基于LabVIEW的電動汽車電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

馬偉1,張洪浩2,董鵬舉3

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博255000;2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150000;3.北汽福田山東多功能汽車廠,山東 濰坊261061)

摘要車載電池作為電動汽車的核心部件,如何有效的管理和利用蓄電池的能量,增加電池的使用壽命成為關(guān)鍵問題。文中介紹了一種基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺,通過對A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、溫度傳感器控制等部分的完善,開發(fā)了完整的硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對單體電池電壓、電流、溫度等基本信息的采集功能,運(yùn)用LabVIEW搭建上位機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺,對適用于純電動汽車的電池實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究,實(shí)現(xiàn)了電池基本信息測量、電量估計、故障報警等功能,以及對電池組進(jìn)行合理有效的管理和控制,該系統(tǒng)工作中運(yùn)行穩(wěn)定,在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的參考價值。

關(guān)鍵詞STC89C52單片機(jī);純電動汽車;電池監(jiān)測預(yù)警;LabVIEW

收稿日期:2015-02-03

作者簡介:馬偉(1992—),男,碩士研究生。研究方向:中頻電源和電動汽車。E-mail:1076753919@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.031

中圖分類號U491.1

Research on Electric Vehicle Battery Monitoring andEarly Warning Systems Based on LabVIEW

MA Wei1,ZHANG Honghao2,DONG Pengju3

(1.School of Electrical and Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China;

2.School of Transportation,Northeast Forestry University,Harbin 150000,China;

3.FOTON Gratour Auto Business Shandong Multifunction Plant,Weifang 261061,China)

AbstractThe battery is the core part of electric vehicles,and the effective management and use of battery power and the improvement of battery life is a key to the development of electric vehicles.A battery hardware platform based on STC89C52 is built for the collection of the single cell voltage,current,temperature and other basic information with improved A/D conversion,serial port communication and thermo sensor control.The PC data processing platform is built using LabVIEW for the study of pure electric vehicle battery real-time monitoring and early warning system,providing functions such as the battery measurements,power estimates and fault alarm as well as effective battery management and control.The system works stably with good battery performance,laying the theoretical foundation for the future development of battery performance optimization.

KeywordsSTC89C52 SCM;pure electric vehicles;battery monitoring and early warning;LabVIEW

能源枯竭和環(huán)境破壞的矛盾日益突出,基于電動汽車的節(jié)能和環(huán)保性,電動汽車的發(fā)展已成為必然趨勢。車載電池是電動汽車的核心部位,而電池管理系統(tǒng)研究的關(guān)鍵是如何有效利用蓄電池的能量,增加電池的使用壽命。電池管理系統(tǒng)能夠估計出剩余電量SOC,確保SOC在合理的工作范圍,又可以對故障電池進(jìn)行早期預(yù)測,避免由于單體電池的破壞不能及時發(fā)現(xiàn)而降低整組電池的使用壽命。因此,電池能量管理系統(tǒng)(BMS)的研究越來越受到人們重視。

宋雪樺[1]等設(shè)計了適用混合電動汽車上動態(tài)均衡式的電池管理系統(tǒng)(BMS),優(yōu)化了SOC估算,滿足了系統(tǒng)估算5%以內(nèi)的誤差要求,實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果誤差為3.3%;王波[2]等基于LTC6803電池管理系統(tǒng)的電壓采集濾波、溫度采集擴(kuò)展、電壓均衡、SPI 通訊等外圍電路的設(shè)計方法,最大限度地減少了外圍器件的使用;張華輝等基于DSP的鋰離子電池管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)單體電池電壓、總電壓、電流、溫度的檢測,具有SOC估算、通訊、計算機(jī)監(jiān)測等功能。

本文運(yùn)用基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺,實(shí)現(xiàn)對單體電池電壓、電流、溫度等基本信息的采集功能,在LabVIEW中搭建上位機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺,對適用于純電動汽車的電池實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了電池基本信息測量(電壓、電流、溫度)、電量估計、故障報警等功能。

1研究方法

電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需具備監(jiān)測電池工作狀態(tài)的功能,包括電池的電壓、電流和溫度,并在其超出工作范圍時進(jìn)行報警,最大限度發(fā)揮電池的功效。

1.1　系統(tǒng)方案選擇

監(jiān)控平臺是基于電池管理系統(tǒng)設(shè)計,包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分是基于STC89C52蓄電池的信息采集硬件平臺,對單體電池的電壓、電流、溫度等基本信息進(jìn)行采集。軟件部分是運(yùn)用LabVIEW實(shí)現(xiàn)電池基本信息測量、電量估計、故障報警等功能。

目前,市面上成型的電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要包括集中型、分散型和集成型3種。該研究采用以STC89C52單片機(jī)為處理芯片的下位機(jī),對單體鋰離子電池的基本信息進(jìn)行采集和上傳,而在上位機(jī)基于LabVIEW搭建監(jiān)測預(yù)警平臺,進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)的顯示和報警。

1.2　電池的狀態(tài)監(jiān)測

電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時監(jiān)測鋰離子電池的運(yùn)行狀況,并將其反饋到上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。該研究以單體磷酸鐵鋰電池為例進(jìn)行運(yùn)行測試。

電壓的監(jiān)測:單體磷酸鐵鋰電池的正常工作電壓范圍是2～3.7 V,若不在這一區(qū)間,系統(tǒng)將自動報警。

電流的監(jiān)測:放電電流的大小對于電動汽車的安全工作至關(guān)重要,若超過正常工作范圍,將可能引起電池組起火甚至爆炸。

溫度的監(jiān)測:單體磷酸鐵鋰電池的正常工作溫度是-20～50 ℃,若超出范圍,平臺將自動指示報警。

1.3　串行口通信設(shè)置

下位機(jī)與PC機(jī)的通信方式通常有并行和串行兩種方式。在現(xiàn)代單片機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)中,信息的交互通常采用串行通信方式。其中,串行通信又包含異步串行通信和同步串行通信兩種方式[3]。異步串行通信方式中,通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程,因?yàn)檫@種方式不要求收發(fā)雙方時鐘的嚴(yán)格一致,實(shí)現(xiàn)起來相對簡單,設(shè)備開銷較小。因此,本研究使用的通信方式為異步串行通信方式。

目前,最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)所制定的異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)RS-232,它可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信,其通信原理電路圖如圖1所示。

圖1　RS-232通信原理電路圖

由于單片機(jī)使用TTL電平,而RS-232使用的是RS-232電平,為保證通信穩(wěn)定性,該論文使用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232,同時集成RS-232電平和TTL電平之間的互轉(zhuǎn)[4]。電路原理圖如圖2所示。

圖2　MAX232通信原理電路圖

2電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1　電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

硬件部分使用STC89C52蓄電池信息采集硬件平臺,實(shí)現(xiàn)對單體電池電壓、電流、溫度等基本信息的采集功能。單體磷酸鐵鋰電池的電壓、電流、溫度采集的硬件部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　電池參數(shù)采集硬件結(jié)構(gòu)

2.2　A/D工作原理

在A/D轉(zhuǎn)換芯片中,采集到的模擬信號在時間上是連續(xù)的,而發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)字信號是離散的。因此,A/D芯片必須在規(guī)定的時間點(diǎn)上對采集到的模擬信號進(jìn)行采樣,并將采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送給單片機(jī)。

A/D轉(zhuǎn)換分為3個階段:采樣保持、量化和編碼。為提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化效率,需采用逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換芯片,通過數(shù)次與不同的參考電壓進(jìn)行比較,獲取差距最小的電壓值,即轉(zhuǎn)換的輸出值,原理如圖4所示。

圖4　逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換邏輯電路

在采集電壓和電流方面,該研究采用ADC0804芯片,該芯片屬于集成逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換芯片。

2.3　ADC0804電壓、電流采集實(shí)現(xiàn)電路

ADC0804引腳和功能參見文獻(xiàn)[5]。該研究中ADC0804芯片外圍電路與單片機(jī)的連接原理如圖5所示。

圖5　ADC0804接線原理圖

(1)VIN(+)接電位器的中間滑動端,VIN(-)接地。調(diào)節(jié)電位器時,中間滑動端的電壓在0～5 V的范圍內(nèi)變化,ADC0804的數(shù)字輸出端在0x00～0xFF變化。

(2)WR、RD分別接單片機(jī)的P3.6和P3.7引腳,數(shù)字輸出端接P1口。

2.4　溫度采集實(shí)現(xiàn)電路

溫度采集實(shí)現(xiàn)電路采用DS18B20溫度傳感器。該裝置采用單總線協(xié)議,僅占用一個I/O端口,直接將外界溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,串行輸出。DS18B20介紹參見文獻(xiàn)[6],測量實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。

圖6　DS18B20溫度采集原理圖

在電路連接方面,將DS18B20與STC89C51相連進(jìn)行通信。在實(shí)際應(yīng)用中,通常采用多點(diǎn)采集對電池溫度進(jìn)行測量時,故需將所有傳感器的I/O口連接在一起,在程序編寫時,通過傳感器內(nèi)部芯片序列號識別,進(jìn)行多點(diǎn)擴(kuò)展,設(shè)計多通道的溫度采集硬件系統(tǒng)。

3LabVIEW上位機(jī)監(jiān)測平臺

3.1　LabVIEW虛擬儀器軟件介紹

LabVIEW是美國NI(National Instruments)推出的一種程序開發(fā)環(huán)境,開創(chuàng)G語言——一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程的語言,使用更為方便直觀。該圖形化程序編譯平臺具有多種功能包括:DLL(Dynamic Link Library)、多線程、數(shù)據(jù)記錄、運(yùn)行控制等,可對程序設(shè)計進(jìn)行深入的原理分析、細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計及靈活的接口實(shí)現(xiàn),確保電池監(jiān)測預(yù)警監(jiān)控平臺的高效性與穩(wěn)定性[7]。

該研究使用LabVIEW進(jìn)行測控,將下位機(jī)實(shí)時采集到的基本信息的16進(jìn)制通過串口上傳至PC。圖7為LabVIEW平臺的整體界面。

圖7　基于LabVIEW的電動汽車電池監(jiān)測預(yù)警平臺軟件界面

3.2　模擬電壓、電流采集

圖8和圖9分別為電壓、電流的實(shí)時采集圖像。

圖8　電壓實(shí)時采集圖像

圖9　電流實(shí)時采集圖像

圖10～圖12為LabVIEW中處理電壓、電流部分的程序圖。串口初始化設(shè)置的波特率與下位機(jī)相同,均為9 600 bit·s-1,數(shù)據(jù)位為8,無校驗(yàn)位,停止位為1[8]。該部分程序采用層疊式順序結(jié)構(gòu),包含3個幀(0～2)。程序中還使用了VISA串口的相關(guān)知識、索引數(shù)組等相關(guān)知識。

圖10　串口初始化

圖11　實(shí)時顯示及預(yù)警程序

圖12　時間延遲

下位機(jī)部分接收變化的模擬電壓(0～5 V),PC接收單片機(jī)發(fā)送的電壓值(16進(jìn)制,1 Byte),并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制形式,以數(shù)字、曲線的方式輸出。

電壓值設(shè)定的合理范圍是2～3.7 V(磷酸鐵鋰電池的正常電壓范圍),低于或高于該范圍紅燈亮起,電流值設(shè)定的上限為50 A(磷酸鐵鋰電池的持續(xù)工作電流約為50 A),當(dāng)電流高于此值時紅燈亮起報警。

3.3　單體鋰電池溫度采集

圖13　溫度監(jiān)測顯示

圖14～圖16為溫度采集的上位機(jī)程序。串口初始化設(shè)置的波特率與下位機(jī)相同,均為9 600 bit·s-1,數(shù)據(jù)位為8,無校驗(yàn)位,停止位為1。該部分程序?qū)盈B式順序結(jié)構(gòu),包含3個幀(0～2)。另外,程序中使用了VISA串口、索引數(shù)組等相關(guān)知識[9]。

下位機(jī)部分接收變化的溫度,PC接收單片機(jī)發(fā)送的溫度值,并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制形式,以數(shù)字、曲線的方式輸出。溫度值設(shè)定的合理范圍是-20～60 ℃,低于或者高于該范圍紅燈亮起,進(jìn)行報警。

圖14　串口初始化

圖15　溫度的顯示與預(yù)警程序

圖16　時間延遲

4結(jié)束語

本研究基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺,通過對A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、溫度傳感器控制等部分的完善,開發(fā)了完整的硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。借助LabVIEW開發(fā)平臺的多線程及其靈活的接口技術(shù),利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及豐富實(shí)用的程序結(jié)構(gòu),對適用于純電動汽車的電池實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究,主要實(shí)現(xiàn)了電池基本信息測量、電量估計、故障報警等功能。

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