電池系統(tǒng)下線檢測(cè)平臺(tái)研究

吳冠辰

摘要：針對(duì)電池系統(tǒng)在傳統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中采樣速度慢、成本高、極限測(cè)試?yán)щy、數(shù)據(jù)分析能力弱的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種電池系統(tǒng)下線檢測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)利用LABVIEW軟件和NI硬件，將實(shí)際電池系統(tǒng)硬件平臺(tái)與電池系統(tǒng)下線檢測(cè)平臺(tái)連接組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在閉環(huán)系統(tǒng)中快速驗(yàn)證電池系統(tǒng)的硬件功能與軟件性能。

關(guān)鍵詞：電池系統(tǒng)；驗(yàn)證信號(hào)；CAN通信；離線測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）23-0265-02

現(xiàn)代電動(dòng)汽車作為21 世紀(jì)極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色產(chǎn)業(yè)，在節(jié)能和環(huán)保方面的顯著優(yōu)勢(shì)已引起了人們的廣泛關(guān)注，而新能源汽車性能的關(guān)鍵則是電池系統(tǒng)，直接影響整車的動(dòng)力系統(tǒng)性能[1，2]。因此，要知道電池系統(tǒng)的功能是否符合實(shí)際要求，必須對(duì)其所具有功能進(jìn)行下線檢測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池系統(tǒng)的缺陷，避免整車運(yùn)行時(shí)發(fā)生事故。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)及其他新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，代表產(chǎn)品為NI儀器公司的LabVIEW，在有限的硬件資源情況下，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)，可以靈活定制符合多種電動(dòng)汽車試驗(yàn)要求的各種測(cè)試方案，充分解決當(dāng)前測(cè)試過(guò)程中采樣速度低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)分析能力弱的缺點(diǎn)[3，4]。本文提出的電池系統(tǒng)下線檢測(cè)平臺(tái)采用NI公司的LabVIEW軟件與硬件設(shè)備進(jìn)行搭建，通過(guò)模擬產(chǎn)生各種驗(yàn)證信號(hào)，對(duì)電池系統(tǒng)所具有的功能、控制策略及可靠性進(jìn)行測(cè)試。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

通過(guò)對(duì)車用動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及相關(guān)性能進(jìn)行分析，其所具有的電池參數(shù)采集、電池狀態(tài)估計(jì)、故障診斷與報(bào)警、電池一致性補(bǔ)償、熱管理、電池充放電管理功能均需進(jìn)行下線檢測(cè)。檢測(cè)平臺(tái)采用硬件在環(huán)檢測(cè)方法（HIL）實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)軟硬件的功能測(cè)試，其整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如下圖1所示[5]。即利用相關(guān)軟件和硬件，將實(shí)際的電池系統(tǒng)硬件平臺(tái)與電池系統(tǒng)下線檢測(cè)平臺(tái)連接組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在閉環(huán)系統(tǒng)中檢驗(yàn)電池系統(tǒng)的功能。該下線平臺(tái)由四個(gè)部分組成：1）CAN通信模塊；2）信號(hào)產(chǎn)生/采樣模塊；3）信號(hào)調(diào)理模塊；4）人機(jī)交互平臺(tái)。下線檢測(cè)平臺(tái)首先通過(guò)信號(hào)產(chǎn)生/采樣模塊產(chǎn)生各種驗(yàn)證信號(hào)，然后信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)產(chǎn)生的驗(yàn)證信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)與電池總成對(duì)接，最后電池系統(tǒng)以CAN通信方式向下線檢測(cè)平臺(tái)反饋工作任務(wù)結(jié)果。通過(guò)比較此時(shí)電池系統(tǒng)輸出結(jié)果與下線檢測(cè)平臺(tái)輸入指令，快速驗(yàn)證電池系統(tǒng)的硬件功能與軟件性能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)所具有的功能進(jìn)行離線測(cè)試，對(duì)下線檢測(cè)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，由電源模塊、PWM波生成模塊、電壓生成模塊、電壓采集模塊、CAN終端電阻采集模塊、溫度采集模塊、CAN通訊模塊、絕緣電阻檢測(cè)模塊、充放電設(shè)備、信號(hào)調(diào)理模塊和實(shí)時(shí)硬件模塊等組成。

其中電源模塊采用安捷倫可編程電源，用于給電池系統(tǒng)提供工作電源；PWM波生成模塊、電壓生成模塊、電壓采集模塊、CAN終端電阻采集模塊、溫度采集模塊和CAN通訊模塊均選擇NI公司數(shù)采板卡與CAN通訊設(shè)備，用于提供檢測(cè)電池系統(tǒng)所需輸出信號(hào)、采集信號(hào)和CAN通信通道；絕緣檢測(cè)模塊采用常見(jiàn)的絕緣電阻測(cè)試儀，用于檢測(cè)電池系統(tǒng)中絕緣電阻值；充放電設(shè)備選擇ARBIN-2000，用于對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)；實(shí)時(shí)硬件模塊選擇一臺(tái)臺(tái)式PC機(jī)，用于裝載下線檢測(cè)平臺(tái)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換平臺(tái)。信號(hào)調(diào)理模塊為自行開(kāi)發(fā)設(shè)備，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理及接口轉(zhuǎn)換，如相關(guān)檢測(cè)電路通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通、模擬電阻信號(hào)等。

3 軟件平臺(tái)搭建

下線檢測(cè)平臺(tái)軟件由LabVIEW編寫(xiě)，采用模塊化編程，以便于后期需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。軟件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由系統(tǒng)層、表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層四部分組成。

3.1 系統(tǒng)層

軟件結(jié)構(gòu)中系統(tǒng)層為下線檢測(cè)平臺(tái)所使用相關(guān)設(shè)備的底層驅(qū)動(dòng)，其中NI數(shù)據(jù)采集板卡在LABVIEW軟件中已提供了驅(qū)動(dòng)模塊；CAN 通信設(shè)備在LABVIEW中也有相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊；可編程電源，可從NI官網(wǎng)下載相對(duì)應(yīng)的第三方驅(qū)動(dòng)使用；絕緣電阻檢測(cè)設(shè)備，在LABVIEW中并無(wú)驅(qū)動(dòng)可用，但其具有串行通信接口，可通過(guò)串口指令來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

3.2 表示層

表示層為測(cè)試系統(tǒng)操作/監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)整個(gè)軟件的操作，并且對(duì)下線檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和顯示。人機(jī)交互主界面程序采用隊(duì)列狀態(tài)機(jī)-生產(chǎn)消費(fèi)者模式，并行的方式進(jìn)行多個(gè)循環(huán)，一個(gè)循環(huán)產(chǎn)生界面事件（生產(chǎn)者），另一個(gè)循環(huán)對(duì)產(chǎn)生的事件進(jìn)行處理（消費(fèi)者），兩者互相通信并互不干涉。由此就可通過(guò)響應(yīng)事件實(shí)現(xiàn)代碼的異步執(zhí)行，并且不影響用戶界面的響應(yīng)速度，避免造成事件堆積等問(wèn)題。其程序框圖如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要有XML文本、TDMS文本、Access數(shù)據(jù)庫(kù)三部分，XML文本用于存儲(chǔ)配置參數(shù)，TDMS文本用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集與CAN報(bào)文最原始數(shù)據(jù)，Access 數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)測(cè)試報(bào)表。

3.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層為下線檢測(cè)平臺(tái)的核心內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的控制，以及實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的數(shù)據(jù)交換，并對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和檢測(cè)結(jié)論進(jìn)行判定。其功能主要?jiǎng)澐譃?部分，分別為參數(shù)配置、功能驗(yàn)證、報(bào)表查看：

1）參數(shù)配置

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目的信息配置。包括檢測(cè)項(xiàng)目條數(shù)可選擇，檢測(cè)項(xiàng)目判定標(biāo)準(zhǔn)可配置，檢測(cè)項(xiàng)目CAN協(xié)議中相關(guān)數(shù)據(jù)的位置可配置，檢測(cè)項(xiàng)目所需文件可配置（如A2L文件、充放電工況文件、DBC文件等）。完成參數(shù)配置后，所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入XML文件中。

2）功能驗(yàn)證

功能驗(yàn)證即對(duì)電池系統(tǒng)功能進(jìn)行下線檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目程序分別放置于對(duì)應(yīng)狀態(tài)分支程序中，對(duì)于每項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目的功能驗(yàn)證，其遵循的檢測(cè)流程分為6個(gè)步驟。第一步，將其對(duì)應(yīng)指示燈設(shè)置為閃爍狀態(tài)；第二步，根據(jù)信號(hào)調(diào)理板電路，切換相關(guān)繼電器，使檢測(cè)電路導(dǎo)通；第三步，通過(guò)信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、CAN通信得到檢測(cè)原始數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入TDMS文件中；第四步，由數(shù)據(jù)處理模塊將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)與參數(shù)配置文件解析出來(lái)的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，得出各項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目是否通過(guò)檢測(cè)，同時(shí)將得到的相關(guān)結(jié)論存儲(chǔ)入Access數(shù)據(jù)庫(kù)中；第五步，根據(jù)結(jié)論設(shè)置指示燈顏色；第六步，切換繼電器狀態(tài)至初始斷開(kāi)狀態(tài)，避免當(dāng)前狀態(tài)影響下一項(xiàng)測(cè)試。檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)流程圖如圖4所示。

3）報(bào)表查看

報(bào)表查看模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)論進(jìn)行查詢，并可將Access數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印與導(dǎo)出成WORD文檔功能。

4 測(cè)試結(jié)果

電池系統(tǒng)下線檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，對(duì)國(guó)內(nèi)多臺(tái)車用電池系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)對(duì)比下線檢測(cè)平臺(tái)報(bào)表數(shù)據(jù)與人工檢測(cè)數(shù)據(jù)，本下線檢測(cè)平臺(tái)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)均與人工檢測(cè)數(shù)據(jù)相近，驗(yàn)證了本下線檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)的有效性和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)所具有的功能進(jìn)行分析，建立電池系統(tǒng)下線檢測(cè)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)軟件。具有測(cè)量精度高、自動(dòng)化程度高及擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過(guò)與實(shí)際電池系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)，證明了該下線檢測(cè)平臺(tái)能較全面地測(cè)試電池系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并直觀地顯示測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)與結(jié)論。該測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)能有效地縮短測(cè)試周期，節(jié)約測(cè)試成本，優(yōu)化測(cè)試環(huán)境。

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【通聯(lián)編輯：張薇】