劉蘊(yùn)紅，王 坤

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

劉蘊(yùn)紅1，王 坤2

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

提出了一種基于CompactRIO的電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。采用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交換界面，發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)給FPGA芯片，控制各個(gè)監(jiān)測(cè)電路，采集單體電池的電壓、電流、溫度等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，獲取電池狀態(tài)后進(jìn)行電池均衡管理、故障報(bào)警等，同時(shí)通過(guò)LabVIEW的Real-Time模塊進(jìn)行分析與處理，預(yù)測(cè)儲(chǔ)能電池的剩余電量，并將各個(gè)結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。通過(guò)測(cè)試及分析，結(jié)果顯示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；電池管理系統(tǒng)；CompactRIO；LabVIEW

汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了全球機(jī)械、能源等工業(yè)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)、交通等方面的發(fā)展，同時(shí)也極大地方便了人們的生活。動(dòng)力電池是影響電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)性能的關(guān)鍵因素，為確保電池性能良好，延長(zhǎng)其使用壽命和制定良好的充放電控制策略，管理系統(tǒng)的研發(fā)尤為重要[1]。

本系統(tǒng)利用NI公司的CompactRIO-9014進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，滿(mǎn)足系統(tǒng)所需的測(cè)量分析要求。

CompactRIO系統(tǒng)配備了實(shí)時(shí)處理器和豐富的可重配置的FPGA資源，可脫離PC機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，也可通過(guò)以太網(wǎng)接口跟上位機(jī)進(jìn)行通信，適用于高性能的、獨(dú)立的嵌入式或分布式應(yīng)用。除此以外，CompactRIO平臺(tái)具有工業(yè)級(jí)的堅(jiān)固和穩(wěn)定性，它有-40～70℃的操作溫度范圍，可承受高達(dá)50 g的沖擊力，CPU時(shí)鐘頻率為400 MHz，同時(shí)具備了體積小巧、低功耗和便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，適用于車(chē)載數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域[2]。

1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)采用集中/分布式設(shè)計(jì)的方式，將整個(gè)磷酸鐵動(dòng)力鋰電池組分為4個(gè)部分，每個(gè)電池組26節(jié)單體電池，每節(jié)單體電池的額定電壓為3.7 V，電池組的總額定電壓為385 V。對(duì)每個(gè)部分的動(dòng)力電池組的基本信息，如電壓、電流、溫度等進(jìn)行采樣，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷，并作出相應(yīng)的控制。

2 電池管理策略

剩余電量預(yù)測(cè)是電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的主要功能之一，通常用電池的荷電狀態(tài)(SOC)來(lái)表示電池的剩余電量。電池的SOC和很多因素相關(guān)(如溫度、前一時(shí)刻充放電狀態(tài)、極化效應(yīng)、電池壽命等)，本系統(tǒng)采用安時(shí)法進(jìn)行剩余電量的預(yù)測(cè)。

式中：1為充放電時(shí)間；η為電流修正系數(shù)；為充放電電流。

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的充放電電流，計(jì)算修正后的電流在時(shí)域上積分值，與電池組的初始狀態(tài)相加(設(shè)充電電流為正，放電電流為負(fù))，即可得到電池組當(dāng)前的SOC值[3]。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電池管理系統(tǒng)的核心控制器

系統(tǒng)的核心控制器是NI公司是CompactRIO，其實(shí)時(shí)控制器、可重配置的FPGA機(jī)箱和模塊化I/O的選型如圖1。

圖1 系統(tǒng)的核心控制

根據(jù)內(nèi)嵌的FPGA芯片來(lái)設(shè)計(jì)合適的監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)NI9041和NI9215分別采集數(shù)字量和模擬量，由實(shí)時(shí)控制器9014來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

3.2 單體電壓監(jiān)測(cè)單元

電壓信號(hào)是動(dòng)力電池狀態(tài)的直接體現(xiàn)，電池的電壓值可以體現(xiàn)剩余電量的多少、驅(qū)動(dòng)力的大小、電池的老化程度等等。為了得到必要的電池組工作參數(shù)來(lái)判斷工作情況并進(jìn)行相應(yīng)控制，需要對(duì)動(dòng)力電池的單體電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本系統(tǒng)中采用差模測(cè)量方法設(shè)計(jì)電壓采樣電路，集成運(yùn)算放大器采用LM358。圖2為單體電池的電流測(cè)量電路。

圖2 單體電池的電流測(cè)量電路

3.3 單體電流監(jiān)測(cè)單元

電池組供電是由單體電池串聯(lián)起來(lái)完成的，所以各單體電池的放電電流相同，只需要測(cè)量一處電流即可。本系統(tǒng)中采用霍爾電流傳感器測(cè)量單體電流值?；魻杺鞲衅骶雀?，價(jià)格便宜，且屬于隔離測(cè)量，器件的故障不會(huì)影響電池組的正常工作，可靠性高[4]。

3.4 溫度測(cè)量

溫度測(cè)量是為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池組運(yùn)行時(shí)的溫度，系統(tǒng)運(yùn)用了智能化溫度傳感器DS18B20測(cè)量電池溫度，測(cè)量范圍在-55～125℃，精度可達(dá)±0.5℃。傳感器一般都安裝在電池上，但是為了不引入高壓，加入隔離電路，同時(shí)也提高了抗干擾能力。圖3為溫度測(cè)量電路。

圖3 溫度測(cè)量電路

3.5 系統(tǒng)保護(hù)電路

電動(dòng)汽車(chē)電池組在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都會(huì)影響電池的運(yùn)行狀態(tài)，甚至發(fā)生燃燒。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控到電池有過(guò)電流、過(guò)電壓或者是過(guò)溫時(shí)，CompactRIO會(huì)給保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路一個(gè)信號(hào)，從而控制電池管理系統(tǒng)中的MOSFET迅速關(guān)斷保護(hù)電池。圖4為系統(tǒng)保護(hù)電路。

圖4 系統(tǒng)保護(hù)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)電池信息采樣、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、SOC預(yù)測(cè)、報(bào)警等功能。圖5為軟件設(shè)計(jì)的具體流程圖。

圖5 軟件設(shè)計(jì)的具體流程圖

程序開(kāi)始執(zhí)行后的初始化，包括FPGA的初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)的初始化、I/O口的初始化、定時(shí)器的初始化等。采集電池電壓、電流和溫度信號(hào)，通過(guò)信號(hào)判斷電池工作是否異常；“是”則啟動(dòng)保護(hù)模塊，即切斷主回路，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，顯示故障，否則繼續(xù)下一步的流程。根據(jù)電流值來(lái)判定充放電是否結(jié)束，否則執(zhí)行SOC估算程序，估算電池SOC并顯示出來(lái)；“是”則表示電池處于擱置狀態(tài)，保存此刻的SOC估算值作為程序的下一次SOC估算的初始值，并同時(shí)返回進(jìn)入循環(huán)監(jiān)測(cè)過(guò)程。

采用NI公司的LabVIEW作為電池管理系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，既能方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)所需的功能，又能使軟件設(shè)計(jì)更直觀，便捷。上位機(jī)程序主要分為以下幾個(gè)部分：

(1)數(shù)據(jù)采集：LabVIEW FPGA模塊會(huì)在硬件中執(zhí)行設(shè)計(jì)的邏輯算法，通過(guò)NI9041和NI9215采集單體電壓值、電流值以及溫度值，隨后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW RT模塊；

(2)數(shù)據(jù)分析與傳輸：LabVIEW RT模塊對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算操作，LabVIEW RT模塊提供的共享變量技術(shù)有助于將數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：在電池管理系統(tǒng)中，除了數(shù)據(jù)采集以及處理、顯示之外，還需要將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤(pán)上，用于做后續(xù)離線處理或是作為數(shù)據(jù)日志。另外，在估算SOC值時(shí)，我們會(huì)將事先存儲(chǔ)好的數(shù)據(jù)文件加載到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，進(jìn)行后面的計(jì)算。

電池管理系統(tǒng)的人機(jī)交換界面如圖6所示。

圖6 電池管理系統(tǒng)的人機(jī)交換界面

5 結(jié)論

該電池管理系統(tǒng)以CompactRIO作為控制核心，F(xiàn)PGA芯片作為監(jiān)測(cè)模塊的核心器件，cRIO-9014作為實(shí)時(shí)處理器，NI9041和NI9215分別采集數(shù)字量和模擬量。系統(tǒng)充分利用了LabVIEW的強(qiáng)大功能，LabVIEW FPGA模塊、LabVIEW RT模塊的完美結(jié)合成功地采集到單體電壓值、電流值以及溫度值，并迅速、準(zhǔn)確地進(jìn)行處理，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面進(jìn)行顯示。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)置靈活、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定。

[1]張丹明，周彥.動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及SOC的估算[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(1):67-70.

[2]王丁丁，武杰，張杰，等.基于CompactRIO的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)[J].核技術(shù)，2012(7):539-542.

[3]張永杰.純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力型鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]劉新蕊.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

Design of electric vehicle’s battery management system monitoring platform

A kind of platform,which used to detect Electric vehicle battery management system,was proposed.The platform was based on CompactRIO,LabVIEW development platform was utilized,and a friendly interface was designed to realize human-computer exchange.A starting signal could be sent to FPGA chip by the platform,every detecting circuit could be controlled,and every battery's voltage,current and temperature could be collected.Also the status of batteries could be monitored,then the status was used to manage the balance of batteries or alarm.At the same time,the platform could analyze and process through the Real-Time module,predict the remaining power of storage battery and send the results to PC to display.Through the detecting and analyzing,the whole system runs well and stably.It had ability of strong real-time.

electric vehicle;battery management system;CompactRIO;LabVIEW

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2203-03

2015-03-12

劉蘊(yùn)紅(1967—)，女，吉林省人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闃怯钭詣?dòng)化技術(shù)，遠(yuǎn)程控制。