黃 瑞，趙春蓮，明 鑫，朱 里

（天津津能易安泰科技有限公司，天津 300384）

隨著動力電池生產(chǎn)制造水平的提高和需求量的急劇增長，電池管理系統(tǒng)的組織架構(gòu)也變得龐大復(fù)雜，尤其是電動汽車的應(yīng)用升溫加速了電池管理系統(tǒng)的研發(fā)。但電池管理的整體研發(fā)目前仍處于不斷研發(fā)和探索的階段。保證電池組的質(zhì)量和安全性是電池管理的主要目的，因此對電池體系的安全性研究已成為當(dāng)前電池領(lǐng)域的研究熱點[1]。

電池組的質(zhì)量優(yōu)劣不單單取決于每塊電芯的性能，更重要的在于電池管理系統(tǒng)的可靠與否。要提高電池組使用的安全性，除了進(jìn)行深入的機(jī)理研究、選擇合適的電極材料及優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)、通過電池外圍的集成電路對電池進(jìn)行有效的管理之外，還需要有合適的測試平臺對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。通過測試平臺對電池管理系統(tǒng)的檢測，可剔除功能不達(dá)標(biāo)、性能不可靠的產(chǎn)品，保證動力電池組的整體質(zhì)量。

本文闡述的平臺基于PXI硬件架構(gòu)設(shè)計，采用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，適用于多種大功率電池管理系統(tǒng)的性能測試。系統(tǒng)應(yīng)用PXI技術(shù)，不僅可以完成兼具高性能和低成本的測量與自動化系統(tǒng)的開發(fā)，還保證了未來對系統(tǒng)進(jìn)行升級和維護(hù)的便捷性。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計及功能

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

測試平臺的總體架構(gòu)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。硬件系統(tǒng)提供測試所需的所有硬件資源和接口，該平臺的硬件系統(tǒng)由控制機(jī)、測試機(jī)和接口電路組成。軟件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互和測試控制組成。數(shù)據(jù)交互和測試控制基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，主要實現(xiàn)平臺界面設(shè)計、測試流程的編輯與控制、測試結(jié)果的判斷、測試數(shù)據(jù)的顯示與分析、系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)資源配置和控制等功能[2]。

該系統(tǒng)可配合生產(chǎn)管理的需求，接入生產(chǎn)管理局域網(wǎng)中，從而實現(xiàn)對測試設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸和統(tǒng)一管理等高效的管理功能。

圖1 測試平臺架構(gòu)Fig.1 Structure of auto test platform

1.2 系統(tǒng)功能

為了保證產(chǎn)品的安全性和可靠性，測試平臺需要對電池管理系統(tǒng)的全部功能進(jìn)行逐一檢測。針對電池管理系統(tǒng)的特點，本系統(tǒng)具有的功能包括：

基本特性測試空載電壓測試、靜態(tài)自耗電流（工作和休眠狀態(tài)）測試、導(dǎo)通電阻測試、ID電阻測試、熱敏電阻測試；

基本保護(hù)功能測試過壓保護(hù)（恢復(fù)）功能（OV）、低壓保護(hù)（恢復(fù)）功能（UV）、高溫保護(hù)（恢復(fù)）功能（OT）、低溫保護(hù)（恢復(fù)）功能（UT）、過流保護(hù)功能（OC）、短路保護(hù)（恢復(fù)）功能（SC）、保護(hù)延時、電池?zé)峁芾恚?/p>

其他功能電池均衡管理（均衡開啟/停止電壓，均衡電流）、電池狀態(tài)指示及報警、通訊功能、電池荷電狀態(tài)、電池組/電芯健康狀態(tài)評價。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該平臺的硬件系統(tǒng)由控制機(jī)、測試機(jī)和接口電路組成，如圖2所示?？刂茩C(jī)主要是上位工控機(jī)，本平臺選用研華工控機(jī)，擔(dān)任控制機(jī)并承載人機(jī)交互系統(tǒng)，通過PXI和RS232實現(xiàn)與各測試機(jī)之間進(jìn)行指令傳輸以及接收數(shù)據(jù)反饋。測試機(jī)包含PXI機(jī)箱、PXI功能板卡、大功率電源、電子負(fù)載、內(nèi)阻儀和高精度數(shù)字萬用表等精密儀器。測試機(jī)由串口和PCI Express接口與計算機(jī)相連，直接受計算機(jī)控制。系統(tǒng)中的內(nèi)阻儀、數(shù)字萬用表（DMM）和PXI板卡作為測量單元；電子負(fù)載和電源為測試提供環(huán)境，模擬電池組的各種工作狀態(tài)；PXI板卡同時作為控制單元，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的切換調(diào)用，完成測試點與測試單元的連接，形成測試回路；再通過PCI和RS232協(xié)議將測試數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的分析處理。由于控制機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間需要進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換（RS485轉(zhuǎn)RS232），并且測試機(jī)中的測試頭需要在不同測試點之間進(jìn)行切換，因此在系統(tǒng)中加入接口電路，實現(xiàn)自動測試。接口電路受控制機(jī)和測試機(jī)共同控制，滿足測試需求。

圖2 測試平臺硬件架構(gòu)Fig.2 Structure of auto test platform hardware

2.1 系統(tǒng)主要硬件

為了保證系統(tǒng)測量精度，本系統(tǒng)中選用高精度高分辨率的儀器儀表，每一個儀器儀表都有良好的抗干擾能力，同時具有自檢功能。線性電源采用IT 6500 series可程控直流電源，具有大范圍的電壓80 V～150 V，電流 30 A～120 A的組合，一般采用串聯(lián)或并聯(lián)組合方式使用；電子負(fù)載采用IT 8500 series可編程直流電子負(fù)載，電流電壓范圍大，具有定電壓CV、定功率CW、定電流CC和定電阻CR模式，遠(yuǎn)端測量、短路測試、電池測試以及動態(tài)測試多功能[3]；萬用表采用 NI產(chǎn)品 PXI-4071，可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行±10 nV～1000 V范圍內(nèi)的電壓測量、±1 pA～3 A 范圍內(nèi)的電流測量、10 μΩ～5 GΩ 的電阻測量；選用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行保護(hù)功能延時測試[4]。測試機(jī)與被測電源管理系統(tǒng)的接口電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測試平臺接口電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of test platform interface circuit

一般鋰動力電池管理系統(tǒng)有 P+、P-、B+、B-、ID、TH、電池串等測試點，有的會有通訊接口；進(jìn)行電性能檢測時需進(jìn)行過壓保護(hù)（恢復(fù)）、低壓保護(hù)（恢復(fù)）、過流保護(hù)（恢復(fù)）、短路保護(hù)（恢復(fù)）、均衡功能（均衡開啟/停止電壓，均衡電流）、自耗電流、內(nèi)阻、保護(hù)（恢復(fù)）延時等十幾項測試，甚至通訊功能的測試，各項測試所需儀器板卡（電源、電子負(fù)載、萬用表等）各不相同。接口電路功能為接收I/O板卡指令，將被測物的測試點與測試機(jī)的連線進(jìn)行切換，形成測試回路，以達(dá)到測試目的。同時，由于I/O板卡輸出功率較低，不足以驅(qū)動繼電器正常工作，因此在接口電路中需要用到繼電器驅(qū)動電路。

測試平臺在待機(jī)狀態(tài)時，各測試儀器板卡（電源、電子負(fù)載、萬用表等）的接線端需置空置以防止設(shè)備損壞。該接口電路可通過上位機(jī)的控制實現(xiàn)儀器板卡接線端的通斷。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

系統(tǒng)硬件平臺主要基于PXI架構(gòu)設(shè)計，PXI是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺，PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與Compact PCI的堅固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，并擁有針對高性能測試應(yīng)用的成熟的定時和觸發(fā)功能。利用PXI技術(shù)建立的ATE系統(tǒng)性能遠(yuǎn)超于只采用VXI和GPIB接口的ATE系統(tǒng)，且尺寸更加精簡，占有成本優(yōu)勢[4]。

本測試平臺將替代從前基于非標(biāo)準(zhǔn)的、專用硬件和軟件的單用途測試系統(tǒng)，采用模塊化的功能板卡做為系統(tǒng)硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)，使產(chǎn)品的價位降低和性能提高，用戶可為滿足當(dāng)前的測試要求選擇相應(yīng)的模塊，亦可著眼于將來測試升級的需要，更換若干模塊而不是更換整個測試系統(tǒng)。而且更加有利于用戶的定制化設(shè)計，用戶可以按自身需要選擇相應(yīng)的功能模塊來搭建測試平臺；當(dāng)測試平臺需要升級或增減任何功能時，只需更換其中的模塊化板卡即可實現(xiàn)；而且客戶在測試機(jī)的空余插槽可任意添加標(biāo)準(zhǔn)化的PXI板卡，實現(xiàn)成本的最優(yōu)控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試平臺除了必要的硬件基礎(chǔ)外，控制機(jī)中的數(shù)據(jù)管理軟件、系統(tǒng)維護(hù)軟件和權(quán)限管理軟件也必不可少。所有儀器獲取的測量數(shù)據(jù)將通過分析軟件進(jìn)行智能計算，通過友好的操作界面迅速直觀地顯示出結(jié)果報告，節(jié)省生產(chǎn)環(huán)節(jié)耗時，縮減產(chǎn)品成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時測試平臺通過維護(hù)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)自檢和矯正，及時排除系統(tǒng)故障，保證穩(wěn)定生產(chǎn)。

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器NI公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。該開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。因此本平臺基于LabVIEW 2013進(jìn)行開發(fā)設(shè)計[5]。

本軟件架構(gòu)如圖4所示。根據(jù)用戶權(quán)限登錄，進(jìn)入系統(tǒng)主界面，在測試管理界面，可以自行根據(jù)待測系統(tǒng)的電氣特性和電氣參數(shù)等工藝要求，進(jìn)行測試流程以及測試參數(shù)的編輯與設(shè)置，并保存在系統(tǒng)中；待被測對象接入電路，加載測試流程，開始測試，根據(jù)測試流程控制測試順序和測試回路的切換，測試數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，動態(tài)實時顯示，同時測試數(shù)據(jù)會自動根據(jù)日期以TXT、Excel等文件的形式進(jìn)行保存，便于后期質(zhì)量分析和產(chǎn)品追溯；在數(shù)據(jù)管理界面，可加載測試結(jié)果文件及相應(yīng)的流程文件，由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的分析處理，分析結(jié)果數(shù)據(jù)，生成報表，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢等；在系統(tǒng)維護(hù)界面，可進(jìn)行系統(tǒng)資源的配置，定期對系統(tǒng)進(jìn)行自檢，以及用戶管理等。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Software system architecture diagram

3.1 測試管理

3.1.1 測試流程編輯

選擇菜單欄中的編輯菜單下的 “編輯測試流程”選項，彈出流程編輯界面，輸入測試模式、電池管理系統(tǒng)類型、串?dāng)?shù)及型號，在測試項目欄中點擊選擇測試項后，設(shè)置參數(shù)并保存，系統(tǒng)以測試模式和電池管理系統(tǒng)型號的組合命名形式保存測試流程，便于管理和調(diào)用。界面如圖5所示。

圖5 編輯測試流程Fig.5 Edit test procedure

3.1.2 測試控制

在進(jìn)行系統(tǒng)測試前，需根據(jù)被測物的類型，編輯或加載測試程序。若系統(tǒng)中沒有預(yù)存該類型被測物測試程序，需按照測試流程編輯進(jìn)行操作；若系統(tǒng)已有該類型的測試程序，則按照下列步驟進(jìn)行操作：

加載流程點擊操作面板中的 “打開測試項”按鈕，彈出流程文件加載選擇窗口，選擇需要測試的電池管理系統(tǒng)所對應(yīng)的流程文件。加載完成后流程文件的信息會在信息欄中的 “電池管理系統(tǒng)型號”中顯示，測試項目的相關(guān)信息也會在測試結(jié)果窗口表格中顯示。

設(shè)置生產(chǎn)編號點擊設(shè)置生產(chǎn)批號按鈕或者菜單欄中相應(yīng)菜單，打開設(shè)置生產(chǎn)批號對話框。選擇編號形式（自動編號、手動編號、掃碼），進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置后，則生產(chǎn)批號信息會在信息欄中的生產(chǎn)批號中顯示，如圖6所示。

圖6 設(shè)置生產(chǎn)編號Fig.6 Set production number

保存數(shù)據(jù)、測試方式和測試/調(diào)試設(shè)置在工具選板中設(shè)置是否保存測試結(jié)果數(shù)據(jù)。測試方式選框中可以選擇“精確”或“快速”2種模式。在精確測試模式下，“過充保護(hù)”、“過充恢復(fù)”、“過放保護(hù)”、“過放恢復(fù)”、“過流保護(hù)”和“過流恢復(fù)”等項目將測量出精確數(shù)值，但耗時較長。在快速測試模式下，以上6項將只判定在給定“設(shè)定值”的條件下電池管理系統(tǒng)是否能夠通過測試。此項默認(rèn)為精確模式。設(shè)置測試/調(diào)試模式：若設(shè)置為測試模式，在測試過程中如有測試項目結(jié)果為“fail”，則停止后面測試項目的測試；如果設(shè)置為調(diào)試模式，則在測試過程所有測試項目都會測試。調(diào)試模式適合工程師觀察所有測試項目的測試值，便于編輯省時高效的測試流程。此項默認(rèn)為測試模式。

測試點擊操作面板的運行按鈕或者菜單欄中的運行選項，操作人員將被測電池管理系統(tǒng)放入測試夾具，觸動微動開關(guān)，按照測試流程，控制硬件系統(tǒng)進(jìn)行自動測試。若測試結(jié)果為“pass”，則測試界面背景色為綠色，設(shè)備前面板對應(yīng)指示燈為綠色；反之，則背景色、指示燈都為紅色；當(dāng)測試正在進(jìn)行中時，前面板指示燈為黃色，背景色顯示為上次測量結(jié)果所對應(yīng)顏色。

停止測試在測試過程中如欲進(jìn)行其他操作，首先點擊停止按鈕，此時可以進(jìn)行重新加載流程，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)清零等操作。

清零點擊停止按鈕后，按下清零按鈕，測試信息被清零，當(dāng)再次點擊執(zhí)行測試按鈕時，重新統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集和顯示保存

在測試過程中，動態(tài)顯示測試數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果，自動統(tǒng)計測試時間、測試數(shù)量以及合格率，并實時顯示在信息統(tǒng)計表中。同時所有測試數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，便于查詢和追溯。

3.2 系統(tǒng)維護(hù)

3.2.1 系統(tǒng)資源配置

利用系統(tǒng)資源配置功能進(jìn)行平臺的硬件資源配置，生成配置文件，在系統(tǒng)更新時只需導(dǎo)入配置文件，即可快速完成系統(tǒng)資源配置。界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)資源配置Fig.7 System resource allocation

3.2.2 系統(tǒng)自檢

系統(tǒng)具有自檢功能，主要用于系統(tǒng)的日常維護(hù)，并生成自檢報告。在自檢前，需保證測試端為空載狀態(tài)。界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)自檢Fig.8 System self-test

3.2.3 用戶管理

利用用戶管理功能進(jìn)行用戶帳號和密碼的管理和存儲，系統(tǒng)管理員可進(jìn)行帳號的申請和刪除，密碼和權(quán)限的更改。

3.3 數(shù)據(jù)管理

3.3.1 數(shù)據(jù)分析

在該窗口中可以加載測試結(jié)果數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；可以保存分析圖表到用戶指定路徑。

選擇所要分析的數(shù)據(jù)文件和相應(yīng)流程文件。文件中的數(shù)據(jù)會以各種圖表的形式顯示，“測試次數(shù)-測試值曲線”為單個測試項的數(shù)據(jù)曲線，“不良品分析柱狀圖”顯示所有不良品中不良測試項的分布規(guī)律，“三維餅圖”指示出所有不良品中不良項占據(jù)的比例關(guān)系。

在“測試項選擇”下拉列表中選擇需要進(jìn)行分析的測試項，在“數(shù)據(jù)顯示選擇”下拉列表中選擇顯示類型（全部顯示、良品顯示、不良品顯示）。例如在“測試項選擇”列表中選定“自耗電流”項并在“數(shù)據(jù)顯示選擇”列表中選定“良品顯示”，則程序會在“測試次數(shù)-測試值曲線”中顯示出通過“自耗電流”檢測為良品的所有測試結(jié)果。若在“顯示模式選擇”中選擇 “數(shù)據(jù)顯示”，則會將該文件中的數(shù)據(jù)加載到“測試數(shù)據(jù)”表中。數(shù)據(jù)分析界面如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)分析Fig.9 Data analysis

在觀察分析的過程中，用戶可以點擊“導(dǎo)出圖像”按鈕，彈出導(dǎo)出圖像至文件對話框，選擇圖像類型及圖像存放路徑，確定并導(dǎo)出圖像。

3.3.2 數(shù)據(jù)查詢

在菜單欄中選擇數(shù)據(jù)查詢，選擇查詢條件，可選擇按照產(chǎn)品編號和測試日期2種方式進(jìn)行查詢，根據(jù)實際情況輸入產(chǎn)品編號或者選擇測試日期后，點擊查詢按鈕，在下面列表中即可顯示查詢數(shù)據(jù)，可按下導(dǎo)出按鈕，導(dǎo)出查詢數(shù)據(jù)，如圖10所示。

3.3.3 數(shù)據(jù)報表

在菜單欄中選擇生成報表，在窗口中選擇報表格式，填入測試員和被測物型號信息，確定后即可生成報表，如圖11所示。

圖10 數(shù)據(jù)查詢Fig.10 Data query

圖11 數(shù)據(jù)報表Fig.11 Data report

4 結(jié)語

該平臺調(diào)試完成后，對大量不同類型不同串?dāng)?shù)的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了測試實驗，實驗證明，該平臺能滿足現(xiàn)有的不同電池管理系統(tǒng)的性能測試，能夠保證電池管理系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，確保電池組能夠安全工作，降低了電池管理系統(tǒng)的測試成本，提高了測試效率。同時平臺主要應(yīng)用PXI技術(shù)，不僅可以完成兼具高性能和低成本的測量與自動化系統(tǒng)的開發(fā)，還保證了未來對系統(tǒng)進(jìn)行升級和維護(hù)的便捷性。實踐證明，通過Window XP操作環(huán)境加上擴(kuò)展的PXI總線機(jī)箱、PXI儀器和通道模塊，構(gòu)成的新一代測試技術(shù)和測試策略，在統(tǒng)一測試環(huán)境下，對測試資源可更有效地使用，更快地進(jìn)行測試設(shè)計和運行、更具編程的靈活性?？蓪ιa(chǎn)、產(chǎn)量、質(zhì)量和生產(chǎn)線的變化作出快速反應(yīng)。

綜上所述，通過該測試平臺對電池管理系統(tǒng)的檢測，可剔除功能不達(dá)標(biāo)、性能不可靠的產(chǎn)品，以保證動力電池組的整體質(zhì)量。平臺具有自動化測試程度高、運行穩(wěn)定、測試準(zhǔn)確率高、可擴(kuò)展能力強等特點。

[1]錢良國，郝永超，肖亞玲.鋰離子等新型動力蓄電池成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究最新進(jìn)展[C]//清潔汽車技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展論壇，2007.

[2]肖昕，李劼，鄒忠.鋰離子動力電池檢測系統(tǒng)研究[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，18（8）：174-178.

[3]武斌，陳峭巖，劉斌，等.電池管理系統(tǒng)監(jiān)測平臺的設(shè)計[J].電測與儀表，2013，50（1）：112-116.

[4]NI 4071 Specifications[Z]，2016.

[5]黃學(xué)文，周敬泉.虛擬儀器技術(shù)的現(xiàn)狀與前景[J].電測與儀表，2004，41（10）：5-8.