電池組信息采集分析系統上位機軟件設計

郭 令

(凱邁（洛陽）電子有限公司，河南 洛陽 471000)

隨著鋰離子電池組的發展，電動汽車、大型能源存儲系統逐步進入了應用領域。為了使鋰離子電池組在應用過程中更加安全可靠，對鋰離子電池組的在線監測必不可少[1]。

本文基于C#語言設計了一種電池組信息采集分析系統，主要用于鋰離子動力電池組的運行監測和歷史數據管理。C#語言是.Net技術的核心開發語言，采用面向對象的程序設計技術，提供了開發Windows應用程序的最簡捷、最有效地方法，使用戶從繁瑣且復雜的工作中解脫出來，用戶不必掌握太多的編程知識就能夠創建出高難度的圖形化應用程序[2]。

1 系統概述

采集分析系統上位機軟件通過CAN總線和電壓/溫度采集器實現信息交互，由于上位機沒有CAN接口，因此在上位機軟件和電壓/溫度采集器中間增加了一個通訊轉換適配器USB-CAN。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

其中，每個采集器實現8支電池的電壓、溫度數據采集、數據收發等功能，USB-CAN適配器實現USB與CAN總線的協議轉換，上位機軟件實現數據通信、數據顯示、數據管理等功能。該系統可實時在線檢測電池組中所有單體電池電壓、溫度等參數，并根據這些基本參數計算、顯示電池組總電壓、當前最高電壓、最低電壓、最高溫度、最低溫度，并且動態繪制電池組總電壓實時曲線，同時，系統還具有電壓及溫度上下限報警、數據記錄、歷史數據查詢、歷史數據曲線繪制、導出Excel文件、數據庫備份及恢復等功能。數據庫采用SQL Server 2000。

CAN總線是德國BOSCH公司從20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信速率可達1 MBPS。

2 軟件設計

2.1 主程序

上位機軟件和采集器通過CAN總線進行數據傳輸，通訊協議基于CAN2.0B規范，總線通訊速率為250 kBPS，幀格式為29位標識符的擴展幀，幀類型為數據幀，每幀通訊數據長度固定為8個字節。數據傳輸采取主從方式，上位機每隔一定間隔發送數據請求幀，各采集器收到后回送相應的數據，正常情況下上位機軟件使用廣播命令，各采集器收到后將自己的數據發出，如果上位機軟件等待超時時間后未收到某個采集器的數據，則單獨對該采集器發送數據請求。

上位機軟件需要完成周期發送請求數據、數據采集、數據處理、超時處理及數據存儲等任務。系統軟件設計采用C#的定時器事件處理方式，包括定時發送請求數據、定時數據采集和定時超時處理。主程序負責數據處理。程序流程圖見圖2。

定時器是定期引發事件的組件，是為Windows窗體環境設計的。主要屬性有Enable屬性和Interval屬性，Enable屬性用于指定定時器是否啟用，Interval屬性是獲取設置引發事件的間隔。本程序采用了Tick事件，該事件在指定的Interval值已經過去而且定時器處于啟用狀態時發生。

當開始采集數據時，進行系統初始化設置，包括讀取報警參數設置、是否保存數據、采集器的個數等，然后開始定時發送請求數據。

在發送請求數據處理事件中，需要初始化數據變量，保護電壓數據、溫度數據和成功發送次數，如果發送請求數據成功，則同時開啟定時數據采集和定時超時處理。

定時數據采集事件每隔5 ms執行一次，采集過程中記錄采集信息，如果所有要請求的數據都采集成功，則同時停止該采集事件和超時處理事件，并使能數據處理函數。

如果在數據采集的過程中，在允許的超時時間內沒有采集到所有的數據，則超時處理事件執行。超時處理事件中，判斷是否是第一次執行該事件，如果是第一次，則向沒有采集到數據的采集器單獨發送請求命令。如果是第二次執行，則說明已經單獨發送了數據請求命令，如果仍舊有數據沒有采集到，則停止該次循環的數據采集，即停止數據采集定時事件和超時處理定時事件，并修改異常狀態變量、觸發數據處理函數。

數據處理函數實現數據分析、報警判斷、詳細數據顯示、圖形顯示和數據保存。數據保存函數執行的條件有兩個：一是選中了保存，二是沒有選中保存，但是在數據處理過程中發現了異常數據，如過壓、欠壓、過高溫、過低溫等，則將該時刻所有的數據信息保存。

2.2 數據存儲

按照規范設計的方法，考慮數據庫及其應用系統開發全過程，將數據庫設計分為六個階段[3]：需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計、數據庫實施以及數據庫運行和維護。

根據系統需求，設計了4張數據庫關系表：

（1）電壓/溫度信息表：記錄電池的電壓和溫度信息；

（2）總信息表：記錄總電壓值、當前最高電壓、最低電壓、最高溫度和最低溫度；

（3）報警閾值設置：記錄設置的報警參數，包括單體電壓上限、單體電壓下限等；

（4）報警歷史記錄：記錄滿足報警條件的電池數據。

為了提高數據處理性能，數據庫設計中使用了存儲過程技術。

存儲過程是由流控制和SQL語句書寫的過程，這個過程經編譯和優化后存儲在數據庫服務器中，使用時可由應用程序通過一個調用執行，而且運行用戶聲明變量、有條件執行以及強大的編程功能。可以在單個存儲過程中執行一系列SQL語句。存儲過程在創建時即在服務器上進行編譯，所以執行起來比單個SQL語句快。

系統設計了3個存儲過程，分別用來向數據庫表中插入電壓/溫度信息、總信息和報警歷史。

為了保證相同時刻的數據信息存儲到數據庫中的一致性，在同時向數據庫中插入電壓/溫度信息和總信息時，使用了事務技術。

事務保證多個數據更改在一起處理，這個成為不可分割性。事務啟動之后，就必須成功完成，否則SQL Server將撤銷該事務啟動之后對數據所做的修改。

3 系統測試

系統主界面如圖3所示。當單擊開始采集時，系統開始采集電池組單體電壓、溫度，并在“實時數據顯示”中顯示。

在“當前總信息”中顯示當前最高電壓、最低電壓、總電壓、最高溫度、最低溫度以及對應的電池通道。

在“通訊狀態”中顯示當前通訊情況以及報警信息。

當最高電壓、最低電壓、總電壓、最高溫度、最低溫度中有任意一項滿足報警條件或者手動單擊【停止采集】按鈕時，系統便停止采集數據，并形成Excel文件，記錄該停止時刻電池組的詳細數據信息。

圖3 主界面

當報警條件成立時，PC機主板蜂鳴器和音響同時發出報警聲音提示，直到單擊【解除報警】按鈕，該報警解除。

根據以上設計結合公司自主開發的采集器進行了長時間連續的電池系統實際測試，結果如圖3所示。實驗結果表明，該系統能夠準確反映電池組狀態以及異常信息。

4 結論

本系統基于C#語言，采用了模塊化的程序設計思路，實現了電池組狀態信息實時采集、分析、顯示和記錄，數據記錄采用了數據庫技術，有助于離線分析電池性能。基于記錄的電壓數據，有助于實現基于電壓數據的電池成組技術。

目前，該系統已經應用于本公司的產品測試中。本系統沒有采集電流數據，在以后的系統設計中還要加上電流數據分析以及電池剩余電量計算，有助于進一步研究電池剩余電量計算方法并提高計算精度。

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

[2]明日科技.Visual C#開發技術大全[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[3]薩師煊，王珊.數據庫系統概論[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.