，然后赋予各显示控件。电池电压及各传感器数据以数值和模拟图形的形式实时显示。
　　当监控参数都正常时，点击控制按钮，控制状态灯会变成浅黄色表示打开；点击启动泵和充放电设备按钮，泵状态和充放电设备状态灯会变成浅黄色表示打开；监控数据发生异常时，泵和充放电设备会自动变为停止，对应的泵状态和充放电设备状态灯会变成深绿色表示关闭，报警器状态灯闪烁报警。
　　2.5 数据分析存储模块
　　钒电池作为一个能量储存设备，其各项技术指标对今后的研究具有重要意义。监控软件除了对系统状态进行实时监控还需对相关指标进行分析和存储。在数据分析存储模块中，根据解析出的电流、电压等参数计算出钒电池的功率、充放电容量、库伦效率、电能效率，并以表格的形式实时显示。在参数设置模块设置好存储参数后，软件将钒电池状态参数及分析结果写入Excel表格保存，以便研究人员查阅研究。
　　3 结语
　　本文利用LabVIEW软件及单片机设计了一个钒电池监控系统。实验证明该系统能够实时采集、显示、保存钒电池各状态参数，当钒电池出现故障时监控系统能够及时报警并停止运行。
　　参考文献
　　[1] 李虹云,刘理,李云燕.新能源钒电池及其充电控制技术[J].企业技术开发,2010(1):38～40.
　　[2] 雷振山．LabVIEW7Express实用技术教程［M］．北京:中国铁道出版社，2004．
　　[3] 漆阳华.钒电池智能监控管理系统设计[J].信息与电子工程,2010,8(5):588～593
　　[4] Linear.LTC6802-1 Multicell Battery Stack Monitor(datasheet)[EB/OL]..2008-09-26
　　[5] 阎群,张明波,余达太.基于LabVIEW的燃料电池电源监控系统的设计[J].微计算机信息,2011,27(8):38～40.