劉凌飛，李藝超，趙帥，郭昊

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，天津 300222；2.天津動(dòng)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(dòng)力蓄電池的材料與性能優(yōu)化。動(dòng)力蓄電池作為電動(dòng)汽車的核心部分，其電池狀態(tài)直接影響著整個(gè)電動(dòng)汽車的安全與性能。因此，為了保證電動(dòng)汽車的安全、高性能的使用環(huán)境，最大化的利用動(dòng)力電池整個(gè)生命周期的使用價(jià)值，采用電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對(duì)動(dòng)力蓄電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)算依據(jù)，通過算法統(tǒng)計(jì)，得出各參數(shù)指標(biāo)。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(zhǔn)確測(cè)量及軟件系統(tǒng)的算法優(yōu)化。

BMS 的功能展示可借助LabVIEW 實(shí)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(cè)量與控制同計(jì)算機(jī)完美結(jié)合在一起，其簡(jiǎn)潔、明了的圖形化顯示界面，可使人機(jī)交互界面更加直觀，更便于理解。為使得動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)更加可靠、功能更加完善，對(duì)程序的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化與優(yōu)化顯得尤為重要。

1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。硬件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與信息存儲(chǔ)，通過軟件發(fā)送指令至硬件，實(shí)現(xiàn)零部件的控制。硬件電路利用傳感器檢測(cè)電池的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)電池過流判斷、電池過溫保護(hù)、電池過充過放保護(hù)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(jī)采用USB 的對(duì)外接口。因此，在通過PC 端的USB 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)CAN 總線與USB 的協(xié)議轉(zhuǎn)換，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件部分

硬件系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，由采集板和主控板構(gòu)成。作為從板的采集板，其MCU 模塊采用MC9S08DZ60 芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行電壓、溫度測(cè)量，并將采集數(shù)據(jù)傳輸至MCU 模塊。MCU 模塊內(nèi)的隔離IIC 接口電路、EE 存儲(chǔ)器可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再結(jié)合CAN 通信處理單元實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)電芯組及外圍電路的管理，其電壓、電流測(cè)量模塊可實(shí)現(xiàn)總電壓、總電流的測(cè)量。主控板可將采集板采集到的信息進(jìn)行處理，并將此信息傳輸至上位機(jī)進(jìn)行通訊，并通過上位機(jī)讀取、顯示電池實(shí)時(shí)狀態(tài)。在對(duì)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(cè)量電路。在對(duì)電池總電壓進(jìn)行采集的過程中，需先檢測(cè)采集板的數(shù)量再檢測(cè)采集板所采集的電芯數(shù)量，并對(duì)總電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集修正。

此外，系統(tǒng)根據(jù)電池實(shí)況，按照由LabView 所設(shè)計(jì)的電池控制策略，進(jìn)行電池參數(shù)顯示與狀態(tài)預(yù)警，并將指令發(fā)送至主控板，通過主控板控制主正、主負(fù)、預(yù)充及充電接觸器的動(dòng)作，實(shí)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(jī)的軟件開發(fā)平臺(tái)，能十分方便的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺(tái)的各項(xiàng)功能。軟件開發(fā)平臺(tái)利用LabVIEW 的多線程技術(shù)，通過調(diào)用LabVIEW 的動(dòng)態(tài)鏈接庫節(jié)，并對(duì)VI 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得程序界面更加的直觀，可讀性較強(qiáng)。軟件部分，針對(duì)BMS 對(duì)動(dòng)力電芯狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)標(biāo)定及故障診斷與預(yù)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(jìn)行主正、預(yù)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(hào)，將PC 機(jī)與主控板連接起來，實(shí)現(xiàn)CAN 總線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。該型號(hào)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(shí)，可通過CANTest 軟件接收、顯示CAN2.0A 和 CAN2.0B 協(xié)議的所有報(bào)文，其包括：標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)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(yù)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(jī)中，此外，還可實(shí)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(jìn)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(diào)用VCI_Receive 接收函數(shù)、VCI_OpenDevice 函數(shù)，可自動(dòng)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(kuò)展幀，該報(bào)文含有優(yōu)先級(jí)、報(bào)文的代碼、目標(biāo)地址或組擴(kuò)展及發(fā)送此報(bào)文的源地址。如圖4 所示。

圖4 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)報(bào)文形式

3.2 監(jiān)控界面展示

上位機(jī)界面可分別進(jìn)行電芯電壓、系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)界面采用動(dòng)態(tài)波形圖、柱狀圖、指示燈等數(shù)據(jù)與圖形相結(jié)合的個(gè)性化、友好的界面設(shè)計(jì)，更方便用戶觀察電池的動(dòng)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(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制與狀態(tài)顯示兩個(gè)功能，如圖5 所示。遠(yuǎn)程控制功能中，可通 過點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的撥桿開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池線路中相應(yīng)的接觸器的控制，實(shí)現(xiàn)上下電、充電操作；狀態(tài)顯示模塊中，可進(jìn)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(duì)應(yīng)的控制與顯示功能主要通過事件結(jié)構(gòu)與條件結(jié)構(gòu)來實(shí)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(shè)備中，可獲取指定指針的數(shù)據(jù)作為輸入信號(hào)。在數(shù)據(jù)傳輸至while 循環(huán)結(jié)構(gòu)中時(shí)，設(shè)置有100ms 的延時(shí)，以控制循環(huán)的執(zhí)行速率。在數(shù)據(jù)流入條件結(jié)構(gòu)時(shí)，如果MAIN 中的全局變量等于5 時(shí)，方可展開該程序界面，隨后進(jìn)入判斷為“真”的條件框內(nèi)。在該框內(nèi)，DAQ 設(shè)備控件所獲取的指定簇?cái)?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(zhuǎn)換 (函數(shù))將變體轉(zhuǎn)化為特定的數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)通知器（全局）返回小于零或者返回錯(cuò)誤時(shí)，循環(huán)結(jié)束。

在事件結(jié)構(gòu)中，當(dāng)前面板的對(duì)應(yīng)開關(guān)觸發(fā)時(shí)進(jìn)入該界面。數(shù)據(jù)通過一串變換制成數(shù)組添加至DAQ 設(shè)備中，并通過DAQ 輸出給下位機(jī)用于控制。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)借助LabVIEW 平臺(tái)，利用USB-CAN 設(shè)備及CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)12 節(jié)單體電芯的數(shù)據(jù)采集與記錄，并通過上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)充、放電控制。該系統(tǒng)能夠監(jiān)控電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，能夠達(dá)到一定的系統(tǒng)標(biāo)定與故障診斷功能，其上位機(jī)操作界面通過圖形化結(jié)合的方式，可直觀、方便地展示電池的動(dòng)態(tài)信息，人機(jī)交互體驗(yàn)較好，能為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化打下一定的技術(shù)基礎(chǔ)。