基于LabVIEW的电动汽车电池监测预警系统

基于LabVIEW的电动汽车电池监测预警系统

马伟1,张洪浩2,董鹏举3

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博255000;2.东北林业大学 交通学院,黑龙江 哈尔滨150000;3.北汽福田山东多功能汽车厂,山东 潍坊261061)

摘要车载电池作为电动汽车的核心部件,如何有效的管理和利用蓄电池的能量,增加电池的使用寿命成为关键问题。文中介绍了一种基于STC89C52的蓄电池信息采集硬件平台,通过对A/D转换、串口通信、温度传感器控制等部分的完善,开发了完整的硬件数据采集系统,实现了对单体电池电压、电流、温度等基本信息的采集功能,运用LabVIEW搭建上位机数据处理平台,对适用于纯电动汽车的电池实时监测预警系统的研究,实现了电池基本信息测量、电量估计、故障报警等功能,以及对电池组进行合理有效的管理和控制,该系统工作中运行稳定,在实际应用中具有良好的参考价值。

关键词STC89C52单片机;纯电动汽车;电池监测预警;LabVIEW

收稿日期:2015-02-03

作者简介:马伟(1992—),男,硕士研究生。研究方向:中频电源和电动汽车。E-mail:1076753919@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.031

中图分类号U491.1

Research on Electric Vehicle Battery Monitoring andEarly Warning Systems Based on LabVIEW

MA Wei1,ZHANG Honghao2,DONG Pengju3

(1.School of Electrical and Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China;

2.School of Transportation,Northeast Forestry University,Harbin 150000,China;

3.FOTON Gratour Auto Business Shandong Multifunction Plant,Weifang 261061,China)

AbstractThe battery is the core part of electric vehicles,and the effective management and use of battery power and the improvement of battery life is a key to the development of electric vehicles.A battery hardware platform based on STC89C52 is built for the collection of the single cell voltage,current,temperature and other basic information with improved A/D conversion,serial port communication and thermo sensor control.The PC data processing platform is built using LabVIEW for the study of pure electric vehicle battery real-time monitoring and early warning system,providing functions such as the battery measurements,power estimates and fault alarm as well as effective battery management and control.The system works stably with good battery performance,laying the theoretical foundation for the future development of battery performance optimization.

KeywordsSTC89C52 SCM;pure electric vehicles;battery monitoring and early warning;LabVIEW

能源枯竭和环境破坏的矛盾日益突出,基于电动汽车的节能和环保性,电动汽车的发展已成为必然趋势。车载电池是电动汽车的核心部位,而电池管理系统研究的关键是如何有效利用蓄电池的能量,增加电池的使用寿命。电池管理系统能够估计出剩余电量SOC,确保SOC在合理的工作范围,又可以对故障电池进行早期预测,避免由于单体电池的破坏不能及时发现而降低整组电池的使用寿命。因此,电池能量管理系统(BMS)的研究越来越受到人们重视。

宋雪桦[1]等设计了适用混合电动汽车上动态均衡式的电池管理系统(BMS),优化了SOC估算,满足了系统估算5%以内的误差要求,实验最终结果误差为3.3%;王波[2]等基于LTC6803电池管理系统的电压采集滤波、温度采集扩展、电压均衡、SPI 通讯等外围电路的设计方法,最大限度地减少了外围器件的使用;张华辉等基于DSP的锂离子电池管理系统,实现单体电池电压、总电压、电流、温度的检测,具有SOC估算、通讯、计算机监测等功能。

本文运用基于STC89C52的蓄电池信息采集硬件平台,实现对单体电池电压、电流、温度等基本信息的采集功能,在LabVIEW中搭建上位机数据处理平台,对适用于纯电动汽车的电池实时监测预警系统进行研究,实现了电池基本信息测量(电压、电流、温度)、电量估计、故障报警等功能。

1研究方法

电池监测预警系统需具备监测电池工作状态的功能,包括电池的电压、电流和温度,并在其超出工作范围时进行报警,最大限度发挥电池的功效。

1.1　系统方案选择

监控平台是基于电池管理系统设计,包括硬件和软件两个部分。硬件部分是基于STC89C52蓄电池的信息采集硬件平台,对单体电池的电压、电流、温度等基本信息进行采集。软件部分是运用LabVIEW实现电池基本信息测量、电量估计、故障报警等功能。

目前,市面上成型的电池监测预警系统主要包括集中型、分散型和集成型3种。该研究采用以STC89C52单片机为处理芯片的下位机,对单体锂离子电池的基本信息进行采集和上传,而在上位机基于LabVIEW搭建监测预警平台,进行实时数据的显示和报警。

1.2　电池的状态监测

电池监测预警系统的主要功能是实时监测锂离子电池的运行状况,并将其反馈到上位机进行显示和处理。该研究以单体磷酸铁锂电池为例进行运行测试。

电压的监测:单体磷酸铁锂电池的正常工作电压范围是2～3.7 V,若不在这一区间,系统将自动报警。

电流的监测:放电电流的大小对于电动汽车的安全工作至关重要,若超过正常工作范围,将可能引起电池组起火甚至爆炸。

温度的监测:单体磷酸铁锂电池的正常工作温度是-20～50 ℃,若超出范围,平台将自动指示报警。

1.3　串行口通信设置

下位机与PC机的通信方式通常有并行和串行两种方式。在现代单片机测控系统的设计实现中,信息的交互通常采用串行通信方式。其中,串行通信又包含异步串行通信和同步串行通信两种方式[3]。异步串行通信方式中,通信的发送与接收设备使用各自时钟控制数据的发送和接收过程,因为这种方式不要求收发双方时钟的严格一致,实现起来相对简单,设备开销较小。因此,本研究使用的通信方式为异步串行通信方式。

目前,最常用的串行接口标准是美国电子工业协会(EIA)所制定的异步串行通信标准RS-232,它可以实现单片机与PC机的数据通信,其通信原理电路图如图1所示。

图1　RS-232通信原理电路图

由于单片机使用TTL电平,而RS-232使用的是RS-232电平,为保证通信稳定性,该论文使用电平转换芯片MAX232,同时集成RS-232电平和TTL电平之间的互转[4]。电路原理图如图2所示。

图2　MAX232通信原理电路图

2电池监测预警系统的硬件实现

2.1　电池监测预警系统的硬件结构

硬件部分使用STC89C52蓄电池信息采集硬件平台,实现对单体电池电压、电流、温度等基本信息的采集功能。单体磷酸铁锂电池的电压、电流、温度采集的硬件部分结构如图3所示。

图3　电池参数采集硬件结构

2.2　A/D工作原理

在A/D转换芯片中,采集到的模拟信号在时间上是连续的,而发送给单片机的数字信号是离散的。因此,A/D芯片必须在规定的时间点上对采集到的模拟信号进行采样,并将采样数值转换成数字量发送给单片机。

A/D转换分为3个阶段:采样保持、量化和编码。为提高数据转化效率,需采用逐次比较型的A/D转换芯片,通过数次与不同的参考电压进行比较,获取差距最小的电压值,即转换的输出值,原理如图4所示。

图4　逐次比较型A/D转换逻辑电路

在采集电压和电流方面,该研究采用ADC0804芯片,该芯片属于集成逐次比较型A/D转换芯片。

2.3　ADC0804电压、电流采集实现电路

ADC0804引脚和功能参见文献[5]。该研究中ADC0804芯片外围电路与单片机的连接原理如图5所示。

图5　ADC0804接线原理图

(1)VIN(+)接电位器的中间滑动端,VIN(-)接地。调节电位器时,中间滑动端的电压在0～5 V的范围内变化,ADC0804的数字输出端在0x00～0xFF变化。

(2)WR、RD分别接单片机的P3.6和P3.7引脚,数字输出端接P1口。

2.4　温度采集实现电路

温度采集实现电路采用DS18B20温度传感器。该装置采用单总线协议,仅占用一个I/O端口,直接将外界温度转化成数字信号,串行输出。DS18B20介绍参见文献[6],测量实现电路如图6所示。

图6　DS18B20温度采集原理图

在电路连接方面,将DS18B20与STC89C51相连进行通信。在实际应用中,通常采用多点采集对电池温度进行测量时,故需将所有传感器的I/O口连接在一起,在程序编写时,通过传感器内部芯片序列号识别,进行多点扩展,设计多通道的温度采集硬件系统。

3LabVIEW上位机监测平台

3.1　LabVIEW虚拟仪器软件介绍

LabVIEW是美国NI(National Instruments)推出的一种程序开发环境,开创G语言——一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程的语言,使用更为方便直观。该图形化程序编译平台具有多种功能包括:DLL(Dynamic Link Library)、多线程、数据记录、运行控制等,可对程序设计进行深入的原理分析、细化的结构设计及灵活的接口实现,确保电池监测预警监控平台的高效性与稳定性[7]。

该研究使用LabVIEW进行测控,将下位机实时采集到的基本信息的16进制通过串口上传至PC。图7为LabVIEW平台的整体界面。

图7　基于LabVIEW的电动汽车电池监测预警平台软件界面

3.2　模拟电压、电流采集

图8和图9分别为电压、电流的实时采集图像。

图8　电压实时采集图像

图9　电流实时采集图像

图10～图12为LabVIEW中处理电压、电流部分的程序图。串口初始化设置的波特率与下位机相同,均为9 600 bit·s-1,数据位为8,无校验位,停止位为1[8]。该部分程序采用层叠式顺序结构,包含3个帧(0～2)。程序中还使用了VISA串口的相关知识、索引数组等相关知识。

图10　串口初始化

图11　实时显示及预警程序

图12　时间延迟

下位机部分接收变化的模拟电压(0～5 V),PC接收单片机发送的电压值(16进制,1 Byte),并转换成十进制形式,以数字、曲线的方式输出。

电压值设定的合理范围是2～3.7 V(磷酸铁锂电池的正常电压范围),低于或高于该范围红灯亮起,电流值设定的上限为50 A(磷酸铁锂电池的持续工作电流约为50 A),当电流高于此值时红灯亮起报警。

3.3　单体锂电池温度采集

图13　温度监测显示

图14～图16为温度采集的上位机程序。串口初始化设置的波特率与下位机相同,均为9 600 bit·s-1,数据位为8,无校验位,停止位为1。该部分程序层叠式顺序结构,包含3个帧(0～2)。另外,程序中使用了VISA串口、索引数组等相关知识[9]。

下位机部分接收变化的温度,PC接收单片机发送的温度值,并转换成十进制形式,以数字、曲线的方式输出。温度值设定的合理范围是-20～60 ℃,低于或者高于该范围红灯亮起,进行报警。

图14　串口初始化

图15　温度的显示与预警程序

图16　时间延迟

4结束语

本研究基于STC89C52的蓄电池信息采集硬件平台,通过对A/D转换、串口通信、温度传感器控制等部分的完善,开发了完整的硬件数据采集系统。借助LabVIEW开发平台的多线程及其灵活的接口技术,利用其强大的数据处理能力以及丰富实用的程序结构,对适用于纯电动汽车的电池实时监测预警系统进行了研究,主要实现了电池基本信息测量、电量估计、故障报警等功能。

参考文献

[1]宋雪桦,吴和生,刘锦娟,等.混合电动汽车电池管理系统设计[J].电子测量与仪器学报,2011,25(9):787-792.

[2]王波.基于LCT6803的电池管理系统设计[J].电源技术研究与设计,2013(7):1188-1204.

[3]马宝初.基于流量-冲次闭环抽油机的SRD设计[D].长沙:中南大学,2009.

[4]张华辉.一种基于DSP的锂离子电池管理系统的设计与应用[J].辽宁工程技术大学学报,2010(1):132-135.

[5]徐亦朱,达拉斯DS18B20可编程分辨率单总线数字温度设计[D].马鞍山:安徽工业大学,2007.

[6]蔡旭,裴志蕾,卢超.基于GSM温度检测系统的设计[J].电子科技,2011,24(3):83-86.

[7]徐超.LabVIEW在实时测控系统中的应用研究[D].重庆:重庆大学,2005.

[8]曹家勇,陈幼平,詹琼华,等.开关磁阻电动机控制技术的研究现状和发展趋势[J].电机与控制学报,2002(1):1-5.

[9]Scott Stanton.Analysis of a dual channel switched reluctance motor generator[M].Tex,USA:Ansoft Corporation,2004.