電動汽車電池管理系統(tǒng)監(jiān)測平臺的設(shè)計

劉蘊紅，王 坤

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

電動汽車電池管理系統(tǒng)監(jiān)測平臺的設(shè)計

劉蘊紅1，王 坤2

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

提出了一種基于CompactRIO的電動汽車電池管理系統(tǒng)的監(jiān)測平臺。采用LabVIEW開發(fā)平臺，設(shè)計良好的人機交換界面，發(fā)送啟動信號給FPGA芯片，控制各個監(jiān)測電路，采集單體電池的電壓、電流、溫度等，實現(xiàn)實時監(jiān)測電池狀態(tài)，獲取電池狀態(tài)后進行電池均衡管理、故障報警等，同時通過LabVIEW的Real-Time模塊進行分析與處理，預(yù)測儲能電池的剩余電量，并將各個結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C顯示。通過測試及分析，結(jié)果顯示整個系統(tǒng)運行良好、穩(wěn)定、實時性強。關(guān)鍵詞：電動汽車；電池管理系統(tǒng)；CompactRIO；LabVIEW

汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，推動了全球機械、能源等工業(yè)的進步以及經(jīng)濟、交通等方面的發(fā)展，同時也極大地方便了人們的生活。動力電池是影響電動汽車整車性能的關(guān)鍵因素，為確保電池性能良好，延長其使用壽命和制定良好的充放電控制策略，管理系統(tǒng)的研發(fā)尤為重要[1]。

本系統(tǒng)利用NI公司的CompactRIO-9014進行數(shù)據(jù)采集，采用LabVIEW軟件設(shè)計開發(fā)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測平臺，滿足系統(tǒng)所需的測量分析要求。

CompactRIO系統(tǒng)配備了實時處理器和豐富的可重配置的FPGA資源，可脫離PC機獨立運行，也可通過以太網(wǎng)接口跟上位機進行通信，適用于高性能的、獨立的嵌入式或分布式應(yīng)用。除此以外，CompactRIO平臺具有工業(yè)級的堅固和穩(wěn)定性，它有-40～70℃的操作溫度范圍，可承受高達50 g的沖擊力，CPU時鐘頻率為400 MHz，同時具備了體積小巧、低功耗和便于攜帶的優(yōu)點，適用于車載數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域[2]。

1 系統(tǒng)機構(gòu)

本系統(tǒng)采用集中/分布式設(shè)計的方式，將整個磷酸鐵動力鋰電池組分為4個部分，每個電池組26節(jié)單體電池，每節(jié)單體電池的額定電壓為3.7 V，電池組的總額定電壓為385 V。對每個部分的動力電池組的基本信息，如電壓、電流、溫度等進行采樣，對獲得的數(shù)據(jù)進行處理、判斷，并作出相應(yīng)的控制。

2 電池管理策略

剩余電量預(yù)測是電動汽車電池管理系統(tǒng)的主要功能之一，通常用電池的荷電狀態(tài)(SOC)來表示電池的剩余電量。電池的SOC和很多因素相關(guān)(如溫度、前一時刻充放電狀態(tài)、極化效應(yīng)、電池壽命等)，本系統(tǒng)采用安時法進行剩余電量的預(yù)測。

式中：1為充放電時間；η為電流修正系數(shù)；為充放電電流。

通過實時監(jiān)控電池的充放電電流，計算修正后的電流在時域上積分值，與電池組的初始狀態(tài)相加(設(shè)充電電流為正，放電電流為負)，即可得到電池組當(dāng)前的SOC值[3]。

3 硬件設(shè)計

3.1 電池管理系統(tǒng)的核心控制器

系統(tǒng)的核心控制器是NI公司是CompactRIO，其實時控制器、可重配置的FPGA機箱和模塊化I/O的選型如圖1。

圖1 系統(tǒng)的核心控制

根據(jù)內(nèi)嵌的FPGA芯片來設(shè)計合適的監(jiān)測電路，通過NI9041和NI9215分別采集數(shù)字量和模擬量，由實時控制器9014來進行實時處理。

3.2 單體電壓監(jiān)測單元

電壓信號是動力電池狀態(tài)的直接體現(xiàn)，電池的電壓值可以體現(xiàn)剩余電量的多少、驅(qū)動力的大小、電池的老化程度等等。為了得到必要的電池組工作參數(shù)來判斷工作情況并進行相應(yīng)控制，需要對動力電池的單體電壓值進行實時監(jiān)測。

本系統(tǒng)中采用差模測量方法設(shè)計電壓采樣電路，集成運算放大器采用LM358。圖2為單體電池的電流測量電路。

圖2 單體電池的電流測量電路

3.3 單體電流監(jiān)測單元

電池組供電是由單體電池串聯(lián)起來完成的，所以各單體電池的放電電流相同，只需要測量一處電流即可。本系統(tǒng)中采用霍爾電流傳感器測量單體電流值?；魻杺鞲衅骶雀?，價格便宜，且屬于隔離測量，器件的故障不會影響電池組的正常工作，可靠性高[4]。

3.4 溫度測量

溫度測量是為了實時準確地監(jiān)測電池組運行時的溫度，系統(tǒng)運用了智能化溫度傳感器DS18B20測量電池溫度，測量范圍在-55～125℃，精度可達±0.5℃。傳感器一般都安裝在電池上，但是為了不引入高壓，加入隔離電路，同時也提高了抗干擾能力。圖3為溫度測量電路。

圖3 溫度測量電路

3.5 系統(tǒng)保護電路

電動汽車電池組在運行時會產(chǎn)生過充、過放、過溫現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都會影響電池的運行狀態(tài)，甚至發(fā)生燃燒。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控到電池有過電流、過電壓或者是過溫時，CompactRIO會給保護驅(qū)動電路一個信號，從而控制電池管理系統(tǒng)中的MOSFET迅速關(guān)斷保護電池。圖4為系統(tǒng)保護電路。

圖4 系統(tǒng)保護電路

4 軟件設(shè)計

電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)電池信息采樣、過流保護、過壓保護、過溫保護、SOC預(yù)測、報警等功能。圖5為軟件設(shè)計的具體流程圖。

圖5 軟件設(shè)計的具體流程圖

程序開始執(zhí)行后的初始化，包括FPGA的初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)的初始化、I/O口的初始化、定時器的初始化等。采集電池電壓、電流和溫度信號，通過信號判斷電池工作是否異常；“是”則啟動保護模塊，即切斷主回路，同時發(fā)出報警信號，顯示故障，否則繼續(xù)下一步的流程。根據(jù)電流值來判定充放電是否結(jié)束，否則執(zhí)行SOC估算程序，估算電池SOC并顯示出來；“是”則表示電池處于擱置狀態(tài)，保存此刻的SOC估算值作為程序的下一次SOC估算的初始值，并同時返回進入循環(huán)監(jiān)測過程。

采用NI公司的LabVIEW作為電池管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，既能方便地實現(xiàn)監(jiān)測所需的功能，又能使軟件設(shè)計更直觀，便捷。上位機程序主要分為以下幾個部分：

(1)數(shù)據(jù)采集：LabVIEW FPGA模塊會在硬件中執(zhí)行設(shè)計的邏輯算法，通過NI9041和NI9215采集單體電壓值、電流值以及溫度值，隨后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW RT模塊；

(2)數(shù)據(jù)分析與傳輸：LabVIEW RT模塊對實時數(shù)據(jù)進行浮點運算操作，LabVIEW RT模塊提供的共享變量技術(shù)有助于將數(shù)據(jù)快速、準確地傳輸?shù)缴衔粰C；

(3)數(shù)據(jù)存儲：在電池管理系統(tǒng)中，除了數(shù)據(jù)采集以及處理、顯示之外，還需要將采集到的數(shù)據(jù)存儲到磁盤上，用于做后續(xù)離線處理或是作為數(shù)據(jù)日志。另外，在估算SOC值時，我們會將事先存儲好的數(shù)據(jù)文件加載到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，進行后面的計算。

電池管理系統(tǒng)的人機交換界面如圖6所示。

圖6 電池管理系統(tǒng)的人機交換界面

5 結(jié)論

該電池管理系統(tǒng)以CompactRIO作為控制核心，F(xiàn)PGA芯片作為監(jiān)測模塊的核心器件，cRIO-9014作為實時處理器，NI9041和NI9215分別采集數(shù)字量和模擬量。系統(tǒng)充分利用了LabVIEW的強大功能，LabVIEW FPGA模塊、LabVIEW RT模塊的完美結(jié)合成功地采集到單體電壓值、電流值以及溫度值，并迅速、準確地進行處理，傳輸?shù)缴衔粰C界面進行顯示。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)置靈活、可靠性高、運行穩(wěn)定。

[1]張丹明，周彥.動力鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計及SOC的估算[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013(1):67-70.

[2]王丁丁，武杰，張杰，等.基于CompactRIO的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計[J].核技術(shù)，2012(7):539-542.

[3]張永杰.純電動汽車動力型鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]劉新蕊.電動汽車動力電池組管理系統(tǒng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

Design of electric vehicle’s battery management system monitoring platform

A kind of platform,which used to detect Electric vehicle battery management system,was proposed.The platform was based on CompactRIO,LabVIEW development platform was utilized,and a friendly interface was designed to realize human-computer exchange.A starting signal could be sent to FPGA chip by the platform,every detecting circuit could be controlled,and every battery's voltage,current and temperature could be collected.Also the status of batteries could be monitored,then the status was used to manage the balance of batteries or alarm.At the same time,the platform could analyze and process through the Real-Time module,predict the remaining power of storage battery and send the results to PC to display.Through the detecting and analyzing,the whole system runs well and stably.It had ability of strong real-time.

electric vehicle;battery management system;CompactRIO;LabVIEW

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2203-03

2015-03-12

劉蘊紅(1967—)，女，吉林省人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為樓宇自動化技術(shù)，遠程控制。