一種新型動(dòng)力電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王昕燦，呂立亞*，吳松松，張林峰

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，南京210037)

摘要：在整車(chē)能量管理和電池管理系統(tǒng)中，電池狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證其運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。根據(jù)鋰離子動(dòng)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(xiàn)通信方式，并結(jié)合相關(guān)硬件，設(shè)計(jì)了一種新型的動(dòng)力電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力電池的電壓、電流、實(shí)時(shí)溫度等動(dòng)態(tài)信息的高精度數(shù)據(jù)采集與分析處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定，符合動(dòng)力電池檢測(cè)要求，提高了動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)的便捷性和精確度。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：S 776;TM 912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(xiàng)目：2013年江蘇省六大人才高峰資助項(xiàng)目資助(zbzz-043)

作者簡(jiǎn)介：第一王昕燦，碩士研究生。研究方向：汽車(chē)電子控制技術(shù)。

通訊作者：*呂立亞，碩士研究生，講師。研究方向：汽車(chē)電子控制技術(shù)。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(dòng)力電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].森林工程，2015，31(2)：135-138.

在電動(dòng)汽車(chē)中，動(dòng)力電池作為動(dòng)力能源之一，其直接影響著電動(dòng)汽車(chē)的起動(dòng)、加速、行駛里程等多項(xiàng)性能，而它的狀態(tài)信息是整車(chē)能量管理系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力分配以及電池管理的一個(gè)重要依據(jù)，準(zhǔn)確的電池狀態(tài)信息對(duì)電池的高效管理和整車(chē)性能提高有著重要意義。因此，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行便捷性自動(dòng)監(jiān)測(cè)是電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)的重要環(huán)節(jié)[1-4]。同時(shí)隨著LabVIEW的發(fā)展，其流程圖的圖形化編程方式及多線(xiàn)程運(yùn)行控制等技術(shù)，為動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了良好的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。相較于儀器直接測(cè)量的單一不便性，本文利用計(jì)算機(jī)代替儀器操作，并利用LabVIEW的高精度采集和直觀(guān)顯示功能[5]，基于GPIB協(xié)議和相應(yīng)的硬件，設(shè)計(jì)一種新型的動(dòng)力電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)便捷地對(duì)動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和顯示。

1動(dòng)力電池測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)參數(shù)的有效測(cè)量，構(gòu)建了如圖1所示的系統(tǒng)硬件框圖。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包含鋰離子動(dòng)力電池組模塊、萬(wàn)用表模塊、電源模塊、電子負(fù)載模塊、GPIB采集控制器和人機(jī)交互平臺(tái)[6-7]。

GPIB采集控制器內(nèi)包含IEEE488協(xié)議，將其接在計(jì)算機(jī)上，通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)可實(shí)時(shí)控制GPIB儀器和多臺(tái)儀器[8]。GPIB 數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)上，也可同時(shí)記錄在SD 卡上。在GPIB采集控制器內(nèi)設(shè)置了電池溫度傳感器，可測(cè)得電池實(shí)時(shí)溫度變化。

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

試驗(yàn)時(shí)，將GPIB采集控制器與萬(wàn)用表、電源和上位機(jī)相連接。當(dāng)對(duì)動(dòng)力電池充電時(shí)，萬(wàn)用表會(huì)實(shí)時(shí)顯示電壓，電源設(shè)備同時(shí)顯示電壓和電流，需要時(shí)可對(duì)電池進(jìn)行小功率放電；GPIB采集控制器根據(jù)IEEE488協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。當(dāng)對(duì)電池放電，電子負(fù)載可通過(guò)GPIB協(xié)議進(jìn)行傳輸，也可通過(guò)自身的串口將數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)；上位機(jī)經(jīng)過(guò)處理并及時(shí)顯示出電池的電壓、電流等參數(shù)及其曲線(xiàn)波形圖，溫度傳感器也會(huì)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行溫度測(cè)量并傳遞到上位機(jī)。電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于GPIB總線(xiàn)的LabVIEW程序設(shè)計(jì)完成。

2LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

2.1　VISA串行通信模塊

VISA是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)API，本身不具備編程能力，通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的編程[9-11]。由于VISA具有統(tǒng)一的設(shè)備資源管理、操作和使用機(jī)制，并且能夠提供強(qiáng)大的儀器控制功能，所以系統(tǒng)便通過(guò)VISA發(fā)送SCPI命令來(lái)控制GPIB儀器，通過(guò)VISA讀取GPIB協(xié)議傳遞的相關(guān)數(shù)據(jù)并上傳到上位機(jī)。

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(jù)，首先用VISA配置函數(shù)進(jìn)行串口初始化，并配置相關(guān)參數(shù)；其次利用 VISA讀函數(shù)與寫(xiě)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，通信接收或發(fā)送數(shù)據(jù)都是字符串。當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行，即在測(cè)試狀態(tài)時(shí)，主要利用VISA的寫(xiě)入和讀取函數(shù)來(lái)將儀器的地址和顯示的數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)，用VISA Close 函數(shù)將打開(kāi)的 VISA 資源關(guān)閉并釋放與之關(guān)聯(lián)的所有資源。

2.2　狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

各個(gè)參數(shù)的測(cè)量需通過(guò)狀態(tài)機(jī)中不同狀態(tài)的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)。在LabVIEW中，任何一個(gè)狀態(tài)機(jī)都是由三個(gè)基本部分構(gòu)成，首先外層是一個(gè)while循環(huán)，同時(shí)在while循環(huán)中包含一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，while循環(huán)用于維持狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行，條件結(jié)構(gòu)用以對(duì)各個(gè)不同的狀態(tài)進(jìn)行判斷，第三個(gè)部分是移位寄存器，用以將下一個(gè)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(shè)計(jì)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(jī)的默認(rèn)狀態(tài)。在默認(rèn)的狀態(tài)機(jī)內(nèi)，利用VISA函數(shù)設(shè)置傳輸?shù)牟ㄌ芈省?shù)值比特等必需參數(shù)，發(fā)送SCPI命令獲取測(cè)量?jī)x器的型號(hào)信息，并將儀器的地址通過(guò)轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行數(shù)值與字符串間的轉(zhuǎn)換，使通信能夠準(zhǔn)確無(wú)誤。當(dāng)開(kāi)始運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入默認(rèn)狀態(tài)，開(kāi)始解析VISA函數(shù)并讀取儀器相關(guān)參數(shù)。其主要程序框圖如圖3所示。

(2)狀態(tài)機(jī)的測(cè)試狀態(tài)。測(cè)試狀態(tài)下又分為兩個(gè)條件結(jié)構(gòu)，一個(gè)是溫度測(cè)試程序結(jié)構(gòu)，一個(gè)是電流積分程序結(jié)構(gòu)，兩個(gè)條件結(jié)構(gòu)都包含電壓、電流的數(shù)據(jù)采集程序模塊，是為了防止溫度測(cè)量或電池SOC(State of charge)測(cè)試時(shí)影響動(dòng)力電池參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量。

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

圖3　默認(rèn)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(duì)動(dòng)力電池的電壓、電流及溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)外，還利用電流積分法對(duì)動(dòng)力電池SOC進(jìn)行估算。程序系統(tǒng)在安時(shí)法的基礎(chǔ)下，編寫(xiě)程序框圖，對(duì)采集到的電流進(jìn)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(guò)此屬性節(jié)點(diǎn)將電流值傳遞到“創(chuàng)建波形”函數(shù)中，同時(shí)將采樣頻率等必要數(shù)據(jù)匯集，統(tǒng)一傳遞到積分函數(shù)進(jìn)行計(jì)算并利用波形圖片顯示。通過(guò)提高電流的測(cè)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(zhǔn)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(yàn)平臺(tái)與顯示

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。最上方為人機(jī)交互平臺(tái)，下方左側(cè)為功能型萬(wàn)用表，右側(cè)為鋰離子動(dòng)力電池組，再往下依次是電源和電子負(fù)載。

圖6　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái) Fig.6 Test platform of monitoring system

LabVIEW前面板即人機(jī)交互界面，如圖7所示。界面能實(shí)時(shí)顯示電池的動(dòng)態(tài)信息，并控制程序的運(yùn)行[14]。前面板分為3個(gè)模塊，分別為動(dòng)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(dāng)點(diǎn)擊運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取儀器型號(hào)并顯示，進(jìn)入默認(rèn)狀態(tài)。不同布爾對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試需求，例如點(diǎn)擊“SOC”布爾，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)采集的電流進(jìn)行積分計(jì)算，并顯示出實(shí)時(shí)數(shù)值。

所有程序的運(yùn)行，包括電壓、電流、溫度、SOC的數(shù)據(jù)采集分析，都在一個(gè)while循環(huán)體中，可以不斷運(yùn)行顯示，直到點(diǎn)擊“退出”布爾，程序?qū)⑼Ｖ惯\(yùn)行。

在連接GPIB采集控制器和計(jì)算機(jī)時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)未能連上的情況，此時(shí)可以通過(guò)該采集控制器本身攜帶的串口接收發(fā)送窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的調(diào)試。對(duì)于現(xiàn)代的GPIB儀器，多數(shù)均支持SCPI語(yǔ)言，它的好處是對(duì)不同的儀器，命令基本是一樣的，這也是設(shè)計(jì)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(shuō)明文件中找到。

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

4結(jié)論

在對(duì)現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)和動(dòng)力電池測(cè)量的方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)出一種新型的動(dòng)力電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)將GPIB采集控制器和溫度傳感器配合使用，結(jié)合其他相應(yīng)的硬件，通過(guò)GPIB總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和記錄，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。利用LabVIEW編寫(xiě)動(dòng)力電池電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)的采集顯示程序，實(shí)現(xiàn)了與GPIB采集控制器的數(shù)據(jù)傳遞。設(shè)計(jì)能將關(guān)注的信息集合顯示在一個(gè)界面上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池電壓、電流、溫度和SOC值等狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并能對(duì)電池充放電參數(shù)進(jìn)行分析及控制。多次測(cè)試試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定，采樣精確，能夠準(zhǔn)確地對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

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[責(zé)任編輯：李洋]