CN108847505B - 一种基于qt的钠硫电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于QT的钠硫电池管理系统，通过实时采集钠硫电池的单体电压、温度等信息，在上位机界面上来实现对钠硫电池运行状态的监测；具体讲，根据钠硫电池的运行状态，施行不同的运行策略，当电池运行状态发生异常时，启动继电保护装置动作以保护系统的运行安全；当电池运行状态正常时，根据预先制定的运行策略来实现电池充放电和电池升降温控制，最后通过上位机对钠硫电池组工作状态的实时监控，实现了对钠硫电池运行的管理与保护。

Description

一种基于QT的钠硫电池管理系统
技术领域
本发明属于电池测试及运行的监控技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于QT的钠硫电池管理系统。
背景技术
电池管理系统(Battery Management System,简称BMS)是电池与用户之间联系的桥梁，无论是在电池的测试还是运行过程，电池管理系统都发挥着不可替代的重要作用。电池管理系统的主要针对对象是二次电池，目的是为了能够提高电池的利用率，防止电池在测试及运行的过程中出现充放电异常等安全情况。电池管理系统的应用领域广泛，主要集中在新型电池的测试及运行，电动汽车，机器人和无人机等领域。
目前的电池管理系统虽然能够满足部分电池运行的需要，但功能较为简单，适用范围很小，电压、电流以及温度的测量范围还不够大。尤其是对于钠硫电池这种特殊的二次电池，其运行温度高达300摄氏度，这就要求电池管理系统不仅能够具备较为精确、广泛的测量手段，更重要的一点是能够提供相应的继电保护措施以应对随时可能出现的安全事故。
同时，市场上大部分的电池管理系统都没有相应的人机交互界面，在钠硫电池等二次电池的测试过程乃至后续的运行过程，人机交互功能对于人为处理一些故障、临时施加某项指令等任务具有非常重要的意义。
本发明相较于传统的电池管理系统针对钠硫电池运行温度高、安全危险系数高等一系列运行特点，实现了集继电保护措施、大范围高精度指标测量和人机交互于一身的电池管理系统研制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于QT的钠硫电池管理系统，通关采集钠硫电池的单体电压、单体温度、总电压、总电流以及温度信息来实现对钠硫电池监测、控制的目的。
为实现上述发明目的，本发明一种基于QT的钠硫电池管理系统，其特征在于，包括：
一PCB采集板模块，由多块子采集板集成，每块子采集板又包括一单体电压采集模块与单体温度模块；每块子采集板附着在一块电池组上，每块子采集板通过CAN总线互连，还通过CAN总线与PCB主板和上位机连接；
所述的单体电压采集模块包括主芯片、滤波器、CAN总线；主芯片采集对应电池组的单体电压，并通过滤波器滤波处理后，由CAN总线发送至PCB主板；
所述的单体温度模块采用感温热电阻作为采集元件，通过采集感温热电阻的阻值变化，将阻值变化转变为电压信号的变化，再通过主芯片计算出当前电池组的单体温度，由CAN总线发送至PCB主板；
一PCB主板，通过CAN总线上传的单体电压和单体温度来判断电池组是否发生故障，如果发生故障，PCB主板启动继电保护程序，并控制继电保护装置断开炉温控制器的电源，从而停止对该电池组加热，同时控制继电保护装置断开双向逆变器对该电池组的充放电通道，从而停止对该电池组进行充放电；此外，PCB主板采集接触器反馈触点的信号来判断继电保护装置中接触器的闭合状态，并将闭合状态发送至上位机，增加保护的可靠性；同时，PCB主板采集电池管理系统的总电压和总电流，将总电压和总电流，以及单体电压和单体温度发送给上位机进行实时显示；
一继电保护装置，包括继电器、接触器和断路器；主要用来保护电池，防止由电压过载或温度过高而造成损坏；电池正常工作时，PCB主板控制保护装置中的继电器接通接触器的电源，从而接通电路，使得双向逆变器进行充放电，同时控制炉温控制器自动进行升降温处理；若电池故障时，PCB主板控制继电器切断接触器的电源，从而断开双向逆变器的充放电通道，同时停止控制炉温控制器的升温处理；
一炉温控制器，根据上位机实时显示的温度情况对电池组进行升降温处理；
一上位机，包括主回路监测信息界面、单体电压监测界面、单体温度监测界面、逆变器监控界面、炉温控制界面、和运行日志界面；
所述的主回路监测信息界面，根据其余界面的实时显示，通过界面上各总线的按钮进行人工干预，从而通过人工设置参数的方式实现人工控制电池管理系统；同时，该界面还负责显示总电压总电流，每个电池组中电压最大最小值以及温度最大最小值；此外，界面上还设置一功能显示灯，根据接触器闭合状态进行实时显示，其中，当接触器闭合时，该指示灯为绿色，接触器断开时，该指示灯为红色；
所述的电压监测界面用于实时显示每块电池的单体电压；
所述的温度监测界面用于实时显示每块电池的单体温度；
所述的逆变器监控界面，实时显示逆变器的各项数据指标，并根据电池的故障情况进行预警处理；
所述的炉温控制界面，根据温度监测界面实时显示的温度，对炉温控制器的升降温时间、升降温速度进行设定；
所述的运行日志界面，提供了电池组的数据存储方式及电池管理系统的运行数据，供试验人员参考。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于QT的钠硫电池管理系统，通过实时采集钠硫电池的单体电压、温度等信息，在上位机界面上来实现对钠硫电池运行状态的监测；具体讲，根据钠硫电池的运行状态，施行不同的运行策略，当电池运行状态发生异常时，启动继电保护装置动作以保护系统的运行安全；当电池运行状态正常时，根据预先制定的运行策略来实现电池充放电和电池升降温控制，最后通过上位机对钠硫电池组工作状态的实时监控，实现了对钠硫电池运行的管理与保护。
同时，本发明基于QT的钠硫电池管理系统还具有以下有益效果：
(1)、本发明采用了零点为正电压值的电压、电流传感器，这样能够避降低AD采样电路的复杂程度，现有电池管理系统采集正负变化的电压时，多采用板载正负参考电压的方法，硬件电路难度较高、抗干扰效果不够理想等缺点，该发明能够避免这些缺点，得到较高的电压电流测量精确度。
(2)、设计的电池管理系统运行策略较好的协调了电池组、逆变器、炉温控制器以及继电保护措施的稳定运行。该策略是确保钠硫电池组长期安全稳定运行的基础。
(3)、使用C#编写了电池数据在线查询系统，该系统能够在钠硫电池运行过程中实时查看电池的整体数据，便于试验人员及时做出必要的调整与控制，同时也可以宏观的查看电池现阶段的工作状态情况。
(4)、本发明设计了参数(电池的继电保护动作参数)修改功能，即当试验或者运行条件发生改变时，试验人员可根据需要及时调整继电保护的动作参数以适应试验、运行的需要。
(5)、本发明增加了各个电池组的单体电压、温度最大最小值显示区域。能够清晰的查看每个电池组的运行状态，出现运行问题时能够及时缩小故障范围。
附图说明
图1是本发明基于QT的钠硫电池管理系统原理图；
图2是主回路监测信息界面示意图；
图3是单体电压监测界面示意图；
图4是单体温度监测界面示意图；
图5是逆变器监控界面示意图；
图6是炉温控制界面示意图；
图7是运行日志界面示意图；
图8是在运行日志界面进行查询时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
QT是一个1991年由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架；
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准(ISO11898)，是国际上应用最广泛的现场总线之一。
485总线：采用半双工工作方式，支持多点数据通信。
图1是本发明基于QT的钠硫电池管理系统原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于QT的钠硫电池管理系统，包括：PCB采集板模块、PCB主板、继电保护装置、炉温控制器、上位机和双向逆变器；在本实施例中，PCB采集板模块包括四块PCB子采集板，子采集板与主板、上位机之间通过CAN总线通信，上位机与炉温控制器、双向逆变器和继电保护装置之间采用485总线通信。
下面我们对各个模块的功能进行详细描述，具体如下：
PCB采集板模块，由四块子采集板集成，每块子采集板又包括一单体电压采集模块与单体温度模块；每块子采集板附着在一块电池组上，每块子采集板通过CAN总线互连，还通过CAN总线与PCB主板和上位机连接；
其中，单体电压采集模块包括主芯片、滤波器、CAN总线；主芯片采集对应电池组的单体电压，并通过滤波器滤波处理后，由CAN总线发送至PCB主板；
单体温度模块采用感温热电阻作为采集元件，通过采集感温热电阻的阻值变化，将阻值变化转变为电压信号的变化，再通过主芯片计算出当前电池组的单体温度，由CAN总线发送至PCB主板；
由于钠硫电池的高温运行，PCB采集板的接触触头采用耐高温导线。各个子采集板之间的通讯采用CAN总线进行连接，各个子板将采集到的单体温度与电压数据同样通过CAN总线传输到PCB主板与上位机，采集子板、上位机与PCB主板之间构成了一个CAN网络，实现了三者的网络通信。三者共同协调工作，子板的数据与主板采集的主回路电压电流数据能够互不干扰的发送到CAN网络中以供上位机进行显示。
PCB主板，通过CAN总线上传的单体电压和单体温度来判断电池组是否发生故障，如果发生故障，PCB主板启动继电保护程序，并控制继电保护装置断开炉温控制器的电源，从而停止对该电池组加热，同时控制继电保护装置断开双向逆变器对该电池组的充放电通道，从而停止对该电池组进行充放电；此外，PCB主板采集接触器反馈触点的信号来判断继电保护装置中接触器的闭合状态，并将闭合状态发送至上位机，增加保护的可靠性；同时，PCB主板采用零点为正电压值的电压、电流传感器采集电池管理系统的总电压和总电流，将总电压和总电流，以及单体电压和单体温度发送给上位机进行实时显示，这样能够避降低AD采样电路的复杂程度；
继电保护装置，包括继电器、接触器和断路器；主要用来保护电池，防止由电压过载或温度过高而造成损坏；电池正常工作时，PCB主板控制保护装置中的继电器接通接触器的电源，从而接通电路，使得双向逆变器进行充放电，同时控制炉温控制器自动进行升降温处理；若电池故障时，PCB主板控制继电器切断接触器的电源，从而断开双向逆变器的充放电通道，同时停止控制炉温控制器的升温处理；
在本实施例中，为了达到保护电池这一要求，特地选购了ABB公司的主接触器，其特点是自带检测触点，通过PCB主板的监测电路来监测检测触点的信号，当检测触点信号与实际通断信号不一致时，及时预警并重复发送通断指令，直到两者信号完全一致为止，这样就可以确保钠硫电池的安全运行。
双向逆变器，实现了钠硫电池组充放电的需要，它通过485总线与上位机相连，上位机通过相关指令能够控制双向逆变器的开、闭。
炉温控制器，根据上位机实时显示的温度情况对电池组进行升降温处理；在本实施例中，炉温控制器可以为钠硫电池的高温运行提供可靠保障，它通过485总线与上位机相连接，当钠硫电池组出现运行异常情况时，上位机能够根据制定的运行策略对炉温控制器进行有效的控制，直至其降温停止运行。在钠硫电池组升温的过程中，上位机能够根据不同需要对温度值以及温度的升降速度进行设定。
上位机，包括主回路监测信息界面、单体电压监测界面、单体温度监测界面、逆变器监控界面、炉温控制界面和运行日志界面；
如图2所示，主回路监测信息界面5.1，根据其余界面的实时显示，通过界面上各总线的按钮进行人工干预，从而通过人工设置参数的方式实现人工控制电池管理系统；如图2所示，该界面还负责显示总电压总电流，每个电池组中电压最大最小值以及温度最大最小值，其中，总电压总电流分别显示在5.11和5.12中，该界面还显示了每组钠硫电池的最高最低温度与最大最小单体电压值情况，显示在了5.13和5.14中。此外，还提供了打开串口5.15和打开CAN5.16功能。考虑到实际情况是：电池组开始运行时需要很长时间的加热阶段，在这一阶段中电池的电压会有一个逐步爬升的阶段。所以该阶段需要关闭继电保护功能，所以设置了关闭/打开继电保护功能的按钮5.17。另外，对于不同的运行要求，继电保护动作的整定值也不一样，为此我们设计了修改继电保护参数的功能按钮5.18来满足试验、运行的需要，可以随时更改继电保护的整定值。
界面上还设置一功能显示灯，根据接触器闭合状态进行实时显示，其中，当接触器闭合时，该指示灯5.19为绿色，接触器断开时，该指示灯5.110为红色，他们能够醒目的显示当前两个部分的状态，以供运行维护人员查看继电保护部分是否正常工作。
如图3所示，单体电压监测界面5.2，用于实时显示每块电池的单体电压；显示区域为5.22，同时为了避免界面过于拥挤混乱，每一个电池组都单独有一个显示界面，通过选项卡5.21的方式可以在4组电池中随意切换查看。
如图4所示，单体温度监测界面5.3，用于实时显示每块电池的单体温度，显示区域为5.31；
如图5所示，逆变器监控界面5.4，详细的显示了逆变器的各种信息，包括逆变器效率、直流功率、有功功率、无功功率和逆变器频率，这些信息显示在区域5.41中。逆变器运行状况信息包括：逆变器待机与启动状态、逆变器充放电以及逆变器故障等信息，这部分信息显示在区域5.42中。逆变器故障信息包括直流过压、电网欠压、电网过频与欠频以及交流过流等重要故障信息，这部分信息显示在区域5.44中。同时，还可通过上位机系统发送指令的方式对有功给定、电流给定、电压给定、控制模式以及逆变器启停等进行自定义设置。这部分设置信息显示在区域5.43中。
如图6所示，炉温控制界面5.5，根据温度监测界面实时显示的温度，并对4个钠硫电池组的炉温进行实时控制，通过炉温设置按钮5.53可以设定加热炉的加热速度以及温度值。并能够实时显示当前的炉温，显示区域在5.52。特别的，为了醒目清晰的显示炉子的当前温度，增加了折线图显示，在区域5.51中可以直观的观察炉子温度的变化情况。由于钠硫电池组在升温过程中要尽量避免短时间内温度变化率高的情况，炉温的变化是分段进行的，即：从一个温度值升高到另一个温度值时，两个温度值之间的时间是可以人为设定的，这就相当于改变了升温的速率。经过这样若干段的升温后，钠硫电池组才可以稳定的工作在固定温度下。
如图7所示，运行日志界面即历史数据查看界面5.6，可以在5.61中实时显示当前时间，还能够实时保存全部钠硫电池组的测试、运行数据，在电池组停止运行时点击按钮“数据写入XML”5.62，可以确保数据的完整性。同时，设计了实时查询数据基于C#的查询界面5.63，方便运行维护人员及时了解电池组的总体运行情况。在系统运行日志5.64部分，能够实时显示电池组运行过程中出现的各种异常情况，以供运行维护人员手动的处理一些问题。如图8所示，可以在日历上手动选择需要查询数据的具体时间，并确定具体的时刻。查询界面设计了进度条显示5.66，能直观查看查询进度。同时为了后续分析电池组运行数据，界面提供了复制5.67与导出5.68按钮，方便研究人员以EXCEL表格的形式将数据保存。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于QT的钠硫电池管理系统，其特征在于，包括：
一PCB采集板模块，由多块子采集板集成，每块子采集板又包括一单体电压采集模块与单体温度模块；每块子采集板附着在一块电池组上，每块子采集板通过CAN总线互连，还通过CAN总线与PCB主板和上位机连接；
所述的单体电压采集模块包括主芯片、滤波器、CAN总线；主芯片采集对应电池组的单体电压，并通过滤波器滤波处理后，由CAN总线发送至PCB主板；
所述的单体温度模块采用感温热电阻作为采集元件，通过采集感温热电阻的阻值变化，将阻值变化转变为电压信号的变化，再通过主芯片计算出当前电池组的单体温度，由CAN总线发送至PCB主板；
一PCB主板，通过CAN总线上传的单体电压和单体温度来判断电池组是否发生故障，如果发生故障，PCB主板启动继电保护程序，并控制继电保护装置断开炉温控制器的电源，从而停止对该电池组加热，同时控制继电保护装置断开双向逆变器对该电池组的充放电通道，从而停止对该电池组进行充放电；此外，PCB主板采集接触器反馈触点的信号来判断继电保护装置中接触器的闭合状态，并将闭合状态发送至上位机，增加保护的可靠性；同时，PCB主板采用零点为正电压值的电压、电流传感器采集电池管理系统的总电压和总电流，将总电压和总电流，以及单体电压和单体温度发送给上位机进行实时显示；
一继电保护装置，包括继电器、接触器和断路器；主要用来保护电池，防止由电压过载或温度过高而造成损坏；电池正常工作时，PCB主板控制保护装置中的继电器接通接触器的电源，从而接通电路，使得双向逆变器进行充放电，同时控制炉温控制器自动进行升降温处理；若电池故障时，PCB主板控制继电器切断接触器的电源，从而断开双向逆变器的充放电通道，同时停止控制炉温控制器的升温处理；
一炉温控制器，通过485总线与上位机相连接，然后根据上位机实时显示的温度情况对电池组进行升降温处理；
一上位机，包括主回路监测信息界面、单体电压监测界面、单体温度监测界面、逆变器监控界面、炉温控制界面、和运行日志界面；
所述的主回路监测信息界面，根据其余界面的实时显示，通过界面上各总线的按钮进行人工干预，从而通过人工设置参数的方式实现人工控制电池管理系统；同时，该界面还负责显示总电压总电流，每个电池组中电压最大最小值以及温度最大最小值；此外，还提供了打开串口和打开CAN功能，在实际运行时：电池组开始运行时需要很长时间的加热阶段，在这一阶段中电池的电压会有一个逐步爬升的阶段，设置关闭/打开继电保护功能的按钮，并在该阶段关闭继电保护功能；同时设置修改继电保护参数的功能按钮，更改继电保护的整定值来满足运行需求；此外，界面上还设置一功能显示灯，根据接触器闭合状态进行实时显示，其中，当接触器闭合时，该功能显示灯为绿色，接触器断开时，该功能显示灯为红色；
所示单体电压监测界面，用于实时显示每块电池的单体电压，且每块电池都单独有一个显示界面，并通过选项卡的方式在电池组中随意切换查看；
所述单体温度监测界面，用于实时显示每块电池的单体温度；
所述逆变器监控界面，详细显示逆变器效率、直流功率、有功功率、无功功率和逆变器频率，并根据电池的故障情况进行预警处理；
所述炉温控制界面，设置有炉温设置按钮；根据温度监测界面实时显示的温度，对钠硫电池组的炉温进行实时控制；通过炉温设置按钮设定加热炉的加热速度以及温度值，并实时显示当前的炉温；另外，炉温控制界面显示炉子的当前温度时能够通过折线图显示；
所述运行日志界面，实时显示当前时间并实时保存全部钠硫电池组的测试、运行数据，在电池组停止运行时点击按钮“数据写入XML”，确保数据的完整性；运行日志界面上设计了基于C#的查询界面，方便运行维护人员及时了解电池组的总体运行情况，并在系统运行日志上实时显示电池组运行过程中出现的各种异常情况；在运行日志界面的日历上手动选择需要查询数据的具体时间，通过设计的进度条显示来查看查询进度，最后，通过运行日志界面上的复制与导出按钮，将数据以EXCEL表格的形式导出保存。
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