車用動力電池組管理系統檢測設備的設計研究

姚 航，任曉明，那 偉，曹 輝

(1.上海電機學院電氣學院，上海200240；2.上海航天電源技術有限責任公司，上海201615)

車用動力電池組管理系統檢測設備的設計研究

姚 航1，任曉明2，那 偉1，曹 輝2

(1.上海電機學院電氣學院，上海200240；2.上海航天電源技術有限責任公司，上海201615)

動力電池組管理系統是電動汽車上的能量儲存裝置，也是其核心部件之一，其安全性、穩(wěn)定性顯得尤為重要。為了提高動力電池組管理系統的性能，以LabVIEW為軟件平臺設計開發(fā)了一套PC上位機軟件，再配合相應的硬件模塊設計了一套檢測設備。通過上位機軟件可以設置檢測項目、檢測參數，完成對動力電池組管理系統各個參數的檢測，并對檢測結果進行分析，生成Excel報告。該套設備能夠滿足動力電池組管理系統出廠檢測需求，大大縮短了檢測時間，提高了對車用動力電池組管理系統品質的管控能力。

電動汽車；動力電池組管理系統；LabVIEW；檢測設備

電動汽車上的能量存儲裝置——動力電池組是電動汽車的關鍵部件，當動力電池組遇到過充、過放等情況時均會使電池組的使用壽命縮短并且可能出現安全問題而危及到車輛及乘員的安全。為保護動力電池組，并防止安全事故發(fā)生，人們通過給動力電池組加裝電池管理系統(BMS)來實現對電池組狀態(tài)的監(jiān)控和管理。文獻[1]提出了一種基于CompactRIO的電動汽車電池管理系統的監(jiān)測平臺，能夠采集電池的電壓、電流、溫度等，實現實時監(jiān)測電池狀態(tài)。文獻[2]設計了基于Lab-Windows/CVI技術的BMS測試系統，能夠輔助開發(fā)電池組模塊。文獻[3]以PXI系統為核心，以LabVIEW為程序開發(fā)環(huán)境，結合了多種工具包開發(fā)了電動汽車電池管理系統測試平臺。

本文設計研究了一套針對動力電池組管理系統檢測設備，在產品下線階段能夠對其進行出廠前的必要檢測，大大降低了產品不良率，提高了對產品出廠品質的管控能力。

1 動力電池組管理系統介紹

本文中介紹的動力電池管理系統檢測設備主要是針對60 Ah的磷酸鐵鋰電池組系統所使用的電池管理系統，該電池組管理系統采用的是分布式的結構方式，如圖1所示。系統主要有一個電池組主控模塊電池管理控制單元(BMU)和若干個電池模塊從控單元電池模塊管理控制單元(LECU)。

圖1 電池組系統框圖

BMU作為主控單元，主要管理整個電池組系統，包括電池組總電壓、總電流的監(jiān)測，電池組的荷電狀態(tài)(SOC)計算，均衡策略的控制，絕緣檢測以及故障診斷等。從控單元LECU采集各個電池組模塊的信息，如單體電壓、溫度等；通過CAN總線與BMU之間進行數據交互。這種分布式的結構方式使得動力電池管理系統適用于動力電池布局較分散的BMS，并且可以通過增減子電池組模塊的數量來改變整體布局，從而使其適應于不同車型的動力電池組系統，實際操作靈活度非常高。

2 檢測設備的設計研究

本文所設計的檢測設備主要是針對車用動力電池組管理系統出廠檢測使用的，為了提高產品出廠檢測的品質，尤其是安全性和穩(wěn)定性；另一方面為了減少投入的時間、人力、物力成本，實現產品的最大效益化。

2.1 檢測設備的硬件設計

測試系統硬件包括7個相對獨立的測試模塊，每個模塊分別接到通信底板，并通過串行外設接口(SPI)與主板通信，并用主板上的1個RS232通訊接口與PC機相連接；同時各個模塊的測試接口單獨引出，用于與電池組系統的外部接口進行對接。系統框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統框圖

I/O控制采集板主要有：4路高阻態(tài)輸入接口，可以對外部輸入3.3～36 V電壓進行高低電平檢測；4路輸出接口，可以通過適當上拉或者下拉電阻將輸出電壓拉到外部設備所需的電壓電平；2路脈沖寬度調制(PWM)波輸入檢測，可以檢測輸入PWM波形的幅值、頻率以及占空比；3路PWM波的輸出，可以改變輸出波形的幅值和占空比，以滿足外接設備檢測信號的需求；另外還有一路通信接口，用于I/O控制采集板和控制主板直接數據通信。

12 V 10 A供電電源板包括：1路12 V 10 A的供電信號，用以給外接設備供電，例如模擬整車鉛酸電池上電信號；1路自身輸出電壓取樣控制反饋信號，對輸出的12 V 10 A供電信號進行采樣控制，形成一個閉環(huán)控制系統，從而使電源板輸出的供電信號精度較高。

12 V 10 A負載板包括：2路外部電壓測量，用于測量外部輸入電壓信號的大小；1路外部電源輸入和1路外部電壓輸入采樣。

數控可調電阻板用來模擬動力電池組系統高壓接口的正極、負極對車身地之間的絕緣阻值大小。通過設置接入不同的電阻阻值大小來測試動力電池組系統對于絕緣阻值變化所做出的響應。其包括2路獨立的電阻輸出接口，用2路獨立的繼電器來進行控制，可以實現同時對總正和總負絕緣性的檢測。根據國標對電動汽車動力電池組的絕緣等級要求，電阻分別設為1 000、500、350、150 kΩ四個等級進行檢測。其原理圖如圖3所示。

圖3 絕緣檢測原理圖

本系統的模擬電池系統以美國NI公司生產的PXI板卡為基礎，再配置相應的模擬器和功能模塊實現對動力電池組電池單體的電壓、溫度以及充放電等信號進行模擬[1]。每個檢測模塊可以模擬20串電池單體的電壓，6路溫度信號采集，同時還可以進行均衡電流模擬，電壓精度檢測，溫度精度檢測和功率邊界(SOP)的計算。通過CAN總線與上位機進行通訊，可以對單體電池電壓、溫度、SOP等進行標定、校準等操作。具體參數如表1所示。

表1 模擬電池系統參數表

本套檢測設備采用STM32單片機作為主控芯片來實現對整套系統的控制，設計開發(fā)整車端對接動力電池組系統的接口來接入動力電池組系統，從而實現檢測設備與動力電池組系統的對接；再通過CAN總線實現與電池管理系統的相關數據交換；從而在硬件上實現了對系統的檢測需求。

2.2 檢測設備的軟件設計

以NI公司的LabWIEW為開發(fā)環(huán)境，結合使用NI提供的多種工具包、驅動程序以及第三方的工具包高效地實現了檢測設備軟件程序的編寫。制定控制策略時，必須依據動力電池組管理系統的控制策略、測試項目、測試方案流程設計，從而確保能夠全面地對產品進行檢測。

車用電池組管理系統的檢測主要包括五個部分，分別為標定測試項目、模擬故障檢測項目、放電模式檢測項目、慢充模式檢測項目和快充模式檢測項目。標定測試項目主要用于檢測系統能否正常標定生產日期、出廠日期、硬件軟件編號、系統相關參數等信息。模擬故障檢測項目主要通過檢測設備來模擬各種故障，檢測電池組系統能否正確響應，并將故障通過CAN報文上報。放電模式檢測、慢充模式檢測以及快充模式檢測則是整車日常使用中最基本的，也是最重要的檢測，關系到車輛行駛過程和充電過程的安全。其軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

本套設備測試界面如圖5所示。將檢測設備的線束與被測動力電池組管理系統的接口對接以后，測試人員輸入正確的賬戶名、密碼便可進入測試界面。

圖5 檢測設備的測試界面

根據產品的不同，通過方案管理可以自定義相應的檢測項目和檢測流程，也可以對不同的測試參數進行重新設置調整，以適應當前的測試項目，例如系統電壓檢測，充放電電流檢測等。檢測設備所檢測到的動力電池組管理系統相關項目的參數與預先設置的相對應的測試參數進行比對后，符合測量誤差范圍，則該檢測項目測試通過，繼續(xù)下一個檢測項目的檢測。當前檢測項目如果不通過，可以通過項目管理選擇兩種檢測模式，第一種是檢測不通過就停止檢測，上報檢測結果不通過；第二種是跳過該項目，繼續(xù)檢測下一個項目，最終根據檢測結果上報相應檢測未通過的項目。檢測結束以后，自動生成Excel格式的檢測報告，保存在PC機中，供測試人員進行測試結果的查詢和追溯。設備檢測報告界面如圖6所示。

3 檢測設備應用實例

圖6 檢測報告界面

通過對動力電池組管理系統進行實際檢測，對實際各項參數和檢測設備所檢測的參數進行精度對比發(fā)現，檢測設備低壓檢測精度誤差控制在±0.05%FS以內，高壓檢測精度控制在±0.2%FS以內，絕緣電阻檢測精度控制在10%以內。同時，檢測設備能夠根據動力電池組管理系統的需求，與其進行CAN通信，并傳遞報文信息，能夠模擬整車或者充電機發(fā)送的報文信息。檢測設備能夠滿足產品的出廠檢測需求，實現對動力電池組管理系統的檢測功能。針對不同型號、不同批次的產品進行多次檢測試驗，該套設備檢測一套產品只需4 min左右。檢測設備實物圖如圖7所示。

圖7 檢測設備實物圖

4 結論

本文以動力電池組管理系統為對象設計了一套檢測設備，能夠對動力電池組管理系統進行下線檢測，對電池組管理系統中的CAN通信、系統總電壓、總正母線、總負母線系統的絕緣值，充放電模擬，故障模擬等項目進行檢測。檢測功能能夠滿足產品出廠檢測的需求，誤差精度能夠滿足國標QC/T897的要求。該套設備能夠大幅度縮減動力電池組管理系統出廠檢測所消耗的人力、物力以及時間，有效地減少了不良產品的流出。

[1]劉蘊紅，王坤.電動汽車電池管理系統監(jiān)測平臺的設計[J].電源技術，2015，39(10)：2203-2205.

[2]吳赟，蔣新華，解晶瑩.基于LabWindows/CVI測試系統設計[J].電源技術，2009，33(7)：621-623.

[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(yè)大學，2013.

Research on design of vehicle power battery management system testing equipment

YAO Hang1,REN Xiao-ming2,NA Wei1,CAO Hui2
(1.Electric College of Shanghai Dianji University,Shanghai 200240,China;2.Shanghai Aerospace Power Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201615,China)

Power battery management system was an energy storage device for an electric car,also it was one of the core components of the car,the safety and stability was very important.To improve the property of the power battery management system,a PC upper monitor base on LabVIEW software platform was designed and developed,and then a set of testing equipment was designed using the corresponding hardware modules. Various parameters of power battery management system could be detected using the equipment through setting test parameters. The equipment could also analyze the test results and generate Excel reports.The equipment was able to meet the power management system battery factory inspection requirements, greatly shorten the detection time and improve the control ability of quality for BMS products.

electric car;power battery management system;LabVIEW;testing equipment

TM 91

A

1002-087 X(2017)10-1464-03

2017-03-06

上海市閔行產學研合作項目(2016MH320)；上海電機學院研究生科創(chuàng)項目(B1-0225-16-008-009)

姚航(1990—)，男，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子與新能源技術。