一种新型动力电池状态监测系统设计

一种新型动力电池状态监测系统设计

王昕灿，吕立亚*，吴松松，张林峰

(南京林业大学 汽车与交通工程学院，南京210037)

摘要：在整车能量管理和电池管理系统中，电池状态参数监测系统是保证其运行的重要基础。根据锂离子动力电池的基本工作原理和充放电特性，基于LabVIEW软件和GPIB总线通信方式，并结合相关硬件，设计了一种新型的动力电池状态监测系统。系统实现了对动力电池的电压、电流、实时温度等动态信息的高精度数据采集与分析处理。试验结果表明，设计的监测系统稳定，符合动力电池检测要求，提高了动力电池监测的便捷性和精确度。

关键词：动力电池；监测系统；LabVIEW

中图分类号：S 776;TM 912

文献标识码：A

文章编号：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

基金项目：2013年江苏省六大人才高峰资助项目资助(zbzz-043)

作者简介：第一王昕灿，硕士研究生。研究方向：汽车电子控制技术。

通讯作者：*吕立亚，硕士研究生，讲师。研究方向：汽车电子控制技术。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：王昕灿，吕立亚，吴松松，等.一种新型动力电池状态监测系统设计[J].森林工程，2015，31(2)：135-138.

在电动汽车中，动力电池作为动力能源之一，其直接影响着电动汽车的起动、加速、行驶里程等多项性能，而它的状态信息是整车能量管理系统进行动力分配以及电池管理的一个重要依据，准确的电池状态信息对电池的高效管理和整车性能提高有着重要意义。因此，对动力电池进行便捷性自动监测是电动汽车研发的重要环节[1-4]。同时随着LabVIEW的发展，其流程图的图形化编程方式及多线程运行控制等技术，为动力电池监测系统提供了良好的软件开发平台。相较于仪器直接测量的单一不便性，本文利用计算机代替仪器操作，并利用LabVIEW的高精度采集和直观显示功能[5]，基于GPIB协议和相应的硬件，设计一种新型的动力电池状态监测系统，实现便捷地对动力电池动态参数进行监控和显示。

1动力电池测量系统硬件设计

为实现对电池状态参数的有效测量，构建了如图1所示的系统硬件框图。系统硬件结构包含锂离子动力电池组模块、万用表模块、电源模块、电子负载模块、GPIB采集控制器和人机交互平台[6-7]。

GPIB采集控制器内包含IEEE488协议，将其接在计算机上，通过人机交互平台可实时控制GPIB仪器和多台仪器[8]。GPIB 数据记录在计算机的硬盘上，也可同时记录在SD 卡上。在GPIB采集控制器内设置了电池温度传感器，可测得电池实时温度变化。

图1　系统硬件框图 Fig.1 Block diagram of hardware system

试验时，将GPIB采集控制器与万用表、电源和上位机相连接。当对动力电池充电时，万用表会实时显示电压，电源设备同时显示电压和电流，需要时可对电池进行小功率放电；GPIB采集控制器根据IEEE488协议将数据传输给上位机。当对电池放电，电子负载可通过GPIB协议进行传输，也可通过自身的串口将数据传递到上位机；上位机经过处理并及时显示出电池的电压、电流等参数及其曲线波形图，温度传感器也会对动力电池进行温度测量并传递到上位机。电池状态监测系统是基于GPIB总线的LabVIEW程序设计完成。

2LabVIEW软件设计

2.1　VISA串行通信模块

VISA是用于虚拟仪器系统的标准API，本身不具备编程能力，通过调用底层驱动程序来实现对仪器的编程[9-11]。由于VISA具有统一的设备资源管理、操作和使用机制，并且能够提供强大的仪器控制功能，所以系统便通过VISA发送SCPI命令来控制GPIB仪器，通过VISA读取GPIB协议传递的相关数据并上传到上位机。

系统采用COM4作为串口资源的接口，利用VISA函数接收数据，首先用VISA配置函数进行串口初始化，并配置相关参数；其次利用 VISA读函数与写函数对数据进行读写操作，通信接收或发送数据都是字符串。当程序开始运行，即在测试状态时，主要利用VISA的写入和读取函数来将仪器的地址和显示的数据传递到上位机，用VISA Close 函数将打开的 VISA 资源关闭并释放与之关联的所有资源。

2.2　状态机设计

各个参数的测量需通过状态机中不同状态的切换来实现。在LabVIEW中，任何一个状态机都是由三个基本部分构成，首先外层是一个while循环，同时在while循环中包含一个条件结构，while循环用于维持状态机的运行，条件结构用以对各个不同的状态进行判断，第三个部分是移位寄存器，用以将下一个状态传递到下一次循环状态判断中[12]。具体状态图设计如图2所示。

图2　系统状态图 Fig.2 Diagram of system status

(1)状态机的默认状态。在默认的状态机内，利用VISA函数设置传输的波特率、数值比特等必需参数，发送SCPI命令获取测量仪器的型号信息，并将仪器的地址通过转换函数进行数值与字符串间的转换，使通信能够准确无误。当开始运行，系统进入默认状态，开始解析VISA函数并读取仪器相关参数。其主要程序框图如图3所示。

(2)状态机的测试状态。测试状态下又分为两个条件结构，一个是温度测试程序结构，一个是电流积分程序结构，两个条件结构都包含电压、电流的数据采集程序模块，是为了防止温度测量或电池SOC(State of charge)测试时影响动力电池参数的数据采集，从而影响整个系统的测量。

图4为主要程序，含括电压、电流和温度监测模块。动力电池的充电、放电都需要合适的温度环境，因此对动力电池进行温度采集和分析具有十分重要的意义。系统在测量实时温度时，也不干扰对动力电池充、放电时直流电压和直流电流的测量，即通过该软件系统就可实现动力电池充放电的实时监控，从而判断电池组的均衡方法是否得当，而取代了通过仪器进行监控。

图3　默认状态程序框图 Fig.3 Program block diagram of default state

图4　主程序框图 Fig.4 Block diagram of main program

2.3　电流积分模块

系统除了对动力电池的电压、电流及温度进行了监测设计外，还利用电流积分法对动力电池SOC进行估算。程序系统在安时法的基础下，编写程序框图，对采集到的电流进行积分，如图5所示。图中“波形图表2”是电流数值显示，通过此属性节点将电流值传递到“创建波形”函数中，同时将采样频率等必要数据汇集，统一传递到积分函数进行计算并利用波形图片显示。通过提高电流的测量精度，再考虑充放电效率等诸多影响因素，可提高SOC估算的准确度[13]。

图5　电流积分程序框图 Fig.5 Program block diagram of current integration

3系统试验平台与显示

监测系统试验平台如图6所示。最上方为人机交互平台，下方左侧为功能型万用表，右侧为锂离子动力电池组，再往下依次是电源和电子负载。

图6　监测系统试验平台 Fig.6 Test platform of monitoring system

LabVIEW前面板即人机交互界面，如图7所示。界面能实时显示电池的动态信息，并控制程序的运行[14]。前面板分为3个模块，分别为动力电池电压和电流采集显示模块、温度采集模块以及电流积分模块。当点击运行，系统会自动读取仪器型号并显示，进入默认状态。不同布尔对应不同的测试需求，例如点击“SOC”布尔，系统自动对采集的电流进行积分计算，并显示出实时数值。

所有程序的运行，包括电压、电流、温度、SOC的数据采集分析，都在一个while循环体中，可以不断运行显示，直到点击“退出”布尔，程序将停止运行。

在连接GPIB采集控制器和计算机时，偶尔会出现未能连上的情况，此时可以通过该采集控制器本身携带的串口接收发送窗口进行数据发送和接收的调试。对于现代的GPIB仪器，多数均支持SCPI语言，它的好处是对不同的仪器，命令基本是一样的，这也是设计SCPI命令的原因。一般程控仪器都有自身的命令集，可以从其说明文件中找到。

图7　前面板界面显示 Fig.7 Interface display of front panel

4结论

在对现有电池管理系统和动力电池测量的方法进行分析的基础上，本文设计出一种新型的动力电池状态监测系统。系统将GPIB采集控制器和温度传感器配合使用，结合其他相应的硬件，通过GPIB总线实现数据采集和记录，并将采集到的数据发送到上位机监测软件。利用LabVIEW编写动力电池电压、电流、温度数据的采集显示程序，实现了与GPIB采集控制器的数据传递。设计能将关注的信息集合显示在一个界面上，实现了对电池电压、电流、温度和SOC值等状态参数的实时动态监测，并能对电池充放电参数进行分析及控制。多次测试试验表明，所设计的监测系统稳定，采样精确，能够准确地对动力电池进行实时动态监控。

【参考文献】

[1]周俊文，张向文.动力电池状态参数监测系统的设计与实现[J].电测与仪表，2014，51(16)：112-116.

[2]于志豪，肖林京，常龙，等.锂离子蓄电池动力电源电流检测系统的设计[J].电源技术，2014，38(4)：640-643.

[3]Hernández F，Barcena-Soto M，Casillas N，et al.Discharge curves for a Ni-Cd secondary battery monitored by LabVIEW[J].Revista Mexicana de Física，2005，51(2)：132-136.

[4]Banaeia K A，Fahimi B.Online detection of termi- nal voltage in voltage in Li-ion batteries via battery impulse respone[A].2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference[C]，Beijing，2009：194-198.

[5]徐肖攀，周建钊.基于LabVIEW及声卡的工程装备噪声测量系统设计[J].机械制造与自动化，2014，41(2)：134-136.

[6]Valer P，Henk J B，Dmitry D.Battery Management Systems：Accurate Stata-of-Charge Indication for Battery-Powered Applications [M].Germany：Springer，2008.

[7]Szumanowski A，Chang Y H.Battery management system based on battery nonlinear dynamics modeling[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology，2008，57(3)：1425-1432.

[8]何宏，张金洲，张志宏.基于GPIB接口数据采集系统的设计[J].天津理工大学学报，2014，30(1)：30-33.

[9]汤占军，冯丽辉，张斌.基于虚拟仪器的智能仪表的设计与实现[J].微计算机信息，2008，24(10-1)：252-254.

[10]Zdornov V，Birk Y.Battery and energy mangement in fleets of switchable battery EVs[J].Innovative Smart Grid Technologies，2011(2)：1-7.

[11]Wynne J.Impact of plug-in hybrid electric vehicles on California’s electricity grid[D].North Carolina：Duke University，2009.

[12]陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011：391-395.

[13]徐锦超.电动汽车动力电池实时在线监测系统及SOC估计[D].广东：广东工业大学，2014：8-13.

[14]裴喜平，晓弘.智能电动机保护器中电流检测环节的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2012(2)：63-65.

[责任编辑：李洋]