基于LabVIEW的電動汽車動力電池管理系統測試平臺設計

【摘" 要】為更直觀地監測動力電池管理系統的實時數據，設計一款基于LabVIEW的電動汽車動力電池管理系統測試平臺，可以展示動力電池管理系統的工作狀態。該系統采用主流新能源磷酸鐵鋰動力電池包，總容量80V50Ah一體式電池管理，具有主從通信、外部通信、狀態估算、安全管理、充放電管理、控制輸出、控制輸入、總壓檢測、絕緣檢測、單體電壓采集、溫度采集等功能。

【關鍵詞】LabVIEW；電動汽車；動力電池管理系統；測試平臺

中圖分類號：U463.633" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）03-0025-03

Design of Test Platform for Power Battery Management System of Electric Vehicle Based on LabVIEW*

YAN Yalin1，HANG Lijun2，LONG Yan1

（1.Geely Automotive Institute，Hangzhou Vocational and Technical College；

2. College of Automation，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

【Abstract】In order to directly monitor the real-time data of the Power Battery Management System，The test platform for the power battery management system of electric vehicle based on Labview is designed，Which can display the working state of the Power Battery Management System. This system uses lithium iron phosphate battery pack as main new energy source，total capacity 80V50AH integrated battery management system. It has the functions of master-slave communication，external communication，state estimation，safety management，charge-discharge management，control output，control input，total voltage detection，insulation detection，unit voltage collection，temperature collection and so on.

【Key words】LabVIEW；electric vehicle；power battery management system；test platform

作者簡介

閆亞林（1987—），女，講師，碩士，研究方向為新能源汽車；杭麗君（1979—），女，教授，博士后，博士生導師，研究方向為電力電子與電力拖動；龍艷（1981—），女，教授，碩士，從事教學質量評價工作。

電動汽車動力電池系統一般主要由動力電池模組、電池管理系統、動力電池箱及輔助元器件組成，電池模組提供電能量，電池管理系統負責監測電池組的實時電壓、電池剩余電量的估算以及電池電量的均衡等。對于電動汽車而言，通過BMS對電池單體的有效監測，可以有效增加續駛里程，延長電池使用壽命，實現降低運行成本的目的，同時保證電池單體使用過程中的安全性和可靠性。

1" 電動汽車動力電池管理系統測試平臺現狀分析

國家政策大力支持發展電動汽車產業，電動汽車電池管理系統在功能方面由簡單的數據監測向智能化系統診斷發展，比如安全監測、故障診斷、SOH、SOC等。唐曉峰[1]采用主從設計結構設計檢測平臺，自行設計各個子系統硬件單元的電路原理圖，繪制PCB電路板，基于LabWindows/CVI開發平臺設計上位機界面，制定了上位機和底層硬件的詳細通信協議，并對各個測試單元底層單片機軟件原理框架和具體的實現流程進行了分析。方揚帆[2]設計的BMS電池管理系統檢測平臺，根據國家行業標準、企業生產標準自行設計BMS在線檢測平臺的機械結構、檢測電控系統，開發了可以對實現風扇控制PWM信號輸出、電池電壓測試、電池溫度測試、電池電量均衡、CAN通信功能等功能檢測的配套檢測軟件。李曉宇[3]以PXI系統配合多個測試儀器及模塊自行進行硬件設備的集成，并基于LabVIEW開發了集安全性、通信、常規工作性能、環境適應性測試在內的電動汽車電池管理系統集成測試軟件。

綜合對文獻的查閱與分析，利用LabVIEW搭建電池管理系統測試平臺實現對電動汽車電池管理系統控制策略的驗證，對于降低臺架和實車測試成本、縮短開發時間具有重要意義。

2" 電動汽車動力電池管理系統測試平臺設計

基于LabVIEW的電動汽車動力電池管理系統的主要任務是保證電池模組始終維持在正常、安全的工作狀態，當監測到電池模組狀態出現異常時，根據車輛實際運行狀態、環境溫度、電池狀態等，綜合決定電池的充放電功率，及時做出應對措施。

2.1" 整體框架設計

基于LabVIEW的電動汽車動力電池管理系統測試平臺以動力電池技術、數據采集技術為基礎，實現對電池模組的精準測量、電池狀態的建立、電池的一致性均衡、電池的故障診斷等。該測試平臺選擇磷酸鐵鋰電池，24串3.3V50Ah單體電池，總容量80V50Ah一體式BMS電池管理系統，可以實現主從通信、外部通信、狀態估算、安全管理、充放電管理、控制輸出、控制輸入、總壓檢測、絕緣檢測、單體電壓采集、溫度采集等功能，能夠全面展示BMS的數據采集及信息處理過程。電動汽車動力電池管理系統測試平臺整體框架如圖1所示。

測試平臺工作過程如下：首先利用數據采集單元的電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器等對動力蓄電池的電壓、電流和溫度等數據進行采集，然后將采集到的數據上報給電池控制單元，并根據電池控制單元的指令執行單體電壓均衡。電池管理單元將單體電壓、電流、溫度及整車高壓絕緣等信息上報整車控制器，并根據整車控制器的指令完成對動力蓄電池的控制，同時通過USB-CAN信號盒與上位機實現通信，上位機監控軟件將數據圖形化和數據化，展現在HDMI顯示器上。

2.2" 硬件設計

硬件設計主要包括數據采集系統CSC、電池控制單元、均衡控制、絕緣檢測、通信系統。下文以數據采集系統CSC和通信系統為例來分析。

2.2.1" 數據采集系統CSC

數據采集系統主要實現對單體電池的電壓、電流、溫度等數據的采集。

1）電壓采集：通過電壓檢測模塊實現對單體電池電壓采集。單體電池通過串并聯電路形成動力電池模組，數據采集系統通過對單體電池電壓進行監測，進而了解動力電池的工作狀態。

2）電流采集：通過采用霍爾電流傳感器串聯在動力電池電路中進行電流采集。當電流釋放或有充電電流時，電流傳感器會將檢測到的電流信號轉換為電壓信號，傳輸到電流傳感器模塊進行分析打包后，再通過CAN總線傳送到電池管理系統進行解壓分析和儲存。

3）溫度采集：通過采用溫度傳感器進行單體電池溫度采集。動力電池溫度不僅會影響動力電池的性能，還會影響整車使用的安全性，對動力電池的溫度利用溫度傳感器進行采集，及時將數據傳給電池控制單元。

2.2.2" 通信系統

通信主要包括兩大類：一是BMS主控模塊與整車控制系統VCU的通信；二是BMS主控模塊與動力蓄電池內部BMS分控模塊的通信。

2.3" 軟件設計

根據動力電池管理系統測試平臺設計的需求，軟件設計需要上位機顯示系統實現對采集的電池電壓、電流、溫度及故障狀態等參數信息進行直觀展示。上位機界面布置如圖2所示。

上位機界面可實時動態采集24個單體電池電壓、電池溫度等數據，通過CAN總線將SOC數值、單體電池電壓、整車系統的運行電流、電池模組溫度、電池總電壓以及電池故障狀態傳輸到上位機，可以通過上位機軟件實現數據流的讀取。上位機界面采用柱狀圖、指示燈、數值、動態波形圖等數據與圖形相結合的個性化界面設計，更便于觀察電池的動態數據。上位機顯示系統主要由電腦和HDMI顯示器組成，通過USB-CAN信號盒實時地將核心處理器整合的緊急開關、觸控板、電源開關等電信號轉換為電腦可以識別的代碼數據，通過BMS監控軟件以動畫與數字組合的方式顯示在HDMI顯示器上。

2.4" 軟硬件調試

電動汽車動力電池管理系統測試平臺軟硬件聯機調試的步驟如圖3所示。

1）首先給測試平臺進行供電。

2）待測試平臺上電后，接通顯示器電源，打開BMS上位機軟件，并進行通信連接。

3）待完成通信連接后，將開關置于運行擋位，系統開始初始化。

4）上位機顯示系統會將采集的系統數據及各裝置數據以圖像化的形式展現在屏幕上。

5）當系統出現故障或在測試平臺設置故障時，在上位機界面會直觀顯示故障現象，比如點亮對應故障指示燈，可以直觀觀測電池管理系統的系統狀態。

6）診斷出故障點之后，進行標準作業修復，然后重新上電檢測故障是否排除。

7）當測試平臺使用完畢后，給設備進行斷電，系統復位。

3" 總結

基于LabVIEW的電動汽車動力電池管理系統測試平臺設置了總熔斷及各種短路保護，避免了因誤操作或操作不規范而導致的高壓觸電風險。具有操作方便、成本低、便于攜帶的特點，同時實現了動力電池管理系統工作狀態的模擬，通過顯示系統直觀觀察系統的各項參數，上位機可以直觀顯示工作狀態或故障狀態。基于LabVIEW的電動汽車動力電池管理系統測試平臺設計符合社會需求，通過上位機顯示系統將電池管理系統監測數據展示更數字化、動畫化，更直觀易操作。與其它動力電池管理系統測試平臺相比較，成本大大降低，電動汽車動力電池管理系統測試平臺具有明顯的經濟效益和社會效益。之后將針對電動汽車動力電池管理系統測試平臺不能很好地實現SOC和SOH評估進行完善與改進。

參考文獻：

[1] 唐曉峰. 電動汽車電池管理系統測試平臺的設計和研究[D]. 武漢：華中科技大學，2017.

[2] 方揚帆. 電動汽車動力電池管理系統檢測平臺研究[D]. 杭州：中國計量大學，2019.

[3] 李曉宇. 電動汽車電池管理系統測試平臺的研制[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

（編輯" 楊凱麟）