基于LabVIEW的電動(dòng)汽車電池監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

摘要 車載電池作為電動(dòng)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(wèn)題。文中介紹了一種基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺(tái)，通過(guò)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、溫度傳感器控制等部分的完善，開(kāi)發(fā)了完整的硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單體電池電壓、電流、溫度等基本信息的采集功能，運(yùn)用LabVIEW搭建上位機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，對(duì)適用于純電動(dòng)汽車的電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了電池基本信息測(cè)量、電量估計(jì)、故障報(bào)警等功能，以及對(duì)電池組進(jìn)行合理有效的管理和控制，該系統(tǒng)工作中運(yùn)行穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的參考價(jià)值。

能源枯竭和環(huán)境破壞的矛盾日益突出，基于電動(dòng)汽車的節(jié)能和環(huán)保性，電動(dòng)汽車的發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。車載電池是電動(dòng)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(jì)出剩余電量SOC，確保SOC在合理的工作范圍，又可以對(duì)故障電池進(jìn)行早期預(yù)測(cè)，避免由于單體電池的破壞不能及時(shí)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(lái)越受到人們重視。

宋雪樺等設(shè)計(jì)了適用混合電動(dòng)汽車上動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(kuò)展、電壓均衡、SPI通訊等外圍電路的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)單體電池電壓、總電壓、電流、溫度的檢測(cè)，具有SOC估算、通訊、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)等功能。

本文運(yùn)用基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，對(duì)適用于純電動(dòng)汽車的電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了電池基本信息測(cè)量(電壓、電流、溫度)、電量估計(jì)、故障報(bào)警等功能。

1 研究方法

電池監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)需具備監(jiān)測(cè)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(shí)進(jìn)行報(bào)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(tái)是基于電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分是基于STC89C52蓄電池的信息采集硬件平臺(tái)，對(duì)單體電池的電壓、電流、溫度等基本信息進(jìn)行采集。軟件部分是運(yùn)用LabVIEW實(shí)現(xiàn)電池基本信息測(cè)量、電量估計(jì)、故障報(bào)警等功能。

目前，市面上成型的電池監(jiān)測(cè)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(jī)為處理芯片的下位機(jī)，對(duì)單體鋰離子電池的基本信息進(jìn)行采集和上傳，而在上位機(jī)基于LabVIEW搭建監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警。

1.2 電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

電池監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰離子電池的運(yùn)行狀況，并將其反饋到上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。該研究以單體磷酸鐵鋰電池為例進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。

電壓的監(jiān)測(cè)：?jiǎn)误w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(dòng)報(bào)警。

電流的監(jiān)測(cè)：放電電流的大小對(duì)于電動(dòng)汽車的安全工作至關(guān)重要，若超過(guò)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(cè)：?jiǎn)误w磷酸鐵鋰電池的正常工作溫度是-20～50℃，若超出范圍，平臺(tái)將自動(dòng)指示報(bào)警。

1.3 串行口通信設(shè)置

下位機(jī)與PC機(jī)的通信方式通常有并行和串行兩種方式。在現(xiàn)代單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程，因?yàn)檫@種方式不要求收發(fā)雙方時(shí)鐘的嚴(yán)格一致，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)所制定的異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)RS-232，它可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)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(jī)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(shí)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 電池監(jiān)測(cè)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(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，而發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)是離散的。因此，A/D芯片必須在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)上對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)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(jī)。

A/D轉(zhuǎn)換分為3個(gè)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(guò)數(shù)次與不同的參考電壓進(jìn)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(shí)現(xiàn)電路

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

(1)VIN(+)接電位器的中間滑動(dòng)端，VIN(-)接地。調(diào)節(jié)電位器時(shí)，中間滑動(dòng)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(jī)的P3.6和P3.7引腳，數(shù)字輸出端接P1口。

2.4 溫度采集實(shí)現(xiàn)電路

溫度采集實(shí)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(gè)I/O端口，直接將外界溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，串行輸出。DS18B20介紹參見(jiàn)文獻(xiàn)，測(cè)量實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。

在電路連接方面，將DS18B20與STC89C51相連進(jìn)行通信。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用多點(diǎn)采集對(duì)電池溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，故需將所有傳感器的I/O口連接在一起，在程序編寫時(shí)，通過(guò)傳感器內(nèi)部芯片序列號(hào)識(shí)別，進(jìn)行多點(diǎn)擴(kuò)展，設(shè)計(jì)多通道的溫度采集硬件系統(tǒng)。

3 LabVIEW上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

3.1 LabVIEW虛擬儀器軟件介紹

LabVIEW是美國(guó)NI(National Instruments)推出的一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)創(chuàng)G語(yǔ)言——一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程的語(yǔ)言，使用更為方便直觀。該圖形化程序編譯平臺(tái)具有多種功能包括：DLL(Dynamic Link Library)、多線程、數(shù)據(jù)記錄、運(yùn)行控制等，可對(duì)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的原理分析、細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靈活的接口實(shí)現(xiàn)，確保電池監(jiān)測(cè)預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)的高效性與穩(wěn)定性。

該研究使用LabVIEW進(jìn)行測(cè)控，將下位機(jī)實(shí)時(shí)采集到的基本信息的16進(jìn)制通過(guò)串口上傳至PC。圖7為L(zhǎng)abVIEW平臺(tái)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(shí)時(shí)采集圖像。

圖10～圖12為L(zhǎng)abVIEW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(jī)相同，均為9 600 bit·s-1，數(shù)據(jù)位為8，無(wú)校驗(yàn)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(gè)幀(0～2)。程序中還使用了VISA串口的相關(guān)知識(shí)、索引數(shù)組等相關(guān)知識(shí)。

下位機(jī)部分接收變化的模擬電壓(0～5 V)，PC接收單片機(jī)發(fā)送的電壓值(16進(jìn)制，1 Byte)，并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)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(dāng)電流高于此值時(shí)紅燈亮起報(bào)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(jī)程序。串口初始化設(shè)置的波特率與下位機(jī)相同，均為9 600 bit·s-1，數(shù)據(jù)位為8，無(wú)校驗(yàn)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(gè)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(shí)。

下位機(jī)部分接收變化的溫度，PC接收單片機(jī)發(fā)送的溫度值，并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)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(jìn)行報(bào)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于STC89C52的蓄電池信息采集硬件平臺(tái)，通過(guò)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、溫度傳感器控制等部分的完善，開(kāi)發(fā)了完整的硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。借助LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)的多線程及其靈活的接口技術(shù)，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及豐富實(shí)用的程序結(jié)構(gòu)，對(duì)適用于純電動(dòng)汽車的電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要實(shí)現(xiàn)了電池基本信息測(cè)量、電量估計(jì)、故障報(bào)警等功能。