基于LabVIEW的電動汽車電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

摘要 車載電池作為電動汽車的核心部件，如何有效的管理和利用蓄電池的能量，增加電池的使用壽命成為關(guān)鍵問題。文中介紹了一種基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺，通過對A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、溫度傳感器控制等部分的完善，開發(fā)了完整的硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對單體電池電壓、電流、溫度等基本信息的采集功能，運用LabVIEW搭建上位機數(shù)據(jù)處理平臺，對適用于純電動汽車的電池實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了電池基本信息測量、電量估計、故障報警等功能，以及對電池組進行合理有效的管理和控制，該系統(tǒng)工作中運行穩(wěn)定，在實際應(yīng)用中具有良好的參考價值。

能源枯竭和環(huán)境破壞的矛盾日益突出，基于電動汽車的節(jié)能和環(huán)保性，電動汽車的發(fā)展已成為必然趨勢。車載電池是電動汽車的核心部位，而電池管理系統(tǒng)研究的關(guān)鍵是如何有效利用蓄電池的能量，增加電池的使用壽命。電池管理系統(tǒng)能夠估計出剩余電量SOC，確保SOC在合理的工作范圍，又可以對故障電池進行早期預(yù)測，避免由于單體電池的破壞不能及時發(fā)現(xiàn)而降低整組電池的使用壽命。因此，電池能量管理系統(tǒng)(BMS)的研究越來越受到人們重視。

宋雪樺等設(shè)計了適用混合電動汽車上動態(tài)均衡式的電池管理系統(tǒng)(BMS)，優(yōu)化了SOC估算，滿足了系統(tǒng)估算5%以內(nèi)的誤差要求，實驗最終結(jié)果誤差為3.3%;王波等基于LTC 6803電池管理系統(tǒng)的電壓采集濾波、溫度采集擴展、電壓均衡、SPI通訊等外圍電路的設(shè)計方法，最大限度地減少了外圍器件的使用;張華輝等基于DSP的鋰離子電池管理系統(tǒng)，實現(xiàn)單體電池電壓、總電壓、電流、溫度的檢測，具有SOC估算、通訊、計算機監(jiān)測等功能。

本文運用基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺，實現(xiàn)對單體電池電壓、電流、溫度等基本信息的采集功能，在LabVIEW中搭建上位機數(shù)據(jù)處理平臺，對適用于純電動汽車的電池實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行研究，實現(xiàn)了電池基本信息測量(電壓、電流、溫度)、電量估計、故障報警等功能。

1 研究方法

電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需具備監(jiān)測電池工作狀態(tài)的功能，包括電池的電壓、電流和溫度，并在其超出工作范圍時進行報警，最大限度發(fā)揮電池的功效。

1.1 系統(tǒng)方案選擇

監(jiān)控平臺是基于電池管理系統(tǒng)設(shè)計，包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分是基于STC89C52蓄電池的信息采集硬件平臺，對單體電池的電壓、電流、溫度等基本信息進行采集。軟件部分是運用LabVIEW實現(xiàn)電池基本信息測量、電量估計、故障報警等功能。

目前，市面上成型的電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要包括集中型、分散型和集成型3種。該研究采用以STC89C52單片機為處理芯片的下位機，對單體鋰離子電池的基本信息進行采集和上傳，而在上位機基于LabVIEW搭建監(jiān)測預(yù)警平臺，進行實時數(shù)據(jù)的顯示和報警。

1.2 電池的狀態(tài)監(jiān)測

電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要功能是實時監(jiān)測鋰離子電池的運行狀況，并將其反饋到上位機進行顯示和處理。該研究以單體磷酸鐵鋰電池為例進行運行測試。

電壓的監(jiān)測：單體磷酸鐵鋰電池的正常工作電壓范圍是2～3.7 V，若不在這一區(qū)間，系統(tǒng)將自動報警。

電流的監(jiān)測：放電電流的大小對于電動汽車的安全工作至關(guān)重要，若超過正常工作范圍，將可能引起電池組起火甚至爆炸。

溫度的監(jiān)測：單體磷酸鐵鋰電池的正常工作溫度是-20～50℃，若超出范圍，平臺將自動指示報警。

1.3 串行口通信設(shè)置

下位機與PC機的通信方式通常有并行和串行兩種方式。在現(xiàn)代單片機測控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)中，信息的交互通常采用串行通信方式。其中，串行通信又包含異步串行通信和同步串行通信兩種方式。異步串行通信方式中，通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程，因為這種方式不要求收發(fā)雙方時鐘的嚴格一致，實現(xiàn)起來相對簡單，設(shè)備開銷較小。因此，本研究使用的通信方式為異步串行通信方式。

目前，最常用的串行接口標準是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)所制定的異步串行通信標準RS-232，它可以實現(xiàn)單片機與PC機的數(shù)據(jù)通信，其通信原理電路圖如圖1所示。

由于單片機使用TTL電平，而RS-232使用的是RS-232電平，為保證通信穩(wěn)定性，該論文使用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，同時集成RS-232電平和TTL電平之間的互轉(zhuǎn)。電路原理圖如圖2所示。

2 電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

2.1 電池監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

硬件部分使用STC89C52蓄電池信息采集硬件平臺，實現(xiàn)對單體電池電壓、電流、溫度等基本信息的采集功能。單體磷酸鐵鋰電池的電壓、電流、溫度采集的硬件部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 A/D工作原理

在A/D轉(zhuǎn)換芯片中，采集到的模擬信號在時間上是連續(xù)的，而發(fā)送給單片機的數(shù)字信號是離散的。因此，A/D芯片必須在規(guī)定的時間點上對采集到的模擬信號進行采樣，并將采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送給單片機。

A/D轉(zhuǎn)換分為3個階段：采樣保持、量化和編碼。為提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化效率，需采用逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換芯片，通過數(shù)次與不同的參考電壓進行比較，獲取差距最小的電壓值，即轉(zhuǎn)換的輸出值，原理如圖4所示。

在采集電壓和電流方面，該研究采用ADC0804芯片，該芯片屬于集成逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換芯片。

2.3 ADC0804電壓、電流采集實現(xiàn)電路

ADC0804引腳和功能參見文獻。該研究中ADC0804芯片外圍電路與單片機的連接原理如圖5所示。

(1)VIN(+)接電位器的中間滑動端，VIN(-)接地。調(diào)節(jié)電位器時，中間滑動端的電壓在0～5 V的范圍內(nèi)變化，ADC0804的數(shù)字輸出端在0x00～0xFF變化。

(2)WR、RD分別接單片機的P3.6和P3.7引腳，數(shù)字輸出端接P1口。

2.4 溫度采集實現(xiàn)電路

溫度采集實現(xiàn)電路采用DS18B20溫度傳感器。該裝置采用單總線協(xié)議，僅占用一個I/O端口，直接將外界溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，串行輸出。DS18B20介紹參見文獻，測量實現(xiàn)電路如圖6所示。

在電路連接方面，將DS18B20與STC89C51相連進行通信。在實際應(yīng)用中，通常采用多點采集對電池溫度進行測量時，故需將所有傳感器的I/O口連接在一起，在程序編寫時，通過傳感器內(nèi)部芯片序列號識別，進行多點擴展，設(shè)計多通道的溫度采集硬件系統(tǒng)。

3 LabVIEW上位機監(jiān)測平臺

3.1 LabVIEW虛擬儀器軟件介紹

LabVIEW是美國NI(National Instruments)推出的一種程序開發(fā)環(huán)境，開創(chuàng)G語言——一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程的語言，使用更為方便直觀。該圖形化程序編譯平臺具有多種功能包括：DLL(Dynamic Link Library)、多線程、數(shù)據(jù)記錄、運行控制等，可對程序設(shè)計進行深入的原理分析、細化的結(jié)構(gòu)設(shè)計及靈活的接口實現(xiàn)，確保電池監(jiān)測預(yù)警監(jiān)控平臺的高效性與穩(wěn)定性。

該研究使用LabVIEW進行測控，將下位機實時采集到的基本信息的16進制通過串口上傳至PC。圖7為LabVIEW平臺的整體界面。

3.2 模擬電壓、電流采集

圖8和圖9分別為電壓、電流的實時采集圖像。

圖10～圖12為LabVIEW中處理電壓、電流部分的程序圖。串口初始化設(shè)置的波特率與下位機相同，均為9 600 bit·s-1，數(shù)據(jù)位為8，無校驗位，停止位為1。該部分程序采用層疊式順序結(jié)構(gòu)，包含3個幀(0～2)。程序中還使用了VISA串口的相關(guān)知識、索引數(shù)組等相關(guān)知識。

下位機部分接收變化的模擬電壓(0～5 V)，PC接收單片機發(fā)送的電壓值(16進制，1 Byte)，并轉(zhuǎn)換成十進制形式，以數(shù)字、曲線的方式輸出。

電壓值設(shè)定的合理范圍是2～3.7 V(磷酸鐵鋰電池的正常電壓范圍)，低于或高于該范圍紅燈亮起，電流值設(shè)定的上限為50 A(磷酸鐵鋰電池的持續(xù)工作電流約為50 A)，當電流高于此值時紅燈亮起報警。

3.3 單體鋰電池溫度采集

圖14～圖16為溫度采集的上位機程序。串口初始化設(shè)置的波特率與下位機相同，均為9 600 bit·s-1，數(shù)據(jù)位為8，無校驗位，停止位為1。該部分程序?qū)盈B式順序結(jié)構(gòu)，包含3個幀(0～2)。另外，程序中使用了VISA串口、索引數(shù)組等相關(guān)知識。

下位機部分接收變化的溫度，PC接收單片機發(fā)送的溫度值，并轉(zhuǎn)換成十進制形式，以數(shù)字、曲線的方式輸出。溫度值設(shè)定的合理范圍是-20～60℃，低于或者高于該范圍紅燈亮起，進行報警。

4 結(jié)束語

本研究基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺，通過對A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、溫度傳感器控制等部分的完善，開發(fā)了完整的硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。借助LabVIEW開發(fā)平臺的多線程及其靈活的接口技術(shù)，利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力以及豐富實用的程序結(jié)構(gòu)，對適用于純電動汽車的電池實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行了研究，主要實現(xiàn)了電池基本信息測量、電量估計、故障報警等功能。