一種新型動力電池狀態監測系統設計

一種新型動力電池狀態監測系統設計

王昕燦，呂立亞*，吳松松，張林峰

(南京林業大學 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中，電池狀態參數監測系統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監測系統。系統實現了對動力電池的電壓、電流、實時溫度等動態信息的高精度數據采集與分析處理。試驗結果表明，設計的監測系統穩定，符合動力電池檢測要求，提高了動力電池監測的便捷性和精確度。

關鍵詞：動力電池；監測系統；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監測系統設計[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，而它的狀態信息是整車能量管理系統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測是電動汽車研發的重要環節[1-4]。同時隨著LabVIEW的發展，其流程圖的圖形化編程方式及多線程運行控制等技術，為動力電池監測系統提供了良好的軟件開發平臺。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協議和相應的硬件，設計一種新型的動力電池狀態監測系統，實現便捷地對動力電池動態參數進行監控和顯示。

1動力電池測量系統硬件設計

為實現對電池狀態參數的有效測量，構建了如圖1所示的系統硬件框圖。系統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協議將數據傳輸給上位機。當對電池放電，電子負載可通過GPIB協議進行傳輸，也可通過自身的串口將數據傳遞到上位機；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。電池狀態監測系統是基于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對儀器的編程[9-11]。由于VISA具有統一的設備資源管理、操作和使用機制，并且能夠提供強大的儀器控制功能，所以系統便通過VISA發送SCPI命令來控制GPIB儀器，通過VISA讀取GPIB協議傳遞的相關數據并上傳到上位機。

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

2.2　狀態機設計

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

圖2　系統狀態圖 Fig.2 Diagram of system status

(1)狀態機的默認狀態。在默認的狀態機內，利用VISA函數設置傳輸的波特率、數值比特等必需參數，發送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進行數值與字符串間的轉換，使通信能夠準確無誤。當開始運行，系統進入默認狀態，開始解析VISA函數并讀取儀器相關參數。其主要程序框圖如圖3所示。

(2)狀態機的測試狀態。測試狀態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的數據采集，從而影響整個系統的測量。

圖4為主要程序，含括電壓、電流和溫度監測模塊。動力電池的充電、放電都需要合適的溫度環境，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，即通過該軟件系統就可實現動力電池充放電的實時監控，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控。

圖3　默認狀態程序框圖 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

系統除了對動力電池的電壓、電流及溫度進行了監測設計外，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”是電流數值顯示，通過此屬性節點將電流值傳遞到“創建波形”函數中，同時將采樣頻率等必要數據匯集，統一傳遞到積分函數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系統試驗平臺與顯示

監測系統試驗平臺如圖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　監測系統試驗平臺 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，系統會自動讀取儀器型號并顯示，進入默認狀態。不同布爾對應不同的測試需求，例如點擊“SOC”布爾，系統自動對采集的電流進行積分計算，并顯示出實時數值。

所有程序的運行，包括電壓、電流、溫度、SOC的數據采集分析，都在一個while循環體中，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送窗口進行數據發送和接收的調試。對于現代的GPIB儀器，多數均支持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

在對現有電池管理系統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監測系統。系統將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總線實現數據采集和記錄，并將采集到的數據發送到上位機監測軟件。利用LabVIEW編寫動力電池電壓、電流、溫度數據的采集顯示程序，實現了與GPIB采集控制器的數據傳遞。設計能將關注的信息集合顯示在一個界面上，實現了對電池電壓、電流、溫度和SOC值等狀態參數的實時動態監測，并能對電池充放電參數進行分析及控制。多次測試試驗表明，所設計的監測系統穩定，采樣精確，能夠準確地對動力電池進行實時動態監控。

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[責任編輯：李洋]