電動汽車電池管理系統監測平臺的設計

劉蘊紅，王 坤

(大連理工大學電氣工程學院，遼寧 大連 116024)

電動汽車電池管理系統監測平臺的設計

劉蘊紅1，王 坤2

(大連理工大學電氣工程學院，遼寧 大連 116024)

提出了一種基于CompactRIO的電動汽車電池管理系統的監測平臺。采用LabVIEW開發平臺，設計良好的人機交換界面，發送啟動信號給FPGA芯片，控制各個監測電路，采集單體電池的電壓、電流、溫度等，實現實時監測電池狀態，獲取電池狀態后進行電池均衡管理、故障報警等，同時通過LabVIEW的Real-Time模塊進行分析與處理，預測儲能電池的剩余電量，并將各個結果傳輸到上位機顯示。通過測試及分析，結果顯示整個系統運行良好、穩定、實時性強。關鍵詞：電動汽車；電池管理系統；CompactRIO；LabVIEW

汽車工業的迅速發展，推動了全球機械、能源等工業的進步以及經濟、交通等方面的發展，同時也極大地方便了人們的生活。動力電池是影響電動汽車整車性能的關鍵因素，為確保電池性能良好，延長其使用壽命和制定良好的充放電控制策略，管理系統的研發尤為重要[1]。

本系統利用NI公司的CompactRIO-9014進行數據采集，采用LabVIEW軟件設計開發電池管理系統監測平臺，滿足系統所需的測量分析要求。

CompactRIO系統配備了實時處理器和豐富的可重配置的FPGA資源，可脫離PC機獨立運行，也可通過以太網接口跟上位機進行通信，適用于高性能的、獨立的嵌入式或分布式應用。除此以外，CompactRIO平臺具有工業級的堅固和穩定性，它有-40～70℃的操作溫度范圍，可承受高達50 g的沖擊力，CPU時鐘頻率為400 MHz，同時具備了體積小巧、低功耗和便于攜帶的優點，適用于車載數據采集領域[2]。

1 系統機構

本系統采用集中/分布式設計的方式，將整個磷酸鐵動力鋰電池組分為4個部分，每個電池組26節單體電池，每節單體電池的額定電壓為3.7 V，電池組的總額定電壓為385 V。對每個部分的動力電池組的基本信息，如電壓、電流、溫度等進行采樣，對獲得的數據進行處理、判斷，并作出相應的控制。

2 電池管理策略

剩余電量預測是電動汽車電池管理系統的主要功能之一，通常用電池的荷電狀態(SOC)來表示電池的剩余電量。電池的SOC和很多因素相關(如溫度、前一時刻充放電狀態、極化效應、電池壽命等)，本系統采用安時法進行剩余電量的預測。

式中：1為充放電時間；η為電流修正系數；為充放電電流。

通過實時監控電池的充放電電流，計算修正后的電流在時域上積分值，與電池組的初始狀態相加(設充電電流為正，放電電流為負)，即可得到電池組當前的SOC值[3]。

3 硬件設計

3.1 電池管理系統的核心控制器

系統的核心控制器是NI公司是CompactRIO，其實時控制器、可重配置的FPGA機箱和模塊化I/O的選型如圖1。

圖1 系統的核心控制

根據內嵌的FPGA芯片來設計合適的監測電路，通過NI9041和NI9215分別采集數字量和模擬量，由實時控制器9014來進行實時處理。

3.2 單體電壓監測單元

電壓信號是動力電池狀態的直接體現，電池的電壓值可以體現剩余電量的多少、驅動力的大小、電池的老化程度等等。為了得到必要的電池組工作參數來判斷工作情況并進行相應控制，需要對動力電池的單體電壓值進行實時監測。

本系統中采用差模測量方法設計電壓采樣電路，集成運算放大器采用LM358。圖2為單體電池的電流測量電路。

圖2 單體電池的電流測量電路

3.3 單體電流監測單元

電池組供電是由單體電池串聯起來完成的，所以各單體電池的放電電流相同，只需要測量一處電流即可。本系統中采用霍爾電流傳感器測量單體電流值。霍爾傳感器精度高，價格便宜，且屬于隔離測量，器件的故障不會影響電池組的正常工作，可靠性高[4]。

3.4 溫度測量

溫度測量是為了實時準確地監測電池組運行時的溫度，系統運用了智能化溫度傳感器DS18B20測量電池溫度，測量范圍在-55～125℃，精度可達±0.5℃。傳感器一般都安裝在電池上，但是為了不引入高壓，加入隔離電路，同時也提高了抗干擾能力。圖3為溫度測量電路。

圖3 溫度測量電路

3.5 系統保護電路

電動汽車電池組在運行時會產生過充、過放、過溫現象，這些現象都會影響電池的運行狀態，甚至發生燃燒。當監測系統監控到電池有過電流、過電壓或者是過溫時，CompactRIO會給保護驅動電路一個信號，從而控制電池管理系統中的MOSFET迅速關斷保護電池。圖4為系統保護電路。

圖4 系統保護電路

4 軟件設計

電池管理系統的軟件設計主要實現電池信息采樣、過流保護、過壓保護、過溫保護、SOC預測、報警等功能。圖5為軟件設計的具體流程圖。

圖5 軟件設計的具體流程圖

程序開始執行后的初始化，包括FPGA的初始化、模數轉換(ADC)的初始化、I/O口的初始化、定時器的初始化等。采集電池電壓、電流和溫度信號，通過信號判斷電池工作是否異常；“是”則啟動保護模塊，即切斷主回路，同時發出報警信號，顯示故障，否則繼續下一步的流程。根據電流值來判定充放電是否結束，否則執行SOC估算程序，估算電池SOC并顯示出來；“是”則表示電池處于擱置狀態，保存此刻的SOC估算值作為程序的下一次SOC估算的初始值，并同時返回進入循環監測過程。

采用NI公司的LabVIEW作為電池管理系統的軟件開發平臺，既能方便地實現監測所需的功能，又能使軟件設計更直觀，便捷。上位機程序主要分為以下幾個部分：

(1)數據采集：LabVIEW FPGA模塊會在硬件中執行設計的邏輯算法，通過NI9041和NI9215采集單體電壓值、電流值以及溫度值，隨后將采集到的數據傳輸至LabVIEW RT模塊；

(2)數據分析與傳輸：LabVIEW RT模塊對實時數據進行浮點運算操作，LabVIEW RT模塊提供的共享變量技術有助于將數據快速、準確地傳輸到上位機；

(3)數據存儲：在電池管理系統中，除了數據采集以及處理、顯示之外，還需要將采集到的數據存儲到磁盤上，用于做后續離線處理或是作為數據日志。另外，在估算SOC值時，我們會將事先存儲好的數據文件加載到數據采集系統中，進行后面的計算。

電池管理系統的人機交換界面如圖6所示。

圖6 電池管理系統的人機交換界面

5 結論

該電池管理系統以CompactRIO作為控制核心，FPGA芯片作為監測模塊的核心器件，cRIO-9014作為實時處理器，NI9041和NI9215分別采集數字量和模擬量。系統充分利用了LabVIEW的強大功能，LabVIEW FPGA模塊、LabVIEW RT模塊的完美結合成功地采集到單體電壓值、電流值以及溫度值，并迅速、準確地進行處理，傳輸到上位機界面進行顯示。整個系統結構簡單、設置靈活、可靠性高、運行穩定。

[1]張丹明，周彥.動力鋰電池管理系統的設計及SOC的估算[J].湖北工業大學學報，2013(1):67-70.

[2]王丁丁，武杰，張杰，等.基于CompactRIO的數據采集模塊設計[J].核技術，2012(7):539-542.

[3]張永杰.純電動汽車動力型鋰電池管理系統的研究與設計[D].杭州：浙江工業大學，2012.

[4]劉新蕊.電動汽車動力電池組管理系統研究[D].大連：大連理工大學，2010.

Design of electric vehicle’s battery management system monitoring platform

A kind of platform,which used to detect Electric vehicle battery management system,was proposed.The platform was based on CompactRIO,LabVIEW development platform was utilized,and a friendly interface was designed to realize human-computer exchange.A starting signal could be sent to FPGA chip by the platform,every detecting circuit could be controlled,and every battery's voltage,current and temperature could be collected.Also the status of batteries could be monitored,then the status was used to manage the balance of batteries or alarm.At the same time,the platform could analyze and process through the Real-Time module,predict the remaining power of storage battery and send the results to PC to display.Through the detecting and analyzing,the whole system runs well and stably.It had ability of strong real-time.

electric vehicle;battery management system;CompactRIO;LabVIEW

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2203-03

2015-03-12

劉蘊紅(1967—)，女，吉林省人，副教授，碩士生導師，主要研究方向為樓宇自動化技術，遠程控制。