基于LabVIEW的鋰電池模組下線檢測系統設計

摘" 要：介紹了一種基于LabVIEW可視化編程軟件開發的鋰電池模組下線檢測系統，系統由采樣線束、電池信息采集器（下文簡稱BIC）、通訊線束、CAN通訊工具、檢測上位機及PC顯示終端組成。BIC通過采樣線束采集模組電壓溫度信息，將信息轉換為CAN報文發送給上位機，上位機對接收到的CAN數據進行解析、判斷、記錄。上位機包含數據接收模塊，數據處理模塊、數據記錄模塊、NG報警模塊，保證測試結果正確無誤。

關鍵詞：LabVIEW；上位機；電池模組；CAN通訊

中圖分類號：U473.4" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2024）01-0083-08

Design of Lithium Battery Module EOL Test System Based on LabVIEW

HU Ke-yi， JIANG Guang-hui， LI Dong-yan， QI Li-wei， DUAN Yu-long

（Dongfeng Motor Corp.Ramp;D Institute， Wuhan 430058， China）

Abstract： A lithium battery module EOL test system based on LabVIEW is introduced. The system consists of sampling harness， battery information collector （BIC）， communication harness， CAN communication tool， host computer and PC display terminal." The BIC collects the voltage and temperature information of the module through the sampling harness， then sent it to the host computer with can messages. The host computer includes data receiving， data processing， data recording and NG alarm modules to analyzes， judges， and records the received CAN data and ensure the test results correct.

Key" Words： LabVIEW; host computer; lithium module; CAN communication

1" " 前言

隨著新能源汽車的蓬勃發展，鋰電池越來越多的作為汽車動力來源應用到汽車上。Pack創新技術層出不窮，CTP、CTC技術大幅提高了空間利用率和系統能量密度，減少了模組焊接工序，生產效率大幅提升，受到越來越多的企業的青睞。但是CTP、CTC技術集成度較高，一旦出現問題就需要更換整個Pack，甚至返修底盤，售后可維修性差、維修成本高，并且CTP、CTC技術目前尚處于發展初期，技術成熟度及安全性有待提高。基于這些因素，CTM（電芯Cell→模組Module→電池包Pack）方案依然是目前主流的電池裝車方案。CTM方案是先將電池（Cell）組裝成模組，然后再將多個模組裝配到Pack的一種技術方案，最小維護單元是模組，可重復拆卸更換，可維護性好，維護成本低。本文的模組下線檢測系統就是應用于CTM方案，在模組裝配完成后對模組電壓、溫度等參數進行檢測判斷，確認模組各項參數合格后才能裝入Pack，避免不合格模組裝入Pack導致的返工返修，這樣能夠大幅提高了Pack一次下線合格率。

2" " 系統原理及功能介紹

2.1" "系統原理

鋰電池模組下線檢測系統原理如圖1所示。該系統可以兼容不同串數鋰電池模組的下線檢測，主要由信號采集線、BIC、通訊線束、12V穩壓電源、周立功USBCAN-Ⅱ、檢測上位機及PC顯示終端組成。檢測上位機是系統的核心部分，數據接收、處理、判斷、記錄等功能全部在上位機上實現， BIC負責采集電壓溫度信息，12V穩壓電源負責給BIC供電。BIC采集物理信號轉化為CAN信號，周立功USBCAN-Ⅱ接收BIC的CAN報文后通過USB接口傳遞給上位機，上位機對報文進行解析判斷和記錄。

2.2" "系統功能介紹

鋰電池模組下線檢測系統主要功能如下：

（1）對鋰電池模組電壓、溫度等物理信號進行采集，并將物理信號轉為CAN信號，然后對CAN信號進行解析，獲取總壓、電壓、壓差、溫度、溫差等測試結果；

（2）解析掃描錄入的質檢標簽碼，獲取模組總壓、電壓、壓差、溫度、溫差、批次碼等標準信息；

（3）可以進行模組碼防重和模組碼長度校驗，同時模組碼中包含的批次碼與批次標準進行比對判斷，NG時彈窗提示，相關控件背景亮紅色；

（4）判斷總壓、電壓、壓差、溫度、溫差等各項測試結果是否在對應的各項標準范圍內，給出各項測試結果和最終測試結果，NG時彈窗提示，相關控件背景亮紅色；

（5）對測試時間、模組碼、批次碼、總壓、電壓、壓差、溫度、溫差等信息進行匯總記錄，保存在測試記錄表中；

（6）通過發送報文喚醒、睡眠BIC，便于自動化控制測試流程。

3" " 系統硬件選擇

3.1" "電池信息采集器（BIC）選擇

電池信息采集器（BIC）采用的是某合資企業生產的一款產品，同時支持48路電壓采樣，24路溫度采樣，對于串數不大于48且溫度采樣點不超過24的模組都可以兼容測試。單體電壓采樣范圍1.5～4.3V，分辨率1mV，誤差±5mV，采樣周期100ms；模組溫度采樣范圍為-40℃～80℃，分辨率0.1℃，誤差±1℃，采樣周期1s。鋰電池單體電壓范圍在2.5～4.2V之間，模組溫度一般在10℃～50℃，所以這款電池信息采集器（BIC）的量程是完全滿足模組下線測試需求的。BIC的CAN收發器滿足CAN2.0的要求，電路設計符合ISO11898、SAE J2602相關要求。

3.2" "CAN通訊模塊選擇

鋰電池模組下線檢測系統的CAN總線網絡拓撲結構簡單，只有一路CAN通訊網絡，鑒于簡單的網絡結構和經濟性方面考慮，本文詳細對比Pcan、Canoe、USBCAN-Ⅱ等CAN通訊硬件設備，最后選擇USBCAN-Ⅱ作為檢測系統的通訊模塊。USBCAN-Ⅱ具備以下功能特點：

（1）支持CAN2.0A和CAN2.0B協議，符合ISO/DIS11898規范；

（2）CAN-bus通訊波特率在5Kbps～1Mbps之間任意可編程；

（3）單通道最高數據流量：14000幀/秒（接收），1000幀/秒（發送）；

（4）支持Win7、Win8、win10操作系統及Linux操作系統；

（5）體積小巧，即插即用；

另外基于程序開發的開放性和便捷性，CAN卡廠家提供了動態鏈接庫（DLL）、zlgcan接口文件以及演示程序（DEMO），讓開發者可以更輕松的進行二次軟件開發。

4" " 上位機設計

4.1" "上位機設計語言

上位機軟件的設計要選擇適當的軟件開發語言，現行的編程語言主要由以下兩種：

（1）文本代碼語言

這是現在應用最廣的編程語言，主要包括標準C，Visual C++，python，pascal等。文本代碼語言的優點很多，可應用于各種類型的程序設計，功能非常強大，目前采用這種方式進行開發的人員也最多。但是文本代碼也有其缺點，主要體現在代碼編寫工作上，代碼開發過程過于復雜，專業程序人員也會浪費大量時間，增加了軟件的開發時間和成本。所以本文在選擇上位機開發語言時沒有考慮使用文本代碼語言。

（2）圖形化編程語言（LabVIEW）

LabVIEW是目前應用最為廣泛的圖形化編程語言，可處理數值、數組、字符串、布爾等格式的數據，具備輸入輸出、函數運算、信號處理、數據通信、控制和仿真等功能。最主要的特點是以圖表來代替函數、結構等，以連線來代替邏輯，編輯方式與文本代碼語言類似，對初學者來說更容易上手。LabVIEW 比起傳統的文本代碼編程有以下優點：

①以圖形化語言編程，邏輯清晰，易于掌握，對編程者說效率更高，更新換代容易。

②具備獨特的數據流顯示功能。程序運行調試過程中，可直觀顯示數據流向，并可在特別關注的節點添加探針以獲得需要信息，若程序調試出現問題，可用數據流和探針準確查找故障處并進行修改。

③LabVIEW 基本支持和任何接口的硬件進行連接，通用性非常強，可適應各種外圍硬件電路。

④模塊化結構。LabVIEW的VI是分層次和模塊的，這種結構使LabVIEW程序更加直觀、清晰，程序布局更加清晰簡潔。

綜上，LabVIEW直觀的圖形化開發編程環境，豐富的測控相關控件和處理函數，并且無需學習文本編程語法規則，具備獨特的優勢，故本系統上位機軟件選擇LabVIEW 編程語言進行設計。

4.2" "上位機總體架構設計

如圖2所示檢測上位機包含數據收發模塊、數據解析模塊、NG報警模塊、檢測記錄模塊等四個模塊。數據收發模塊主要由Open Device.vi、Init CAN.vi、Start CAN.vi、Transmit.vi、Receive.vi等五個SubVI組成，該模塊完成打開CAN設備，初始化CAN通道，啟動CAN通道，發送CAN報文，接收CAN報文等工作。數據解析模塊主要包含Data Analysis.vi子VI，對接收到的CAN 報文進行解析，得到單體電壓溫度等數據，并將數據與標準對比獲得單體參數的測試結果。NG報警模塊主要由NG Remind.vi構成，此模塊主要功能是一個模組測試出現NG時彈窗提示測試人員注意。檢測記錄模塊就是將模組碼、電壓、溫度、檢測結果等記錄保存到文檔中，并在測試界面顯示測試記錄。

4.3" "各模塊程序設計

4.3.1 數據收發模塊程序設計

數據收發模塊的五個子VI程序運行關系如圖3，第一步運行Open Device.vi打開周立功CANUSB-Ⅱ設備，第二步運行Init CAN.vi初始化CAN通道，第三步運行Start CAN.vi開啟CAN通道。前面三個步驟成功完成后，Transmit.vi、Receive.vi就可以開始運行進行CAN報文的發送和接收。

在Open Device.vi設計過程中，首先將設備類型、設備索引及預留等參數填充到設備打開函數ZCAN_OpenDevice中，在無錯誤輸入的情況下再將返回的設備句柄值與0進行比較，如果大于0就進入選擇結構的真，設備打開成功，“錯誤輸出”為空；如果不大于0則CAN設備打開失敗，流程終止。Open Device.vi的LabVIEW圖形化程序如圖4。

打開設備成功后，就進入CAN初始化Init CAN.vi程序（LabVIEW圖形化程序如圖5），第一步是設置波特率，波特設置分為自定義波特率和非自定義波特率，在非自定義波特率時baud_rate_custom？為假，進入第一個選擇結構的假，將設備句柄、CAN通道、baudrate（波特率）等參數填充到函數ZCAN_SetCanBaudrate中，然后判斷返回值是否等于1，如果不等于1就是設置波特率失敗，流程終止；如果等于1則設置波特率成功，進入第二個選擇結構的分支真，錯誤輸出為無錯誤，流程繼續往下運行。第二步是初始化CAN設備，將設備句柄、CAN通道、pInitConfig等參數填充到函數ZCAN_InitCAN中，其中pInitCongfig是由filter（濾波模式）、acc_code（驗收碼）、acc_mask（屏蔽碼）、mode（工作模式）等參數捆綁成的參數簇，接收參數后初始化函數返回can_handle（CAN通道句柄），再判斷CAN通道句柄是否大于0，如果不大于0則CAN初始化失敗，流程終止；如果大于0則CAN初始化成功，錯誤輸出為無錯誤，流程繼續往下運行，進入啟動CAN通道Start CAN.vi程序。

Start CAN.vi設計比較簡單，CAN初始化成功后，直接進入選擇分支的無錯誤分支，先將CAN通道句柄參數填充到函數ZCAN_StartCAN中，然后判斷返回值是否等于1，如果不等于1則啟動CAN失敗，流程終止；如果等于1則啟動CAN成功，錯誤輸出為無錯誤，流程繼續往下運行。Start CAN.vi的LabVIEW圖形化程序如圖6。

CAN啟動成功后，流程直接進入Receive.vi程序的無錯誤分支。先將通道句柄和協議類型填充到函數ZCAN_GetReceiveNum中，這里CAN協議參數設置為0，如果是CANFD則設置為1。然后對緩沖區幀數進行判斷，緩沖區幀數大于0則進入選擇結構的真，真分支中設置CAN接收函數ZCAN_Receive的通道句柄、空的數據幀數組結構、數據幀數、超時時間等參數，然后接收函數輸出接收幀數和帶有報文數據的CAN數據數組。Receive.vi的LabVIEW圖形化程序如圖7。

Transmit.vi程序與Receive.vi程序是并行的，CAN啟動成功后直接進入無錯誤分支，發送CAN數據協議值設置為0。函數ZCAN_Transmit需要填充CAN通道句柄、待發送的數據幀數組、數據幀數等參數，發送完成后返回值如果不等于發送幀數，則發送失敗，發送停止；如果等于則發送成功。Transmit.vi的LabVIEW圖形化程序如圖8。

以上是數據收發模塊的程序設計，實現了設備的打開、CAN通道的初始化、CAN通道的打開、CAN報文的收發等功能。

4.3.2 數據解析模塊程序設計

數據解析模塊主要是對接收到的CAN報文以及質檢標簽進行解析，Data Analysis.vi主要包含CAN報文解析和質檢標簽解析兩個部分。

CAN報文解析主要分析ID和數據。不同的ID包含不同的信號，首先要對ID進行區分，然后分別對不同ID的數據進行解析。本文以4P3S的模組檢測為例進行解析，BIC會發出10D2F4F4、10D1F4F4、10D3F4F4、18A1F4F4、18A2F4F4、18B1F4F4這6個ID的拓展幀報文，使用6個分支的選擇結構分別對每個ID的報文進行解析。以ID=10D1F4F4的報文為例對數據進行解析，數據是一個包含8個元素的簇，分別對應數據的8個字節，先對簇進行解綁得到8個字節，其中第3、4個字節表示單體最大電壓，第5、6字節表示單體最小電壓，分別對第3、4字節和第5、6字節進行整數拼接，再將數據類型轉換為雙精度浮點型，然后乘以0.001后分別得到單體最大電壓CELLmax、單體最小電壓CELLmin，單位是V。模組的壓差△U是CELLmax與CELLmin的差值×1000，單位是mV，得到△U后與壓差標準比較，如果壓差符合標準要求，前面板的壓差指示燈亮綠色，同時內部的選擇結構進入分支真，前面板CELLmax、CELLmin、△U的顯示控件的背景顏色設置成白色，如果△U大于壓差標準，則進入分支假，前面板CELLmax、CELLmin、△U的顯示控件的背景顏色設置成紅色，壓差指示燈也會亮紅色，提醒檢測人員模組測試數據異常。報文解析的LabVIEW圖形化程序如圖9。

質檢標簽中包含電壓、溫度和批次碼等標準信息，先對質檢標簽字符串進行首尾去空格，然后對特殊字符“/”進行字符串匹配定位，再截取表示電壓中值的字符串，最后通過計算獲得電壓相關的標準。同理可以獲取到溫度、批次碼相關標準。質檢標簽解析的LabVIEW圖形化程序如圖10。

4.3.3 NG報警模塊程序設計

測試過程中出現測試NG的情況就會彈窗提示，NG Remind.vi的LabVIEW圖形化程序設計如圖11，主要對下面四種情況進行報警提示。

（1）掃描模組碼后，遍歷搜索測試記錄中所有的模組碼，如果模組碼重復出現，程序自動彈窗“模組碼重復，請注意”。這種情況只會提示模組碼重復，測試人員確認后測試流程正常進行，測試結果會覆蓋原來的測試結果，保證測試結果的唯一性。

（2）獲取模組碼長度值如果不等于24位，則彈窗“模組碼長度不符合要求”。

（3）截取模組碼的第10位至14位與批次碼比對，如果不符，程序自動彈窗“批次碼錯誤，請確認模組碼批次”。

（4）分析模塊中會得到 “總壓”、“電壓”、“壓差”、“溫度”、“溫差”的解析結果，只要這些結果中有一項NG，測試結果就是NG的，程序會自動彈窗“模組測試NG”。

4.3.4 檢測記錄模塊程序設計

模組下線檢測完成后保存測試結果，以備后續查詢測試記錄。測試開始時Test Record.vi程序先要生成一個.csv格式的記錄表，記錄表的名稱為“模組下線檢測+當天的日期”，生成的路徑為應用程序所在目錄的路徑。如果所要生成的記錄表已經存在，則不再生成。這樣可以保證每天有且僅有一個記錄表，便于根據日期管理測試記錄。記錄表生成的LabVIEW圖形化程序如圖12。

檢測記錄模塊的LabVIEW圖形化程序如圖13，記錄的內容包含測試時間、批次碼、模組碼、CELLV01、CELLV02、CELLV03、CELLV04、△U、TOTALV、CELLT01、CELLT02、△T、檢測結果等項目。

程序首先打開測試開始時生成的記錄表，讀取記錄表中的內容當作一個數組，然后將新獲取到的測試結果作為一個元素添加到這個數組中，再將新的數組寫入到記錄表中，就完成了新的測試結果的記錄。測試記錄表如圖14。

4.4" "程序前面板設計

程序前面板設計如圖15，前面板的顯示控件與后面板程序框圖是緊密聯系的，包含以下幾個部分：

（1）模組碼、質檢標簽碼輸入窗口，用于錄入模組、質檢標簽信息；

（2）“測試OK”指用于提示測試結果，開始結束按鈕用于開始/結束測試流程；

（3）總壓、電壓、壓差、溫度、溫差等控件，用于查看測試的實時數據；

（4）總壓、電壓、壓差、溫度、溫差指示燈，NG時亮紅燈，提示NG項目；

（5）模組測試個數、托數的計數窗口，用于記錄測試數量；

（6）測試記錄窗口，測試人員可以查看已測模組數據情況。

5" " 鋰電池模組下線檢測流程

鋰電池模組下線檢測流程如圖16，測試人員負責連接線束、掃碼、啟動測試、NG原因解析、拆模組線束、模組下線等動作，上位機負責喚醒BIC、解析報文、NG報警、測試結果記錄、睡眠BIC等動作，BIC負責采集數據并轉發給上位機。

6" " 總結

本文介紹了基于LabVIEW的鋰電池模組下線檢測系統的工作原理、系統硬件選擇、上位機軟件設計以及系統的下線檢測流程。重點介紹了檢測上位機軟件的設計，主要包含數據收發模塊、數據解析模塊、NG報警模塊、數據記錄模塊的程序設計，選擇了易于理解的圖像化編程語言LabVIEW作為上位機的開發語言，希望大家能夠領略到圖形化編程語言的魅力。模組下線測試的目的是將不合格的模組提前識別出來，減少Pack裝配時的不合格率，提高Pack生產的一次下線合格率。隨著新能源汽車快速的發展，鋰電池模組下線檢測的需求將越來越多，鋰電池模組下線檢測系統能夠高效快速的對模組進行檢測，將越來越多的應用到實際生產中。

參考文獻：

[1]陳樹學. LabVIEW寶典（第三版）[M]. 北京：電子工業出版社，2022.

[2]劉晉霞，胡仁喜.LabVIEW2012虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2014.

[3]李頂根、唐曉峰.基于CAN通信的電動汽車BMS測試平臺設計[J].電源技術，2018，42（10）：1543-1545.

[4]吉淑嬌.基于USB和LabVIEW的數據采集測試系統設計[J].長春大學學報，2021，31（6）：20-23.

[5]申彩英，申麗軍.基于CAN總線的電池管理系統研究[J].電源技術， 2017（11）：50-51+77.

專家推薦語

吳杰余

東風汽車集團有限公司研發總院

新能源汽車總師" 研究員級高級工程師

該文章介紹了電池模組的下線檢測系統的的設計方案，完整性好，有一定的參考價值。

胡可意

畢業于武漢理工大學，車輛工程專業，大學本科，現就職于東風汽車集團有限公司研發總院質量驗證中心，任試制專業主管工程師，主要從事試制技術與工藝研究工作，已發表論文1篇。