基于LabView 的動力電池BMS 測試系統(tǒng)的研究＊

劉凌飛，李藝超，趙帥，郭昊

（1.天津職業(yè)技術師范大學 汽車與交通學院，天津 300222；2.天津動核芯科技有限公司，天津 300350）

前言

現(xiàn)階段新能源汽車的安全發(fā)展問題受限制于車用動力蓄電池的材料與性能優(yōu)化。動力蓄電池作為電動汽車的核心部分，其電池狀態(tài)直接影響著整個電動汽車的安全與性能。因此，為了保證電動汽車的安全、高性能的使用環(huán)境，最大化的利用動力電池整個生命周期的使用價值，采用電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對動力蓄電池狀態(tài)進行實時有效的監(jiān)控則顯得尤為重要。BMS 主要將電芯的電壓、電流、溫度等物理量作為計算依據(jù)，通過算法統(tǒng)計，得出各參數(shù)指標。因此，性能優(yōu)良的電池管理系統(tǒng)需要兼具硬件系統(tǒng)的準確測量及軟件系統(tǒng)的算法優(yōu)化。

BMS 的功能展示可借助LabVIEW 實現(xiàn)。LabVIEW 是一款圖形化的程序開發(fā)環(huán)境。與其他常見的編程語言相比，其圖形化的編程語言可將工業(yè)測量與控制同計算機完美結合在一起，其簡潔、明了的圖形化顯示界面，可使人機交互界面更加直觀，更便于理解。為使得動力電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控平臺更加可靠、功能更加完善，對程序的結構進行細化與優(yōu)化顯得尤為重要。

1 整體結構

系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。硬件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與信息存儲，通過軟件發(fā)送指令至硬件，實現(xiàn)零部件的控制。硬件電路利用傳感器檢測電池的實時狀態(tài)，并將信息反饋至電池管理系統(tǒng)（BMS）。通過BMS 的控制處理，可實現(xiàn)電池過流判斷、電池過溫保護、電池過充過放保護等功能。在硬件系統(tǒng)中，主從板之間采用CAN 總線的通訊方式，而PC 機采用USB 的對外接口。因此，在通過PC 端的USB 接口實現(xiàn)對CAN 總線網(wǎng)絡的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的傳輸過程中，需要解決接口問題，并實現(xiàn)CAN 總線與USB 的協(xié)議轉換，其系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 硬件部分

硬件系統(tǒng)采用主從結構，由采集板和主控板構成。作為從板的采集板，其MCU 模塊采用MC9S08DZ60 芯片，可以實現(xiàn)對電池組狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。采集板將采集到的信息，通過CAN 總線傳輸給主控板。數(shù)據(jù)采集模塊采用MAX17830芯片，可將12 節(jié)18650 單體電池進行電壓、溫度測量，并將采集數(shù)據(jù)傳輸至MCU 模塊。MCU 模塊內的隔離IIC 接口電路、EE 存儲器可對數(shù)據(jù)進行處理，再結合CAN 通信處理單元實現(xiàn)采集板的數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。

主控板采用MC9S12XET256 芯片實現(xiàn)對電芯組及外圍電路的管理，其電壓、電流測量模塊可實現(xiàn)總電壓、總電流的測量。主控板可將采集板采集到的信息進行處理，并將此信息傳輸至上位機進行通訊，并通過上位機讀取、顯示電池實時狀態(tài)。在對電流的采集過程中，由于單線電流過小，故而采取將電線繞纏電流傳感器4 圈的方式，并在主控板的程序中，增加了電流偏置和RC 濾波處理，增加其防抖能力，圖2 為其電流測量電路。在對電池總電壓進行采集的過程中，需先檢測采集板的數(shù)量再檢測采集板所采集的電芯數(shù)量，并對總電壓進行實時采集修正。

此外，系統(tǒng)根據(jù)電池實況，按照由LabView 所設計的電池控制策略，進行電池參數(shù)顯示與狀態(tài)預警，并將指令發(fā)送至主控板，通過主控板控制主正、主負、預充及充電接觸器的動作，實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)。

圖2 電流采集電路

3 軟件部分

采用NI公司的LabVIEW 2018作為上位機的軟件開發(fā)平臺，能十分方便的實現(xiàn)監(jiān)控平臺的各項功能。軟件開發(fā)平臺利用LabVIEW 的多線程技術，通過調用LabVIEW 的動態(tài)鏈接庫節(jié)，并對VI 的結構進行優(yōu)化，使得程序界面更加的直觀，可讀性較強。軟件部分，針對BMS 對動力電芯狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)標定及故障診斷與預警等的功能需求，將電芯電壓、電池總電壓、SOC、電池溫度、電流故障狀態(tài)等直觀地顯示在監(jiān)控界面上，并可進行主正、預充及充電接觸器的控制。

3.1 數(shù)據(jù)處理

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

在數(shù)據(jù)解析工具上，采用創(chuàng)芯科技的CAN 分析儀，并選用USBCAN-2E-U 型號，將PC 機與主控板連接起來，實現(xiàn)CAN 總線數(shù)據(jù)的實時顯示。該型號的分析儀兼容DBC 協(xié)議解析功能，可以解析汽車J1939 協(xié)議，能有效讀取電池信息。同時，可通過CANTest 軟件接收、顯示CAN2.0A 和 CAN2.0B 協(xié)議的所有報文，其包括：標準幀、擴展幀及其對應的數(shù)據(jù)幀和遠程幀，并將收發(fā)到的所有數(shù)據(jù)按照事件發(fā)生的先后順序保存至預留的專用文件中，方便數(shù)據(jù)的分析與處理。系統(tǒng)在啟用CAN 卡后，首先要進行初始化處理，隨后接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行更新顯示。如果出現(xiàn)異常，或需要中斷數(shù)據(jù)傳輸，可停止CAN 卡。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，將電池組的數(shù)據(jù)進行打包作為數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)幀根據(jù)指令發(fā)送至上位機中，此外，還可實現(xiàn)多幀發(fā)送。其數(shù)據(jù)采集流程如圖3 所示。

在數(shù)據(jù)接收過程中，接收到的數(shù)據(jù)被打包成簇變量，并進行循環(huán)接收，直至收到停止接收的指令。在此過程中，通過調用VCI_Receive 接收函數(shù)、VCI_OpenDevice 函數(shù)，可自動接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)壓入緩沖區(qū)，有效避免丟幀現(xiàn)象。

CAN 通訊采用了29 位擴展幀，該報文含有優(yōu)先級、報文的代碼、目標地址或組擴展及發(fā)送此報文的源地址。如圖4 所示。

圖4 CAN 總線網(wǎng)絡報文形式

3.2 監(jiān)控界面展示

上位機界面可分別進行電芯電壓、系統(tǒng)的運行電流、電池溫度、電池總電壓以及電池故障狀態(tài)的檢查。上位機界面采用動態(tài)波形圖、柱狀圖、指示燈等數(shù)據(jù)與圖形相結合的個性化、友好的界面設計，更方便用戶觀察電池的動態(tài)數(shù)據(jù)。

圖5 電池故障顯示界面

圖6 電池故障程序圖

以電池故障顯示模塊為例，該界面主要實現(xiàn)了遠程控制與狀態(tài)顯示兩個功能，如圖5 所示。遠程控制功能中，可通 過點擊對應的撥桿開關，實現(xiàn)對動力電池線路中相應的接觸器的控制，實現(xiàn)上下電、充電操作；狀態(tài)顯示模塊中，可進行電流、溫度、電量狀態(tài)的故障顯示，其程序圖如6 所示。

在電池故障程序圖中，前面板所對應的控制與顯示功能主要通過事件結構與條件結構來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)流的傳輸過程中，將本VI 中所引用的布爾類型的各電池參數(shù)制作成了數(shù)組，以方便用于后續(xù)的控制。在DAQ 設備中，可獲取指定指針的數(shù)據(jù)作為輸入信號。在數(shù)據(jù)傳輸至while 循環(huán)結構中時，設置有100ms 的延時，以控制循環(huán)的執(zhí)行速率。在數(shù)據(jù)流入條件結構時，如果MAIN 中的全局變量等于5 時，方可展開該程序界面，隨后進入判斷為“真”的條件框內。在該框內，DAQ 設備控件所獲取的指定簇數(shù)組，在FOR 循環(huán)中逐元素解捆綁，之后通過變體至數(shù)據(jù)轉換 (函數(shù))將變體轉化為特定的數(shù)據(jù)輸出。當通知器（全局）返回小于零或者返回錯誤時，循環(huán)結束。

在事件結構中，當前面板的對應開關觸發(fā)時進入該界面。數(shù)據(jù)通過一串變換制成數(shù)組添加至DAQ 設備中，并通過DAQ 輸出給下位機用于控制。

4 結論

該系統(tǒng)借助LabVIEW 平臺，利用USB-CAN 設備及CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)了對12 節(jié)單體電芯的數(shù)據(jù)采集與記錄，并通過上位機系統(tǒng)，實現(xiàn)對系統(tǒng)充、放電控制。該系統(tǒng)能夠監(jiān)控電池的實時狀態(tài)，能夠達到一定的系統(tǒng)標定與故障診斷功能，其上位機操作界面通過圖形化結合的方式，可直觀、方便地展示電池的動態(tài)信息，人機交互體驗較好，能為電動汽車動力電池管理系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化打下一定的技術基礎。