一種新型動力電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

王昕燦，呂立亞*，吳松松，張林峰

(南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，南京210037)

摘要：在整車能量管理和電池管理系統(tǒng)中，電池狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)是保證其運行的重要基礎。根據鋰離子動力電池的基本工作原理和充放電特性，基于LabVIEW軟件和GPIB總線通信方式，并結合相關硬件，設計了一種新型的動力電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對動力電池的電壓、電流、實時溫度等動態(tài)信息的高精度數(shù)據采集與分析處理。試驗結果表明，設計的監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定，符合動力電池檢測要求，提高了動力電池監(jiān)測的便捷性和精確度。

關鍵詞：動力電池；監(jiān)測系統(tǒng)；LabVIEW

中圖分類號：S 776;TM 912

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0135-04

Abstract：In the vehicle energy management and battery management system，the parameter monitering system of the battery is the important basis to ensure its operation.The new observation system for state of battery is designed according to the principle of storage battery and its charge and discharge characteristics in combination with the related hardware based on LabVIEW software and communication of GPIB bus.The system can realize high precision data acquisition and analysis on power battery’s voltage，electric current，real-time temperature and other dynamic information.The experimental results show that the detection system designed is stable，which conforms to the requirements of storage battery’s detection and improves the convenience and accuracy of storage battery’s measurement.

Keywords：storage battery；monitoring system；LabVIEW

收稿日期：2014-10-24

基金項目：2013年江蘇省六大人才高峰資助項目資助(zbzz-043)

作者簡介：第一王昕燦，碩士研究生。研究方向：汽車電子控制技術。

通訊作者：*呂立亞，碩士研究生，講師。研究方向：汽車電子控制技術。E-mail：lly@njfu.edu.cn

Design of a New Type of Monitoring Systemfor the State of Power Battery

Wang Xincan，Lv Liya*，Wu Songsong，Zhang Linfeng

(College of Automobile and Transportation Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

引文格式：王昕燦，呂立亞，吳松松，等.一種新型動力電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].森林工程，2015，31(2)：135-138.

在電動汽車中，動力電池作為動力能源之一，其直接影響著電動汽車的起動、加速、行駛里程等多項性能，而它的狀態(tài)信息是整車能量管理系統(tǒng)進行動力分配以及電池管理的一個重要依據，準確的電池狀態(tài)信息對電池的高效管理和整車性能提高有著重要意義。因此，對動力電池進行便捷性自動監(jiān)測是電動汽車研發(fā)的重要環(huán)節(jié)[1-4]。同時隨著LabVIEW的發(fā)展，其流程圖的圖形化編程方式及多線程運行控制等技術，為動力電池監(jiān)測系統(tǒng)提供了良好的軟件開發(fā)平臺。相較于儀器直接測量的單一不便性，本文利用計算機代替儀器操作，并利用LabVIEW的高精度采集和直觀顯示功能[5]，基于GPIB協(xié)議和相應的硬件，設計一種新型的動力電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)便捷地對動力電池動態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控和顯示。

1動力電池測量系統(tǒng)硬件設計

為實現(xiàn)對電池狀態(tài)參數(shù)的有效測量，構建了如圖1所示的系統(tǒng)硬件框圖。系統(tǒng)硬件結構包含鋰離子動力電池組模塊、萬用表模塊、電源模塊、電子負載模塊、GPIB采集控制器和人機交互平臺[6-7]。

GPIB采集控制器內包含IEEE488協(xié)議，將其接在計算機上，通過人機交互平臺可實時控制GPIB儀器和多臺儀器[8]。GPIB 數(shù)據記錄在計算機的硬盤上，也可同時記錄在SD 卡上。在GPIB采集控制器內設置了電池溫度傳感器，可測得電池實時溫度變化。

圖1　系統(tǒng)硬件框圖 Fig.1 Block diagram of hardware system

試驗時，將GPIB采集控制器與萬用表、電源和上位機相連接。當對動力電池充電時，萬用表會實時顯示電壓，電源設備同時顯示電壓和電流，需要時可對電池進行小功率放電；GPIB采集控制器根據IEEE488協(xié)議將數(shù)據傳輸給上位機。當對電池放電，電子負載可通過GPIB協(xié)議進行傳輸，也可通過自身的串口將數(shù)據傳遞到上位機；上位機經過處理并及時顯示出電池的電壓、電流等參數(shù)及其曲線波形圖，溫度傳感器也會對動力電池進行溫度測量并傳遞到上位機。電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是基于GPIB總線的LabVIEW程序設計完成。

2LabVIEW軟件設計

2.1　VISA串行通信模塊

VISA是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標準API，本身不具備編程能力，通過調用底層驅動程序來實現(xiàn)對儀器的編程[9-11]。由于VISA具有統(tǒng)一的設備資源管理、操作和使用機制，并且能夠提供強大的儀器控制功能，所以系統(tǒng)便通過VISA發(fā)送SCPI命令來控制GPIB儀器，通過VISA讀取GPIB協(xié)議傳遞的相關數(shù)據并上傳到上位機。

系統(tǒng)采用COM4作為串口資源的接口，利用VISA函數(shù)接收數(shù)據，首先用VISA配置函數(shù)進行串口初始化，并配置相關參數(shù)；其次利用 VISA讀函數(shù)與寫函數(shù)對數(shù)據進行讀寫操作，通信接收或發(fā)送數(shù)據都是字符串。當程序開始運行，即在測試狀態(tài)時，主要利用VISA的寫入和讀取函數(shù)來將儀器的地址和顯示的數(shù)據傳遞到上位機，用VISA Close 函數(shù)將打開的 VISA 資源關閉并釋放與之關聯(lián)的所有資源。

2.2　狀態(tài)機設計

各個參數(shù)的測量需通過狀態(tài)機中不同狀態(tài)的切換來實現(xiàn)。在LabVIEW中，任何一個狀態(tài)機都是由三個基本部分構成，首先外層是一個while循環(huán)，同時在while循環(huán)中包含一個條件結構，while循環(huán)用于維持狀態(tài)機的運行，條件結構用以對各個不同的狀態(tài)進行判斷，第三個部分是移位寄存器，用以將下一個狀態(tài)傳遞到下一次循環(huán)狀態(tài)判斷中[12]。具體狀態(tài)圖設計如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)狀態(tài)圖 Fig.2 Diagram of system status

(1)狀態(tài)機的默認狀態(tài)。在默認的狀態(tài)機內，利用VISA函數(shù)設置傳輸?shù)牟ㄌ芈?、?shù)值比特等必需參數(shù)，發(fā)送SCPI命令獲取測量儀器的型號信息，并將儀器的地址通過轉換函數(shù)進行數(shù)值與字符串間的轉換，使通信能夠準確無誤。當開始運行，系統(tǒng)進入默認狀態(tài)，開始解析VISA函數(shù)并讀取儀器相關參數(shù)。其主要程序框圖如圖3所示。

(2)狀態(tài)機的測試狀態(tài)。測試狀態(tài)下又分為兩個條件結構，一個是溫度測試程序結構，一個是電流積分程序結構，兩個條件結構都包含電壓、電流的數(shù)據采集程序模塊，是為了防止溫度測量或電池SOC(State of charge)測試時影響動力電池參數(shù)的數(shù)據采集，從而影響整個系統(tǒng)的測量。

圖4為主要程序，含括電壓、電流和溫度監(jiān)測模塊。動力電池的充電、放電都需要合適的溫度環(huán)境，因此對動力電池進行溫度采集和分析具有十分重要的意義。系統(tǒng)在測量實時溫度時，也不干擾對動力電池充、放電時直流電壓和直流電流的測量，即通過該軟件系統(tǒng)就可實現(xiàn)動力電池充放電的實時監(jiān)控，從而判斷電池組的均衡方法是否得當，而取代了通過儀器進行監(jiān)控。

圖3　默認狀態(tài)程序框圖 Fig.3 Program block diagram of default state

圖4　主程序框圖 Fig.4 Block diagram of main program

2.3　電流積分模塊

系統(tǒng)除了對動力電池的電壓、電流及溫度進行了監(jiān)測設計外，還利用電流積分法對動力電池SOC進行估算。程序系統(tǒng)在安時法的基礎下，編寫程序框圖，對采集到的電流進行積分，如圖5所示。圖中“波形圖表2”是電流數(shù)值顯示，通過此屬性節(jié)點將電流值傳遞到“創(chuàng)建波形”函數(shù)中，同時將采樣頻率等必要數(shù)據匯集，統(tǒng)一傳遞到積分函數(shù)進行計算并利用波形圖片顯示。通過提高電流的測量精度，再考慮充放電效率等諸多影響因素，可提高SOC估算的準確度[13]。

圖5　電流積分程序框圖 Fig.5 Program block diagram of current integration

3系統(tǒng)試驗平臺與顯示

監(jiān)測系統(tǒng)試驗平臺如圖6所示。最上方為人機交互平臺，下方左側為功能型萬用表，右側為鋰離子動力電池組，再往下依次是電源和電子負載。

圖6　監(jiān)測系統(tǒng)試驗平臺 Fig.6 Test platform of monitoring system

LabVIEW前面板即人機交互界面，如圖7所示。界面能實時顯示電池的動態(tài)信息，并控制程序的運行[14]。前面板分為3個模塊，分別為動力電池電壓和電流采集顯示模塊、溫度采集模塊以及電流積分模塊。當點擊運行，系統(tǒng)會自動讀取儀器型號并顯示，進入默認狀態(tài)。不同布爾對應不同的測試需求，例如點擊“SOC”布爾，系統(tǒng)自動對采集的電流進行積分計算，并顯示出實時數(shù)值。

所有程序的運行，包括電壓、電流、溫度、SOC的數(shù)據采集分析，都在一個while循環(huán)體中，可以不斷運行顯示，直到點擊“退出”布爾，程序將停止運行。

在連接GPIB采集控制器和計算機時，偶爾會出現(xiàn)未能連上的情況，此時可以通過該采集控制器本身攜帶的串口接收發(fā)送窗口進行數(shù)據發(fā)送和接收的調試。對于現(xiàn)代的GPIB儀器，多數(shù)均支持SCPI語言，它的好處是對不同的儀器，命令基本是一樣的，這也是設計SCPI命令的原因。一般程控儀器都有自身的命令集，可以從其說明文件中找到。

圖7　前面板界面顯示 Fig.7 Interface display of front panel

4結論

在對現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)和動力電池測量的方法進行分析的基礎上，本文設計出一種新型的動力電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)將GPIB采集控制器和溫度傳感器配合使用，結合其他相應的硬件，通過GPIB總線實現(xiàn)數(shù)據采集和記錄，并將采集到的數(shù)據發(fā)送到上位機監(jiān)測軟件。利用LabVIEW編寫動力電池電壓、電流、溫度數(shù)據的采集顯示程序，實現(xiàn)了與GPIB采集控制器的數(shù)據傳遞。設計能將關注的信息集合顯示在一個界面上，實現(xiàn)了對電池電壓、電流、溫度和SOC值等狀態(tài)參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測，并能對電池充放電參數(shù)進行分析及控制。多次測試試驗表明，所設計的監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定，采樣精確，能夠準確地對動力電池進行實時動態(tài)監(jiān)控。

【參考文獻】

[1]周俊文，張向文.動力電池狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電測與儀表，2014，51(16)：112-116.

[2]于志豪，肖林京，常龍，等.鋰離子蓄電池動力電源電流檢測系統(tǒng)的設計[J].電源技術，2014，38(4)：640-643.

[3]Hernández F，Barcena-Soto M，Casillas N，et al.Discharge curves for a Ni-Cd secondary battery monitored by LabVIEW[J].Revista Mexicana de Física，2005，51(2)：132-136.

[4]Banaeia K A，F(xiàn)ahimi B.Online detection of termi- nal voltage in voltage in Li-ion batteries via battery impulse respone[A].2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference[C]，Beijing，2009：194-198.

[5]徐肖攀，周建釗.基于LabVIEW及聲卡的工程裝備噪聲測量系統(tǒng)設計[J].機械制造與自動化，2014，41(2)：134-136.

[6]Valer P，Henk J B，Dmitry D.Battery Management Systems：Accurate Stata-of-Charge Indication for Battery-Powered Applications [M].Germany：Springer，2008.

[7]Szumanowski A，Chang Y H.Battery management system based on battery nonlinear dynamics modeling[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology，2008，57(3)：1425-1432.

[8]何宏，張金洲，張志宏.基于GPIB接口數(shù)據采集系統(tǒng)的設計[J].天津理工大學學報，2014，30(1)：30-33.

[9]湯占軍，馮麗輝，張斌.基于虛擬儀器的智能儀表的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2008，24(10-1)：252-254.

[10]Zdornov V，Birk Y.Battery and energy mangement in fleets of switchable battery EVs[J].Innovative Smart Grid Technologies，2011(2)：1-7.

[11]Wynne J.Impact of plug-in hybrid electric vehicles on California’s electricity grid[D].North Carolina：Duke University，2009.

[12]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：391-395.

[13]徐錦超.電動汽車動力電池實時在線監(jiān)測系統(tǒng)及SOC估計[D].廣東：廣東工業(yè)大學，2014：8-13.

[14]裴喜平，曉弘.智能電動機保護器中電流檢測環(huán)節(jié)的設計與實現(xiàn)[J].儀表技術與傳感器，2012(2)：63-65.

[責任編輯：李洋]