基于Labview纯电动汽车能源系统诊断平台开发

姚子欣，刘凌飞，赵瑞林，郭昊

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

关键字：虚拟现实技术；纯电动汽车；能源系统；电池；Labview

前言

目前我国面临资源、环境等日益复杂的情况，节能减排势在必行。新能源汽车特别是纯电动汽车由于其节能、环保等优点，已经成为现代汽车发展的必然趋势。而电动汽车的动力电池性能优劣以及使用寿命在很大程度上影响着电动汽车的推广和发展。电池管理系统是联系动力电池和整车的重要一个部分，同样也是电动汽车的电池系统中的主脑。

当前虚拟现实技术在快速发展的同时也正逐步影响着传统的教学方式。由于职业教育的特殊性特别在汽车专业当中，职教课堂的虚实融合教学发展正在逐步推进。电动汽车是个跨学科的综合领域，其专业知识内容与传统燃油汽车相比，内容更深、更加抽象。将虚实融合技术引入电动汽车的教学，这可以让学生全面掌握电动汽车电池系统的知识，更加形象地理解电池的运行参数及各种故障状态。

1 Labview软件介绍

Labview是一款使用图形符号来编写程序的编程环境，其所用的编程语言为G语言也叫作图形编程语言，与C语言，C#等一般语言不同，Labview在很多方面相较于常规的编程语言的编写速度要提高很多。

一个LabVIEW程序简称为VI，一个VI主要由前面板和程序框图组成。前面板就是程序的界面，一般就是展示的人机界面。而程序框图就是前面板的后台程序，前面板与程序的关系与VB中控件与控件属性编辑的关系相类似，程序框图也包括常见的函数、子程序调用甚至也有指针（在Labview中被称为引用）等概念等。该平台的部分前面板和后台的程序框图如图所示。

图1 VI框图

图2 VI前面板

Labview也有与传统代码编程软件相类似一个库函数，Labview的库函数包括数据采集、串行通讯，数据显示等。为了便于调试，符合传统编程人员的习惯，该软件也具备调试、单步执行以及设置断点等，方便编程人员对于程序的维护和修改。

2 平台总体设计

本次设计的电动汽车能源系统诊断平台采用的电池为三元锂电池，一共12块串联，单体电池电压平台为4.2V。系统诊断平台的结构组成如下：

图3 平台整体结构

该诊断平台的采集方式采用主从式，主控板采用frees-caleMC9S12XET256J1MAL 16位单片机，采集板采用freescaleMC9S08DZ60MLH 8位单片机。采集板采集电池的状态信息，通过CAN总线与主控板通讯，主控板将采集板采集的信息进行处理，处理后将信息通过CAN总线与上位机进行通讯，通过上位机可以读取电池运行的实时状态信息以及控制电池的运行。

该平台的电池主回路还包括两个接触器、一个预充接触器和20Ω的功率电阻。

2.1 功能模块

电动汽车能源系统故障诊断平台可以分为4个功能模块：（1）电池检测模块；（2）电池状态分析模块（3）电池安全保护模块（4）电池能量控制管理模块。

电池检测模块包含单体电池电压检测、电池电流检测、电池组总电压检测、电池温度检测。

电池状态分析模块主要是计算当前的电池电量。采用目前应用范围最广的安时积分法来对电池电量进行估算，并对估算的电量进行修正，最后得出精确值，如图4为安时积分的基本公式。

图4 电池剩余容量计算公式

动力电池安全保护模块包括电池过流判断、电池过充过放保护、电池过温保护。通过传感器检测电池的实时运行状态，再将信息反馈给电池管理系统进行判断是否需要继电器开启或关闭。从而达到保护电池的目的。

电池能量控制管理模块的功能包括电池充电控制、电池放电控制。对于电池运行当中的状态进行优化，提高电池使用寿命。

2.2 平台硬件

能源诊断平台的电池管理系统的硬件部分，主要包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块。

主控板采集电池运行电流和电池组总电压，采集板采集单体电压和单体温度，其中采集板采用MAX17830采集芯片，可同时检测12路单体电池电压和两路温度。该芯片具有高精度，超低功耗等优点。主控板的总电压采集采用TL082差分减法电路，电路的输入端接入HCPL7840的光耦，光耦可以对电压进行抗干扰隔离。总电流采集电路采用LMC662AI双路通道的运算放大器，电流传感器采用CHCS-LTP5电流传感器，该传感器在低温条件下线性度号、精度高，很强的过载能力。

2.3 平台软件

该上位机界面采用Labview进行开发的，其界面分为五个页面：电池状态监视、运行电流状态、电池温度状态、电池单体电压、电池总电压以及电池故障状态。

电池状态监视界面包含电池总电压、电池总电流以及电量的显示，电压和电流采用指针式表示，电流若为正值则表示为充电，若为负值则表示为放电，电量则采用液罐表示。

运行电流状态界面主要采用波形来显示电流，这样便于看出电流的历史变化，电流的采集频率可以调节。

电池温度状态界面与运行电流显示一样采用波形图的方式，便于学生、老师等人员实时查看温度信息，另外还可以显示单体电池最高温度的信息。

电池单体电压界面可显示12块单体电池，电池的电压信息采用柱状图显示，红色虚线表示最高截止电压为4.25V，蓝色虚线表示最低电压，即单体电池电压最低截止电压为2.75V，如图5。

图5 单体电池电压显示界面

电池总电压显示也采用波形图的形式，此外电池故障显示界面如下：

图6 电池故障显示界面

电池故障根据电流、电压、电量以及温度可分为以下几种：

（1）电流故障

充电电流过大、放电电流过大。

（2）温度故障

温差过大、过温故障。

（3）电量故障

电池电量过低、电池电量过高。

（4）电流故障

总电压过压、总电压欠压、单体电压过压、单体电压欠压

如果出现以上故障，则故障指示灯亮。在故障显示界面的下方是控制各接触器的开关，当拨动开关时对应的接触器就会闭合或断开。主接触器控制主回路的通断，预充接触器控制上电之前的预充电功能，充电接触器控制充电回路的通断。FAN代表的是风扇，当打开风扇开关时，风扇开启，电池散热系统运行指示灯亮。

2.4 通信总线

2.4.1 CAN总线

CAN总线是网络总线的一种，各个设备相互之间相许通讯必须要通过一定的通道，这样的通道就叫做总线。CAN总线与以往的总线形式不同，传统的总线设备有主次之分，处于次要地位的设备之间要相互通信必须要通过主机。而CAN总线中设备没有主次之分，所有的设备之间相互通信只要发送报文，其他的设备全部都会收到，如果报文的发送目标是某一设备，那么其他设备将保持静默，目标设备收到后将会发送反馈信息，所有的发送信息所有设备都可以收到，只要根据信息包含的ID就可以辨别发送的目标设备。

2.4.2 通信协议

CAN总线报文的帧结构共有四种：数据帧、远程帧、错误帧以及过载帧。其中，数据帧包含数据信息。其他三种帧属于校验帧。而数据帧又分为标准帧和扩展帧，标准帧共11位，扩展帧共29位，本平台CAN通讯采用29位扩展帧，如图为CAN报文的结构形式。

表1 CAN总线网络报文形式

上表是29位标识符的分配表，最左边的3位为优先级；R一般固定为0；DP现固定为0；8为的PF为报文的代码；8位的PS为目标地址或组扩展；8位的SA为发送此报文的源地址。

2.5 界面软件设计

2.5.1 通讯设置

主控板与上位机的通讯设备采用创芯科技公司的CAN分析仪，该分析仪可以把电池管理系统的数据信息传输至Labview的上位机界面，上位机软件对16位的CAN报文信息进行解析并显示在界面上。该公司的CAN分析仪可兼容周立功的库函数，并具有双路CAN通道，一路可采集主控板信息，另一路可采集采集板信息。

CAN分析仪的型号采用CAN 2E-U周立功兼容模式，上位机界面的库函数调用周立功的库函数，库函数为名为VCI_CAN的DLL文件。VCI库函数的使用流程如下：

图7 VCI库函数调用流程图

首先调用VCI库函数，打开并初始化设备，对设备的通信通道号、设备的地址及类型进行设置；接下来对设备进行启动，对设备的通信通道号、设备的地址及类型进行设置；然后调用VCI的接收或发送的功能，进行接收或发送数据，其他设置可以选择默认值；如果不再进行通讯，则VCI会使设备关闭，结束通讯。

VCI库函数中定义了一些数据结构用于数据交换，在使用VCI函数前应该先创建这些数据结构。在Labview中创建这些结构是应该使用簇——Cluster。簇与C语言当中的结构相类似，可以包含不同类型的数据变量，簇的成员必须是前面板的控件。

图8 VCI_Receive的调用程序

当设备打开并进行初始化后，库函数VCI_Receive函数会读取电池管理系统主控板的十六进制传输报文。根据报文的CAN协议，上位机需要对十六进制的报文进行解析。一般对传输的每一个扩展帧先进行判断，判断该扩展帧代表的电池信息，比如电池的总电压信息、电话池的电量信息或者电池的故障状态信息，也就是先要读取每隔扩展帧的ID。然后根据CAN通信协议制定的规则进行信息转换。库函数VCI_Receive的调用程序图如图8。

3 结语

纯电动汽车能源系统诊断平台对以往直接读取报文数据的方式加以改进，将其转换成加直观的方式。师生可以通过上位机界面对电池管理系统发送控制信号实现对电池管理系统进行控制。也可以对电池设置故障，并通过上位机对电池进行监测确保故障排除。该平台解决了传统教学中对纯电动汽车各类系统如能源系统认知过于抽象，可以让学生更加容易理解和学习，节约了成本。与使用真车相比，使用诊断平台省去了故障解码仪，可以大幅度降低成本和诊断排故效率大幅增加。