基于LabVIEW的電動汽車動力電池測試系統設計

郁俊偉 李旭東 趙奉奎

摘 ?要：動力電池是電動汽車的核心部件，其性能好壞直接影響到電動汽車整車的性能。動力電池特性的測試，對于電池管理具有重要的意義。本文設計了基于LabVIEW的電動汽車動力電池測試系統，設計了上位機軟件操作界面和通信接口，通過VISA控制GPIB與直流電源、數據采集單元和電子負載通信。實驗表明該系統能夠實現電池倍率特性、功率特性和脈沖功率特性等的測量。

關鍵詞：LabVIEW;動力電池測試系統;充放電特性

中圖分類號：TP311 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Power battery， the core component of electric vehicles， directly determines overall performance of electric vehicles. It is very significant for battery management to test the performance of battery. A power battery test system is designed based on LabVIEW in this paper. User interface communication were designed. GPIB （General-Purpose Interface Bus） controlled by VISA （Virtual Instrument Software Architecture） was employed to communicate between the software and the instruments， such as DC source， data acquisition unit and electrical load. The result of the experiment shows that the proposed system is capable of testing discharge rate， power-efficient characteristic and the HPPC （Hybrid Pulse Power Characteristic）.

Keywords： LabVIEW; power battery test system; charge discharge characteristics

1 ? 引言（Introduction）

近年來，電動汽車對于緩解能源危機和改善環境的重要意義得到了廣泛的認可和重視。動力電池的安全性和充放電能力一直是限制電動汽車發展的瓶頸，優良的充放電能力能提高續航里程和使用壽命[1，2]。對動力電池進行安全、有效地檢測，對于電池管理系統具有重要的意義。研究人員針對電池檢測開展了廣泛的研究。有研究者設計了鋰離子動力電池內阻測試系統，利用LabVIEW設計了數據采集和數據分析軟件[3]。工作溫度是影響電池性能的重要參數，有研究者設計了鋰電池組溫度狀態在線檢測系統，利用LavVIEW設計了上位機控制軟件，對鋰電池組的溫度、電流和電壓等關鍵參數進行實時采集處理[4]。動力電池SOC準確性一直是研究熱點[5]，估算SOC需要對電池狀態參數進行檢測，有研究者設計了基于LabVIEW的電池參數檢測系統，利用串口實現數據采集系統和上位機之間的通信，采集數據后進行SOC檢測[6]。還有研究者利用LabVIEW搭建了電池管理系統測試平臺，用于對混合動力汽車電池管理系統控制策略的驗證[7]。由此可見，基于LabVIEW的動力電池測試系統設計，是當前動力電池方面的研究熱點。

本文設計了基于LabVIEW的電動汽車動力電池測試系統，設計了上位機軟件操作界面和通信接口，通過VISA控制GPIB與直流電源、數據采集單元和電子負載通信。

2 ?動力電池測試系統整體框架設計（Overall frame design of power battery test system）

本文設計的動力電池測試系統通過GPIB接口線纜將PC上位機、電源、電子負載、數據采集器等硬件連接起來，使工作人員能夠在PC上位機上控制儀器的使用，完成動力電池的測試實驗，并且能夠將實驗數據存儲，并進行實驗結果分析。電池測試平臺整體框架如圖1所示。

3 ? 動力電池測試系統上位機軟件設計（Design of upper computer software for power battery test system）

3.1 ? 上位機軟件設計的整體框架

在對電池單體的溫度和倍率充電性能、溫度和倍率放電性能、恒功率特性、脈沖功率特性等進行研究之后，測試系統應具備儀器控制功能、監測功能、測試功能、數據存儲功能、通信功能，上位機軟件整體框架如圖2所示。

根據以上功能模塊設計的電池單體測試系統界面如圖3所示，該界面包括總線參數設定及狀態顯示、電池技術參數數值設定和顯示、命令發送，使工作人員在上位機軟件上能夠控制測試進程。

3.2 ? 電池狀態監測模塊設計

在動力電池的充放電過程中，需要對電池的電壓、電流和溫度等參數進行實時監測，以便工作人員掌握充放電過程中的電池信息及時進行操作，防止由于過充或過放對電池造成的不可修復性損壞，實現安全及功能保證。電池監測界面主要有：波形圖表、電池電壓/電流顯示控件、倍率顯示控件、測試時間顯示控件及電池狀態顯示控件。工作人員能夠在監測界面中了解當前測試時間內的實驗數據以及電池狀態，在波形圖中觀測電池電壓和容量的數據波形，電池監控界面如圖4所示。

在程序編輯面板上通過LabVIEW軟件中的編程中While循環以及事件結構控制軟件整體的運行和結束條件。引用容量的局部變量及電壓的局部變量，在波形圖表中顯示。將電池電壓/電流、倍率、容量、測試時間，以及電池顯示控件與相應的捆綁簇、事件結構相連使工作人員通過顯示界面即可知曉當前測試時間下的數據，監測編程面板如圖5所示。

3.3 ? 儀器控制模塊

在事件結構內將電源接口局部變量、比較函數、數字字符串轉換控件、電源連接指示的屬性節點、連接字符等與電源的驅動連接，再添加一個條件結構控制電源的連接狀況，形成電源控制。電池控制的設計面板如圖6所示。

在事件結構內，添加電子負載接口局部變量、比較函數、電子負載連接指示屬性節點、真假波爾等。通過連線將電子負載操作驅動與這些連接，實現對電子負載控制的目的，電子負載編程面板如圖7所示。

在事件結構內，添加萬用表接口的局部變量、測量功能選擇控件、比較函數、萬用表連接指示屬性節點、接觸捆綁簇。用連線把萬用表驅動和以上所述的部件相連，再設計一個條件結構用以控制萬用表的連接狀態，實現萬用表控制，萬用表編程如圖8所示。

以上的程序設計構成儀器控制界面，我們可以在界面中，控制儀器的連接與否，以及所選的連接通道，通過連接指示燈判斷連接狀態。儀器控制界面如圖9所示。

3.4 ? 數據采集存儲模塊

數據采集存儲模塊是為了便于工作人員查看實驗數據所設計的，實驗數據是測試實驗重要的參考依據，工作人員通過實驗數據的分析從而判斷電池充放電的性能。本文所設計的數據采集存儲模塊，所存儲的數據項目有：序號、時間、電池電壓、電池電流、倍率和電池狀態，而且會自動保存數據，每存儲5000條，自動新建一個表格進行存儲。數據采集的編程通過大量的轉換字符串，通過創建數組將這些字符串聯系起來，再通過條件結構來對所存儲數據的項目進行設定。編程設計面板如圖10所示。

3.5 ? 通信協議模塊

上位機儀器的通信方式主要分為：①只發送指令，不接受指令。②不用發送命令，就只用讀取響應。③發送一次指令，只讀取一次響應。④發送一次命令，就一直連續讀取響應。本課題主要的通信方式是③。采用的是GPIB通信協議作為儀器間的通信。

電源的通信協議是通過事件結構及順序結構進行整體限制，把visa配置串口、visa寫入、visa讀取、visa關閉作為核心，在相應的接口選擇合適的字符串，通過連線相連從而形成電源通信協議。上位機與電源之間的通信協議模塊如圖11所示。

電源負載通信協議首先需要完成自定義單值寄存器子模塊，然后通過條件結構、順序結構進行限制，通過定時裝置進行時間等待，用波爾指示連接狀態。整體分為初始化儀器、操作寫入兩部分。上位機與電源負載之間的通信協議模塊如圖12所示。

萬用表通信協議是三種協議中最簡單的協議，在LabVIEW軟件幫助工具欄中查找范例選項，選擇合適的范例，在此基礎上進行修改。上位機與萬用表之間的通信協議如圖13所示。

4 ? 動力電池測試系統檢測（Power battery test system detection）

本文設計的動力電池測試系統中，電池控制部分設計了：連接按鈕、串口的選擇及連接指示燈。用GPIB配套線纜將上位機與硬件連接起來，在上位機上選擇合適的串口通道，點擊連接按鈕，若是連接成功指示燈被點亮。若是沒被點亮，就要檢查線纜是否有松動或者損壞，以及調試通信協議。測試參數設置部分設計了：模式選擇控件、充/放電截止電壓輸入控件、額定容量輸入控件、充/放電電流輸入控件、通信指示燈、是否進行數據保存選項，以及測試按鈕。測試開始前，需要將參數設置完畢，再點擊測試按鈕，在測試過程中，通信指示燈會不斷閃爍。監控電池狀態部分設計了：電池電壓顯示控件、電池電流顯示控件、倍率顯示控件、測試時間顯示控件、電池狀態顯示控件及波形圖表，以便于工作人員能實時監測電池狀態。其中波形圖表曲線1代表電池電壓與測試時間的關系，曲線2代表容量與測試時間之間的關系。

測試系統充電模式界面如圖14所示，該界面中，電源、萬用表、通信指示燈被點亮用來指示連接狀態，儀器連接的按鈕變為停止輸出按鈕，開始測試按鈕變為停止測試，電池電壓隨著測試時間的變長而逐漸增加，容量與測試時間呈線性關系的上升。

測試系統放電模式界面如圖15所示，電子負載與萬用表連接完畢，通信指示燈也點亮，電池電壓隨測試時間的加長而逐漸下降，容量與測試時間表現為線性關系。

5 ? 結論（Conclusion）

為了測試電動汽車動力電池特性，本文設計了基于LabVIEW的電動汽車動力電池測試系統，通過人機交互界面實現控制電池的充放電，對電池的電池倍率特性、功率特性和脈沖功率特性等的測量。實驗結果表明，該系統能夠實現電池重要特性的測試，具有重要的推廣價值。

參考文獻（References）

[1] Balasingam Balakumar， Pattipati Bharath， Sankavaram Chaitanya， et al. An EM approach for dynamic battery management systems[J]. Information Fusion（FUSION）， 2012 15th International Conference on. IEEE， 2012（07）： 2110-2117.

[2] 李國洪，資新運，劉魯源.動力電池綜合性能測試系統的開發研制[C].中國汽車工程學會學術年會，2003：1046-1050.

[3] 王宏志，武俊峰.基于LabVIEW的鋰離子動力電池內阻測試系統[J].自動化技術與應用，2009（4）：80-82.

[4] 王健，陳磊，溫小明.基于LabVIEW的鋰電池組溫度狀態的在線測試系統研究[J].電子世界，2018（18）：8-10.

[5] 王昕燦，鄭燕萍，張林峰，等.基于LabVIEW的動力電池SOC實時估算系統研發[J].電源技術，2017，41（3）：374-376.

[6] 李桂娟，張持健，施志剛，等.基于LabVIEW的鋰電池SOC預估與參數監測系統[J].傳感器與微系統，2018，37（10）：69-71.

[7] 陳雨飛，李志揚，朱建新，等.基于LabVIEW的電池管理系統測試平臺設計[J].電源技術，2019，43（7）：1205-1207.

作者簡介：

郁俊偉（1997-），男，本科生.研究領域：車輛工程.

李旭東（1998-），男，本科生.研究領域：車輛工程.

趙奉奎（1986-），男，博士，講師.研究領域：智能汽車環境感知.本文通訊作者.