基于LabVIEW的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郁俊偉 李旭東 趙奉奎

摘 ?要：動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，其性能好壞直接影響到電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)的性能。動(dòng)力電池特性的測(cè)試，對(duì)于電池管理具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件操作界面和通信接口，通過(guò)VISA控制GPIB與直流電源、數(shù)據(jù)采集單元和電子負(fù)載通信。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池倍率特性、功率特性和脈沖功率特性等的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng);充放電特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Power battery， the core component of electric vehicles， directly determines overall performance of electric vehicles. It is very significant for battery management to test the performance of battery. A power battery test system is designed based on LabVIEW in this paper. User interface communication were designed. GPIB （General-Purpose Interface Bus） controlled by VISA （Virtual Instrument Software Architecture） was employed to communicate between the software and the instruments， such as DC source， data acquisition unit and electrical load. The result of the experiment shows that the proposed system is capable of testing discharge rate， power-efficient characteristic and the HPPC （Hybrid Pulse Power Characteristic）.

Keywords： LabVIEW; power battery test system; charge discharge characteristics

1 ? 引言（Introduction）

近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于緩解能源危機(jī)和改善環(huán)境的重要意義得到了廣泛的認(rèn)可和重視。動(dòng)力電池的安全性和充放電能力一直是限制電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的瓶頸，優(yōu)良的充放電能力能提高續(xù)航里程和使用壽命[1，2]。對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行安全、有效地檢測(cè)，對(duì)于電池管理系統(tǒng)具有重要的意義。研究人員針對(duì)電池檢測(cè)開(kāi)展了廣泛的研究。有研究者設(shè)計(jì)了鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)阻測(cè)試系統(tǒng)，利用LabVIEW設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析軟件[3]。工作溫度是影響電池性能的重要參數(shù)，有研究者設(shè)計(jì)了鋰電池組溫度狀態(tài)在線檢測(cè)系統(tǒng)，利用LavVIEW設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制軟件，對(duì)鋰電池組的溫度、電流和電壓等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理[4]。動(dòng)力電池SOC準(zhǔn)確性一直是研究熱點(diǎn)[5]，估算SOC需要對(duì)電池狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，有研究者設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的電池參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，利用串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通信，采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行SOC檢測(cè)[6]。還有研究者利用LabVIEW搭建了電池管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，用于對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)電池管理系統(tǒng)控制策略的驗(yàn)證[7]。由此可見(jiàn)，基于LabVIEW的動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是當(dāng)前動(dòng)力電池方面的研究熱點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件操作界面和通信接口，通過(guò)VISA控制GPIB與直流電源、數(shù)據(jù)采集單元和電子負(fù)載通信。

2 ?動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)（Overall frame design of power battery test system）

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)GPIB接口線纜將PC上位機(jī)、電源、電子負(fù)載、數(shù)據(jù)采集器等硬件連接起來(lái)，使工作人員能夠在PC上位機(jī)上控制儀器的使用，完成動(dòng)力電池的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并且能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。電池測(cè)試平臺(tái)整體框架如圖1所示。

3 ? 動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)（Design of upper computer software for power battery test system）

3.1 ? 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的整體框架

在對(duì)電池單體的溫度和倍率充電性能、溫度和倍率放電性能、恒功率特性、脈沖功率特性等進(jìn)行研究之后，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備儀器控制功能、監(jiān)測(cè)功能、測(cè)試功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、通信功能，上位機(jī)軟件整體框架如圖2所示。

根據(jù)以上功能模塊設(shè)計(jì)的電池單體測(cè)試系統(tǒng)界面如圖3所示，該界面包括總線參數(shù)設(shè)定及狀態(tài)顯示、電池技術(shù)參數(shù)數(shù)值設(shè)定和顯示、命令發(fā)送，使工作人員在上位機(jī)軟件上能夠控制測(cè)試進(jìn)程。

3.2 ? 電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在動(dòng)力電池的充放電過(guò)程中，需要對(duì)電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便工作人員掌握充放電過(guò)程中的電池信息及時(shí)進(jìn)行操作，防止由于過(guò)充或過(guò)放對(duì)電池造成的不可修復(fù)性損壞，實(shí)現(xiàn)安全及功能保證。電池監(jiān)測(cè)界面主要有：波形圖表、電池電壓/電流顯示控件、倍率顯示控件、測(cè)試時(shí)間顯示控件及電池狀態(tài)顯示控件。工作人員能夠在監(jiān)測(cè)界面中了解當(dāng)前測(cè)試時(shí)間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及電池狀態(tài)，在波形圖中觀測(cè)電池電壓和容量的數(shù)據(jù)波形，電池監(jiān)控界面如圖4所示。

在程序編輯面板上通過(guò)LabVIEW軟件中的編程中While循環(huán)以及事件結(jié)構(gòu)控制軟件整體的運(yùn)行和結(jié)束條件。引用容量的局部變量及電壓的局部變量，在波形圖表中顯示。將電池電壓/電流、倍率、容量、測(cè)試時(shí)間，以及電池顯示控件與相應(yīng)的捆綁簇、事件結(jié)構(gòu)相連使工作人員通過(guò)顯示界面即可知曉當(dāng)前測(cè)試時(shí)間下的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)編程面板如圖5所示。

3.3 ? 儀器控制模塊

在事件結(jié)構(gòu)內(nèi)將電源接口局部變量、比較函數(shù)、數(shù)字字符串轉(zhuǎn)換控件、電源連接指示的屬性節(jié)點(diǎn)、連接字符等與電源的驅(qū)動(dòng)連接，再添加一個(gè)條件結(jié)構(gòu)控制電源的連接狀況，形成電源控制。電池控制的設(shè)計(jì)面板如圖6所示。

在事件結(jié)構(gòu)內(nèi)，添加電子負(fù)載接口局部變量、比較函數(shù)、電子負(fù)載連接指示屬性節(jié)點(diǎn)、真假波爾等。通過(guò)連線將電子負(fù)載操作驅(qū)動(dòng)與這些連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子負(fù)載控制的目的，電子負(fù)載編程面板如圖7所示。

在事件結(jié)構(gòu)內(nèi)，添加萬(wàn)用表接口的局部變量、測(cè)量功能選擇控件、比較函數(shù)、萬(wàn)用表連接指示屬性節(jié)點(diǎn)、接觸捆綁簇。用連線把萬(wàn)用表驅(qū)動(dòng)和以上所述的部件相連，再設(shè)計(jì)一個(gè)條件結(jié)構(gòu)用以控制萬(wàn)用表的連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表控制，萬(wàn)用表編程如圖8所示。

以上的程序設(shè)計(jì)構(gòu)成儀器控制界面，我們可以在界面中，控制儀器的連接與否，以及所選的連接通道，通過(guò)連接指示燈判斷連接狀態(tài)。儀器控制界面如圖9所示。

3.4 ? 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊是為了便于工作人員查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是測(cè)試實(shí)驗(yàn)重要的參考依據(jù)，工作人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析從而判斷電池充放電的性能。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)項(xiàng)目有：序號(hào)、時(shí)間、電池電壓、電池電流、倍率和電池狀態(tài)，而且會(huì)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，每存儲(chǔ)5000條，自動(dòng)新建一個(gè)表格進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的編程通過(guò)大量的轉(zhuǎn)換字符串，通過(guò)創(chuàng)建數(shù)組將這些字符串聯(lián)系起來(lái)，再通過(guò)條件結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)定。編程設(shè)計(jì)面板如圖10所示。

3.5 ? 通信協(xié)議模塊

上位機(jī)儀器的通信方式主要分為：①只發(fā)送指令，不接受指令。②不用發(fā)送命令，就只用讀取響應(yīng)。③發(fā)送一次指令，只讀取一次響應(yīng)。④發(fā)送一次命令，就一直連續(xù)讀取響應(yīng)。本課題主要的通信方式是③。采用的是GPIB通信協(xié)議作為儀器間的通信。

電源的通信協(xié)議是通過(guò)事件結(jié)構(gòu)及順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體限制，把visa配置串口、visa寫(xiě)入、visa讀取、visa關(guān)閉作為核心，在相應(yīng)的接口選擇合適的字符串，通過(guò)連線相連從而形成電源通信協(xié)議。上位機(jī)與電源之間的通信協(xié)議模塊如圖11所示。

電源負(fù)載通信協(xié)議首先需要完成自定義單值寄存器子模塊，然后通過(guò)條件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行限制，通過(guò)定時(shí)裝置進(jìn)行時(shí)間等待，用波爾指示連接狀態(tài)。整體分為初始化儀器、操作寫(xiě)入兩部分。上位機(jī)與電源負(fù)載之間的通信協(xié)議模塊如圖12所示。

萬(wàn)用表通信協(xié)議是三種協(xié)議中最簡(jiǎn)單的協(xié)議，在LabVIEW軟件幫助工具欄中查找范例選項(xiàng)，選擇合適的范例，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。上位機(jī)與萬(wàn)用表之間的通信協(xié)議如圖13所示。

4 ? 動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)（Power battery test system detection）

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)中，電池控制部分設(shè)計(jì)了：連接按鈕、串口的選擇及連接指示燈。用GPIB配套線纜將上位機(jī)與硬件連接起來(lái)，在上位機(jī)上選擇合適的串口通道，點(diǎn)擊連接按鈕，若是連接成功指示燈被點(diǎn)亮。若是沒(méi)被點(diǎn)亮，就要檢查線纜是否有松動(dòng)或者損壞，以及調(diào)試通信協(xié)議。測(cè)試參數(shù)設(shè)置部分設(shè)計(jì)了：模式選擇控件、充/放電截止電壓輸入控件、額定容量輸入控件、充/放電電流輸入控件、通信指示燈、是否進(jìn)行數(shù)據(jù)保存選項(xiàng)，以及測(cè)試按鈕。測(cè)試開(kāi)始前，需要將參數(shù)設(shè)置完畢，再點(diǎn)擊測(cè)試按鈕，在測(cè)試過(guò)程中，通信指示燈會(huì)不斷閃爍。監(jiān)控電池狀態(tài)部分設(shè)計(jì)了：電池電壓顯示控件、電池電流顯示控件、倍率顯示控件、測(cè)試時(shí)間顯示控件、電池狀態(tài)顯示控件及波形圖表，以便于工作人員能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)。其中波形圖表曲線1代表電池電壓與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系，曲線2代表容量與測(cè)試時(shí)間之間的關(guān)系。

測(cè)試系統(tǒng)充電模式界面如圖14所示，該界面中，電源、萬(wàn)用表、通信指示燈被點(diǎn)亮用來(lái)指示連接狀態(tài)，儀器連接的按鈕變?yōu)橥Ｖ馆敵霭粹o，開(kāi)始測(cè)試按鈕變?yōu)橥Ｖ箿y(cè)試，電池電壓隨著測(cè)試時(shí)間的變長(zhǎng)而逐漸增加，容量與測(cè)試時(shí)間呈線性關(guān)系的上升。

測(cè)試系統(tǒng)放電模式界面如圖15所示，電子負(fù)載與萬(wàn)用表連接完畢，通信指示燈也點(diǎn)亮，電池電壓隨測(cè)試時(shí)間的加長(zhǎng)而逐漸下降，容量與測(cè)試時(shí)間表現(xiàn)為線性關(guān)系。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

為了測(cè)試電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池特性，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)控制電池的充放電，對(duì)電池的電池倍率特性、功率特性和脈沖功率特性等的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池重要特性的測(cè)試，具有重要的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Balasingam Balakumar， Pattipati Bharath， Sankavaram Chaitanya， et al. An EM approach for dynamic battery management systems[J]. Information Fusion（FUSION）， 2012 15th International Conference on. IEEE， 2012（07）： 2110-2117.

[2] 李國(guó)洪，資新運(yùn)，劉魯源.動(dòng)力電池綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制[C].中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)，2003：1046-1050.

[3] 王宏志，武俊峰.基于LabVIEW的鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)阻測(cè)試系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009（4）：80-82.

[4] 王健，陳磊，溫小明.基于LabVIEW的鋰電池組溫度狀態(tài)的在線測(cè)試系統(tǒng)研究[J].電子世界，2018（18）：8-10.

[5] 王昕燦，鄭燕萍，張林峰，等.基于LabVIEW的動(dòng)力電池SOC實(shí)時(shí)估算系統(tǒng)研發(fā)[J].電源技術(shù)，2017，41（3）：374-376.

[6] 李桂娟，張持健，施志剛，等.基于LabVIEW的鋰電池SOC預(yù)估與參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（10）：69-71.

[7] 陳雨飛，李志揚(yáng)，朱建新，等.基于LabVIEW的電池管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2019，43（7）：1205-1207.

作者簡(jiǎn)介：

郁俊偉（1997-），男，本科生.研究領(lǐng)域：車(chē)輛工程.

李旭東（1998-），男，本科生.研究領(lǐng)域：車(chē)輛工程.

趙奉奎（1986-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：智能汽車(chē)環(huán)境感知.本文通訊作者.