基于Labview純電動汽車能源系統診斷平臺開發

姚子欣，劉凌飛，趙瑞林，郭昊

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

關鍵字：虛擬現實技術；純電動汽車；能源系統；電池；Labview

前言

目前我國面臨資源、環境等日益復雜的情況，節能減排勢在必行。新能源汽車特別是純電動汽車由于其節能、環保等優點，已經成為現代汽車發展的必然趨勢。而電動汽車的動力電池性能優劣以及使用壽命在很大程度上影響著電動汽車的推廣和發展。電池管理系統是聯系動力電池和整車的重要一個部分，同樣也是電動汽車的電池系統中的主腦。

當前虛擬現實技術在快速發展的同時也正逐步影響著傳統的教學方式。由于職業教育的特殊性特別在汽車專業當中，職教課堂的虛實融合教學發展正在逐步推進。電動汽車是個跨學科的綜合領域，其專業知識內容與傳統燃油汽車相比，內容更深、更加抽象。將虛實融合技術引入電動汽車的教學，這可以讓學生全面掌握電動汽車電池系統的知識，更加形象地理解電池的運行參數及各種故障狀態。

1 Labview軟件介紹

Labview是一款使用圖形符號來編寫程序的編程環境，其所用的編程語言為G語言也叫作圖形編程語言，與C語言，C#等一般語言不同，Labview在很多方面相較于常規的編程語言的編寫速度要提高很多。

一個LabVIEW程序簡稱為VI，一個VI主要由前面板和程序框圖組成。前面板就是程序的界面，一般就是展示的人機界面。而程序框圖就是前面板的后臺程序，前面板與程序的關系與VB中控件與控件屬性編輯的關系相類似，程序框圖也包括常見的函數、子程序調用甚至也有指針（在Labview中被稱為引用）等概念等。該平臺的部分前面板和后臺的程序框圖如圖所示。

圖1 VI框圖

圖2 VI前面板

Labview也有與傳統代碼編程軟件相類似一個庫函數，Labview的庫函數包括數據采集、串行通訊，數據顯示等。為了便于調試，符合傳統編程人員的習慣，該軟件也具備調試、單步執行以及設置斷點等，方便編程人員對于程序的維護和修改。

2 平臺總體設計

本次設計的電動汽車能源系統診斷平臺采用的電池為三元鋰電池，一共12塊串聯，單體電池電壓平臺為4.2V。系統診斷平臺的結構組成如下：

圖3 平臺整體結構

該診斷平臺的采集方式采用主從式，主控板采用frees-caleMC9S12XET256J1MAL 16位單片機，采集板采用freescaleMC9S08DZ60MLH 8位單片機。采集板采集電池的狀態信息，通過CAN總線與主控板通訊，主控板將采集板采集的信息進行處理，處理后將信息通過CAN總線與上位機進行通訊，通過上位機可以讀取電池運行的實時狀態信息以及控制電池的運行。

該平臺的電池主回路還包括兩個接觸器、一個預充接觸器和20Ω的功率電阻。

2.1 功能模塊

電動汽車能源系統故障診斷平臺可以分為4個功能模塊：（1）電池檢測模塊；（2）電池狀態分析模塊（3）電池安全保護模塊（4）電池能量控制管理模塊。

電池檢測模塊包含單體電池電壓檢測、電池電流檢測、電池組總電壓檢測、電池溫度檢測。

電池狀態分析模塊主要是計算當前的電池電量。采用目前應用范圍最廣的安時積分法來對電池電量進行估算，并對估算的電量進行修正，最后得出精確值，如圖4為安時積分的基本公式。

圖4 電池剩余容量計算公式

動力電池安全保護模塊包括電池過流判斷、電池過充過放保護、電池過溫保護。通過傳感器檢測電池的實時運行狀態，再將信息反饋給電池管理系統進行判斷是否需要繼電器開啟或關閉。從而達到保護電池的目的。

電池能量控制管理模塊的功能包括電池充電控制、電池放電控制。對于電池運行當中的狀態進行優化，提高電池使用壽命。

2.2 平臺硬件

能源診斷平臺的電池管理系統的硬件部分，主要包括電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊。

主控板采集電池運行電流和電池組總電壓，采集板采集單體電壓和單體溫度，其中采集板采用MAX17830采集芯片，可同時檢測12路單體電池電壓和兩路溫度。該芯片具有高精度，超低功耗等優點。主控板的總電壓采集采用TL082差分減法電路，電路的輸入端接入HCPL7840的光耦，光耦可以對電壓進行抗干擾隔離。總電流采集電路采用LMC662AI雙路通道的運算放大器，電流傳感器采用CHCS-LTP5電流傳感器，該傳感器在低溫條件下線性度號、精度高，很強的過載能力。

2.3 平臺軟件

該上位機界面采用Labview進行開發的，其界面分為五個頁面：電池狀態監視、運行電流狀態、電池溫度狀態、電池單體電壓、電池總電壓以及電池故障狀態。

電池狀態監視界面包含電池總電壓、電池總電流以及電量的顯示，電壓和電流采用指針式表示，電流若為正值則表示為充電，若為負值則表示為放電，電量則采用液罐表示。

運行電流狀態界面主要采用波形來顯示電流，這樣便于看出電流的歷史變化，電流的采集頻率可以調節。

電池溫度狀態界面與運行電流顯示一樣采用波形圖的方式，便于學生、老師等人員實時查看溫度信息，另外還可以顯示單體電池最高溫度的信息。

電池單體電壓界面可顯示12塊單體電池，電池的電壓信息采用柱狀圖顯示，紅色虛線表示最高截止電壓為4.25V，藍色虛線表示最低電壓，即單體電池電壓最低截止電壓為2.75V，如圖5。

圖5 單體電池電壓顯示界面

電池總電壓顯示也采用波形圖的形式，此外電池故障顯示界面如下：

圖6 電池故障顯示界面

電池故障根據電流、電壓、電量以及溫度可分為以下幾種：

（1）電流故障

充電電流過大、放電電流過大。

（2）溫度故障

溫差過大、過溫故障。

（3）電量故障

電池電量過低、電池電量過高。

（4）電流故障

總電壓過壓、總電壓欠壓、單體電壓過壓、單體電壓欠壓

如果出現以上故障，則故障指示燈亮。在故障顯示界面的下方是控制各接觸器的開關，當撥動開關時對應的接觸器就會閉合或斷開。主接觸器控制主回路的通斷，預充接觸器控制上電之前的預充電功能，充電接觸器控制充電回路的通斷。FAN代表的是風扇，當打開風扇開關時，風扇開啟，電池散熱系統運行指示燈亮。

2.4 通信總線

2.4.1 CAN總線

CAN總線是網絡總線的一種，各個設備相互之間相許通訊必須要通過一定的通道，這樣的通道就叫做總線。CAN總線與以往的總線形式不同，傳統的總線設備有主次之分，處于次要地位的設備之間要相互通信必須要通過主機。而CAN總線中設備沒有主次之分，所有的設備之間相互通信只要發送報文，其他的設備全部都會收到，如果報文的發送目標是某一設備，那么其他設備將保持靜默，目標設備收到后將會發送反饋信息，所有的發送信息所有設備都可以收到，只要根據信息包含的ID就可以辨別發送的目標設備。

2.4.2 通信協議

CAN總線報文的幀結構共有四種：數據幀、遠程幀、錯誤幀以及過載幀。其中，數據幀包含數據信息。其他三種幀屬于校驗幀。而數據幀又分為標準幀和擴展幀，標準幀共11位，擴展幀共29位，本平臺CAN通訊采用29位擴展幀，如圖為CAN報文的結構形式。

表1 CAN總線網絡報文形式

上表是29位標識符的分配表，最左邊的3位為優先級；R一般固定為0；DP現固定為0；8為的PF為報文的代碼；8位的PS為目標地址或組擴展；8位的SA為發送此報文的源地址。

2.5 界面軟件設計

2.5.1 通訊設置

主控板與上位機的通訊設備采用創芯科技公司的CAN分析儀，該分析儀可以把電池管理系統的數據信息傳輸至Labview的上位機界面，上位機軟件對16位的CAN報文信息進行解析并顯示在界面上。該公司的CAN分析儀可兼容周立功的庫函數，并具有雙路CAN通道，一路可采集主控板信息，另一路可采集采集板信息。

CAN分析儀的型號采用CAN 2E-U周立功兼容模式，上位機界面的庫函數調用周立功的庫函數，庫函數為名為VCI_CAN的DLL文件。VCI庫函數的使用流程如下：

圖7 VCI庫函數調用流程圖

首先調用VCI庫函數，打開并初始化設備，對設備的通信通道號、設備的地址及類型進行設置；接下來對設備進行啟動，對設備的通信通道號、設備的地址及類型進行設置；然后調用VCI的接收或發送的功能，進行接收或發送數據，其他設置可以選擇默認值；如果不再進行通訊，則VCI會使設備關閉，結束通訊。

VCI庫函數中定義了一些數據結構用于數據交換，在使用VCI函數前應該先創建這些數據結構。在Labview中創建這些結構是應該使用簇——Cluster。簇與C語言當中的結構相類似，可以包含不同類型的數據變量，簇的成員必須是前面板的控件。

圖8 VCI_Receive的調用程序

當設備打開并進行初始化后，庫函數VCI_Receive函數會讀取電池管理系統主控板的十六進制傳輸報文。根據報文的CAN協議，上位機需要對十六進制的報文進行解析。一般對傳輸的每一個擴展幀先進行判斷，判斷該擴展幀代表的電池信息，比如電池的總電壓信息、電話池的電量信息或者電池的故障狀態信息，也就是先要讀取每隔擴展幀的ID。然后根據CAN通信協議制定的規則進行信息轉換。庫函數VCI_Receive的調用程序圖如圖8。

3 結語

純電動汽車能源系統診斷平臺對以往直接讀取報文數據的方式加以改進，將其轉換成加直觀的方式。師生可以通過上位機界面對電池管理系統發送控制信號實現對電池管理系統進行控制。也可以對電池設置故障，并通過上位機對電池進行監測確保故障排除。該平臺解決了傳統教學中對純電動汽車各類系統如能源系統認知過于抽象，可以讓學生更加容易理解和學習，節約了成本。與使用真車相比，使用診斷平臺省去了故障解碼儀，可以大幅度降低成本和診斷排故效率大幅增加。